ZDY400型煤礦用全液壓坑道鉆機的研制

李宗奎+李建超

摘 要：ZDY400型煤礦用全液壓鉆機是一款為煤礦井下施工小直徑近距離鉆孔而設計的低成本、輕便、高效鉆機，文章介紹了該型鉆機的總體方案、技術參數、主要結構設計、液壓原理以及型式試驗和井下工業性試驗情況。

關鍵詞：分體式鉆機；操縱臺；恒功率變量油泵；液壓

1 概述

全液壓鉆機由于結構緊湊、傳動平穩、操縱簡單等一系列的優點，在煤礦井下的鉆孔施工中得到了普遍應用。同時從煤礦井下施工的特殊工況來看，對于搬遷便利、安裝方便，自動化程度高、鉆進能力強的小型鉆機需求量較大；另一方面，從鉆機行業發展的現狀和趨勢看來，在不同的應用領域內，均表現出向小型、集成化和大型、功能全兩個方向發展的局面。ZDY400型煤礦用全液壓坑道鉆機的研制，旨在減輕主機重量，降低成本，簡化系統，提高可靠性，以增強市場競爭能力。

2 鉆機的總體設計

2.1 整體結構形式

根據鉆機的結構原理與設計要求，除了考慮鉆探工藝的特殊要求外，應盡可能的采用機械行業的通用件、標準件及各種液壓元件，以縮短鉆機的試制周期，提高整機的可靠性、互換性、通用性。ZDY400型鉆機采用全液壓動力頭式鉆機設計[1]，整機分為主機、泵站、操縱臺三大部分，各部分間用高壓膠管相連接。解體性好，便于井下搬遷運輸。操作人員可遠離主機和孔口，有利于安全施工。

2.2 主要技術參數

由于在煤礦井下，瓦斯抽放孔、煤層注水孔、探放水孔、注漿孔、防滅火孔、地質勘探孔等鉆孔施工中，70m左右孔深的鉆孔比較多[2]，加上在井下巷道內施工，要求搬遷運輸方便，因而鉆機的主要技術參數選取如表1所示。

表1 技術參數

2.3 主要的結構設計

2.3.1 主機

主機由回轉器、送水器、給進裝置、墊叉組、機架組成，如圖1所示。

（1）回轉器。回轉器是鉆機的核心部件，為了減輕重量，采用擺線液壓馬達直接驅動主軸的傳動方式，主軸與送水器軸連接，帶動鉆桿實現回轉運動。使用恒功率變量油泵實現回轉器的無級調速，以滿足開孔和鉆進兩種工藝要求。回轉器與拖板之間用銷軸式連接，安裝方便。

（2）送水器。送水器也叫水便，用于在鉆進過程中沿鉆桿內孔向鉆頭部位輸送水（沖洗液），以便排出孔內巖屑，另外還可以冷卻鉆頭，保證正常鉆進，延長鉆頭使用壽命。水便由中心軸、殼體、密封圈、導向環等組成。由于采用了定長鉆桿，在回轉器前加桿，所以水便安裝于回轉器主軸前端。水便軸與回轉器主軸之間既可以傳遞拉、壓力，也可以傳遞正、反轉扭矩。水便殼體與回轉器殼體之間采用特殊連接，以限制水便殼體的圓周轉動。為了防止水便軸前端接頭的磨損，通過過渡接頭與鉆桿相連接。

（3）墊叉組。為了固定孔內鉆具，在給進裝置前端設置了墊叉組。墊叉組由墊叉座和墊叉組成。當鉆桿接頭上的扁平缺口處于墊叉座中間時，可以插入墊叉，以限制鉆桿的軸向和周向運動，起到固定孔內鉆具的作用，以便擰卸鉆桿。另外，墊叉座還可以起扶正鉆桿的作用。

（4）給進裝置。給進裝置的設計主要是給進油缸的選擇，另外給進裝置的長度也影響鉆機的整體長度。給進裝置由機身導軌、拖板、油缸等組成。油缸采用單桿雙作用缸，利用活塞桿的伸縮，推動拖板及回轉器沿機身導軌實現給進、起拔運動，采用這種結構拆裝方便，并且拖板的加工比較容易。為了增大油缸的有效行程，采用缸體固定安裝。具體作法是用缸體中部法蘭連接，用V形夾板固定缸頭，做到缸體安裝牢靠。活塞桿端與拖板之間采用耳環、銷軸連接。為了消除拖板與導軌之間的襯板在使用一段時間后由于磨損帶來的不利影響，銷孔設置成長孔，使活塞桿端在垂直面內具有一定的自由度，以改善活塞桿的受力情況。給進裝置通過機身下面的夾瓦與機架連接。

（5）機架。機架用于安裝固定給進裝置。給進裝置可以在機架上調頭安裝，機架的橫梁設計成高度可調的結構，用于調整鉆孔傾角，使鉆孔傾角在-30°～+30°之間變化。機架由底座、立柱、斜撐桿和橫梁等組成。

2.3.2 操縱臺

操縱臺是鉆機的控制裝置。可以控制回轉器的正、反轉或停止，控制給進裝置的給進、起拔或停止。操縱臺由多路換向閥、安全閥、節流閥、減壓閥、壓力表及管件等組成。靠安全閥限制液壓系統最高壓力，起安全保護作用，靠減壓閥調節給進壓力。節流閥與減壓閥配合，可以實現回轉和給進壓力的匹配，保證正常鉆進。靠壓力表可以監視回轉和給進的工作壓力。

2.3.3 泵站

泵站是鉆機的動力來源，由防爆電動機、液壓油泵、油箱、濾油器、冷卻器和底座等組成。電動機與油泵通過柱銷式聯軸器連接，在電動機的帶動工作，油泵從油箱中吸油并排出高壓油，經過操縱臺的液壓閥驅動和控制鉆機上的各個工作機構。油箱設置在了油泵的上方，有利于油泵的吸油。為了減小油箱的容積和降低油液溫度，在總回油路上裝設了板翅式水冷冷卻器。為保持油液的清潔并使油液中的雜物不進入油路系統，在油泵吸油口安裝吸油濾油器，在回油路上安裝回油濾油器，在油箱蓋上安裝有空氣濾清器。為滿足低速大扭矩開孔和高速小扭矩鉆孔兩種工況，同時，提高電機的功率利用率，采用恒功率變量油泵，該泵結構為斜盤式柱塞泵[3]。

2.4 液壓傳動系統的設計

鉆機采用回轉和給進并聯供油的單泵開式液壓系統。當鉆機正常給進時，泵的一部分液壓油進入液壓馬達使鉆機動力頭回轉，另一部分液壓油進入給進液壓缸使鉆機動力頭前進后退，由于減壓閥能保持進口壓力變化時出口壓力恒定、出口壓力低于進口壓力，因此在鉆進近水平或下斜鉆孔時，回轉系統壓力和給進壓力兩者不相互影響，即可任意調節減壓閥控制給進壓力，而此時回轉壓力不隨減壓閥的調節而變化；同時當回轉壓力變化時，如果不調節減壓閥，給進壓力同樣不受影響，這就滿足了正常鉆進的需要。采用回油路節流閥調速可以使給進速度更加平穩，從而減少了對鉆頭切削具上的動載作用，延長了鉆頭壽命。