煤礦液壓鉆機的設計及動態特性試驗分析

李 杰

（山西華陽集團新能股份有限公司一礦， 山西 陽泉 045000）

引言

煤礦生產除了掘進、開采等大型工作任務外，還需要很多輔助工程，包括對工作面瓦斯的抽采、地質勘探等。其中，對于瓦斯抽采和地質勘探均離不開鉆機支撐。目前，在我國不論是瓦斯抽采鉆機和地質勘探鉆機還是液壓鉆機研究的起步較晚，主要體現為鉆機的扭矩和功率偏小，在某些巷道深部無法滿足實際抽采或者探測任務[1]。因此，開發一款大功率、大扭矩的液壓鉆機滿足煤礦生產需求任務具有重要意義。本文設計了一款液壓鉆機并對其中關鍵分系統以及部件特性進行研究。

1 煤礦液壓鉆機的結構設計

1.1 液壓鉆機的功能分析

本文所設計液壓鉆機的工作目標為鉆進1500 m的孔。因此，要求液壓鉆機必須具備能夠輸出大扭矩、具有較大給進和起拔的能力。與此同時，在長距離鉆孔的需求牽引下要求與其所配套的泥漿泵具有高壓力、大流量的特點做支撐，以保證鉆桿的順利鉆進和排渣功能的完成[2]。綜上所述，為了滿足在中硬煤層工作面實現長距離和大直徑鉆孔的高效鉆進任務，要求煤礦液壓鉆機具備如下功能特點：

1）要具備基于大通孔全液壓動力頭的主軸制動功能；

2）可根據工作需求選擇不同鉆機工藝方案開展鉆進任務；

3）整機各結構和分系統布置緊密，且可滿足不同角度鉆孔的施工需求；

4）為提升鉆機的鉆進效率，要求設備具備自主機械化、快速化的對鉆桿進行加裝或拆卸；5）整機具備對實時鉆進參數進行監測和控制的功能，整機必須操作簡單、功能齊全且性能可靠。

1.2 液壓鉆機功能模塊設計

根據煤礦液壓鉆機需要完成對煤層1500 m 和頂板1000 m 的鉆進任務，充分結合理論計算和實踐經驗完成該液壓鉆機各項參數的設計。鑒于篇幅有限，此處僅列出煤礦液壓鉆機的主要性能參數，如表1 所示。

表1 煤礦液壓鉆機主要性能參數

同時，結合液壓鉆機的工作任務，主要是對水平孔的施工。因此，將液壓鉆機按照分體式的結構進行布局，整體布局結構如圖1 所示。

圖1 液壓鉆機整體布局結構圖

2 煤礦液壓鉆機液壓系統的設計

本小節重點對煤礦鉆機液壓控制系統進行設計。本系統的液壓介質為液壓油，實現液壓油循環的方式包括有開式循環和閉式循環方式[3]。其中，將于煤礦液壓鉆機屬于大功率、扭矩大的設備，而且在日常工作中的發熱量大，同時還需要通過液壓系統完成直行和轉彎的單獨操作。因此，本系統采用開式循環系統對液壓油進行循環。

根據煤礦液壓鉆機的工作任務，要求其液壓系統具備鉆進、輔助和行走等控制功能。其中，鉆進系統主要是對回轉回路和鉆進回路進行控制；輔助系統主要是對穩固回路和調角回路進行控制；行走系統完成對液壓鉆機的直線行走控制、轉彎控制和行走制動控制。其中，回轉回路和鉆進回路為液壓鉆機的關鍵回路[4]，本小節重點對其進行設計。

2.1 回轉回路的設計

回轉回路主要是對液壓鉆機回轉器的旋轉進行控制，使得回轉器具備足夠且穩定的輸出轉矩，從而保證鉆機的工作任務。為保證液壓鉆機能夠適應多種鉆進工藝，本回轉回路采取“變量泵+變量馬達”的雙變量容積調速系統進行控制，該系統能夠實現對回轉器旋轉的無級控制，從而保證整個回路的回轉剛性。

同時，在回轉回路中基于負載敏感控制技術設計了防沖擊回路，從而實現對回轉回路中液壓馬達的保護。

2.2 給進回路的設計

給進回路主要是對液壓鉆機液壓缸的給進和快速倒桿操作。結合實際鉆機需求，系統給予的給進力應根據煤層的變化進行實時控制，保證其能夠適應不同地質條件的鉆進任務。本給進回路采用“變量泵+液壓油缸”的驅動方式進行控制。給進路為整個鉆探操作的核心，在整個操作過程中應將給進速度慢速、精確控制，主要通過比例先導和負載敏感控制技術實現。

結合液壓鉆機的工作需求，此處對關鍵液壓元器件進行選型。首先是對液壓馬達和液壓油泵的選型，選型結果如表2 所示。

表2 液壓鉆機關鍵元器件的選型

3 液壓回路動態性能試驗研究

為了驗證所設計的液壓鉆機系統的合理性，本節選取液壓回路的關鍵元器件進行性能試驗研究。重點對液壓油泵、液壓馬達和負載敏感多路閥進行試驗研究。具體試驗方法如下。

將回轉器端的壓力設定為30 MPa，重點對液壓泵和液壓馬達的出口壓力進行研究，試驗結果如圖2 所示。

圖2 額定工況液壓泵和液壓馬達出口壓力曲線

如圖2 所示，在額定工況下液壓泵和液壓馬達出口壓力波動明顯，導致液壓線路中的管道出現嚴重的振動現象，從而對鉆機液壓元器件和機械部件造成損壞。經分析可知，導致上述現象的主要原因為高壓管路的通徑選擇不合理，導致主閥壓力補償器的壓力調節出現偏差。

為解決上述問題，工作人員將液壓鉆機的高壓管路的通徑更換為39 mm；對應的合流管路的通徑為25 mm。與此同時，將系統原合流管路改進為采用通向合流方式，保證主閥壓力補償器能夠正常對壓力進行調整，并具有較好的響應速度。改進后的性能試驗結果如圖3 所示。

圖3 改進后額定工況液壓泵和液壓馬達進出口壓力曲線

如圖3 所示，優化后液壓泵出口和液壓馬達的進口壓力在額定工況下不再出現劇烈的振動情況。

4 結論

液壓鉆機為煤礦生產必不可少的設備，其主要應用于瓦斯抽采鉆孔和地質勘探鉆孔。為解決深孔的鉆進任務，本文設計一款大功率、大扭矩的液壓鉆機，并總結如下：

1）所設計的液壓鉆機可滿足煤層1500 mm，頂板1000 m 的鉆進任務。

2）根據鉆機的工作任務，針對其回轉回路采用回轉回路采取“變量泵+變量馬達”的雙變量容積調速系統進行控制，給進回路采用“變量泵+液壓油缸”的驅動方式進行控制。

3）經性能試驗可知，液壓鉆機原設計的高壓管路通徑和合流管路通徑設計不合理導致液壓泵和液壓馬達出口壓力振動劇烈。為此，將液壓鉆機的高壓管路的通徑更換為39 mm；對應的合流管路的通徑更換為25 mm 后解決了振動劇烈的問題。