ZLY2500L 型煤矿用履带式坑道钻机的研制

2022-04-24 09:27胡海峰熊文祥郑明辉
钻探工程 2022年2期
关键词:卡盘换向阀履带

胡海峰,熊文祥,郑明辉

(浙江杭钻机械制造股份有限公司,浙江 杭州 310020)

0 引言

我国是煤炭工业大国,为确保煤矿产业健康发展,加强瓦斯治理对提高煤矿安全保障程度极具重要性[1]。早期,国家煤矿安全监察局提出了“先抽后采,监测监控,以风定产”的十二字方针[2-3]。而煤矿井下钻孔抽采是有效的瓦斯治理手段,坑道钻机是抽采钻孔施工的专用设备。煤矿常用的坑道钻机有三大机型,即分体式、分体式履带、整体式履带。随着煤矿机械化程度的不断提高,履带钻机正逐步替代分体式钻机[4-7]。

目前,传统液压钻机主要由主机、泵站、操作台组成,一般依靠人力搬运,辅助工序长,施工效率低,主要适用于小型煤矿巷道。

整体式履带钻机是将主机、泵站、操作台集成至履带上方,机动性强,移动方便,主要适用于中大型煤矿。在用的整体式钻机受其整体布置结构的局限,基本应用于近水平钻孔,调角范围小,不能有效地进行大角度施工及方便对孔作业[8-9]。

针对目前履带钻机存在的布置不合理情况,本文提出了ZLY2500L 型煤矿用履带式坑道钻机。它是一种新型钻孔装备,钻机属于整体式,履带驱动,机动灵活,主机配置升降、回转机构,调角范围大,对孔方便,主操作台采用可移动式结构,实现远距离操控,提高了设备的安全性能。具备小巧、机动的结构特点,该设备在中小煤矿使用前景广阔。

1 总体技术

鉴于目前市场应用需求,综合国内外钻机的特点,履带式钻机已广泛应用,同时考虑狭窄巷道的快速搬迁及施工需求,钻机总体方案确定采用履带式、整体布置结构。钻机操作台、动力装置布置于后方,主机布置于前方,采用双立柱外悬挂结构,机动灵活,调角对孔方便,大大节省了钻孔对位、支撑辅助时间,切实有效地提高了钻孔效率,同时减轻了工人的劳动强度[10-11]。

ZLY2500L 型煤矿用履带式坑道钻机重点解决了钻机的结构布置、变速箱结构、液压系统等关键技术问题。根据钻孔实际工艺需求,经过多方面对比分析,确定钻机主要技术参数如表1 所示。

表1 ZLY2500L 型技术参数Table 1 Technical parameters of ZLY2500L drill

2 钻机主要结构

钻机结构如图1 所示,主要由主副操作台、泵站、油箱、行走装置、变速箱、移动机构及回转动力头等部件构成。主机位于钻机正前方,泵站及主、副操作台位于钻机后方,泵站固定于履带上方。主操作台为活动操作台,副操作台安装于泵站后方,各部件之间采用高压胶管连接。各部件共同安装在履带底盘上,具有自主移动、转向功能,结构紧凑,钻孔移机方便[12-13]。

图1 ZLY2500L 型煤矿用履带式坑道钻机结构示意Fig.1 Structure of ZLY2500L crawler tunnel drill for coal mines

(1)为方便操作,操作台分为固定式的副操作台以及活动式的主操作台。副操作台主要控制履带行走,钻机的支撑、稳固,动力头的回转、升降、滑移及调角工作。主操作台主要控制钻机立轴的回转,卡盘、夹持器的开、闭以及给进油缸的给进、起拔工作。

(2)泵站采用主、副泵并联式皮带传动结构,主泵是卡盘旋转、履带行走及快速给进用油泵。系统的压力与负载变化相适应,并始终高于负载压力一个小的固定值。副油泵是给进及液压卡盘、夹持器、液压支柱、回转、升降用油泵。系统始终提供恒定的压力。

(3)油箱配备吸油过滤器、回油过滤器、空气滤芯器、液位液温计、截止阀以及冷却器等部件。油箱为旁置式结构,连接、拆卸方便,维修空间大,配备液压油有效存储容量(180 L)。

(4)行走装置由脚踏板、液压支腿、平台、履带总成、回转减速器和回转平台等组成。履带总成配置液压马达驱动,通过驱动轮驱动钢制链板,带动钻车前、后行走。平台固定安装于履带总成上方,作为操作台、油箱、泵站及主机的固定平台。在平台前方安装有回转减速器,其上方安装有回转平台,回转平台上方安装移动机构。当驱动回转减速器回转时,钻机可以实现±90°回转作业。液压支腿固定于行走装置侧方,配备液压锁,方便钻机施工时稳固钻车。

(5)变速箱结构如图2 所示。变速箱为高、低速两挡传动,经螺旋伞齿轮输出至回转动力头。高速挡为2 级减速输出;低速挡为4 级减速输出,可以实现60~680 r/min 跨度转速输出。变速箱由液压马达、变速箱箱体、高低速手柄、回转减速器等部件组成。液压马达为斜轴式手动变量轴向柱塞马达,通过手轮调节马达的单转排量,可以方便实现无级变速输出。按手轮min 指示方向旋转时,排量减小,扭矩减小,转速增加;按手轮max 指示方向旋转时,排量增加,扭矩增大,转速降低。钻机钻进时,可通过变速手柄与调节手轮结合来调整钻机转速,转速范围大,应用范围广。

图2 变速箱结构示意Fig.2 Transmission structure

(6)移动机构用于为钻机辅助支撑、滑移、升降及调整钻孔角度,由滑移油缸、升降油缸、支座、立柱、节套等组成。滑移油缸实现主机前、后滑移功能,方便下套管时让开孔口。升降油缸可以将变速箱与回转动力头整体上、下调节,适应不同高度钻孔施工,可以实现中心高1200~1700 mm 大跨度施工。立柱用于钻进时顶住上顶板,能方便的实现钻机的固定,配备活动式调节杆,适应不同高度巷道施工,适应范围3000~5000 mm。

(7)回转动力头如图3 所示,由机身、主轴箱、卡盘、导柱、回转器、给进油缸、夹持器等部件组成,整体安装在变速箱上面。钻机旋转是由变速箱,经伞齿形轮输出至回转器,回转器通过伞形齿轮带动六方轴回转,传动至主轴箱,主轴箱经齿轮传动输出至卡盘。卡盘采用碟簧与液压夹紧、液压松开的复合式结构,卡盘内部通孔大,可配Ø50、63.5 mm 钻杆卡瓦。主轴箱与卡盘整体通过导柱定位安装至机身上方,通过给进油缸带动,实现钻孔给进、起拔作业,给进行程500 mm。夹持器采用液压卡紧和弹簧松开式结构,内置5 片式卡瓦,夹紧力大,可与卡盘匹配相同直径的卡瓦。通过卡盘、夹持器以及给进油缸的联动控制,实现钻孔打钻、倒杆、卸钻作业。

图3 回转动力头结构示意Fig.3 Structure of the rotary power head

3 钻机液压系统

钻机的液压系统为双泵供油的开式循环系统[14-16],如图4 所示。

图4 液压系统原理Fig.4 Schematic diagram of the hydraulic system

主泵为钻机动力头回转马达及履带行走动力源,副泵为给进、起拔、卡盘、夹持器、其他辅助提供供油动力。电动机启动后,主油泵2 经过滤器5 吸入低压油,输出高压油,进入多路换向阀13,多路换向阀13 的第一片阀为主机功能切换阀,操作手柄至“主机”位置,主泵液压油进入多路换向阀19,多路换向阀19 第一片阀控制马达的正、反转及停止;多路换向阀19 第二片阀控制给进、起拔、停止和浮动;多路换向阀19 第三片阀控制卡盘打开和关闭;多路换向阀19 第四片阀控制夹持器打开和关闭。当马达手柄处于中位时,切换给进、起拔手柄,大泵与小泵合流,实现快速给进、起拔。

多路换向阀13 的第二、三片阀,控制履带马达行走,手柄向前推履带前进,手柄向后拉履带后退,手柄一前一后履带原地旋转。

副泵3 经过滤器7 吸入低压油,输出高压油进入多路换向阀31 及多路换向阀32。

多路换向阀31 第一个手柄为切换手柄,操作手柄置于“主机”位置,实现副泵液压油至副泵功能阀块,副油泵的油液全部进入给进回路由调压溢流阀控制给进压力,阀块出口直接进入多路换向阀19 副泵进油口。副泵功能阀块安装有安全阀及调压阀,安全阀起到限定副泵工作压力,调压阀为给进起拔调压阀,起到钻进及起钻时给进、起拔压力的调节作用。

操作多路换向阀31 第二个手柄实现平台回转功能,控制平台±90°回转;操作多路换向阀31 第三个手柄,实现钻机转角功能,控制回转动力头360°回转;操作多路换向阀31 第四个手柄,控制升降油缸升降功能,实现钻机不同高位孔钻孔作业。

操作多路换向阀32 第一、二、三及四个手柄控制下液压支腿支撑,配置液压锁,可靠锁紧支腿油缸;第五个手柄控制上液压支腿支撑。

液压马达的回转速度(即动力头的回转速度)可以通过操纵马达上的变量手轮来实现。

在夹持器油路中设置有单向阀、液控单向阀及截止阀,夹持器回油通过液控单向阀回油。在下钻过程中,可以操作截止阀,保证夹持器完全打开。

液压系统配置有主、副泵压力表,给进起拔压力表,回油压力表,液位液温计,冷却器,回油过滤器,检修截止阀等附件。

整个液压系统控制简单,维护检修方便,可操作性强。

4 钻机试验

(1)工厂测试。ZLY2500L 型煤矿用履带式坑道钻机试制完成后,在我公司的萧山工业园区进行了试验,如图5 所示,试验进行了扭矩、转速、高、低换挡、给进起拔力、升降、回转、行走及爬坡测试。测试结果表明,钻机驻车可靠,转弯灵活,钻机升降、调角方便,整机工作稳定,主要参数指标满足设计要求。

图5 钻机现场测试照片Fig.5 Field test of the drill

(2)工业测试。2020 年 12 月,ZLY2500L 型煤矿用履带式坑道钻机在皖北任楼矿Ⅱ-7226 底抽巷进行试验,与杭钻ZDY3200S 钻机进行了对比测试,其中ZDY3200S 钻机2 班平均进尺在70~80 m之间,而新型ZLY2500L 型煤矿用履带式坑道钻机2 班平均进尺达到100 m 以上。同时对两款钻机在搬运、调角、对孔及稳固等工序上做了对比,测试数据如表2 所示。测试结果表明,钻机机动性强,效率高,能大大降低人工劳动强度。

表2 钻机试验数据Table 2 Test data of the drill

5 结论

(1)作为一种新型钻机,ZLY2500L 型煤矿用履带式坑道钻机布置紧凑合理,结构新颖,机动性强,井下移动方便快捷。

(2)钻机调角方便,对孔效率高,机动灵活,液压系统操作性强,系统传动简单,维修方便,配备移动式操作台,方便司钻人员远离孔口安全操作。

(3)钻机回转转速范围大,可以在60~680 r/min 内无极调节,扭矩、给进、起拔等参数设计合理,钻进效率高,工艺适应性强,能较好地满足中小煤矿巷道的工作条件。

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