高轉(zhuǎn)速跨輸送帶螺旋鉆機的設(shè)計及應用研究

張澤飛

（山西天地王坡煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

當前在松軟突出煤層瓦斯抽采鉆孔施工中采用的大扭矩低轉(zhuǎn)速鉆機存在排粉效果差、事故處理能力低等問題，有必要進行調(diào)整。同時對于松軟煤層而言，鉆孔需要在巷道兩側(cè)進行施工，因此還要求鉆機需要具有跨輸送帶實施施工的能力。針對以上問題，研制了ZDY15000 型高轉(zhuǎn)速跨輸送帶螺旋鉆進鉆機，并在王坡煤業(yè)松軟突出煤層進行了鉆孔現(xiàn)場試驗[1-5]。

1 ZDY15000 型鉆機的設(shè)計總體方案

1.1 設(shè)計總體方案分析

ZDY15000 型鉆機主要應用工況為松軟突出煤層，具有跨輸送帶實施施工的能力，設(shè)計有鉆桿吊裝機構(gòu)實現(xiàn)升降與旋轉(zhuǎn)互鎖，開孔高度在1.2～1.6 m之間，巷道尺寸寬×高=5 m×4 m。

ZDY15000 型鉆機以《煤礦坑道勘探用鉆機》（MT/T790-2006）標準進行設(shè)計。該鉆機應當具備以下功能：（1）主軸回轉(zhuǎn)最大扭矩15 000 N·m，高速經(jīng)驗值轉(zhuǎn)速80～120 r/min，低速經(jīng)驗值轉(zhuǎn)速40～60 r/min；（2）最大給進起拔力500 kN，給進速度最快1 m/min；（3）卡盤，螺旋鉆桿不適用卡盤，不方便裝夾；（4）夾持器一般2 根油缸，可加持Φ110 mm、Φ280 mm、Φ426 mm 的螺旋鉆桿；（5）二次給進起拔油缸輔助裝卸鉆桿；（6）上穩(wěn)固油缸一般2 根，下穩(wěn)固油缸一般4 根，前頂油缸一般2 根，后頂油缸一般2 根，均應當滿足鉆機的穩(wěn)固要求；（7）調(diào)角油缸或者馬達一般成對使用，應當滿足鉆機的調(diào)角要求；（8）履帶行走一般成對使用，爬坡一般20°驅(qū)動力滿足鉆機行走要求。

鉆桿吊裝機構(gòu)應當具備以下功能：吊臂旋轉(zhuǎn)應當滿足吊裝的旋轉(zhuǎn)要求；吊臂升降應當滿足吊裝的升降要求；吊鉤伸縮根據(jù)鉆機的整體布局合理選擇。

1.2 結(jié)構(gòu)分析

ZDY15000 型鉆機整體結(jié)構(gòu)如圖1，主要由風冷散熱器、電磁啟動器、履帶車體、操縱臺、穩(wěn)固調(diào)角裝置、吊裝提升裝置、主機等組成。

圖1 ZDY15000 型鉆機整體結(jié)構(gòu)示意圖

2 ZDY15000 型鉆機關(guān)鍵部件及技術(shù)分析

2.1 電機功率選型

功率計算：依據(jù)《煤礦坑道勘探用鉆機》（MT/T790-2006）煤礦坑道勘探用鉆機計算公式：

式中：P2為主軸輸出功率，kW；n為回轉(zhuǎn)器主軸轉(zhuǎn)速，r/min；M為主軸轉(zhuǎn)矩，kN·m。

若最大扭矩15 000 N·m 時轉(zhuǎn)速120 r/min，輸出功率=輸出扭矩×輸出轉(zhuǎn)速×π/30/1000，代入計算P2=15 000×120×3.14/30/1000=188.4 kW。

依據(jù)《煤礦坑道勘探用鉆機》（MT/T790-2006）中的鉆機整機效率：機械傳動≥70%，液壓傳動≥40%，參考MT/T790 的液壓傳動的效率≥40%，按40%選用的話需要188.4/0.4=471 kW。

根據(jù)計算，可確定選擇YBK3-355L2-4-315kW（660/1140）隔爆型三相異步電動機。

最大扭矩15 000 N·m 時轉(zhuǎn)速50 r/min，計算功率P2=15 000×50×3.14/30/1000=78.5 kW。

參考MT/T790 的液壓傳動的效率≥40%，按40% 選用的話需要78.5/0.4=196.25 kW。查《煤礦用隔爆型三相異步電動機技術(shù)條件 第1 部分：YBK3 系列煤礦井下用隔爆型三相異步電動機（機座號80～355）》（JB/T9593.1-2015）標準選標準型號最為接近的為YBK3-315L2-4（660/1140）200 kW。 若 按 輸 出 功 率 為78.5 kW 計 算，M=P2×9550/120 ≈6247 N·m。

通過計算得出理論數(shù)值：扭矩6247 N·m 時轉(zhuǎn)速120 r/min；扭矩15 000 N·m 時轉(zhuǎn)速50 r/min。

2.2 液壓馬達和傳動比選擇

選定液壓馬達時要考慮的因素有工作壓力、轉(zhuǎn)速范圍、運行扭矩、總效率、容積效率、滑差特性、壽命等機械性能以及在機械設(shè)備上的安裝條件、外觀等。

已知參數(shù)：扭矩6247 N·m 時轉(zhuǎn)速120 r/min；扭矩15 000 N·m 時轉(zhuǎn)速50 r/min；額定工作壓力一般在16～35 MPa 之間。結(jié)合以往的設(shè)計經(jīng)驗大扭矩、高速、小尺寸的液壓馬達應當選用2 個OMV-630 型擺線馬達，其輸出功率最大為56 kW，初算傳動比：i=15 000/1940/2=3.8。試計算時沒有考慮效率問題，減速器的實際傳動比與公稱傳動比的相對偏差Δi，單級減速器|Δi|≤3%。選0.97，計算可得i=3.8/0.97 ≈3.91，在單級減速器推薦里面選擇i=4，即傳動比定位i=4。

單馬達工作時：斷續(xù)轉(zhuǎn)速為380/4=95 r/min，扭矩為T=1660×4=6640 N·m。雙馬達工作時：連續(xù)轉(zhuǎn)速為315/4/2 ≈40 r/min，扭矩為T=1660×4×2=13 280 N·m；斷續(xù)轉(zhuǎn)速為380/4/2=47.5 r/min，扭矩為T=1940×4×2=15 520 N·m。

2.3 液壓主泵選擇

這里存在單馬達轉(zhuǎn)速和雙馬達轉(zhuǎn)速，根據(jù)液壓馬達OMV-630 的性能參數(shù)表分別計算：單馬達工作時，Vg=380×630/1480 ≈162 mL/r；雙馬達工作時，Vg=380×630×2/1480 ≈324 mL/r。根據(jù)計算結(jié)果確定選擇力士樂的A11VLO190 串泵。

2.4 聯(lián)軸器選擇

聯(lián)軸器的選擇： 電機200 kW，油泵190 cc。聯(lián)軸器的計算轉(zhuǎn)矩為2903 N·m，確定采用北京古德高機電公司的新型星形聯(lián)軸器的彈性元件為星形式（或稱凸爪式）， 具有緩沖減振、不需潤滑、維護方便的特點，具有補償兩軸相對偏移的能力。泵選擇DIN5480 的花鍵軸W50×2×30×24×9g 連接方式，則聯(lián)軸器泵端花鍵為N50×2×30×24×10H。

2.5 鉆桿、鉆頭及導向桿的設(shè)計

螺旋鉆桿直徑110 mm、280 mm、426 mm，鉆頭直徑180 mm、380 mm、550 mm。

Φ110 mm 鉆桿，桿體采用Φ73×7.5 無縫鋼管牌號R780，公母頭材質(zhì)為42CrMoA，桿體與接頭的抗拉強度σb≥1080 MPa，屈服強度σs≥930 MPa。Φ180 mm 鉆頭采用Φ110 mm 鉆桿的母頭，同時選擇球面柱頭硬質(zhì)合金。

鉆頭前端用Φ42 mm 的煤鉆頭導向開孔，正轉(zhuǎn)時用硬質(zhì)合金或金剛石復合片切削，反轉(zhuǎn)時用球面柱頭硬質(zhì)合金反向切割。

Φ380 mm、Φ550 mm 鉆頭翼片均采用此種設(shè)計方案。Φ110 mm 鉆桿與鉆頭接頭為4 方，但是Φ280 mm、Φ426 mm 鉆桿直徑較大，接頭選用8 方。

開孔作業(yè)順序是先打Φ180 mm 的底孔，再打Φ380 mm 或Φ550 mm 的終孔，因此導向鉆桿外型選擇類似子彈頭形狀。導向鉆桿的尾端連接鉆頭，與鉆頭連接采用六方插接，鉆頭六刀翼之間均有環(huán)形鋼帶加固，抵消鉆頭切割時的反作用力，保證六刀翼的強度；鉆頭的桿體與鉆桿的桿體一致，強度也夠；導向鉆桿基本不承受扭矩，只承受本身及鉆頭的重力，所以他的強度要求不高。

3 工業(yè)性試驗

ZDY15000 型跨輸送帶螺旋鉆機在王坡煤業(yè)3203 回風巷進行了工業(yè)性試驗。第一步，基于該巷道3#松軟突出煤層工況，建立松軟突出煤層鉆進工藝方法；第二步，改進調(diào)整鉆機和配套鉆具，提高鉆進效率。

ZDY15000 型鉆機配套單根長度1 m 的Φ110 mm/Φ63.5 mm 插接螺旋鉆桿和保直效果更好的四翼內(nèi)凹鉆頭進行鉆孔施工，截至2021 年8 月一共完成鉆孔58 個，有效總進尺5365 m，平均孔深92.5 m，其中最大孔深為205 m。對比相鄰3316 輔助回風巷采用的其他鉆機施工情況，ZDY15000 型鉆機的鉆進效率和鉆孔深度都有了顯著提高，鉆孔施工效果理想。

4 結(jié)語

ZDY15000 高轉(zhuǎn)速跨輸送帶螺旋鉆機具有高轉(zhuǎn)速驅(qū)動、跨輸送帶施工、開孔傾角和開孔高度可調(diào)、整體式履帶自行走、給進行程大等特點。ZDY15000 型鉆機在3203 回風巷瓦斯抽采鉆孔中進行了工業(yè)性試驗，結(jié)果表明：該鉆機配合螺旋鉆桿和四翼內(nèi)凹鉆頭可進行高轉(zhuǎn)速跨膠帶螺旋鉆進，鉆進效率、成孔深度顯著提高，在松軟突出煤層鉆進施工中的效果較好。