ZDY6000LD（A）型履带式全液压坑道定向钻进钻机的设计 -.pdf

煤炭工程 2 0 1 1 年第 1期 Z D Y 6 0 0 0 L D A 型履 带式全液压 坑道 定 向钻进钻机 的设计 邬 迪 ，田宏亮 ，殷新胜 ，孙保 山，方 鹏 煤炭科学研究总院 西安研 究院 ，陕西 西安7 1 0 0 7 7 摘 要 Z D Y 6 0 0 0 L D A 型履带式全液压坑道定向钻进钻机是一种适 用于煤矿井下瓦斯抽采 放 定 向孔施 工 的新 产 品 。钻机 采 用开 式三 泵 系统 ，应 用 了负载敏 感 和 恒压 比例 变量 等 先进 的 液压技 术 ， 系统 能耗 低 、稳 定性 高。钻机 一体 化程度 高 ，平 台上 集成 了主机 、泵站 、操纵 台、履 带车体、水泵、电磁起动器、稳固油缸、照明灯等钻探装置和设备 ，整机机动性好、转移快捷、 井下使用方便。在钻机设计中，结合数字化设计方法，利用软件对虚拟样机进行建模和分析 ，缩 短 了设计周期 ，提高了钻机性能。通过室内试验和工业性试验 ，钻机性能达到设计要求，具有 良 好 的推 广前景 关键 词 履 带钻 机 ；定 向钻进 ；负载敏 感 ；恒压 比例 变量 ；虚拟 样机 中图分类号T D 4 2 1 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 1 0 1 - 0 0 9 8 - 0 3 煤矿井下定向钻进技术是实现煤矿现代化生产和高效 治理煤矿 瓦斯 治理 的一 项重大 关键 技术 。随着 我 国煤 矿开 采效率的提高 ，安全 高效生 产对煤 矿瓦 斯抽采 技术及 钻探 设备提出了更高要求⋯。近些年，我国煤矿井下定向钻进 技术取得较大进展 ，但 钻进 装备 的核心技 术一 直受制 于 国 外 ，影响了钻进效果和安全生产水平的提高，成为制约我 国煤矿现代化建设和解 决煤 矿安全 生产 突出 问题 的一大 瓶 颈 J 。论文研 制的 Z D Y 6 0 0 0 L D A 型履 带式 全液 压坑道定 向钻进钻机 动作灵 活可靠 、操作 简单 、一 体化 程度 高、履 带 自行走、搬迁移动迅速，适用于孑 L 口回转钻进和孔底马 达定 向钻进 ，能满 足具有 大断 面巷道和 实现 深孔钻进 地层 条件煤矿的需求 。 1 钻机总体方案设计 Z D Y 6 0 0 0 L D A 型履 带式全 液压 坑道 定 向钻进 钻机 适 用 于煤矿井下近水平中深瓦斯抽放孔及其 它工 程孔的施工 。 钻机 由主机 、操纵 台、泵站 、履 带 车体 、稳 固装 置 、电磁 起动器 、泥浆泵 、照 明灯等部 分组成 ，各 部分 集成安 装在 履带车体上 ，一体 化程度 高 ，整机转 移方便 。钻机示 意 如 图 1所示。 钻机性能参数见表 1 。 1 ． 1 履 带车体 履带车体由高强度 板式焊 接车体 和履带 底盘 构成 ，采 用液压驱动方 式。履 带底 盘 由驱动 轮 、导 向轮 、支 重 轮、 履带片、张紧装置和行走马达组成 。 98 表 1 钻机性能参数 1 ． 2主 机 主机是钻机中执行钻进的机构，完成钻进、回转、夹 持钻具等 功能 ，如 图 2所 示 。回转 器采 用 液压 马达 驱 动 。 收稿 日期 2 0 1 00 6 3 0 作者简 介邬迪 1 9 8 0一 ，男 ，陕西 西安人 ，工程师 、硕士 ，主要从 事钻探机具 的研究 和技术推广工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1年第 1期 煤炭工程 1 2 3 4 匡 一 口． r_I r_I ／ [ f 『 寸 厦； ． I I／ 一 I lIIIIII 髓 墙目}户亏导 w f JJ伺 k． H 卅L l f ’ 也 一 照明灯 ；2 一 泵站 ；3 一操纵 台 ；4 一履带 车体 ； 5 一稳 固装置 ；6 一 电磁起 动器 ；7 一 主机 ；8 一 泥浆 泵 图 钻机 示意图 通过减速箱将 动力传 递 至卡 盘 ，驱 动钻杆 。为 了使 回转 器 适合孔底马达定向钻进要求 ，保证在钻进过程中孔底马达 不发生转动 ，在 回转器 上设 置 了抱 紧装 置 见 图 3 ，可提 供 制动力矩 。 图 主机 图 抱紧装置 ． 泵 站 泵站是钻机 的动力 总成 ，由电机 泵组 、油箱 总装 和 冷 却器三部分 组成 。电机泵 组是 钻机 的动 力输 出机 构 ，由电 机 、联轴器 、泵 座和 串泵构 成 。防爆 电机通 过联 轴器 驱 动 串泵旋转 ，使泵从油箱中吸入静压油、输出高压油，经操 纵台进人各执行机构。油箱 中设置有 回油滤油器、吸油滤 油器和磁铁 ，可 防止 因设 备磨 损产 生 的铁屑 进入 油液 回路 中。 1 ． 操 纵 台 操纵 台是全 液压 钻机 的控 制 中心 ，由主操 纵 台、行走 操纵 台和 阀组构 成。主操 纵 台控制 钻机 给 进／ 起 拔 、回转 、 水泵 等装置和设备 的运 转 ，行走 操纵 台控 制履 带 的行走 和 停 止 ，各部分通过油管连接 。 ． 稳 固装置 稳 固装置包括 上 、下稳 固装 置 。上 稳 固装置 由支 撑 油 缸 、加 长杆 和上接 地装 置构 成 ，下稳 固装 置则采 用 了油缸 斜撑式 稳固方式 。稳 固装置 各油缸 安装 了液 压锁 ，车体稳 固可靠 。 1 ． 6泥浆 泵 、 电磁起 动 器和 照 明灯 钻机配备 了 泥 浆 泵 、电 磁 起 动 器 和 照 明灯 三 种 辅 助 设备 。 泥浆泵 由液 压 马达驱 动 ，通 过可换 挡 式变 速箱 ，产生 四档输 出转速 ，满足 了不 同钻进 速度要 求 的冲洗 介质 的压 力和流量 。 电磁起动器用于控制防爆电动机的起动、停止和防爆 照明灯 的开合 ，具有 过 载、断相 、短路 、漏 地 闭锁 等保 护 功能。 照明灯由机车灯和泛光等组成，分别满足钻机行走照 明和钻场照 明需求 。 钻机液压系统设计 钻 机液压系统采 用 了基 于负载 敏感技 术 的三泵 开式 循 环系统。钻机液压系统由行走回路、回转回路、给进回路 和辅助回路组成。在不 同工况下，液压系统工作方式有所 不 同 ，回转 钻进 时 ， I泵 驱动 钻机 回转 ，Ⅱ泵驱 动 液驱 泥 浆 泵 ，Ⅲ泵驱动 钻机 给进 ；定 向钻 进时 ， I泵驱 动 液驱 泥 浆 泵 ，Ⅲ泵驱动钻 机 给进 。液 压 系统 中 ， I泵、 Ⅱ泵选 用 负载敏 感泵 ，多路 阀选用 了具 有负 载反馈 功 能的 液控 比例 换向阀，构成了典型的泵控负载敏感回路，各执行元件的 供油量 只与换 向 阀的调 节开 口量 有关 ，与负载 压力 的变 化 无关 ，达 到了节 能 目的 ；Ⅲ泵 为恒压 变 量泵 ，可 根据 需要 通过溢 流阀设 定给进 回路 的最 高压 力 ，溢流损失量小 。 3钻 机数 字化 设计 型履 带式 全 液压 坑道 定 向钻 进钻 机关 键部件采用数字化虚拟样机设计方法，包括 几何建 模、虚拟装配、结构强度分析、液压特性分析和多体动力 学仿真 ，缩短 了设计 到样 机 生产 的周期 ，并 进一 步提 高 了 钻机性 能。 钻机数字化虚拟样机的实现 ，有效评估了产品的几何、 装配 、结构 、液 压 以及动 力特性 ，为产 品 的后续 改进 提供 了依据。数字化设计平台的实施，优化了产 品开发业务过 程，转变了传统 的产品开发模式，提升了产品开发能力。 钻机数字化设计包括 利用 软件建立钻机三维几何 模型 ，利用 软件 实现了整机虚拟预装配和机身稳 固特性分析 ，利用 软件对钻机 主机工作 机构进 行 了 多刚体动力 学仿 真 ，分析 钻机 的稳 固特性 、模态 特性 和关 键零部件 的强度 ，利 用 分析 钻机 的运动 特性 以 99 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 1 年第 1期 及各铰支点的反力 ，利 用 L MS A ME s i m软件 对钻 机液压 系 统 回转 回路和给进 回路进行 了分析 ，获 得液 系统在 变化 载荷作用下的动态特性 曲线 。 4 钻机试 验及推 广 钻机的工业性试验 于 2 0 0 8年 4月在陕 西长武亭南煤 业 有限责任公 司展 丌。试验场 地位 于该矿一 盘 区 l 1 3工 作面 一 号联络巷 中 ，巷道宽 为 4 m，高为 3 m。设计 1 钻孑 L 平行 于 1 1 3 作 面运输巷道 ，设计方位 1 4 7 ． 5 。 ，钻孔倾角 2 ． 3 。 ； 2 钻孔设计 方位 1 4 7 ． 5 。 ，钻 孑 L 倾 角 3 ． 8 。 ；此次 试验钻 孔 6 个 ，包 含 4个 分 支孔 ，其 中有 3个 分支 钻 孔从 巷道 穿 出。 钻孔布置如图 4所示 。 l 1 3 运输巷 兰 如 想 ] 2 1 支孔 ．2 分支孔 一3 分支孔 l 主孔 1 1 分支孔 1 1 3 四风 撂 图 4 钻机试验钻场钻孑 L 平面布置 图 本次试验钻孔设计轨迹从一号联络巷向二号联络巷方 向延伸，设计孔深 1 0 5 0 m，终孔直径 1 1 3 m m。试验期间共 施工主钻孔 2 个 ，分支孔 4个，其中在 1 主孔 中钻进 3个 分支孔 ，在 2 主孔 中钻进 1个分支孔 。1 主钻孔深 1 0 4 6 m， 开孔孔径 1 5 3 m m，终孔孔径 1 1 3 ra m，2 主钻孔深 8 2 2 m，开 孔孔径 1 5 3 m m，终孔 孔径 1 1 3 m m。钻 孔纵 向偏 差在 1 m 以 内、横向摆动不 超过 8 m、平均 钻进 效率 达 到 1 6 0 m ／ d ，其 中一号钻孔主孔深度创造了我国井下采用国产设备定向孔 施工的最 高水平 。 5结论 通过试验 表 明，Z D Y 6 0 0 0 L D A 型履 带 式全 液压 坑道 定向钻进钻机达到 了设计要求 ，并具有 以下特点 1 钻机采用了先进的液压控制技术及进 口液压原件， ※信 息资讯 建设信 息 ※ 具有高可靠性和操作便捷等特点。钻机搬迁固定方便，工 艺适应性好 。 2 钻机整机布局合理，工作稳定 ，板式焊接车体具有 结构紧凑 ，结构强度高等特点。 3 钻机将液驱泥浆泵、照明灯 、电磁起动 器等辅助设 备集成到钻机车体上 ，使钻机一体化程度 高，井下使用 方便。 参考文献 [ 1 ] 石智军，胡少韵 ，姚 宁平．煤矿井下 瓦斯抽 采 放 钻孔 施 工新技术[ M] ．北京 煤炭工业 出版社 ，2 0 0 8 ． [ 2 ] 国家发展和改革委员会．我 国井下水平定向钻进技术研发取 得重大进展[ E B ／ O L ] ． 2 0 0 8 0 4 2 8 ． 责任编辑张宝优 神华集 团煤 电焦化项 目开工建设 2 0 1 1 年 1 月 8日，神华集 团巴彦淖尔能源有限责任公司成立 。该公 司在 乌拉特 中旗甘其 毛都 口岸加工园 区内的煤 电焦 化项 目同 日开工建设 。 神华集 团党组书记 、董事长张喜武 ，神华集 团党组成 员、总经理张玉卓 ，自治区党委 常委 、统 战部部长王素毅参加 奠 基仪式。 神华 巴彦淖尔能源有限责任公司由神华 乌海 能源公 司、庆华公司 、河套水务集 团公司 、内蒙古普盛 能源有限公 司共 同 发起成立 ，注册资本 1 0亿元。该公司在甘其 毛都 口岸加 工园 区规 划年产 1 2 0 0万 t 洗 煤、4 8 0万 t 焦化 、4 8万 t 甲醇、4 ． 8 万 t 焦油等生产项 目。其 中，一期T程开工建 没年产 6 0 0万 t 洗煤 、2 4 0万 t 焦化 、2 4万 t 甲醇 、3万 t 焦油项 目。 [ 本刊通讯 员] 1 00 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m