ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)故障分析

劉小華

1中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司 重慶 400039

2瓦斯災(zāi)害監(jiān)控與應(yīng)急技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 重慶 400039

隨著國(guó)家智慧礦山建設(shè)的穩(wěn)步推進(jìn)，煤礦井下瓦斯抽放鉆孔正在向自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展[1]。由中煤科工集團(tuán)重慶研究院有限公司生產(chǎn)的ZYWL-4000SY 分體履帶式自動(dòng)鉆機(jī)，是最先應(yīng)用于煤礦井下瓦斯抽放鉆孔施工的自動(dòng)化裝備。2016 年以來，已在全國(guó)多個(gè)礦井進(jìn)行瓦斯抽放、探放水和防沖卸壓等工程鉆孔中推廣應(yīng)用[2-4]。ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下鉆桿、一鍵全自動(dòng)鉆孔，大幅降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了鉆孔施工的安全性，其自動(dòng)化功能弱化了工人對(duì)設(shè)備的操作，但對(duì)設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)的要求更高。隨著自動(dòng)鉆機(jī)的大量使用，各礦根據(jù)自身的特點(diǎn)，逐步形成了一套自動(dòng)化鉆孔作業(yè)流程，對(duì)設(shè)備的使用、保養(yǎng)和維護(hù)也摸索出一套行之有效的管理辦法。

1 ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)工作原理

ZYWL-4000SY 分體履帶式自動(dòng)鉆機(jī)主要由泵車和主車構(gòu)成[5]，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of ZYWL-4000SY automatic drilling rig

ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)的泵車作為設(shè)備的動(dòng)力部分，主要由電磁啟動(dòng)器、油箱組件、電動(dòng)機(jī)和液壓泵等組成，并采用履帶車搭載，結(jié)構(gòu)緊湊，運(yùn)輸方便。主車通過履帶車搭載控制系統(tǒng)、鉆桿容納與轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)、姿態(tài)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、錨固系統(tǒng)、上下鉆桿系統(tǒng)和鉆進(jìn)系統(tǒng)，用于機(jī)身的穩(wěn)固、運(yùn)輸和鉆孔操作。自動(dòng)鉆機(jī)在工作時(shí)，由遙控器發(fā)出鉆進(jìn)指令，電控系統(tǒng)根據(jù)預(yù)設(shè)程序，控制電磁閥對(duì)執(zhí)行元件進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上下鉆桿和自動(dòng)鉆孔。

在鉆進(jìn)時(shí)，電腦程序控制副機(jī)械手將鉆桿交給主機(jī)械手，主機(jī)械手再將鉆桿送至夾持器中，動(dòng)力頭與夾持器配合進(jìn)行接扣，然后通過動(dòng)力頭的旋轉(zhuǎn)和推進(jìn)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)鉆進(jìn)操作。當(dāng)鉆進(jìn)到不同的巖層或煤層時(shí)，電腦程序能根據(jù)傳感器反饋回來的鉆進(jìn)參數(shù)變化情況，自動(dòng)調(diào)整鉆進(jìn)速度，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)鉆進(jìn)。卸鉆時(shí)，電腦程序控制動(dòng)力頭和雙夾持器進(jìn)行卸扣，主機(jī)械手將鉆桿從夾持器中取出并交給副機(jī)械手，副機(jī)械手再將鉆桿放回鉆桿箱中。

2 ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)

ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)的鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)主要包含動(dòng)力頭的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、機(jī)架的給進(jìn)機(jī)構(gòu)和雙夾持器的接卸扣機(jī)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 ZYWL-4000SY 自動(dòng)鉆機(jī)鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)Fig.2 Drilling mechanism of ZYWL-4000SY automatic drilling rig

動(dòng)力頭回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要包含齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力頭馬達(dá)、主軸、主動(dòng)鉆桿、過渡盤與傳扭銷等零件。機(jī)架給進(jìn)機(jī)構(gòu)主要包含機(jī)架導(dǎo)軌、給進(jìn)液壓缸、托板、滑塊和位移傳感器安裝座等零件。接卸扣機(jī)構(gòu)即雙夾持器，主要包含前夾持器、后夾持器、卡瓦、夾緊液壓缸、擺動(dòng)液壓缸、保護(hù)套和旋轉(zhuǎn)套等零件。鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)主要用于鉆進(jìn)、退鉆、接卸扣，以及配合機(jī)械手進(jìn)行自動(dòng)上下鉆桿等操作。

在鉆進(jìn)與退鉆時(shí)，動(dòng)力頭帶動(dòng)鉆桿與鉆頭進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)機(jī)架的給進(jìn)液壓缸帶動(dòng)其前進(jìn)或后退，從而實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)和退鉆操作。在上鉆桿時(shí)，主機(jī)械手要將新鉆桿準(zhǔn)確地送入夾持器中，夾持器夾緊鉆桿后，還需將主動(dòng)鉆桿與新鉆桿通過螺紋連接在一起。為保證主動(dòng)鉆桿的接扣操作能順利完成，主動(dòng)鉆桿的中心線與新鉆桿的中心線應(yīng)盡可能重合。在正常鉆進(jìn)和接卸扣時(shí)，動(dòng)力頭在機(jī)架導(dǎo)軌上通過滑塊與托板相連，推進(jìn)液壓缸帶動(dòng)托板和滑塊在導(dǎo)軌上前后移動(dòng)。

鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)作為自動(dòng)鉆機(jī)最重要的組成部分，在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，會(huì)逐漸磨損，從而對(duì)整個(gè)鉆機(jī)產(chǎn)生影響。

3 鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)的故障現(xiàn)象

以淮南礦業(yè)集團(tuán)張集北礦為例，該礦自2020 年 7月開始，在14146 底抽巷集中使用了3 臺(tái) ZYWL-4000 SY 分體履帶式自動(dòng)鉆機(jī)，并組建成自動(dòng)鉆孔作業(yè)線。張集北礦所用自動(dòng)鉆機(jī)主要施工卸壓穿層鉆孔，鉆孔傾角為 10°～74°，鉆孔深度為 42.5～161.7 m。

3 臺(tái)自動(dòng)鉆機(jī)于2020 年7 月1 日開始拆解運(yùn)輸，7 月10 日在井下組裝完成并開始調(diào)試、培訓(xùn)和試運(yùn)行，從7 月25 日開始進(jìn)入正常生產(chǎn)化運(yùn)行。隨著鉆機(jī)的使用，鉆機(jī)逐漸出現(xiàn)故障，尤其鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)的故障較為多見。主要現(xiàn)象有：

（1）主動(dòng)鉆桿晃動(dòng)，偶爾出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象；

（2）動(dòng)力頭前端蓋漏油；

（3）夾持器的保護(hù)套和旋轉(zhuǎn)套磨損嚴(yán)重；

（4）位移傳感器連接座出現(xiàn)變形斷裂；

（5）鉆桿螺紋磨損嚴(yán)重。

截止2021 年8 月，ZYWL-4000SY 分體履帶式自動(dòng)鉆機(jī)已在張集北礦連續(xù)運(yùn)行超過1 a，由于故障頻率越來越高，需要花更多的時(shí)間對(duì)鉆機(jī)進(jìn)行停機(jī)檢修和處理，影響生產(chǎn)效率。

4 故障點(diǎn)拆解情況

為保障自動(dòng)鉆機(jī)的正常運(yùn)行，對(duì)鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)的故障點(diǎn)進(jìn)行了拆解，發(fā)現(xiàn)有以下情況：

（1）主動(dòng)鉆桿絲扣從根部斷裂；

（2）過渡盤和銷軸磨損嚴(yán)重，間隙較大；

（3）動(dòng)力頭前端蓋骨架油封損壞；

（4）夾持器旋轉(zhuǎn)套和保護(hù)套下端磨損較嚴(yán)重，上端幾乎沒有磨損；

（5）位移傳感器連接座向上彎曲變形；

（6）滑塊與軌道間隙較大，約為6 mm。

故障部位拆解情況如圖3 所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)拆解情況Fig.3 On-site disassembly

5 故障原因分析

通過拆解分析并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)鉆機(jī)的使用情況發(fā)現(xiàn)，造成鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)故障的主要原因如下：

（1）主動(dòng)鉆桿晃動(dòng)，主要是銷軸和過渡盤磨損過度造成；

（2）動(dòng)力頭前端蓋漏油，是其內(nèi)部骨架油封損壞造成；

（3）夾持器保護(hù)套與旋轉(zhuǎn)套下端過度磨損，主要原因是鉆桿在旋轉(zhuǎn)時(shí)因自重而向下偏轉(zhuǎn)，從而摩擦保護(hù)套與旋轉(zhuǎn)套的下端；

（4）滑塊的過度磨損，使主動(dòng)鉆桿中心線向下偏移，位移傳感器的活塞桿受到一個(gè)向下的徑向力，導(dǎo)致位移傳感器安裝座受到活塞桿向上的反作用力，因此安裝座會(huì)向上變形；

（5）主動(dòng)鉆桿中心向下偏移，也會(huì)導(dǎo)致主動(dòng)鉆桿在接卸扣時(shí)損傷其絲扣，同時(shí)也會(huì)加速鉆桿絲扣和夾持器旋轉(zhuǎn)套的磨損。

6 故障處理與改進(jìn)方向

結(jié)合故障現(xiàn)象和原因分析，可從兩方面進(jìn)行改進(jìn)：一是從使用與維護(hù)方面進(jìn)行改進(jìn)，另一方面對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

6.1 使用與維護(hù)

（1）在鉆機(jī)的使用過程中，每班在軌道上涂抹潤(rùn)滑脂，以提高滑塊的使用壽命；

（2）每班在鉆桿絲扣上涂抹絲扣油，降低鉆桿與主動(dòng)鉆桿的絲扣磨損；

（3）隨時(shí)觀察主動(dòng)鉆桿的晃動(dòng)情況，若晃動(dòng)過大，應(yīng)及時(shí)檢查過渡盤和銷軸的磨損情況，及時(shí)更換；

（4）每天至少緊固1 次動(dòng)力頭與滑塊、主動(dòng)鉆桿與動(dòng)力頭、夾持器與機(jī)架的連接螺栓；

（5）每周檢測(cè)1 次夾持器保護(hù)套和旋轉(zhuǎn)套，若有過度磨損，應(yīng)及時(shí)更換；

（6）每周檢測(cè)1 次動(dòng)力頭滑塊與導(dǎo)軌間的間隙，若間隙大于3 mm，應(yīng)及時(shí)更換。

6.2 設(shè)計(jì)優(yōu)化

（1）主動(dòng)鉆桿的外螺紋接頭可采用抗磨能力更強(qiáng)的材料，提高耐磨性；

（2）提高拉線傳感器安裝座的強(qiáng)度，增加腰形孔長(zhǎng)度，減小安裝座所受的徑向力影響；

（3）在滑塊允許的極限磨損位置做標(biāo)記，方便觀察和提示更換。

7 結(jié)語

設(shè)備的自動(dòng)化功能弱化了對(duì)設(shè)備的操作要求，但對(duì)設(shè)備維護(hù)和保養(yǎng)提出了更高的要求。自動(dòng)鉆機(jī)使用最頻繁的鉆進(jìn)機(jī)構(gòu)，其損耗不可避免，需要根據(jù)實(shí)際使用情況，隨時(shí)觀察運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)更換磨損的零件，以防設(shè)備發(fā)生故障影響生產(chǎn)。采用標(biāo)準(zhǔn)化管理，提高使用和維護(hù)水平，是自動(dòng)化設(shè)備正常運(yùn)行的前提和保障。