ZYJ400／280架柱式液压回转钻机的设计.pdf

4 8 煤 矿支 护 2 0 1 3年第 1 期 石 家 庄中 煤 杯 参 评 论 文 Z YJ 4 O O ／ 2 8 O架柱 式 液压 回转钻机 的设计 刘文 皓 王 少博 [ 石 家庄 中煤装备制造股份有 限公 司，河北 石 家庄 O 5 O 0 3 5 ] 摘 要 对煤 矿 井下探 水探 瓦斯 、地质 勘探 作 业使 用 的 Z Y J 4 o o ／ 2 8 o架 柱 式液压 回 转钻机的结构和性能参数进行 了介绍。概述 了液压系统主要件 的选型计算，同时将 该 钻机 的关键零部 件 简化为 力 学模 型 ，进行 了受力分析 和 强度 刚度校 核 ，确保 了该 钻机在煤矿井下的可靠性。 关 键词 架柱 液压 钻机 力 学模 型 刖 菁 近几 年来 ，探 水探 瓦斯孔 、释放地 压孔 及地 质勘 探孔 作业 量 明显增加 。煤 矿井 下环 境复杂 ，条件艰苦 ，钻探作业面空间狭小， 煤矿 迫切 需要 一种适 应性 广 ，搬运 方便 的钻 机 ，来提 高钻 探作 业效 率 ，减 轻工 人劳 动强 度 。 1 钻机 结构 及参数 针对 煤矿 的需求 ，石家庄 中煤 装备 制造 股份 有 限公 司研发 了 Z YJ 4 0 0 ／ 2 8 0架 柱式 液 压 回转钻 机 。 1 ． 1 钻机 特 点 Z Y J 4 O O ／ 2 8 o架 柱 式 液 压 回转 钻 机 具 有 结构合理 、操作安全可靠 、各个部分解体简 单、解体后搬运维修方便 、主机可沿架柱上 下升降、钻孔倾角可调 、钻探范围大、钻机 输 出功率 大 、效率 高等优 点 。 1 ． 2钻 机 结 构 总体 结构 由主机 、立 柱 、斜支撑 、泵 站 和操作台组成 ，其结构如图 1所示。 主机 由回转器 、推进 装置 、导 轨及钻 杆 导 向套组 成 。 回转器 采用 摆线 马达 直接驱 动 主轴 、钻 杆旋 转 ，结 构 紧凑 ，效 率 高 ；回转 器 带有 自动卸 钻杆装 置 ，能够缩 短拆 卸钻杆 时间 ，减 轻工 人劳 动强度 ；推进 装置 采用油 缸 推进 、链 条倍 速 机 构 ，使 导 轨 长 度缩 短 ， 打 钻 时 整 机 更 加 稳 定 ； 主 机 推 进 行 程 1 ． 3 3 m，长度 不大 于 1 ． 2 m 钻杆 均可 使用 。 1 一证柱 生机；3 - 操作台4 一 柬站 图 1 Z YJ系列架柱式液压回转钻机结构图 立柱 由升降油缸，外套筒 ，内套筒及主 机升降装置等组成。内外套筒等零件经过镀 锌处理 ，防腐能力增强，保证产品在煤矿井 下 潮湿环 境 中长时 间运行 。 泵站 由电机 、油 泵 、油箱 、过滤 器 、冷 却 器等组 成 。 操作 台由换 向阀 、节 流 阀、安全 阀 、压 力 表等组 成 。 1 ． 3技 术参数 Z Y J 4 O O ／ 2 8 o架 柱式 液压 回转 钻 机 的 主 2 0 1 3年第 1 期 煤 矿支 护 4 9 要性能参数为 岩层钻 孔 直径 5 5 ram； 煤 层钻 孔 直径 7 6 ram； 适 用 圆钻杆 直径 4 2 mm； 适用高效螺旋钻杆直径 6 9 ram； 额 定转 矩 4 0 0 N m； 额 定转 速 2 8 0 r ／ mi n ； 回转额 定压 力 1 4 MP a ； 进 给额 定压 力 8 MP a ； 推 进力 1 8 k N； 推 进行 程 1 3 3 0 mm； 空载推 进速 度 3 0 0 0 mm／ mi n ； 返 回速 度 5 0 0 0 mm／ mi n ； 噪声 声功 率级 1 0 8 d B A ； 声 压级 9 0； 最 大水 平钻 孔高 度 2 0 0 0 mm； 最 小水 平钻 孔 高度 8 0 0 mm； 冲洗水 压力 0 ． 6 ～1 ． 2 MP a ； 主机重 量 1 2 O k g。 2关 键件 的 强度校 核 钻机的核心部件为主机和升降立柱 。在 钻孔作业 时，主 机和立柱 部分需要 经 常移 动 ，因此设计这两个部件时需对其进行精确 的受力 分析和强 度校核 ，以确保 其 即重量 轻 、方 便移 动 ，又保 证 足够 的安 全 系数 。 2 ． 1主机 导轨 部 分强 度校核 导 轨 长 度 2 0 0 0 mm，截 面 宽 1 8 2 mm、 高 1 1 9 ram、壁厚 5 ram。导 轨 两 端 到 安 装 孔 中心距 分别 为 1 0 5 0 mm、9 5 0 mm，钻机 额 定 扭 矩 为 4 0 0 N i n。 根据材 料 力学 ，等 厚度 的开 口薄壁杆 的 扭转变形与扭转应力按下式计算 1 扭转变形计算 币一 G h 8 。 式 中 一 导 轨扭 转角 ， 。 ； T ～ 钻机 额 定扭 矩 ，取 4 0 0 N 1 T I ； l 一 导轨 两 端 到 安 装 孔 的 中心 距 ，取 1 ． 05 1T I G 一 材 料 的 切 变 模 量 ， 取7 9 1 0 。 M Pa h 一 导 轨截 面长 度 和 ，取 0 ． 4 2 m； 8 一 导轨截 面 壁厚 ，取 0 ． O 0 5 m。 根据计算 ，导轨扭转角为 0 ． 3 。 。 2 扭 转应 力 材料 许用 切应 力 一一 ．i l i a X h 6 。 式 中T m a x 一导轨 的最 大剪 切应 力 ，单位 M Pa 。 根 据 计 算 ， 导 轨 的 最 大 剪 切 应 力 为 11 4 ． 3M Pa 。 根 据 钻 机 使 用 情 况 ，导 轨 扭 转 角 在 1 。 以 内 ，最大 剪切 应力 不 大于 1 7 0 MP a的许 用 应 力 ，可保 证该 部件 长期 可靠 运行 。通 过计 算 该导 轨 刚度 和强度 符合 要求 。 2 ． 2立柱 部 分设计 计 算 2 ． 2 ． 1 立柱 受力 分析 将 立柱 简 化为力 学模 型 ，并 对其 进行 受 力 分析 ，见 图 2 。 1 外套筒受力分析 2 内立柱受力分析 图 2立 柱 部 分 受 力分 析 1 外 套 筒受 力分 析 1 3 80 F推一 2 1 7 0 F内 F内一 一 1 1 ． 4 5k N1 4 5k N 内一 一 一 F左一 F推 一 F内一 1 8 1 1 ． 45 6 ． 5 5 kN M ⋯一 1 3 8 0 F 一 9 03 9 N I T I 2 内立 柱受 力分 析 F 一 F A FB 21 7 0 F 一 4 6 00 FB FA一 6 ．0 5 kN F 一 5 ． 40 k N 5 O 煤矿 支护 2 0 1 3年第 1 期 M ⋯ 一 21 7 0 FA一 1 31 28 ． 5 N r n 式 中 F 推 外 套 筒 的外 力 ，取 钻 机 的推 进 角 。 力 1 8 k N； F 寿 一外套筒左端的力 ，k N； F 一 外套 筒 和 内 立 柱 之 间 的 内 力 ， kN ； F 一 内立 柱左 端 的力 ，k N； F 一 内立柱 右端 的力 ，k N； M⋯一外套筒或 内立柱 的最大弯矩， N m 。 2 ． 2 ． 2 立柱部分 强度 和 刚度校 核 立 柱部 分强 度和 刚度校 核如下 1 外 套筒 外套筒抗弯截面系数 W z 一 _ 6 9 ．1 08 外 套筒 最大 弯 曲正应力 一一 一 -- 1 3 0O m a x W 6 9 1 08．8 M Pa 7 ． ⋯⋯u 外 套筒 安全 系数 n 一 ． 8 2 内立柱 内立 柱抗 弯截 面系数 W z 一 - 6 2 ． 4 06 内立 柱最 大弯 曲正应 力 一 M 一 6 2 4 0 6 _ 21 O ．4 M P ‰ W ， ． 一 ⋯⋯ 内立 柱安 全系 数 n E ． 3 一 8 5 式 中w 抗弯截面系数 D 一 外 套筒或 内立 柱 的大径 ，c m； d 一外 套筒 或 内立柱 的小径 ，c m； ff m a x 最大弯曲正应力，MP a M一 外套 筒或 内立柱 的弯矩 ，MP a n 一 安全 系数 ； [ D ]一许用弯曲应力 ，取 6 0 0 MP a 。 4 外 套筒挠 度及 转角 采 用 叠 加 法 计 算 立 柱 外 套 筒 挠 度 及 转 1 1 3 8 0处 挠 度 及 转 角 计 算 公 式 v 一 一 3 x --c ，c x l 一 一 丽 ’。 ‘ 、 x ‘ 、 。 一 其 中 I 一 式 中 v 一挠 度 ，单 位 mm P 一外 套筒 的外 力 ，取 1 8 1 0 3 N； c 一 外力 的位置 ，取 1 3 8 0 ram； E弹性 模量 ，取 1 9 6 2 0 6 MP a ； I 外套 筒截 面对 中心 的极惯性 矩 ； l 外 套筒 长度 ，取 2 1 7 0 mm； x 外套 筒上 任 意 一 点 和左 端 面 的距 离 ，单 位 mm； 0 一 外套 筒 的最大转 角 ，单 位 。 。 2 2 1 7 0处挠 度及转 角计算 公 式 P C ⋯ 、 一 一 l 一 0 一 1 3 8 0处 ，v为 2 ． 1 5 7 ram；2 1 8 0处 ，v 为 一0 ． 9 2 mm、最 大 转 角 0为 一0 ． 8 。 。根 据 钻机使用情况立柱弯 曲强度安 全系数 大于 2 ，最大挠 度变 形不 大于 5 mm，扭 转 角在 1 。 以内 ，可保 证 该部件 长期 可靠 运行 。通过计 算该 立柱 刚度 和强度 符合 要求 。 为 了验证 立柱计 算 的准确 性 ，通 过有 限 元 软件对 立柱 外套筒 进行 了受 力分析 ，其 应 力分 析及 位移 见 图 3 、图 4 。计 算结 果相 近 ， 证 明计算 无误 。 图 3 外套筒应力分析 2 0 1 3年第 1期 煤矿支护 5 1 图 4 外套简位移分布 3液压 系统 参数 计算 3 ． 1液 压 马 达 选 型 依据 伊 顿液 压有 限公 司提 供 的性能 参数 表 ，初 步选 定 2 K一2 4 5低 速 大 扭 矩 摆 线 马 达 ，排 量 2 4 5 ml ／ r 、转 速 2 8 0 r ／ rai n 、容 积 效 率 0 ． 9 。流量计 算 结果 如下 流量计算公式 Q一 一 _7 6 ． 2 L／ mi1 0 0 0 1 0 0 0 0 9 n ． n 、 ， ． “ 式 中 Q一 马达所 需 流量 ，单 位 L ／ mi n v 马达 排量 ，取 2 4 5 ml ／ r ； n 一 马 达转 速 ，取 2 8 0 r ／ mi n ； 一 马达的容积效率，取 0 ． 9 。 已知机械效率 0 ． 8 ，根据公式 个一 v g AP h 2 丁 c 其 中 AP-- _ 1 2 ．8 M Pa 液压 管路 压力损 失 按 0 ． 3 MP a 计算 ，系 统 压 力取 1 6 MP a 。 式 中 T 一 马达输 出扭 矩 ，N m； △ P 一 马 达进 出油 口压 力差 值 ，MP a ； 叼 马达 的总效率等于容积效率和 机 械效率 的积 。 3 ． 2液压 油泵 选型 已知 电机转 速 1 4 7 0 r ／ mi n 、泵容 积效 率 0 ． 9 ，根 据公 式 o 一 1 0 0 0 式 中 Q 一 马达所 需流 量 ，取 7 6 ． 2 L ／ mi n ， v 一 泵 的排 量 ，单位 ml ／ r ； n 一 电机 转速 ，单 位 r ／ mi n ； 一 马达 的容积 效率 ，取 0 ． 9 。 由此计 算泵 的排 量 v 一 n 一 1 4 7 O 0 95 7 ． 6 m1 ／ r ∞、 ， ． ⋯⋯ “ 选 定齿 轮泵 排量 6 0 ml ／ r 。 4 结 论 经 过一 年 多 的市场 验证 ，该 钻机结 构设 计 合理 ，钻 孑 L 范 围广 ，整机 拆 解 移 动 方 便 ， 满 足 了矿方 的需 求 ；该 钻机钻 孔 效率 高 ，工 作 稳定 可靠 ，证 明设 计计 算是 正 确 的 。 第一 作者 简介 刘文 皓 男 ，1 9 5 6年 出 生 ， 1 9 8 2年 毕 业 于 河 北 工 学 院 河 北 工 业 大 学 ，学士 学 位 。现 在 石 家 庄 中煤装 备 制 造 有 限公 司工作 ，高级机械工程师 。中国岩石 力 学 与工程 学 会软 岩工 程与 深部 灾害 控制 分 会常务理事。作为第一发明人取得实用新型 专 利 5项 ；作 为合 作发 明人 取得 实用 新 型专 利 2项 。联 系 电话 1 8 6 3 3 0 6 1 0 4 9 ；电 子 信 箱 1 wh x i n x i a n g 1 6 3 ． c o rn。 收稿 日期 2 0 1 2年 1 1月 0 2日；责任编辑陈桂娥 上 接第 4 4页 合理 、高 效 。结 合 严 格 正 规 的施 工 组 织 管 理，保证循环工艺正常运行 ，提高了掘进效 率，取得了月进尺 8 5 m 的效果 。 西 吕梁市 人 ，毕业 于华 北科 技学 院 。现任 徐 州矿 务集 团 三 河尖 煤 矿 掘 进 七 区技 术 主 管 ， 助 理 工 程 师 。 联 系 电 话 1 3 8 5 2 1 2 4 7 0 0 ； Ema i l f e n g j i e l i l 1 1 6 3 ． c o rn 作者 简 介 李 杰峰 男 ，1 9 8 1年 出生 ， 山 收 稿日 期 2 0 1 2 年1 2 月0 6 日 ；责 任编辑陈 桂娥