新型ZDY850S型全液压坑道钻机的设计 -.pdf

2 0 1 2年 第 3期 煤炭工程 新型 Z D Y 8 5 0 S型全液压坑道钻机 的设计 孙保 山，邬迪 ，方鹏 中国煤炭科工集团 西安研究院，陕西 西安7 1 0 0 5 4 摘 要针对 目前 国产 中小型钻机倾 角调整范围有限、体积与质量相对较大等问题 ，文章基 于直 动式 结构 和齿 形 密封技 术 ，设 计 了一 种 Z D Y 8 5 0 S型 全 液压 坑 道钻 机 ，介 绍 了该钻 机 的 主要 技术参数、钻机结构、液压 系统，并对钻机进行 了检测检验 ，检验结果表明，该钻机整体运转正 常、性能良好 ，各测试技术指标达到设计要求。 关键 词 分体 式钻 机 ；操 纵 台 ；泵 站 ；液压 系统 中图分类号 T D 4 2 1 ． 3 文献标识码 B 文章编号1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 2 0 3 - 0 1 1 7 -03 De s i g n o n Ne w ZDY8 5 0 S Ful l Hy dr a u l i c Tun ne l Dr i l l i ng Ri g S UN Ba os h a n，W U Di ， FANG Pe n g Xi a n R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g G r o u p，Xi a n 7 1 0 0 5 4，C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n g t o t h e l i m i t e d a n g l e a d j u s t me n t s c o p e ， t he d o mes t i c me di um a nd s ma l l dril l i ng ma c hi ne s， wi t h r e l a t i v e l a r g e v o l u me a n d h i g h q u a l i t y a n d o t h e r p r o b l e ms o f t he d i r e c t i o n d riv i n g s t r uc t u r e a nd t h e t o o t h f o r m s e a l i n g t e c hn o l o g y，a ZDY8 5 0S f ul l h y dr a ul i c t un n e l d ril l i n g r i g wa s d e s i g n e d． The ma i n t e c h ni c a l pa r a me t e r s o f t h e dr i l l i ng r i g， t h e d ril l i n g ring s t r uc t u r e a nd t h e h y dr a u l i c s y s t e m we r e i n t r o d u c e d． An i ns pe c t i o n a nd me a s ur e me n t wa s c o nd u c e d o n t he dril l i ng r i g． The i ns p e c t i o n r e s u l t s s h o we d t ha t t he c o mp l e t e d o p e r a t i o n o f t h e d ril l i n g rig wa s i n n o r ma l ， t he pe r f o rm a n c e s w e r e e x c e l l e n t a n d t h e e a c h t e s t a n d me a s u r e d t e c h n i c a l i n d e x c o u l d r e a c h t h e d e s i g n e d r e q u i r e me n t s ． Ke y wo r d s s e p a r a t e d t y p e d ri l l i n g r i。 g ； c o n s o l e ； p u mp s t a t i o n；h y d r a u l i c s y s t e m 1 概述 2 全液压坑道钻机设计 利用 钻探设备钻孔 进行 瓦斯 抽放 是防 治煤矿 瓦斯 灾害 事故 的治本性 措施 ，已在煤矿 企业 得 以广泛 实施 。但 相 当 部分煤矿因受煤层厚度、煤层走 向、巷道条件、钻孑 L 设计 要求等因素影响，只能采用中小型钻探设备机进行瓦斯抽 放 ，且对钻机 的能力 、体 积 、重 量 、调 角范 围等 提 出 了很 高的要求 。 目前 引进 的国外成套 中浅 孔钻机 如德 国 P 7 5钻 机钻进 能力满足使用要求 ，钻孔效率也较高 ，但价格 昂贵，维护 成本高，且使用风作为冲洗介质，扬尘大，存在安全隐患。 国产 中小 型钻 机 如 Z D Y 5 4 0 MK一2 、Z D Y 6 5 0 MK一3 、 Z Y G一1 5 0钻机操作简单、价格低廉，但倾角调整范围有欠 缺，体积、质量相对较大，搬迁移位劳动强度高 ，施工辅 助时 间长 ，成孔效 率低 。 基于上述情 况 ，中煤 科工 集 团西安研 究 院经过 两年 技 术攻关，研制出 Z D Y 8 5 0 S全液压坑道钻机。论文主要介绍 该钻机 的结构组成 及监 测检验 。 2 ． 1 总体 方案 根据国内目前 的中小型煤矿坑道钻机实际应用情况 ， 参照调研时客户的建议 ，制定了该钻机的总体方案 采用 分体式布局，各部分结构简单实用可靠 ；总机重量不超过 1 2 0 0 k g ，主要部件简单分解后可 由两人搬迁移位 ；具有实 施仰 角 9 0 。 、终孔直径 7 5 m m、孔深 1 2 0 m钻孔 的能力 。 2 ． 2主要技术参数 Z D Y 8 5 0 S 全液 压 坑 道 钻 机 的研 制 主要 针 对 井 下 施 工 1 2 0 m以内大倾角瓦斯抽放孔展开。为适应煤矿用户在施工 大角度上仰孔时要 求大 给进力 的工况 ，对给进 装置进 行 了 油缸倒装设计。钻机主要技术参数见表 1 。 2 ． 3钻机 结 构设 计 论文研制的钻机采用分体式布局，整机 由操纵台、主 机 、泵站三 大部 分组 成。各 部分 之 间通 过 液压 胶 管相 连 ， 以便在井下不 同钻 场灵活 摆布 。当运 输条 件较差 时 ，主机 可进一步解体，方便搬迁运输。 收稿 日期 2 0 1 1 0 7 0 8 项目基金中煤科工集团西安研究院技术创新基金项 目 2 0 0 7 X A Y C X 0 0 3 作者简介孙保山 1 9 8 1一 ，男 ，山东曹县人 ，工程师，现在中国煤炭科工集团西安研究院从事钻探机具的研究与 开发工作 。 l 1 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 煤炭工程 2 0 1 2年第 3期 表 1 Z D Y 8 5 0 S全液压坑道钻机主要技术参数 回转 器 额定转矩／ N m 额定转速／ r m i n 8 5 0 1 5 0 2 ． 3 ． 1 操纵 台 操纵台是钻机各部件的控制中心，由各种控制阀、压 力表、集成油路板、管件及框架等组成。操纵台为框架式 结构 ，采用圆钢管弯制。为保证操纵台稳定性和操作舒适 性 ， 采取降低整体重心、坐式操作的措施。根据液压系统 中的油路集成，对关键液压 回路进行集成油路板设计 ，集 合了节流阀、调压溢流阀、安全阀等功能阀块，减少了众 多元件及其相互连接的接头和油管，减少了操纵台的整体 尺寸，减小了液阻，满足功能要求且体积较小、美观；插 装阀、抗震压力表选用进口件或国产优质产品，保证阀的 工作特性、效率和液压附件的安全可靠性。 2 ． 3 ． 2 主机 主机是钻机的执行机构，由动力头式回转器、给进装 置 、夹持器 、机架 组成 ，用 以实现 主轴倾 角 调整 、主机稳 固、驱动钻具回转、带动钻具前进后退、上下钻具等功能。 1 回转器是钻机的核心部件 ，由液压马达、回转器 体、中间轴和水便体组成，回转器结构示意图如图 1 所示。 在结构上采用主动钻杆式，进行大仰角施工时可有效防止 跑钻伤人事故。性能先进、可靠性高的低速大扭矩径向柱 塞马达直接驱动中间轴回转，传动效率高。为方便上卸钻 杆 ，回转器设计有主轴浮动功能。水便密封选用新型齿形 密封材料，结构简单，寿命长、摩擦小、密封性能佳，体 积小 ；且与 中间轴一体式刚性连接，上下钻杆无需拆装， 提高了钻进效率。 2 机架用于连接给进装置，实现钻孔倾角和方位角调 整，并起支撑稳固作用，给进装置倾角调整示意图如图 2 所示，机架由立柱、单体液压支柱、横梁、撑杆、上底盘 和下底盘等部件组成。立柱上设计有单体液压支柱 ，集支 1 1 8 回转器体 图 1 回转器结构图 撑和钻机稳固功能于一体，用以取代传统方式稳固钻机时 使用的单体液压支柱，可提高辅助钻进效率，减轻劳动强 度 ；改变前、后横梁在立柱和撑杆上的位置，可以调整机 身的倾角；底盘设计为双层 ，上层可相对于下层旋转，方 便进行扇形放射孔施工时方位角调整。 岂 E I __ ● 一 { g - ， 匝 l 一 ． ＼ J u l J I H 图 2 给进装置倾角调整示意 图 2 ． 3 ． 3 泵站 泵站设计中，借鉴 Z D Y 6 0 L 、Z D Y 4 0 0 0 L等整体式钻 机串泵应用的成功经验，动力输出泵选用串泵结构。为提 高性价比，同时保证应用效果和质量，串泵选取国产一线 优质品牌。为降低能耗和发热损失 ，副泵控制方式采用 D R G控制。传动部件选用梅花形联轴器，以增强其寿命。 为保证液压系统正常工作，在泵站上还安装有多种液压附 件，如吸油滤油器、回油滤油器、冷却器、空气滤清器、 油温计、油位指示计、磁铁等。 2 ． 4液压 系统 设计 在操作方便和高可靠性的要求下，充分分析国内外现 有中小型钻机的液压系统，结合钻进工艺及使用工况，设 计了具有 自主知识产权的液压系统，液压系统工作原理如 图3所示。 该钻机设计为双泵开式液压系统，包含 回转、调角和 给进三个基本回路，共用一个多路换向阀，其中左侧联控 制钻机 回转 ，为主 泵来油 ；给进 由右 侧联控 制 ，正 常钻 进 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 3期 煤炭 工程 为副泵来油，快速起下钻时为主副泵合流；中间联为控制 调角支撑油缸。回转和给进功能分别 由 I 泵 、Ⅱ泵作为动 力输出来实现 ，参数可独立控制调节，工艺适应性和操控 性强。为实现在开孔工况时对转速的调整及拧卸钻具时使 回转器浮动以保护丝扣 ，设计了回转浮动和给进浮动两个 特殊功能 回路 。 1 一电动机 ；2 一 I泵 ；3 ～ Ⅱ泵 ；4 一 截止 阀 ；5 一 I泵 吸油 滤 油器 ；6 一截止 阀；7 一 Ⅱ泵吸油滤油器 ；8 一 多路换 向阀；9 一 回油滤 油 器 ；1 O 一冷 却器 ；1 1 一 I泵压 力 表 ；1 2 一 回油压 力 表 ；l 3 一 Ⅱ泵 压 力 表 ；1 4 一 Ⅱ泵 安 全 阀；1 5 一调 压 溢 流 阀； l 6 一 回转节流阀 ；1 7 一回转马达 ；1 8 一给进压 力表 ；1 9 一给进 浮动节流 阀；2 0 一背压阀 ；2 1 一给进 油缸 ；2 2 一液压锁 ；2 3 一 调角油缸 ；2 4 一空气滤清器 ；2 5 一 单向阀 图 3 液压 系统工作原 理 3 钻机监测检验 Z D Y 8 5 0 S型钻机样机在 “ 国家 安全生 产西 安钻 机检测 检验 中心 ”的钻机性 能试验 台上 进行 了监测 检验 ，主要检 验结果如下 1 空载运转性能。冷却器在 1 MP a水压下持续 时间 5 m i n 及水便在 3 MP a水压下持续时间 1 0 m i n ，均无漏水窜水 现象；各手把操作无卡滞 ，定位准确可靠；回转器正、反 转各运转 3 0 m i n ；给进机构前进后退各5次；机身调角机构 动作 3次，各 机 构 动 作 正 常，运 转 平 稳 ；试 验 压 力 2 7 ． 5 MP a保压 5 m i n ，无焊缝开裂和渗漏现象 ，管道无变形。 2 负载运转性能。输人功率 2 4 ． 1 k W 时实测转矩为 8 5 8 N m；对应转速为 1 6 5 m i n ；输入功率为 2 4 ． 4 k W 时， 最大给进起拔力分别为5 2 ． 8 ／ 4 5 ． 4 k N。 3 过载试验。输出转矩为 9 9 2 N m时持续时间 5 ra i n ， 回转器运转平稳无异响；系统压力 2 5 ． 5 MP a时持续时间 5 mi n ，机件无损坏 。 4 整机 效率。输 人功 率 2 4 ． 1 k W 时，整 机效 率 为 61％ 。 5 噪声。输入功率 2 4 ． 2 k W 时，各部分噪声值背景 为 7 0 ． 9 d B A ；主机 为 7 4 ． O d B A ；泵 站为 7 9 ． 4 d B A ； 操纵台为 7 5 ． 4 d B A ；平均值为7 6 d B A。 检验结果表明，钻机整体运转正常，性能 良好，各测 试技术指标达到设计要求 ，符合企业标准 Q ／ MK Y X 0 o 6 2 0 1 0 Z D Y 8 5 0 S型煤矿用全液压坑道钻机中的要求。 4结论 1 研制的 Z D Y 8 5 0 S型钻机设计合理 ，操作简单 ，重 量轻，搬迁维护方便。成功应用了整体式油路板和螺纹插 装阀，在分体式钻机上使用串泵，为以后产品的设计和更 新换代积累了经验。 2 回转器采用大扭矩径向柱塞马达直接驱动钻具回 转，结构简单，重量轻 ；水便体采用新型齿形密封结构， 封水可靠，体积小；钻机架为双层底座结构，主机方位角 调整方便 ，进行辐 射孔 施工方 便省 时 ；支架上集 成液 压支 柱 。设计新颖实用 。 3 钻机液压系统设计采用双泵系统，回转和给进单独 控制，工艺适应性强 ；设计有马达和给进油缸浮动旋钮， 操作简单，工艺适应性较好，副泵采用远程恒压控制方式 D R G控制 ，便于实现远程压力控制，负载达到压力限定 时，输出排量 自动减少 ，减少了发热损失。 参 考文献 方鹏 ，田宏 亮 ，邬迪，等．Z D Y 6 0 L D A 型履带 式 全 液压定 向钻 机及其 应用 [ J ] ．煤 田地 质与勘 探 ，2 0 1 1 ， 3 9 2 7 4～7 7 ． 孙保 山，殷新胜 ，田宏亮 ，等 ．基 于负载反馈 技术的履 带 式钻机液 压系统 [ J ] ．煤炭科 学技术 ，2 0 1 1 ，3 9 3 9 5 ～ 9 9． 邬迪 ，田宏亮 ，殷 新胜 ，等．Z D Y 6 O O O L D A 型履带 式 全液压坑道定 向钻进钻 机 的设 计 [ J ] ．煤炭 工程 ，2 0 1 l ， 1 9 8～1 o o ． 孙保山 ，方鹏 ，王 贺剑 。等．Z D Y 1 9 S型 全液 压坑 道 钻机操纵台和泵站的改进设计 [ J ] ．煤矿机电，2 0 0 9 ， 4 5 7～ 6 O ． 殷新胜 ，田宏亮 ，姚克 ，等 ．负载敏感技 术在全液压 动 力头式坑 道钻机上 的应用 [ J ] ．煤炭科 学技术 ，2 0 o 8 ，3 6 1 7 5～ 7 7 ． 姚克 ，凡东 ，殷 新胜 ，等．Z D Y 4 0 O O L型履 带式全 液 压坑道钻机的研 制 [ J ] ．煤矿机电 ，2 0 0 9 ， 3 5 6 5 8 ． 乐贵菊．螺纹插装阀在煤矿机械 中的应用 [ J ] ．液压 气动 与密封 ，2 o 0 8 ， 5 5 7～5 8 ． 殷新胜 ，田宏亮 ，孙保 山． 瓦斯抽采钻机 液压系统设计 和 泵控变量技术应 用 [ c]／ ／ 煤矿安全工程实用 技术 新进展． 徐州 中国矿业 大学 出版社 ，2 0 o 9 ． 殷新胜 。姚宁平 ，陈跟马 ，等．Z D 0 0 0 L型履带 式全 液 压坑道钻机 液压系统 的设 计 [ J ] ．煤 田地质与勘 探， 2 o o 7 ， 6 7 7～ 8 0 ． 姚亚峰 ，王 贺剑 ，凡东 ，等．Z D Y 1 2 L型履带 式全 液 压坑道钻 机的研制 [ J ] ．煤 田地质 与勘探 ，2 o o 8 ，3 6 3 7 5～7 8 ． 责任编辑张宝优 l 1 9 1 J 1 J ]1J 1 J 1j 1 J 1J m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m