大功率深孔定向鉆機雙馬達動力頭設計

張 銳

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

定向長鉆孔可提高回采煤層瓦斯鉆孔成孔率和抽采效率[1-2]。隨著煤炭產業供給側改革對煤礦產能優化，大型、特大型煤礦產能占比達到70%以上，大型礦井超長工作面機械化快速開采對瓦斯、水害等災害高效防治技術需求日益迫切；對災害防治定向孔的成孔深度、鉆進效率、成孔質量等提出了更高要求，因此對大功率深孔定向裝備的需求更加迫切[3-4]。動力頭是大功率定向鉆機的關鍵部件，其主要作用是傳遞動力，使鉆具以不同的轉速和轉矩作正向或反向回轉運動，同時具備處理孔內事故的能力。根據鉆進工藝要求，回轉器的轉速和扭矩性能應能適應孔內鉆進情況變化的要求。

1 總體方案

煤礦井下鉆進施工工藝與地面鉆探施工工藝不同，具有特殊性，因此制定設計動力頭總體方案時采用液壓驅動為設計思路。輸入原件選用高速軸向柱塞變量馬達，由于該類型馬達屬高速小扭矩，要實現動力頭的低速大扭矩輸出，就應與大降速比的變速箱結構相組合，才能實現其性能，動力頭轉速調節通過調節液壓馬達的排量進行。雙馬達動力頭結構如圖1。動力頭的結構包括液壓馬達、變速箱、制動裝置和卡盤，其工作原理是變量柱塞馬達通過變速箱帶動卡盤回轉，從而使鉆具回轉。變速箱為二級減速機構，包括行星減速和斜齒輪減速[5]。

2 動力頭性能參數

圖1 雙馬達動力頭結構Fig.1 Structural configuration of dual motor power head

設備的用途和所配套的鉆進工藝是動力頭轉矩和轉速的決定性因素。深孔鉆進時回轉速度過高對鉆孔內壁擾動大，影響成孔率，因此動力頭的轉速不宜過高。深孔定向鉆進時需通過動力頭帶動孔內鉆具緩慢調節螺桿馬達的工具面向角，此時需要動力頭具備慢速回轉精準控制的功能。動力頭的輸出扭矩應滿足大直徑回轉擴孔和頂板高位鉆孔的需要，還必須具備處理孔內事故的能力。綜合以上因素，將回轉器的輸出扭矩設定為15 000 N·m，輸出轉速設定為135 r/min。

3 動力頭關鍵部件

3.1 雙馬達大扭矩動力頭

為了解決大能力輸出和設備小型化的矛盾，采用雙液控變量馬達作為動力頭驅動單元[6-7]。

動力頭上安裝2 個液壓馬達，液控馬達選用進口A6V200 型液壓馬達，理論排量50～200 mL/r；系統泵采用的是A10V190，理論排量190 mL/r，電動機轉速n 為1 480 r/min。當液壓馬達排量qm最大時，即qm=160 mL/r 時，nmin=600.9 r/min；當液壓馬達的排量最小時，即qm=50 mL/r 時，nmax=2 812 r/min；故液壓馬達轉數范圍在700～2 812 r/min 之間，小于允許最高轉速。

液壓馬達的輸出扭矩M 如式(1)：

式中:△p 為壓力差，MPa；qm為馬達排量，mL/r；ηmm為馬達機械效率；k 為馬達個數。

液壓馬達輸出扭矩見表1。

變速箱部分采用的是二級減速機構，第一級減速機構為行星減速，第二級減速機構為斜齒機構，兩級傳動比之和為11.86，經過變速箱減速后其輸出性能參數見表2，動力頭最大扭矩可達到18 463 N·m。

表1 液壓馬達輸出性能參數表Table 1 Table of output performance parameters of hydraulic motor

表2 動力頭輸出性能參數表Table 2 Table of output performance parameters of rotary head

3.2 卡 盤

大功率雙馬達動力頭卡盤采用橡膠囊式構造。液壓卡盤結構如圖2，它由外殼、套座、橡膠套筒、卡瓦組組成。卡瓦組由4 塊卡瓦組成，各卡瓦接觸面之間均由若干彈簧，卡瓦外邊有1 塊擋板，當沒有液壓力作用時，4 塊卡瓦面之間即保持一定間隙又不致散開。

圖2 液壓卡盤結構Fig.2 Structure of hydraulic chuck

膠囊式液壓卡盤工作原理是高壓油進入橡膠套外側，壓迫卡瓦使其產生徑向位移從而夾緊鉆桿。配油套與主軸之間的密封屬于非接觸密封，非接觸密封也是間隙密封，它是使用有限的通道，允許有很小的但能控制的油量排除，這部分油還可以起到潤滑軸承和散熱的作用。

膠囊式卡盤結構簡單，動作迅速，機械效率高，通過調節夾緊壓力可調整卡盤夾緊力，這對保護鉆桿是非常有用，因而在坑道鉆機中有著廣泛的應用。

膠囊是膠囊式卡盤中一個關鍵部件，其作用是不但要傳遞抱緊鉆桿的徑向力，還要保證液壓油的密封，材質多選用耐油橡膠，邵氏硬度為60～70 左右[8-10]。太硬彈性差，容易撕裂，太軟的容易擠入端面間隙中，使啃噬問題加劇。

膠囊的形狀非常重要，對膠囊的內孔形狀曾有3 種不同的設計：方形、圓形和多邊形。方形和多邊形的形狀較復雜，不利于加工成型，且壁厚變化處易產生裂紋而撕裂漏油，使密封失效。圓形的形狀較簡單，膠囊與卡盤組之間產生相對滑移，有利于均衡膠囊內部的應力，克服了前2 種形狀的缺點，因此采用這種形狀。為了保證膠囊各部分尺寸的準確性，應了解橡膠收縮率的大小，根據多次試驗，一般取0.15%左右合適。在膠囊的中部設有隔圈支撐，它與膠囊外緣形成高壓油腔的密封，并限制其變形的范圍?；宓淖饔檬欠乐鼓z囊擠入卡盤體之間。

3.3 箱 體

變速箱箱體通常采用鑄鋼，其壁厚根據回轉器能力的大小一般為10～12 mm，線體表面應平整，外壁鑄造出加強筋以提高強度和剛度。加強筋的位置布置應有利于提高軸承孔處的剛度以及箱體抵抗外載荷引起的變形的能力。

為了便于箱體的鑄造和加工，應盡量減少箱體內壁的臺階和隔板。軸孔設計，應使同一直線上不同的孔依大小順序排列，便于一次裝夾就能將同一軸線上的軸孔鉆、鏜加工出來，保證各孔的同軸度。

變速箱的密封必須可靠。箱體、軸承和軸承座之間采用密封圈和石棉墊進行密封，箱體上的螺孔不應鉆透防止潤滑油沿螺紋孔泄漏，軸的外伸段采用雙唇骨架油封。

3.4 定向制動裝置

定向制動裝置安裝在動力頭輸入軸后端，用于定向鉆進施工時抱緊主軸[11-12]。其原理是制動時油壓推動活塞桿沿軸向運動，推動壓盤移動，使主動摩擦片和被動摩擦片接觸，伴隨壓力的增加，摩擦力逐漸增大，完成制動功能。摩擦片是抱緊裝置的關鍵零件，其可靠性的高低影響整個制動的性能。由于摩擦片為非標結構件，在加工中也遇到了各種困難，開始加工選用15 號鋼，通過滲碳和淬火等方式增加材料的強度和耐摩性能，由于摩擦片本身很薄，很難保證要求的滲碳深度，材料的性能將不能完全滿足使用要求，經過多次改進，最終選取65Mn 作為摩擦片的材料，經過一定熱處理，采用線切割的方式成功加工出符合使用要求的高品質摩擦片。

4 工業性試驗

雙馬達動力頭設計加工試制完成后安裝在中煤科工集團西安研究院生產的大功率定向鉆機上，在國家安全生產西安勘探設備檢測中心進行性能測試后取得煤礦安全標志證書。整機在晉煤集團寺河煤礦進行了工業性試驗。

現場試驗從 2014 年 8 月 10 日開鉆，8 月 22 日結束，施工完成最大主孔深度為1 881 m 鉆孔，單孔總進尺2 601 m，分支孔11 個，其中探頂分支7 個、探底分支4 個，鉆孔施工平均日進尺210 m。

從2014 年10 月至今，晉煤集團寺河礦使用大功率鉆機已施工本煤層定向長鉆孔和頂板高位定向長鉆孔累計進尺超過60 000 m，其中直徑為φ153 mm 的煤層頂板高位大直徑定向鉆孔進尺約3 000 m，對雙馬達動力頭的性能進行了充分的驗證。

5 結 語

雙馬達動力頭采用行星輪加斜齒輪兩級減速型式，通過雙液驅高速馬達驅動，具備大扭矩的輸出性能，提高了鉆機處理孔內事故的能力，具有較強的工藝適應性；采用濕式摩擦片結構的制動裝置設計，解決了大扭矩動力頭在大直徑孔、超深孔鉆進過程中的強力制動難題；滿足本煤層和頂板高位瓦斯抽放鉆孔深孔施工需要。