鉆機配油套試驗裝置設計與密封機理分析

2019-06-22 02:45:58楊江波陳逢雷

裝備制造技術 2019年3期

關鍵詞：檢測

楊江波，鄔迪，陳逢雷，王松，陳翔

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西西安710077）

0 引言

國內煤礦坑道鉆探廣泛采用全液壓動力頭式坑道鉆機，這種鉆機大多采用膠囊式卡盤夾緊鉆桿。工作時，卡盤既要夾緊鉆桿還要隨動力頭主軸高速回轉，故采用配油套這種浮動式自動平衡定心結構來為卡盤供油。配油套通過與主軸配合形成一個極小的密封間隙來阻止壓力油的泄漏，使得配油套與主軸之間既能起到密封作用，還可以存在高速的相對轉動，如圖1所示[1]。現有的檢測手段很難直接測量配油套在工作時密封間隙的大小，因此通過檢測其泄漏量衡量其密封性能。配油套型號多樣，拆裝工作復雜，因此有必要研究一種配油套密封性能快速檢測裝置。

圖1 膠囊式液壓卡盤工作原理圖

1 配油套密封機理分析

如圖1所示，高壓油從濾油器、經芯管進入主軸與配油套形成的密封間隙內（這個密封間隙很小，對高壓油存在流阻效應），可有效阻止高壓油從配油套兩端泄漏，使密封間隙內的油液可以保持較高的壓力，形成一個高壓油環，從而使高壓油通過主軸上配油孔進入卡盤，壓縮膠筒實現卡盤的夾緊功能。這種卡盤供油結構使得配油套與主軸之間既有高速的相對轉動，又能起到密封作用，是一種高效的密封方式。

浮環密封屬于非接觸式密封，在密封間隙處存在一定的泄漏量。配油套泄漏量過大時會影響卡盤工作性能，因此必須控制其泄漏量在一定范圍內。配油套的泄漏量計算可參考偏心環縫中流體流動公式[2]：

式中，Q為泄漏量，m3/s；△p為密封液體壓降，Pa；μ 為流體動力粘度，Pa·s；L 為節流長度，m；d 為環形間隙直徑，m；δ為密封間隙，m；e為偏心距，m；ε為相對偏心，ε =e/δ。

2 試驗裝置設計

2.1 總體設計要求

配油套試驗裝置要盡可能真實地模擬配油套的工作狀況，測量在各種工作參數下配油套泄漏量的具體數值，對其性能進行量化分析。試驗裝置的總體設計要求如下：

（1）可以反映卡盤工作狀態下的實際工況，例如主軸轉速的變化情況，配油套與主軸間隙內液壓油溫度和壓力的變化情況。

（2）可以準確的對裝置的試驗數據進行測量，對試驗數據的采集必須迅速、簡便，還需要具有動態儲存功能。

（3）可以檢測大部分型號的配油套，檢測裝置需要具有拆裝方便、準備時間短等優點。

2.2 方案設計

結合配油套的實際工作狀態，配油套在回轉器中的裝配關系以及配油套的工作參數范圍、型號尺寸信息設計了如圖2所示的試驗裝置。

圖2 配油套密封性能檢測試驗裝置

檢測裝置根據中煤科工集團西安研究院有限公司（以下簡稱西安院）ZDY系列鉆機設計，主要包括底座、電機、箱體、主軸、配油套和濾油器等幾部分。檢測裝置采用電動機直接驅動主軸回轉的懸臂式結構，整個裝置通過電動機安裝在底座上。這種懸臂式布局具有整體結構緊湊、更換配油套快捷、可準確模擬配油套的工作狀態等優點。通過箱體外側的有機玻璃窗口，可以觀察主軸和配油套的工作情況。

回轉部件分為主軸和軸套兩部分，配油套安裝在軸套上，模擬其工作狀態。軸套和配油套都可以在不拆開箱體的情況下快速裝卸，通過跟換相匹配的軸套和配油套，就可以實現不同型號配油套的快速檢測。

檢測時，采用液壓泵站將高壓油經濾油器、芯管注入配油套與主軸間隙內，然后啟動電機，驅動主軸回轉。通過泵站控制液壓油壓力，通過電機控制主軸轉速就能模擬不同工況下的配油套的工作狀態。

2.3 驅動結構設計

為了準確模擬工作狀態下主軸持續回轉而配油套浮動的工作狀態，采用電動機驅動主軸，同時通過變頻器驅動電動機來調節主軸回轉轉速。檢測裝置采用YJTG-132M2-6型電動機，其主要技術參數如下：額定電壓 380 V；額定頻率 50 Hz，5～50 Hz范圍內為恒轉矩調速，同步轉速1 000 r/min；變頻器采用LK530型開環矢量變頻器，其主要技術參數如下：輸出頻率0～600 Hz、適合電機7.5 kW及以下。采用變頻器驅動電動機的方式可以將電動機的輸出轉速控制在100～1 000 r/min，額定功率是5.5 kW，額定電流是12 A，額定扭矩是52.5 N·m，可以滿足檢測裝置設計的要求。

2.4 主軸的設計

ZDY系列鉆機動力頭中，主軸作為回轉部件，它與配油套的配合尤為重要。在本檢測裝置中，主軸和軸套作為關鍵零件，其結構參數會直接影響檢測結果。主軸結構如圖2所示，左端通過軸承安裝在箱體上，右端通過圓錐面和軸套配合。在主軸右側端面上設計有螺紋孔，可以對軸套進行快速安裝和拆卸。采用這種結構形式，只需要一根主軸，就可以對多種型號的配油套進行檢測，具有節約成本的優點，同時還使得整個檢測裝置結構緊湊、拆裝快捷。