ZYWL-4000SY 自動鉆機提升機構液壓系統設計

劉小華

1瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室 重慶 400039

2中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400039

隨 著技術的進步，我國煤礦井下瓦斯抽放鉆孔施工正從機械化向自動化方向發展[1]。中煤科工集團重慶研究院有限公司研制的 ZYWL-4000SY 自動鉆機，是首臺用于煤礦井下瓦斯抽放鉆孔的自動化鉆探設備[2]。該設備采用無線遙控操作、自動上下鉆桿、一鍵全自動鉆孔以及數據采集與存儲技術，達到先進水平。

ZYWL-4000SY 自動鉆機的提升系統作為鉆機輔助操作的重要組成部分，主要用于鉆機對開孔高度的調節[3-4]。為保證鉆孔參數的準確性，通常需要對開孔高度進行微調，在常規鉆機的定量泵控制系統中，小流量、高壓力的微調工況，通常會伴隨大量的能量損失和系統發熱，影響鉆機的穩定性。為提高ZYWL-4000SY 自動鉆機的穩定性，迫切需要一種穩定可靠的鉆機機構提升液壓系統。

1 提升機構的結構原理

為增強鉆機對各種巷道條件的適應性，根據ZYWL-4000SY 自動鉆機的總體結構設計，鉆機的主機結構采用全方位布局的形式[5]，其提升機構如圖 1所示。

圖1 ZYWL-4000SY 自動鉆機提升機構Fig.1 Lifting mechanism of ZYWL-4000SY automatic drill rig

ZYWL-4000SY 自動鉆機的主機通過履帶車搭載，在回轉平臺上設置提升套和 2 根提升立柱。提升液壓缸的兩端分別與提升套和提升立柱相連，通過提升液壓缸的驅動，可使提升套以提升立柱為導向上下滑動。提升套的外側連接傾角回轉減速器。底架分別連接傾角回轉減速器和機架。機架上的鉆進機構可以在其軌道上前后移動，并可停靠在任意位置。由于主機的全方位結構設計，其重心必然會偏置。當提升液壓缸驅動提升套進行鉆孔高度調節時，由于鉆進機構的重心偏置，勢必會造成提升液壓缸負載不均勻和液壓缸不同步的問題。

2 提升機構液壓系統設計

為降低鉆機提升系統中的能量損失和系統發熱，同時滿足小流量、高壓力的微調工況，液壓系統采用負載敏感的變量泵控制系統[6]。液壓系統采用電比例控制，并用遙控器對主機的升降機構進行無線遙控操作。為克服提升機構因重心偏置、負載不均勻導致液壓缸不同步的問題，在升降油路中設置分流集流閥。ZYWL-4000SY 自動鉆機的提升液壓系統如圖 2 所示。

1.電動機 2.負載敏感變量泵 3.高壓過濾器 4.負載敏感比例多路閥 5.壓力表 6.液壓鎖 7.分流集流閥 8.提升液壓缸

電動機驅動負載敏感變量泵為整個液壓系統提供壓力油源。液壓油經過高壓過濾器 3 進入負載敏感比例多路閥 4，控制系統驅動比例多路閥 4的閥芯換向，使得液壓油經液壓鎖 6 和分流集流閥 7 進入提升液壓缸 8。壓力表 5 可實時監測提升機構的負載壓力。該系統為負載敏感系統，通過控制比例多路閥 4的閥芯開度來控制提升液壓缸的運行速度，不會有多余的溢流損失，能大幅降低液壓系統的能量損失和系統發熱。液壓鎖 6 能將提升液壓缸鎖定在鉆孔施工所需的任意高度，分流集流閥 7 可對 2 個提升液壓缸進行同步控制，讓其在允許的誤差范圍內同步升降。為提高分流集流閥的控制精度，將分流集流閥設置在液壓缸的無桿腔油路。

3 關鍵液壓件選型計算

系統最關鍵的液壓元件為提升液壓缸和分流集流閥，因此需要對提升液壓缸和分流集流閥進行選型計算。

3.1 液壓缸選型計算

根據自動鉆機的總體方案設計要求，鉆機高度不宜太高，否則無法通過罐籠和井下的風門。提升液壓缸的行程應控制在合理的范圍內，因此將提升液壓缸的行程設置為 0.4 m。根據主機結構估算其質量，可得到提升液壓缸的負載，通過負載可計算出單根提升液壓缸的缸徑。單根液壓缸所需的活塞面積

式中：nk為安全系數，取nk=4；m為主機提升機構的質量，m=2 500 kg；Δp為提升液壓缸的無桿腔與有桿腔的壓差，該系統為中壓系統，取 Δp=14 MPa；ηm為液壓缸的機械效率，ηm=0.9。

將參數代入式 (1)，計算得單根提升液壓缸所需的活塞面積AL=3 889 mm2，由此可計算出單根液壓缸的直徑D=70.8 mm。結合液壓缸的缸徑系列，確定提升液壓缸的缸徑D=80 mm。該缸徑對應的桿徑有 3種，分別為 43、45 和 55 mm，相應速比分別為 1.33、1.46 和 2.00。在此選用速比為 1.46的液壓缸，其對應桿徑為 45 mm。由此可確定提升液壓缸的缸徑D=80 mm，桿徑d=45 mm，行程為 400 mm，從液壓技術手冊查出該液壓缸的安裝距為 700 mm。

3.2 分流集流閥選型

為保證提升機構在上升和下降過程中，2 根液壓缸能在負載不均勻的情況下實現同步動作，需在油路中設置分流集流閥。分流集流閥的選型需要確定其工作壓力、流量和分流比。在確定液壓缸的缸徑和桿徑后，即可對分流集流閥進行選型。由于提升機構采用中壓系統，大部分的分流集流閥的工作壓力均可滿足使用要求。ZYWL-4000SY 自動鉆機的提升機構采用2 根規格相同的液壓缸并聯驅動，需同時升降，因此選用分流比為 1∶1的分流集流閥。為確定分流集流閥的流量，需獲得提升機構的運行速度。按照現場施工要求，提升機構的運行速度v=0.01～ 0.05 m/s，根據選定的液壓缸參數，提升機構所需的流量

由式 (2) 可計算出分流集流閥所需的流量Q=6～30 L/min，按照該流量選擇相應的分流集流閥。當提升機構向下運動時，因分流集流閥安裝在無桿腔油路上，其背壓會增大，但因重力作用，不會造成無法下降的情況。

4 校核計算

液壓件選型完成后，需要對關鍵元件進行校核計算，自動鉆機的提升機構則需對提升液壓缸進行壓桿穩定性校核[7]。在液壓缸運行中，需要保證伸出到極限位置，活塞桿不產生縱向彎曲。活塞桿的推力與極限力的關系為

式中：PK為活塞桿縱向彎曲破壞的臨界載荷，N；n為末端條件系數，按兩端鉸接安裝方式，取n=1；E為液壓缸活塞桿材料的彈性模量，對于鋼，取E=2.1×1012Pa；J為活塞桿截面的轉動慣量；L為液壓缸伸出到極限位置的計算長度，即安裝距與行程之和，L=1.1 m。

由式 (3) 可計算得提升液壓缸的活塞桿縱向彎曲破壞臨界載荷PK=3.44×105N。

一般在實際使用時，為了保證活塞桿不產生縱向彎曲，活塞桿實際承受的縱向載荷 (單根提升液壓缸所受的正壓力F) 應小于極限載荷，即

通過計算可知，采用缸徑為 80 mm，桿徑為 45 mm，行程為 400 mm，安裝距為 700 mm的液壓缸，在提升機構中，其推力小于具有 4 倍安全系數的極限載荷，具有較好的壓桿穩定性。

5 試驗研究

ZYWL-4000SY 自動鉆機在瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室進行了現場試驗。試驗結果證明：

(1) 鉆機的提升機構可實現無線遙控操作；

(2) 提升機構在高速狀態下，2 個液壓缸同步性能較好，運行平穩；

(3) 在低速狀態下，左右兩側液壓缸在運行至末端之時，約有 2～ 3 mm的同步誤差，該誤差主要因分流集流閥在小流量時精度相對較低的特性所致，不影響提升機構的現場使用；

(4) 提升機構不宜在低于0.01 m/s的速度下運行，此時系統流量低于分流集流閥的最小流量，分流集流閥會失效，此時該閥只相當于1 個三通。

6 結語

自2017 年至今，ZYWL-4000SY 自動鉆機分別在安徽淮南謝橋、神東錦界、山東趙樓等多個煤礦進行瓦斯抽放鉆孔施工、探放水鉆孔施工和防沖卸壓鉆孔施工。從現場使用情況看，ZYWL-4000SY 自動鉆機的提升系統可實現無線遙控操作，機構運行平穩，能滿足各種開孔高度的使用要求，具有一定的推廣應用價值。