成志亮

（山西金鼎高寶鉆探有限責(zé)任公司， 山西 晉城 048000）

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，煤礦作業(yè)裝備也逐漸齊全，目前煤礦井下作業(yè)工作面開采已達(dá)到1 500 m 以上，為了能夠達(dá)到作業(yè)面深度瓦斯處理的要求，相關(guān)研究人員設(shè)計(jì)了較大功率的鉆進(jìn)設(shè)備，主要考慮在作業(yè)煤層處進(jìn)行超長定向鉆孔作業(yè)探究，有時(shí)也會(huì)觸及到頂板高位鉆孔作業(yè)方面，通過對該方面的問題不斷深入研究，對煤層鉆孔的深度逐漸增加，確保能夠使得對礦井中的瓦斯進(jìn)行處理，以及對生產(chǎn)管理方面制定全面的制度體系，在煤礦中進(jìn)行定向長距離鉆進(jìn)方法也逐漸在進(jìn)行瓦斯抽采工作上應(yīng)用。針對上面所描述的現(xiàn)象，在“十二五”期間，設(shè)計(jì)了能夠進(jìn)行深度鉆孔的大功率鉆進(jìn)設(shè)備，能夠?qū)崿F(xiàn)在頂板處進(jìn)行較大范圍的鉆進(jìn)，能夠有效地處理上隅角瓦斯的現(xiàn)象。

1 技術(shù)研究思路

1.1 基本需求分析

在鉆進(jìn)的過程中，鉆進(jìn)的對象為頂板，當(dāng)出現(xiàn)破碎巖層的情況下，應(yīng)該通過回轉(zhuǎn)鉆的措施進(jìn)行作業(yè)，從而能夠達(dá)到鉆孔延伸的目的，且在該煤層枝狀鉆孔群進(jìn)行深度鉆進(jìn)的過程中，應(yīng)該使用復(fù)合措施來進(jìn)行定向鉆進(jìn)，這樣的作用是能夠大大提高作業(yè)效率，所以，對鉆機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足復(fù)合鉆進(jìn)、定向鉆進(jìn)、復(fù)合鉆進(jìn)這三大要求；為了能夠確保在面對超長工作面的時(shí)候進(jìn)行瓦斯抽采工作，鉆機(jī)必須滿足其深度鉆孔的長度約為1 500 m 左右[1]；在進(jìn)行作業(yè)的過程中，為了能夠避免不會(huì)出現(xiàn)將鉆頭卡住的現(xiàn)象，需要將鉆機(jī)設(shè)計(jì)為具有較大扭矩輸出的特點(diǎn)，并且還應(yīng)該配有較大的起拔能力，從而能夠滿足鉆被卡住時(shí)能夠進(jìn)行起拔的目的；此外，還應(yīng)該對作業(yè)的周邊地質(zhì)條件進(jìn)行分析，開發(fā)出相適應(yīng)的功能結(jié)構(gòu)。

1.2 技術(shù)解決方案

針對上面所提及的功能要求，對鉆進(jìn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)以及相關(guān)的零部件和作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行研究，如表1 所示為鉆機(jī)的主要相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

表1 鉆機(jī)主要技術(shù)參數(shù)

通過結(jié)合數(shù)字化信息技術(shù)，對鉆機(jī)的工作特點(diǎn)進(jìn)行分析；采用模塊化構(gòu)建模式，將大功率鉆進(jìn)設(shè)備所需要使用的重要功能進(jìn)行設(shè)計(jì)；對記錄的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行審核、CAE 分析等措施，達(dá)到鉆機(jī)一體的目的；通過使用恒功率調(diào)整等相關(guān)的措施，建立能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境的鉆機(jī)液壓系統(tǒng)，通過能夠達(dá)到減小鉆機(jī)設(shè)備的異常情況，提高了設(shè)備的安全可靠性。

2 關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 總體布局設(shè)計(jì)

鉆機(jī)設(shè)備的整體設(shè)計(jì)和運(yùn)動(dòng)方式是需要重點(diǎn)考慮，由于這將會(huì)直接對設(shè)備的尺寸、性能、動(dòng)能類型造成影響，而且還對其設(shè)計(jì)成本、安全可靠性等方面帶來影響。通過對大功率定向鉆井設(shè)備作業(yè)過程中的需求，該設(shè)備通過全液壓的方式進(jìn)行作業(yè)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為履帶式，采用兩列布置結(jié)構(gòu)，從而能夠達(dá)到結(jié)構(gòu)緊湊的效果，如下頁圖1 所示，為鉆機(jī)的外形結(jié)構(gòu)圖。

圖1 鉆機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

將設(shè)備的主機(jī)和操作臺(tái)在底盤上進(jìn)行布置，通過采用液壓管路的方式將各個(gè)部件進(jìn)行功能連接。確保能夠?qū)崿F(xiàn)大的給進(jìn)行程，將雙履帶進(jìn)行平行設(shè)計(jì)，采用液壓油缸和地錨的方式達(dá)到設(shè)備有效固定的目的。通過對定向鉆機(jī)設(shè)備的作業(yè)情況進(jìn)行分析，在操作臺(tái)的右邊安裝防爆電腦集成設(shè)計(jì)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)及時(shí)對鉆孔數(shù)據(jù)查看。

2.2 大能力回轉(zhuǎn)器與托板設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)器是由鉆機(jī)給進(jìn)裝置和托板相互聯(lián)系的，且能夠?qū)崿F(xiàn)起拔力的傳遞，從而托板的設(shè)計(jì)將會(huì)影響到鉆機(jī)能否最大限度地發(fā)揮性能。

2.2.1 大能力回轉(zhuǎn)器設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)器工作原理是通過對鉆具的驅(qū)動(dòng)來進(jìn)行回轉(zhuǎn)，能夠傳遞扭矩和回轉(zhuǎn)速度，此外，也能夠配合擰卸鉆桿相關(guān)事項(xiàng)的需要。為了能夠有效地處理較大能力的傳遞和小型化構(gòu)造的矛盾，應(yīng)該針對性的使用雙液控變量液壓電機(jī)，該電機(jī)的工作原理是通過行星齒輪、斜齒輪后，起作用是達(dá)到了兩級減速的目的，從而有效輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，為回轉(zhuǎn)器的工作原理。通過對工作過程中輸出轉(zhuǎn)矩的需要，最終選擇回轉(zhuǎn)器的總傳動(dòng)比，且需要合理設(shè)計(jì)兩級傳動(dòng)比。

根據(jù)鉆機(jī)設(shè)備的需要，將回轉(zhuǎn)器選擇為通孔結(jié)構(gòu)，通過對關(guān)鍵部件進(jìn)行修改優(yōu)化處理后，最終確定選擇135 mm 的主軸通孔，其作用是能夠?qū)崿F(xiàn)各種型號鉆具。將對齒輪的工作性能進(jìn)行研究，針對性地選擇出齒輪所需要的材料以及結(jié)構(gòu)，并且做優(yōu)化處理，從而能夠?qū)崿F(xiàn)具有較大的輸出功率和輸出轉(zhuǎn)矩。此外，通過采用濕式摩擦片抱緊設(shè)備，將其布置在驅(qū)動(dòng)端，其作用是能夠有效的對鉆進(jìn)設(shè)備進(jìn)行制動(dòng)。

2.2.2 托板設(shè)計(jì)與分析

在主機(jī)單元中，托板作用是將給進(jìn)機(jī)身和回轉(zhuǎn)器進(jìn)行聯(lián)接，且將給進(jìn)力輸送到回轉(zhuǎn)器，從而達(dá)到前后位移的效果。確保有效增加托板的強(qiáng)度，應(yīng)該使用整體式結(jié)構(gòu)的方式進(jìn)行鑄造；確保在進(jìn)行作業(yè)時(shí)能夠有效地避免鉆桿絲扣損耗，應(yīng)該在液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將給進(jìn)油缸和托板之間采用特殊處理。

托板在鉆機(jī)中作為受力零件，需要對托板的結(jié)構(gòu)采用有效地措施進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)三維軟件設(shè)計(jì)托板的三維模型，且采用網(wǎng)格劃分的方式，選擇單元類型的特點(diǎn)是能夠有效地減小積分，且能夠?qū)W(wǎng)格劃分的效果進(jìn)行查看；通過對托板在實(shí)際工作過程中所受力情況的研究，設(shè)立參考點(diǎn)取代主軸中心，進(jìn)行靜力學(xué)仿真試驗(yàn)，如圖2 所示為托板應(yīng)力和形變圖。

圖2 托板應(yīng)力和形變云圖

通過分析，可以明顯看出托板能夠承受最大85.0 MPa 的應(yīng)力，大多數(shù)的應(yīng)力還是在80.0 MPa 以下；也能夠明顯看出最大的形變量是0.180 mm，是在托板后面的位置處。托板設(shè)計(jì)采用的材料是鑄鋼ZG270-500，該材料的許用應(yīng)力為270.0 MPa，所以綜合性能都是滿足所需要的條件。針對應(yīng)力大于80.0 MPa 的位置，通過采用倒角的形式處理；由于在中間的位置處應(yīng)力和形變都比較小，所以不需要外加處理；可以在托板后上部的位置處增加豎筋，其目的是能夠有效減小形變量[2]。

2.3 動(dòng)力與液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對作業(yè)過程中所應(yīng)用的液壓系統(tǒng)進(jìn)行分析，選擇出匹配的液壓元件，且設(shè)備中所選用的動(dòng)力元件將會(huì)直接對設(shè)備的性能帶來影響，應(yīng)該將鉆機(jī)實(shí)際工作情況結(jié)合起來研究。

通過對鉆機(jī)設(shè)備的實(shí)現(xiàn)的功能分析，其液壓系統(tǒng)是由三個(gè)系統(tǒng)組成，分為是行走系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、鉆進(jìn)系統(tǒng)。通過對設(shè)備需要實(shí)現(xiàn)產(chǎn)距離定向鉆進(jìn)的功能要求，需要將鉆進(jìn)系統(tǒng)建立2 種模式進(jìn)行作業(yè)，通過建立兩組泵空容積調(diào)速系統(tǒng)，能夠有效地降低兩種模式之間的干預(yù)，能夠?qū)o進(jìn)單元實(shí)行精準(zhǔn)控制。通過應(yīng)用三泵開式液壓系統(tǒng)措施，能夠?qū)剞D(zhuǎn)和給進(jìn)作業(yè)優(yōu)化處理，達(dá)到節(jié)能的效果。

通過對液壓系統(tǒng)組成研究，進(jìn)行相關(guān)回路的建立。對回路、行走、給進(jìn)等回路采取參數(shù)方面的設(shè)計(jì)；針對于大功率定向鉆機(jī)設(shè)備在工作過程中所具有的特點(diǎn)，采取鉆桿絲扣的防護(hù)處理、防掉鉆保護(hù)、定向鉆進(jìn)保護(hù)等多回路功能，從而能夠有效地增加系統(tǒng)安全性。

3 性能測試試驗(yàn)

對鉆機(jī)的工作性能進(jìn)行測試是確保在實(shí)際工作過程中減少故障率，需要對其進(jìn)行溫升測試、負(fù)載測試、空載和過載情況下測試等。通過相關(guān)的勘探設(shè)備進(jìn)行對鉆機(jī)的性能測試。如下頁表2 所示為鉆機(jī)設(shè)備在低速和高速下的監(jiān)測結(jié)果。

表2 鉆機(jī)負(fù)載性能測試結(jié)果

通過對測試的結(jié)果進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)鉆機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速都能滿足要求，其他相關(guān)的性能結(jié)果的測試也都是符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)論

1）針對大功率定向鉆機(jī)設(shè)備進(jìn)行分析研究，對設(shè)計(jì)該設(shè)備存在的相關(guān)問題進(jìn)行解決，有效地提高了該設(shè)備的工作效率和使用壽命。

2）鉆進(jìn)性能測試結(jié)果顯示該設(shè)備的相關(guān)性能都能夠滿足條件，在進(jìn)行超長距離定向鉆孔的作業(yè)中提供了技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)。

3）通過使用模塊化的設(shè)計(jì)模式，能夠增加鉆機(jī)設(shè)備的零件的通用性，減小開發(fā)成本，對使用大功率鉆機(jī)設(shè)備起到重要的作用。