全液壓坑道鉆機(jī)立式夾持器的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

陳 翔，張 銳，王 松

（中煤科工集團(tuán)西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

0 引言

井下鉆機(jī)是進(jìn)行瓦斯抽采、探放水等煤礦隱蔽致災(zāi)因素探查和治理的關(guān)鍵裝備[1]。鉆機(jī)在狹窄巷道的通過能力、角度調(diào)整范圍等參數(shù)是衡量鉆機(jī)在煤礦井下復(fù)雜條件鉆孔施工的重要指標(biāo)。

夾持器是全液壓煤礦坑道鉆機(jī)的關(guān)鍵部件之一，其作用是為孔內(nèi)鉆具提供夾緊力使其不發(fā)生滑移與轉(zhuǎn)動(dòng)，并可配合回轉(zhuǎn)器轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)擰卸鉆桿的機(jī)械化操作，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度[2]。傳統(tǒng)的夾持器由于其油缸和彈簧等施力機(jī)構(gòu)的水平布置，導(dǎo)致其橫向尺寸過大，直接影響著鉆機(jī)的整體尺寸和調(diào)角能力。因此，若要進(jìn)一步提高鉆機(jī)在狹窄巷道的通過能力，并且滿足鉆機(jī)傾角調(diào)整范圍大的要求，設(shè)計(jì)一款新的夾持器十分必要。

1 夾持器分類及特點(diǎn)

目前常用夾持器按啟閉方式分主要有常開式和常閉式兩種類型[3，4]。

（1）常開式夾持器。常開式夾持器采取液壓夾緊、彈簧松開的方案[5]。其優(yōu)點(diǎn)是夾緊力可通過系統(tǒng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，但是由于其常開的特點(diǎn)，一旦鉆機(jī)失去動(dòng)力源，孔內(nèi)鉆具無法進(jìn)行夾持，易出現(xiàn)事故，從而使其應(yīng)用受到一定的限制。

（2）常閉式夾持器。常閉式夾持器采取彈簧夾緊、液壓松開的方案[2]。其優(yōu)點(diǎn)是夾持可靠，當(dāng)鉆機(jī)突然失去動(dòng)力源時(shí)可以確?？變?nèi)鉆具不發(fā)生滑移；缺點(diǎn)是夾緊力恒定不可調(diào)，且碟簧選取不當(dāng)會(huì)降低鉆具使用壽命。同時(shí)，為了使夾持器張開需配置尺寸較大的油缸，從而增加了夾持器結(jié)構(gòu)尺寸，在夾緊力需求較大時(shí)導(dǎo)致尺寸過大，使用受到限制。

2 立式夾持器的設(shè)計(jì)

由于配套鉆機(jī)需滿足大角度鉆孔施工的要求，該夾持器必須選用常閉式以保證鉆具不會(huì)由于鉆機(jī)突然失去動(dòng)力源而出現(xiàn)意外滑墜[6]。此外，還應(yīng)盡量減少夾持器的橫向尺寸以滿足鉆機(jī)窄體化和大調(diào)角范圍的設(shè)計(jì)要求。基于以上分析，設(shè)計(jì)了一款常閉式夾持器，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 立式夾持器

夾持器置于夾持器座內(nèi)，夾持器座通過螺栓和定位銷與機(jī)身前端相連，整體高度可上下調(diào)節(jié)。夾持器采用常閉式結(jié)構(gòu)，將碟簧和油缸等施力機(jī)構(gòu)置于夾持器下側(cè)。碟簧安裝在彈簧座內(nèi)，通過螺桿2與缸塞、缸蓋連接，共同組成施力機(jī)構(gòu)。通過控制缸塞的上下移動(dòng)，在螺桿1的作用下帶動(dòng)上卡瓦運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)夾緊或松開鉆具。當(dāng)夾持器處于初始狀態(tài)時(shí)，碟簧的預(yù)緊力作用于缸塞，推動(dòng)上卡瓦向下運(yùn)動(dòng)，使夾持器閉合[7]；當(dāng)高壓油進(jìn)入缸塞和缸蓋之間的腔體時(shí)，推動(dòng)缸塞向上運(yùn)動(dòng)壓緊碟簧，帶動(dòng)上卡瓦向上運(yùn)動(dòng)，使夾持器張開；當(dāng)高壓油進(jìn)入缸塞上方的腔體時(shí)，推動(dòng)缸塞繼續(xù)向下運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)上卡瓦強(qiáng)力夾緊鉆具。

3 設(shè)計(jì)計(jì)算

在夾持器設(shè)計(jì)時(shí)，夾持力的計(jì)算及油缸面積的確定是主要的計(jì)算內(nèi)容，也是夾持器設(shè)計(jì)中的核心任務(wù)，其他零部件的設(shè)計(jì)綜合了整體尺寸、使用要求以及油缸、碟簧選型等多方面因素，校核過程繁瑣，文中均沒有一一列舉。

3.1 夾持力計(jì)算

夾持器需提供的夾持力主要由鉆桿自重、鉆機(jī)扭矩或兩者共同作用而決定[8]。

（1）克服鉆桿自重所需的夾緊力F1[9]

式中：m為進(jìn)尺300 m所需的鉆桿數(shù)量，m=200根；Q為單根鉆桿質(zhì)量，Q=24 kg；α為鉆機(jī)調(diào)角范圍，α = ±90°；μ 為鉆桿與卡瓦摩擦系數(shù)，μ =0.3；n為卡瓦與鉆桿摩擦副數(shù)，n=2.

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：78.4 kN.

式中：M為回轉(zhuǎn)器最大扭矩，M=4 300 N·m；d為鉆桿直徑，d=73 mm.

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：F2＝196.3 kN.

代入數(shù)據(jù)計(jì)算得：F3=211.4 kN.

3.2 碟簧的選取

由于采用常閉式夾持器，必須選取合適的碟簧來實(shí)現(xiàn)鉆具的有效夾緊。碟簧的選取以計(jì)算的夾緊力為依據(jù)來進(jìn)行選取，并適當(dāng)考慮夾持器的開口量（即碟簧總形變量）。開口量選取過小會(huì)導(dǎo)致鉆進(jìn)過程中鉆桿擺動(dòng)造成意外磨損，降低鉆具的使用壽命，開口量選取過大則會(huì)導(dǎo)致夾持器結(jié)構(gòu)尺寸增加，因此必須綜合兩方面來進(jìn)行碟簧的選取。

3.3 缸塞面積及最小開啟壓力的確定[10]

式中：P0為系統(tǒng)背壓，P0=0.5 MPa；P1為碟簧預(yù)緊力，P1=47.82 kN；D1為缸塞內(nèi)徑，D1=116 mm；D2為缸塞直徑，D1=110 mm.

缸塞在高壓油的作用下，壓縮碟簧，推動(dòng)上卡瓦運(yùn)動(dòng)，使夾持器張開。代入數(shù)據(jù)計(jì)算得，缸塞內(nèi)徑為φ116 mm時(shí)，最小開啟壓力Pmin為4.98 MPa.

當(dāng)夾持器達(dá)到最大夾持力時(shí)，碟簧與缸塞同時(shí)工作，此時(shí)提供夾持力為Fmax

式中：Fmax為鉆機(jī)夾持系統(tǒng)額定壓力，F(xiàn)max=16 MPa；P2為碟簧工作點(diǎn)壓力，P2=91.7 kN.

將數(shù)據(jù)代入式中，計(jì)算得Fmax＝238.4 kN＞F3，因此可以在擰卸鉆桿時(shí)夾緊鉆具。

4 應(yīng)用

該夾持器成功應(yīng)用于ZDY4300LF（A）型分體式履帶鉆機(jī)，鉆機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示。從圖2可以看出，文中設(shè)計(jì)的夾持器坐落于鉆機(jī)給進(jìn)機(jī)身前端，在鉆進(jìn)過程中起到夾緊鉆桿的作用。由于采用了立式夾持器，使得整機(jī)設(shè)計(jì)寬度為0.85 m時(shí)主機(jī)調(diào)角可以滿足設(shè)計(jì)要求，不與機(jī)架干涉，能夠滿足在狹窄巷道施工大角度鉆孔的要求。

圖2 Z D Y4300L F（A）型分體式履帶鉆機(jī)

該鉆機(jī)在陜西黃陵二號(hào)煤礦進(jìn)行試驗(yàn)的過程中，共完成進(jìn)尺2100余米，總共成孔16個(gè)，其中水平孔1個(gè)，頂板孔8個(gè)，底板孔7個(gè)，最深鉆孔深度達(dá)280 m，最大傾角+20°，最大俯角-30°；在淮北礦業(yè)集團(tuán)楊柳煤礦進(jìn)行試驗(yàn)的過程中，共完成進(jìn)尺369 m，總共成孔8個(gè)，最大孔深達(dá)到73 m，最大傾角73°，最小傾角26°，各個(gè)孔位及進(jìn)尺均達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)，此外，鉆機(jī)的鉆進(jìn)能力仍有極大的富余量，可以適用于更加復(fù)雜的地質(zhì)條件和鉆孔設(shè)計(jì)要求更高的場(chǎng)合。

在工業(yè)性試驗(yàn)過程中，立式夾持器運(yùn)轉(zhuǎn)良好，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度能夠滿足使用要求，夾緊和張開動(dòng)作工作正常，能可靠夾緊鉆具，有效減少了夾持器與鉆具的非正常磨損，延長(zhǎng)了鉆具的使用壽命，為試驗(yàn)的順利進(jìn)行提供了可靠保障。

5 結(jié)束語

夾持器采用了立式設(shè)計(jì)，同時(shí)選擇了復(fù)合式碟簧夾緊形式，解決了夾緊可靠和橫向窄體化設(shè)計(jì)需求，提高了鉆機(jī)調(diào)角時(shí)夾持器在機(jī)架中的通過性，滿足了鉆機(jī)整體窄體化設(shè)計(jì)要求。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明，在累計(jì)進(jìn)尺2 469 m的過程中，夾持器夾緊可靠，且無鉆桿的非正常磨損，完全滿足鉆機(jī)的工業(yè)性使用要求。