乳化液對鉆機回轉(zhuǎn)效率的影響

徐鵬博， 陳逢雷

(中煤科工集團西安研究院有限公司， 陜西 西安 710077)

引言

近年來，我國煤礦瓦斯事故頻發(fā)，瓦斯含量高、瓦斯超限和煤與瓦斯突出一直是制約礦井生產(chǎn)的主要因素，尤其對采煤工作面防突具有重要意義。煤礦用全液壓坑道鉆機多采用動力頭式鉆機，在鉆進時通過動力頭上的卡盤夾持鉆桿在給進機身上前后移動，實現(xiàn)鉆具的給進與起拔[1]。小鉆機(如煤電鉆)鉆孔成孔率低；而輕型防突鉆機打鉆占用人員多，工人勞動強度大，打眼速度慢，而且電氣設備多、易失爆，給安全管理工作增加了難度[2-5]。液壓鉆機具有輸出扭矩大、推進快、噪聲小、適應能力強等優(yōu)點， 廣泛用于煤礦采煤工作面瓦斯抽放孔、注水孔、探水孔、防突孔等的鉆進[6-9]。液壓油鉆機需要獨立配套液壓泵站，并且以液壓油為工作介質(zhì)的鉆機體積較大、搬遷不方便，在采煤工作面由于作業(yè)空間有限，液壓油鉆機不能發(fā)揮其能力[10]。而乳化液泵站作為煤礦井下液壓動力源， 源源不斷地向采煤工作面提供高壓工作介質(zhì)——乳化液[11]。乳化液鉆機直接采用工作面乳化液泵站的高壓乳化液作為動力源，無需單獨配備液壓泵站和電纜拖移裝置，結(jié)構(gòu)簡單、移動方便、可靠性高[12]。目前國內(nèi)市場乳化液鉆機配置的乳化液馬達主要分為擺線馬達和非圓馬達。擺線馬達內(nèi)部涂有防腐防銹涂層，這種馬達由于批量生產(chǎn)，價格便宜，但是使用乳化液作為工作介質(zhì)后由于乳化液潤滑性不足導致馬達壽命短、效率低；非圓馬達由于內(nèi)部采用非圓結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)子圍繞著定子往復回轉(zhuǎn)的過程中不停吸油和排油，機械效率極高，同時馬達的壽命也得到了極大的提高。本研究選取2款馬達為研究對象。

1 乳化液鉆機的研制

1.1 鉆機結(jié)構(gòu)

給進裝置是全液壓鉆機最主要的執(zhí)行機構(gòu)之一，鉆進過程中給進機構(gòu)實現(xiàn)的主要工作是鉆具的給進和起拔[13]。乳化液鉆機主要應用在綜采工作面附近，用于瓦斯抽放孔的施工。由于綜采工作面空間狹小，不利于履帶鉆機施工，所以乳化液鉆機采用架柱式結(jié)構(gòu)(本項目涉及工業(yè)性試驗，所以未設計機架)。鉆機主要由給進裝置和動力頭水便兩大部分組成，如圖1所示。

1.給進裝置 2.動力頭水便

動力頭水便為動力頭和水便的剛性聯(lián)接體，前部為水便和主動鉆桿，起到鉆孔時通水的作用；后端為動力頭，動力頭與馬達采用平鍵聯(lián)接，后透蓋設計成可以聯(lián)接擺線馬達和非圓馬達，而不需要過渡裝置進行聯(lián)接，縮短了測試過程中更換馬達的輔助時間，提高了測試效率。

1.2 工作原理

乳化液鉆機的動力來源于綜采工作面的乳化液泵站，液壓系統(tǒng)原理如圖2所示。主進液為系統(tǒng)提供高壓乳化液，主回液為系統(tǒng)的低壓乳化液回流通道，為了整個液壓系統(tǒng)的安全性，在主進液和主回液之間布置了安全閥，設定壓力為16 MPa，進液壓力表和回液壓力表能實時顯示系統(tǒng)的壓力，以便操作人員觀察系統(tǒng)運行狀況?；剞D(zhuǎn)手動閥用于控制回轉(zhuǎn)馬達的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，給進手動閥用于控制給進液壓缸的伸出和縮回，在回轉(zhuǎn)馬達和給進液壓缸的回路上分別布置了調(diào)速閥。這樣在施工時可以根據(jù)地層條件配比合適的回轉(zhuǎn)馬達轉(zhuǎn)速和給進液壓缸速度，在提高鉆進效率的同時，可預防安全事故的發(fā)生。

1.回轉(zhuǎn)手動閥 2.給進手動閥 3.回轉(zhuǎn)調(diào)速閥 4.給進調(diào)速閥 5.回轉(zhuǎn)馬達 6.給進液壓缸 7.主溢流閥 8.進液壓力表 9.回液壓力表

2 乳化液選型及配比濃度研究

為了研究不同型號乳化液以及乳化液在不同濃度時對乳化液鉆機性能參數(shù)的影響，選用符合MT 76—2011《液壓支架用乳化液、濃縮液及其高含水液壓液》標準的HFAE10-5型液壓支架用乳化液、HFAE15-5型液壓支架用乳化液和HFAE25-5型液壓支架用乳化液3種型號，其適用硬水等級及硫酸根離子含量如表1所示。

煤礦一般按MT 76—2011《液壓支架用乳化液、濃縮液及其高含水液壓液》標準將乳化液與水配比成5%的濃度，但是本次試驗對象為鉆機，主要目的是測試不同類型及不同濃度乳化液對鉆機回轉(zhuǎn)效率的影響，所以將3種乳化液分別與水配比成7%，5%和3%3種濃度，共計9種測試液，如表2所示。

表2 乳化液與水配比濃度

3 測試數(shù)據(jù)分析

在國家安全生產(chǎn)西安勘探設備檢測檢驗中心的15000 N·m煤礦坑道鉆機綜合性能檢測試驗臺上進行檢測，如圖3所示。檢測是將乳化液鉆機接通乳化液泵站，鉆機動力頭輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速通過鉆桿傳遞到檢測臺主動軸，主軸通過變速箱的加載實現(xiàn)鉆機動態(tài)扭矩和轉(zhuǎn)速的測量，檢測按照乳化液型號分為3個階段進行，3款馬達測試數(shù)據(jù)如表3～表5所示。

圖3 鉆機室內(nèi)檢驗

表3 MRF160馬達測試數(shù)據(jù)

表4 BM4U-200馬達測試數(shù)據(jù)

表5 BM4U-252馬達測試數(shù)據(jù)

分析表3～表5，非圓馬達MRF160、擺線馬達BM4U-200和擺線馬達BM4U-252在HFAE10-5型、HFAE15-5型和HFAE25-5型3種液壓支架用乳化液的配比濃度分別為7%，5%和3%的3種濃度下，分別測試回轉(zhuǎn)效率c，得到圖4～圖6所示。

圖4 3種馬達在乳化液濃度為7%時測得的回轉(zhuǎn)效率曲線圖

圖5 3種馬達在乳化液濃度為5%時測得的回轉(zhuǎn)效率曲線圖

圖6 3種馬達在乳化液濃度為3%時測得的回轉(zhuǎn)效率曲線圖

從圖4可以看出，MRF160馬達在乳化液濃度為7%時，在HFAE10-5、HFAE15-5、HFAE25-5 3種型號乳化液中測試的回轉(zhuǎn)效率基本保持在33%不變，BM4U-200馬達和BM4U-252馬達在乳化液濃度為7%時，在HFAE10-5型乳化液中測得的回轉(zhuǎn)效率最高，分別達到了35%和32%；在HFAE15-5型乳化液中回轉(zhuǎn)效率又迅速降低，分別降至19%和17%，在HFAE25-5型乳化液中測得的數(shù)據(jù)又恢復上升，達到了27%。分析原因是因為MRF160馬達為非圓結(jié)構(gòu)，容積效率高，所以測得的回轉(zhuǎn)效率也比2款擺線馬達高。2款擺線馬達在乳化液濃度為7%時， HFAE10-5型乳化液中測得的回轉(zhuǎn)效率明顯高于在HFAE15-5型和HFAE25-5型乳化液中測得的回轉(zhuǎn)效率，是由于測試兌比的是西安市自來水，水質(zhì)較軟，HFAE10-5型乳化液在這種水質(zhì)中更容易溶解，所以配比的乳化液溶液更適用于乳化液鉆機工作。

從圖5可以看出，MRF160馬達在乳化液濃度為5%時，在HFAE10-5、HFAE15-5、HFAE25-5 3種型號乳化液中測試的回轉(zhuǎn)效率基本保持在33%不變。BM4U-200馬達和BM4U-252馬達在乳化液濃度為5%時，在HFAE10-5型乳化液中測得的回轉(zhuǎn)效率最高，分別達到了27%和21%；在HFAE15-5型乳化液中回轉(zhuǎn)效率又迅速降低，分別降低21%和18%；在HFAE25-5型乳化液中測得的數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定在27%。原因是MRF160馬達為非圓結(jié)構(gòu)，容積效率高，所以測得的回轉(zhuǎn)效率也比2款擺線馬達高。2款擺線馬達在乳化液濃度為5%時， HFAE10-5型乳化液中測得的回轉(zhuǎn)效率明顯高于在HFAE15-5型和HFAE25-5型乳化液中測得的回轉(zhuǎn)效率，是由于測試兌比的是西安市自來水水質(zhì)較軟，HFAE10-5型乳化液在這種水質(zhì)中更容易溶解，所以配比的乳化液溶液更適用于乳化液鉆機工作。

從圖6可以看出，MRF160馬達在乳化液濃度為3%時，在HFAE10-5、HFAE15-5、HFAE25-5 3種型號乳化液中測試的回轉(zhuǎn)效率基本保持在33%不變。BM4U-200馬達和BM4U-252馬達在乳化液濃度為3%時，在HFAE10-5型乳化液中測得的回轉(zhuǎn)效率為21%；在HFAE15-5型乳化液中回轉(zhuǎn)效率分別降至16%和20%；在HFAE25-5型乳化液中測得的數(shù)據(jù)分別為18%和22%。原因是MRF160馬達為非圓結(jié)構(gòu)，容積效率高，所以測得的回轉(zhuǎn)效率也比2款擺線馬達高。

對比圖4～圖6非圓馬達MRF160馬達在測試時回轉(zhuǎn)效率基本保持在33%，擺線馬達回轉(zhuǎn)效率隨著乳化液濃度從7%降至5%而迅速降低，乳化液濃度從5%降至3%時，馬達回轉(zhuǎn)效率基本保持在20%左右，可以得出結(jié)論，BM4U-200型擺線馬達和BM4U-252型擺線馬達在乳化液濃度為3%～5%時，回轉(zhuǎn)效率基本在20%。

從表3～表5中看出，在HFAE10-5型乳化液濃度5%、系統(tǒng)壓力為16 MPa時，非圓馬達MRF160轉(zhuǎn)速為264 r/min，扭矩為318 N·m，擺線馬達BM4U-200轉(zhuǎn)速為183 r/min，扭矩為401 N·m，擺線馬達BM4U-252轉(zhuǎn)速為126 r/min，扭矩為485 N·m。

4 結(jié)論

(1) 非圓馬達和擺線馬達都可以作為乳化液鉆機馬達使用，3個馬達在乳化液濃度為7%時回轉(zhuǎn)效率均在33%左右，能夠輸出較大扭矩；

(2) 非圓馬達回轉(zhuǎn)效率明顯優(yōu)于擺線馬達，隨著濃度的變化，非圓馬達回轉(zhuǎn)效率基本保持不變，但是擺線馬達隨著乳化液濃度的降低，回轉(zhuǎn)效率直線降低；

(3) 不同的乳化液對回轉(zhuǎn)馬達的效率影響比較大，要根據(jù)水的硬度選擇適合的乳化液型號。