煤矿瓦斯抽放钻车液压系统的设计.pdf

２０１６ 年 ４ 月 第 ４４ 卷 第 ８ 期 机床与液压 ＭＡＣＨＩＮＥ ＴＯＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ Ａｐｒ􀆱 ２０１６ Ｖｏｌ􀆱 ４４ Ｎｏ􀆱 ８ ＤＯＩ１０．３９６９／ ｊ􀆱 ｉｓｓｎ􀆱 １００１－３８８１􀆱 ２０１６􀆱 ０８􀆱 ０１８ 收稿日期 ２０１５－０３－０２ 基金项目 山西省技术创新项目 （ＣＸ２０１４⁃０３）； 晋城煤业集团科学技术项目 （２０１０⁃ＫＪ⁃０５⁃３） 作者简介 魏广 （１９８５）， 男， 工学硕士， 机械工程师， 现从事煤机装备研发工作。 Ｅ － ｍａｉｌ ｗｅｉｇｕａｎｇ􀆱 ５５８１７８２＠ １６３􀆱 ｃｏｍ。 煤矿瓦斯抽放钻车液压系统的设计 魏广， 张成成 （山西晋煤集团金鼎煤机矿业有限责任公司， 山西晋城 ０４８００６） 摘要 介绍煤矿瓦斯抽放钻车液压系统的组成、 工作原理及其特点， 分析油缸、 马达、 泵、 电动机等重要元器件的参 数确定过程， 为钻车的设计、 选型提供理论依据， 也为同类型矿山机械液压系统设计提供参考。 关键词 瓦斯抽放钻车； 液压系统； 参数计算 中图分类号 ＴＨ１３７􀆱 ７ 文献标志码 Ｂ 文章编号 １００１－３８８１ （２０１６） ０８－０５４－４ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｃｏａｌ Ｍｉｎｅ Ｇａｓ Ｄｒａｉｎａｇｅ Ｄｒｉｌｌｅｒ ＷＥＩ Ｇｕａｎｇ， ＺＨＡＮＧ Ｃｈｅｎｇｃｈｅｎｇ （Ｓｈａｎｘｉ Ｊｉｎｃｈｅｎｇ Ａｎｔｈｒａｃｉｔｅ Ｍｉｎｉｎｇ （Ｇｒｏｕｐ） Ｋｉｎｇｄｉｎｇ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｃｏ．， Ｌｔｄ．， Ｊｉｎｃｈｅｎｇ Ｓｈａｎｘｉ ０４８００６， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ， ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｖｅｈｉｃｌｅ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ． Ｔｈｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ， ｍｏｔｏｒｓ， ｐｕｍｐｓ， ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｏｒｓ ａｎｄ ｏｔｈｅｒ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｃｏｍｐｏ⁃ ｎｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ． Ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ ｂａｓｉｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｓｅｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｄｒｉｌｌｉｎｇ ｖｅｈｉｃｌｅ． Ｂｅｓｉｄｅｓ， ｉｔ ｐｒｏｖｉｄｅｓ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓａｍｅ ｔｙｐｅ ｏｆ ｍｉｎｉｎｇ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ Ｃｏａｌ ｍｉｎｅ ｇａｓ ｄｒａｉｎａｇｅ ｄｒｉｌｌｅｒ； Ｈｙｄｒａｕｌｉｃ ｓｙｓｔｅｍ； Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ２０１４ 年山西晋煤集团某公司自主研发了煤矿瓦 斯抽放钻车 （见图 １）。 该钻车设计主要为了解决大 断面高程打孔需搭设临时平台的问题， 同时可以完成 掘进工作面、 巷道顶、 底板及两帮瓦斯抽放孔一次性 集成化钻进， 从而实现大高程、 多角度机械化钻孔的 目的。 此外， 该钻车利用转阀可以实现 ３ 个挡位的 高、 中、 低扭矩 （或转速） 的不同切换， 来满足不 同地质条件下的钻孔作业。 图 １ 煤矿瓦斯抽放钻车 １ 钻车结构组成及工作原理 此钻车由动力头、 拧管机、 夹持器、 给进机构、 钻架、 变幅机构、 底盘、 液压系统、 无线遥控系统及 电气系统所组成。 工作时， 将钻杆放入动力头， 由拧 管机和夹持器共同将其上扣， 变幅机构调节钻架方向 及角度， 稳定后， 给进机构将动力头通过传动链推至 前方， 并不断提供给进力， 动力头马达为钻杆提供一 定的扭矩并实现钻孔作业。 无线遥控可以实现远程遥 控钻杆旋转、 给进起拔、 拧卸钻杆等动作。 ２ 钻车基本参数 煤矿瓦斯抽放钻车基本参数见表 １。 表 １ 煤矿瓦斯抽放钻车基本参数 外形尺寸４ ７８０ ｍｍ１ ３００ ｍｍ２ ４００ ｍｍ 质量７ １００ ｋｇ 电动机功率４５ ｋＷ 系统压力１８ ＭＰａ 钻孔直径ϕ９４ ｍｍ 最大仰角５０ 最大俯角９０ 最大回转角度左右各 １５０ 起拔力１１０􀆱 ４ ｋＮ 钻进力７５􀆱 ８ ｋＮ 最大钻进扭矩５ ０００ Ｎｍ 转速范围０～１４３ ｒ／ ｍｉｎ 爬坡能力１８ 最大行走速度１􀆱 ８ ｋｍ／ ｈ 最高水平钻孔高度４ ２００ ｍｍ 最低水平钻孔高度４００ ｍｍ ３ 液压系统设计 ３􀆱 １ 液压系统组成及工作原理 此钻车的液压系统主要由电动机、 通轴式双联油 泵、 马达 （动力头、 旋转、 行走）、 油缸 （给进、 夹 持、 拧管、 卸扣、 钻架伸缩、 钻架支撑、 大臂仰俯、 变角）、 阀 （手动、 电磁、 电液）、 高压胶管、 接头、 冷却器、 滤油器、 油箱等组成， 见图 ２。 工作时电动机驱动 ２ 个通轴式双联油泵旋转产生 动力油源， 通过手动控制行走阀， 高压油驱动行走马 达， 实现整机前进、 后退及转弯等动作； 操纵控制阀 及三位六通转阀， 实现动力头马达启停及 ３ 个挡位不 同切换 （进而可以根据井下实际条件调整钻进扭矩 等参数）； 操纵夹持、 拧管、 卸扣、 给进等控制阀， 可以依次实现钻杆拧、 卸及向前钻进、 向后起拔等功 能； 操纵钻架伸缩缸的控制阀， 使得钻车在煤壁前一 定距离处保持不动而钻架伸出顶住煤壁 （有一定的 推进补偿行程）； 操纵支撑油缸控制阀， 可以在钻两 帮瓦斯孔时， 钻架后端顶住后方煤壁， 从而保持钻进 稳定； 分别操纵大臂仰俯、 变角缸及托盘旋转马达可 实现变幅机构升降、 变角及托盘的回转， 从而完成在 一定高度的任意角度施工。 此外， 为了使钻车工作更 加安全、 高效， 动力头旋转、 给进起拔、 拧卸钻杆的 控制均采用隔爆比例多路换向阀， 可以由远程遥控。 图 ２ 钻车液压系统原理图 ５５第 ８ 期魏 广 等 煤矿瓦斯抽放钻车液压系统的设计 根据工况条件， 该液压系统采用双泵供油设计。 主泵 （ｑ＝８０ ｍＬ／ ｒ） 供油通过操纵控制阀实现钻车行 走、 动力头旋转， 同时辅助钻杆给进起拔三者构成主 油路； 副泵 （ｑ＝１６ ｍＬ／ ｒ） 供油通过操纵控制阀实现 钻车给进起拔， 变幅机构升降、 变角， 托盘的水平旋 转， 钻架的平稳支撑以及钻杆的拧、 卸等功能， 构成 次要油路。 此外， 为了实现钻杆快速起拔和扫孔作 业， 作者采取双泵同时向给进缸供油设计； 同时为了 拧、 卸钻杆时油缸有一定的浮动量， 给进缸并联了梭 阀和换向阀。 ３􀆱 ２ 液压系统主要部件 （１） 两联手动变量柱塞泵 ＴＤＸＢ８０Ｈ／ Ｌ⁃ＴＤＸＢ１６， 公称排量分别为 ８０、 １６ ｍＬ／ ｒ， 额定工作压力 ３１􀆱 ５ ＭＰａ， 额定转速 １ ５００ ｒ／ ｍｉｎ； （２） 动力头摆线马达 ＢＭ４⁃３２０Ｐ３Ａ４Ｙ３， 排量 ３１７􀆱 ５ ｍＬ／ ｒ， 最大连续扭矩 ９０２ Ｎｍ， 转速 ７ ～ ３８０ ｒ／ ｍｉｎ； 最大连续压降 ２０ ＭＰａ； 行走马达 ＴＭＯ７ＶＣ， 连续排量 ４３􀆱 ３ ｍＬ／ ｒ， 最大排量 ５５􀆱 ８ ｍＬ／ ｒ， 传动比 ５３􀆱 ７， 连续扭矩 ７ ９８７ Ｎｍ， 最大输出扭矩 ８ ３３０ Ｎｍ， 连 续 输 出 转 速 ２３􀆱 ６ ｒ／ ｍｉｎ， 最 大 转 速 ２７ ｒ／ ｍｉｎ； （３） 隔爆型三相异步电动机 ＹＢＫ２⁃２２５Ｍ⁃４ Ｂ３５， 功率 ４５ ｋＷ， 转速 １ ４５０ ｒ／ ｍｉｎ。 ３􀆱 ３ 液压系统各主要部件设计 文中着重从这几方面介绍油缸 （给进）、 马达 （动力头和行走）、 油泵、 电动机等参数的确定。 （１） 油缸主要结构确定 液压缸的载荷 Ｆ 分为工作载荷 Ｆｗ和因速度变化 引起的惯性载荷 Ｆａ， 即 Ｆ＝ Ｆｗ ＋Ｆ ａ。 其中 工作载荷 包括给进时动力头与钻架导轨的摩擦力， 钻头与岩石 的切削力、 挤压力等， 起拔时因钻具的重力引起的摩 擦力等。 而惯性载荷 Ｆａ＝ｍΔｖ／ Δｔ 式中 ｍ 为钻具质量； Δｖ 为速度变化量； Δｔ 为启动 或制动所用时间。 综合考虑给进和起拔情况及该钻车 的动滑轮系统， 确定作用在传动链的载荷的推力应为 １００ ｋＮ， 则传递 到活塞杆的 推力为 Ｆ ＝ ２Ｆ无杆腔＝ ２００ ｋＮ。 如图 ３ 所示， 油缸的活塞杆伸出时， 推力 Ｆ＝ｐ２Ａ２ －ｐ １Ａ１ 式中 ｐ２为无杆腔油液工作压力 （１８ ＭＰａ）； Ａ２为无 杆腔活塞面积 （Ａ１＝ πＤ２／４， Ｄ 为活塞直径）； ｐ１为 有杆腔回油压力， 即背压 （１􀆱 ５ ＭＰａ）； Ａ１为有杆腔 油液作用活塞面积 （Ａ１＝π （Ｄ２ －ｄ ２） ／４， ｄ 为活塞杆 直径）。 经简单整理 Ｄ ＝ ４Ｆ／ π［ｐ２ － ｐ １（１ － φ ２）］ 式中 杆径比 φ ＝ ｄ／ Ｄ。 经查表可知， 速比 ｖ１／ ｖ２为 １􀆱 ４６ 时， 杆径比取 ０􀆱 ５６。 故 Ｄ ＝ １１３􀆱 ７ ｍｍ， 取 １２５ ｍｍ， 则 ｄ＝０􀆱 ５５Ｄ＝６８􀆱 ７５ ｍｍ， 取 ７０ ｍｍ。 图 ３ 液压油缸受力示意图 由于该给进油缸行程 ｌ＝ １ １００ ｍｍ， ｌ／ ｄ＝ １５􀆱 ７１＞ １０， 因此需要对活塞杆的强度进行校核。 活塞杆的材 料为 ４０Ｃｒ， 经 ８５０ ℃淬火和 ５００ ℃回火的调质处理， 布氏硬度 ＨＢ２０７； 抗拉强度 σｂ＝ ９８０ ＭＰａ，［σｂ ］ ＝ σｂ／ ５＝１９６ ＭＰａ； 活塞杆横截面积 Ａｄ ＝πｄ ２ ／４＝３ ８４６􀆱 ５ ｍｍ２， σ＝Ｆ／ Ａｄ＝ １９２ ０８０／３ ８４６􀆱 ５＝ ４９􀆱 ９ ＭＰａ。 因 σ＜ ［σｂ］， 故活塞杆安全可靠。 此外， 设计了隔爆比例先导溢流阀和电磁换向 阀， 需要拧卸钻杆， 靠无线遥控打开先导溢流阀和换 向阀， 使得给进缸活塞可以有一定的浮动量， 完毕之 后关上溢流阀和换向阀即可。 根据不同工况条件， 其余油缸的缸径、 杆径和行 程如表 ３ 所示。 表 ３ 其余油缸基本参数ｍｍ 缸径杆径行程 夹持缸１１０８０５８ 卸扣缸６３３５７８ 支撑缸８０５５１５００ 变角缸１２５７０９９７ 仰俯缸１２５７０７３３ （２） 马达排量确定 该钻车最主要的执行马达是用于钻孔的动力头马 达和用于移动的行走马达。 动力头马达计算。 外部载荷为 ５ ０００ Ｎｍ， 传 动比 ｉ＝２， 马达进出口压差 Δｐ ＝ １６􀆱 ５ ＭＰａ （因回油 经过冷却器、 过滤器， 取背压 １􀆱 ５ ＭＰａ）， 则液压马 达的排量为 ｑ＝２πＴ／ Δｐ。 容易得出 要想输入到传动 主轴的扭矩最大， ３ 个马达处于并联状态。 则 ３ 个马 达的输出扭矩为 ５ ０００／２＝ ２ ５００ Ｎｍ， 其共同的排 量 ｑ＝６􀆱 ２８２ ５００／１６􀆱 ５＝ ９５１􀆱 ５ ｍＬ／ ｒ， 单个马达的排 量为 ９５１􀆱 ５／３＝３１７􀆱 ２ ｍＬ／ ｒ。 参照样本选型为 ３１７􀆱 ５ ｍＬ／ ｒ， 扭矩 ９０２ Ｎｍ。 因 ３９０２２ ＝ ５ ４１２ Ｎｍ＞ ５ ０００ Ｎｍ， 故选型合格。 行走马达计算。 该钻车采用履带式牵引， 因此有 必要对马达的行走、 爬坡能力、 最大行驶速度及对应 的排量进行计算和校核。 钻车由静止到行走其牵引力必须能够克服静摩擦 ６５机床与液压第 ４４ 卷 力。 两个行走马达的牵引力 ＦＱ＝ ２Ｔ／ Ｒ， 马达扭矩 Ｔ 为 ７ ９８７ Ｎｍ， 驱动轮半径 Ｒ 为 ２３０ ｍｍ， 则 ＦＱ＝ ６９ ４５２ Ｎ。 钻车履带与地面的附着力 Ｆｆ＝ μｍｇ， 系数 μ＝０􀆱 ７， 则 Ｆｆ＝０􀆱 ７７ １００９􀆱 ８＝ ４８ ７０６ Ｎ， 由于 ＦＱ＞ Ｆｆ， 故行走能力合格。 钻车的最大牵引力 ＦＱｍａｘ＝ ２８ ３３０／０􀆱 ２３ ＝ ７２ ４３５ Ｎ， 爬坡时钻车受到的反力 ｆ＝ ｍｇｓｉｎθ＋μｍｇｃｏｓθ， 式中 θ＝ １８， ｆ ＝ ６７ ８４０ Ｎ， 因 ＦＱｍａｘ＞ｆ， 故爬坡能力 合格。 液压马达所能提供的最大行驶速度 ｖｍ＝ η２πＲｎ， 式中 传动效率 η＝０􀆱 ９。 故 ｖｍ＝１􀆱 ８４ ｋｍ／ ｈ。 因为ｖｍ＞ １􀆱 ８ ｋｍ／ ｈ， 故最大行驶速度合格。 钻车以最大速度行驶时， 马达的转速为 ｎｍａｘ＝ ２３􀆱 ６ ｒ／ ｍｉｎ， 对应排量为 Ｑｍａｘ＝ ２４３􀆱 ３２３􀆱 ６５３􀆱 ７＝ １０９􀆱 ７ Ｌ／ ｍｉｎ。 主 泵 提 供 的 最 大 流 量 为 ＱＢ＝ １１６ Ｌ／ ｍｉｎ。 因 Ｑｍａｘ＜ＱＢ， 故马达的排量合格。 （３） 泵的选型 主泵主要供给行走马达和动力头， 两者相比较， 由于动力头在 ３ 个马达并联时所需要的流量 Ｑ 最大， 所需的转速 ｎ 为 ５５ ｒ／ ｍｉｎ， 因此 Ｑ主泵＝３ｑｎ＝３３１７􀆱 ５ ５５２＝１０４􀆱 ８ Ｌ／ ｍｉｎ， 故选择 ｑ主泵＝１０４􀆱 ８／１ ４５０＝７２􀆱 ３ ｍＬ／ ｒ 的泵， 考虑泄漏因素， 选型 ８０ ｍＬ／ ｒ 的泵。 副泵主要为给进、 变幅、 夹持、 拧卸缸提供动力 油， 其中给进缸的速度最为关键， 给进速度 ｖ 为 ０～ ２􀆱 ７ ｍ／ ｍｉｎ 以下， 给进缸的给进面积 ΔＳ＝Ｓ缸径 －Ｓ 杆径＝ π ４ （Ｄ２ －ｄ ２ ）＝ π ４ （１ ２５２－７０２）＝ ８４􀆱 ２ ｃｍ２。 给进时需 要的流量 Ｑ副泵＝Ｖ／ ｔ＝ΔＳｖ＝８４􀆱２１０ －２ ２􀆱７１０ Ｌ／ ｍｉｎ＝ ２２􀆱 ７３ Ｌ／ ｍｉｎ， 排量 ｑ副泵＝ Ｑ／ ｎ ＝ ２２􀆱 ７３／１ ４５０ ＝ １５􀆱 ７ ｍＬ／ ｒ， 故选择 １６ ｍＬ／ ｒ 的柱塞泵。 （４） 电动机功率确定 主泵的流量 Ｑ主泵＝８０１ ４５０＝１１６ Ｌ／ ｍｉｎ， 副泵的 流量 Ｑ副泵＝１６１ ４５０＝２３􀆱 ２ Ｌ／ ｍｉｎ。 电机驱动双联泵， 故电机的功率 Ｐ电机≥Ｐ主泵 ＋Ｐ 副泵 ＝ ｐ １Ｑ１／ η１ ＋ｐ ２Ｑ２／ η２ ＝ １８１１６／ （６００􀆱 ９５）＋１８２３􀆱 ２／ （６００􀆱 ８５）＝ ３６􀆱 ６＋８􀆱 ２＝ ４４􀆱 ８ ｋＷ， 取 ４５ ｋＷ。 ４ 加载试验 经过设计、 制造后， 作者对样机进行了地面的初 步调试。 钻进系统的高、 中、 低扭矩分别为 ４ ９４０、 ３ ２９６、 １ ５９２ Ｎｍ； 给进力和起拔力分别为 １１０􀆱 ４、 ７５􀆱 ８ ｋＮ； 行走速度 １􀆱 ８ ｋｍ／ ｈ， 爬坡角度 １８， 均与 理论值符合得很好。 ５ 结论 综上理论计算和实际加载试验表明 整机钻进系 统的扭矩、 转速以及起拔力均达到了理论设计值， 加 上钻车的 ３ 个挡位的变换调节， 可以很好地适应不同 的地质条件， 符合井下实际使用需求。 并且电机、 油 泵、 油缸、 马达等部件均匹配良好。 因此， 该钻车的 液压系统计算是正确的， 选型是合理的。 参考文献 ［１］ 费烨，陈涛，姜学寿．大吨位水平钻机液压系统设计［Ｊ］． 液压与气动，２０１１（２）６８－７１． ［２］ 马永辉，徐宝富，刘绍华．工程机械液压系统设计计算 ［Ｍ］．北京机械工业出版社，１９８５． ［３］ 周士昌．液压系统设计图集［Ｍ］．北京机械工业出版 社，２００３． ［４］ 樊姗．岩心钻机提下钻机械手的液压系统设计［Ｊ］．机床 与液压，２０１４，４２（３）６８－６９，５３． ［５］ 宋超，邹云，杜碧华．地下顶管用液压设备液压油设计计 算［Ｊ］．机床与液压，２０１３，４１（１７）１２９－１３０，９９． ［６］ 孙慧．ＷＹ２⁃２００ 液压挖掘机液压系统设计［Ｊ］．机床与液 压，２０１３，４１（１４）７２－７４． ［７］ 于传江．ＲＥ４００ 型履带式潜孔锤钻机液压系统设计［Ｊ］． 液压与气动，２０１２（１１）５７－６１． ［８］ 凡东，殷新胜，常江华，等．ＺＤＹ１０００Ｇ 型全液压坑道钻机 的设计［Ｊ］．煤田地质与勘探，２０１１（１９）７８－８０． （上接第 １５４ 页） ５ 结论 （１） 根据机械加工典型工艺特征， 给出了机器 人控制数控机床进行加工的流程。 （２） 给出了机器人与数控机床之间的硬件连接 及 Ｉ／ Ｏ 通信方法。 （３） 结合机器人的特性， 编制了 ＡＳ 语言控制程 序， 使机器人完全控制数控机床在无人化环境下自动 运行。 （４） 通过对数控机床的改造， 给出了数控机床 与机器人之间的固定通信程序， 在使用中， 只需根据 所加工工件的类型， 改变对应的 “加工程序” 即可。 参考文献 ［１］ 孙英飞，罗爱华．我国工业机器人发展研究［Ｊ］．科学技 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