ZYWL-4000SY自动钻机钻进机构故障分析.pdf

第 49 卷 2021 年第 12 期 编 辑 严 瑾 采 掘 1 ZYWL-4000SY 自动钻机 钻进机构故障分析 刘小华1,2 1中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400039 2瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 重庆 400039 摘要ZYWL-4000SY 自动钻机作为最先在煤矿井下推广应用的自动化钻探装备，其自动化功能弱化 了对设备的操作，但对设备的使用和维护却提出了更高的要求。随着设备的长期使用，运动最频繁的 钻进机构受到损耗不可避免。为处理钻进机构故障，保障设备正常运行，对钻进机构的故障现象进行 了总结，对各故障点进行了拆解，分析了故障产生的原因。从设备的使用维护与设计优化两方面提出 了解决方案，为自动钻机的使用和优化提供参考。 关键词自动钻机；钻进机构；故障；分析 中图分类号TD41；TH17 文献标志码B 文章编号1001-3954202112-0001-04 Failure analysis on drilling mechanism of ZYWL-4000SY automatic drilling rig LIU Xiaohua1,2 1Chongqing Research Institute, China Coal Technology drilling mechanism; failure; analysis 随 着国家智慧矿山建设的稳步推进，煤矿井下 瓦斯抽放钻孔正在向自动化、智能化方向发 展[1]。由中煤科工集团重庆研究院有限公司生产的 ZYWL-4000SY 分体履带式自动钻机，是最先应用于 煤矿井下瓦斯抽放钻孔施工的自动化装备。2016 年以 来，已在全国多个矿井进行瓦斯抽放、探放水和防冲 卸压等工程钻孔中推广应用[2-4]。ZYWL-4000SY 自动 钻机可实现自动上下钻杆、一键全自动钻孔，大幅降 低了工人的劳动强度，提高了钻孔施工的安全性，其 自动化功能弱化了工人对设备的操作，但对设备维护 和保养的要求更高。随着自动钻机的大量使用，各矿 根据自身的特点，逐步形成了一套自动化钻孔作业流 程，对设备的使用、保养和维护也摸索出一套行之有 效的管理办法。 基金项目国家重点研发计划资助项目 2018YFC0808000；天地 科技股份有限公司科技创新创业资金专项项目 2020-TD-ZD014 作者简介刘小华，男，1981 年生，硕士，副研究员，主要从 事煤矿钻机的设计研发工作。 万方数据 第 49 卷 2021 年第 12 期 编 辑 严 瑾 采 掘 2 1 ZYWL-4000SY 自动钻机工作原 理 ZYWL-4000SY 分体履带式自动钻机主要由泵车 和主车构成[5]，其结构如图 1 所示。 ZYWL-4000SY 自动钻机的泵车作为设备的动 力部分，主要由电磁启动器、油箱组件、电动机和液 压泵等组成，并采用履带车搭载，结构紧凑，运输方 便。主车通过履带车搭载控制系统、钻杆容纳与转运 系统、姿态调节系统、锚固系统、上下钻杆系统和钻 进系统，用于机身的稳固、运输和钻孔操作。自动钻 机在工作时，由遥控器发出钻进指令，电控系统根据 预设程序，控制电磁阀对执行元件进行操作，实现自 动上下钻杆和自动钻孔。 在钻进时，电脑程序控制副机械手将钻杆交给 主机械手，主机械手再将钻杆送至夹持器中，动力头 与夹持器配合进行接扣，然后通过动力头的旋转和推 进，实现自动钻进操作。当钻进到不同的岩层或煤层 时，电脑程序能根据传感器反馈回来的钻进参数变化 情况，自动调整钻进速度，实现自适应钻进。卸钻 时，电脑程序控制动力头和双夹持器进行卸扣，主机 械手将钻杆从夹持器中取出并交给副机械手，副机械 手再将钻杆放回钻杆箱中。 2 ZYWL-4000SY 自动钻机钻进机 构 ZYWL-4000SY 自动钻机的钻进机构主要包含动 力头的回转机构、机架的给进机构和双夹持器的接卸 扣机构，如图 2 所示。 动力头回转机构主要包含齿轮传动系统、动力头 马达、主轴、主动钻杆、过渡盘与传扭销等零件。机 架给进机构主要包含机架导轨、给进液压缸、托板、 滑块和位移传感器安装座等零件。接卸扣机构即双夹 持器，主要包含前夹持器、后夹持器、卡瓦、夹紧液 压缸、摆动液压缸、保护套和旋转套等零件。钻进机 构主要用于钻进、退钻、接卸扣，以及配合机械手进 行自动上下钻杆等操作。 在钻进与退钻时，动力头带动钻杆与钻头进行 顺时针旋转，再经机架的给进液压缸带动其前进或后 退，从而实现钻进和退钻操作。在上钻杆时，主机械 手要将新钻杆准确地送入夹持器中，夹持器夹紧钻杆 后，还需将主动钻杆与新钻杆通过螺纹连接在一起。 为保证主动钻杆的接扣操作能顺利完成，主动钻杆的 中心线与新钻杆的中心线应尽可能重合。在正常钻进 和接卸扣时，动力头在机架导轨上通过滑块与托板相 连，推进液压缸带动托板和滑块在导轨上前后移动。 钻进机构作为自动钻机最重要的组成部分，在 长时间运行后，会逐渐磨损，从而对整个钻机产生影 响。 3 钻进机构的故障现象 以淮南矿业集团张集北矿为例，该矿自 2020 年 7 月开始，在 14146 底抽巷集中使用了 3 台 ZYWL-4000 SY 分体履带式自动钻机，并组建成自动钻孔作业 线。张集北矿所用自动钻机主要施工卸压穿层钻孔， 钻孔倾角为 10 74 ，钻孔深度为 42.5 161.7 m。 3 台自动钻机于 2020 年 7 月 1 日开始拆解运 输，7 月 10 日在井下组装完成并开始调试、培训和试 运行，从 7 月 25 日开始进入正常生产化运行。随着 钻机的使用，钻机逐渐出现故障，尤其钻进机构的故 障较为多见。主要现象有 1. 泵车 2. 操作台 3. 钻杆箱 4. 副机械手 5. 主机械手 6. 动力头 7. 钻杆 8. 双夹持器 9. 机架 10. 转运槽 图 1 ZYWL-4000SY 自动钻机结构 Fig. 1 Structure of ZYWL-4000SY automatic drilling rig 1. 位移传感器安装座 2. 机架导轨 3. 动力头滑块 4. 主动钻杆 5. 钻杆 6. 推进液压缸 7. 夹持器旋转套 图 2 ZYWL-4000SY 自动钻机钻进机构 Fig. 2 Drilling mechanism of ZYWL-4000SY automatic drilling rig 万方数据 第 49 卷 2021 年第 12 期 编 辑 严 瑾 采 掘 3 1 主动钻杆晃动，偶尔出现断裂现象； 2 动力头前端盖漏油； 3 夹持器的保护套和旋转套磨损严重； 4 位移传感器连接座出现变形断裂； 5 钻杆螺纹磨损严重。 截止 2021 年 8 月，ZYWL-4000SY 分体履带式 自动钻机已在张集北矿连续运行超过 1 a，由于故障 频率越来越高，需要花更多的时间对钻机进行停机检 修和处理，影响生产效率。 4 故障点拆解情况 为保障自动钻机的正常运行，对钻进机构的故障 点进行了拆解，发现有以下情况 1 主动钻杆丝扣从根部断裂； 2 过渡盘和销轴磨损严重，间隙较大； 3 动力头前端盖骨架油封损坏； 4 夹持器旋转套和保护套下端磨损较严重，上 端几乎没有磨损； 5 位移传感器连接座向上弯曲变形； 6 滑块与轨道间隙较大，约为 6 mm。 故障部位拆解情况如图 3 所示。 5 故障原因分析 通过拆解分析并结合现场钻机的使用情况发现， 造成钻进机构出现故障的主要原因如下 1 主动钻杆晃动，主要是销轴和过渡盘磨损过 度造成； 2 动力头前端盖漏油，是其内部骨架油封损坏 造成； 3 夹持器保护套与旋转套下端过度磨损，主要 原因是钻杆在旋转时因自重而向下偏转，从而摩擦保 护套与旋转套的下端； 4 滑块的过度磨损，使主动钻杆中心线向下偏 移，位移传感器的活塞杆受到一个向下的径向力，导 致位移传感器安装座受到活塞杆向上的反作用力，因 此安装座会向上变形； 5 主动钻杆中心向下偏移，也会导致主动钻杆 在接卸扣时损伤其丝扣，同时也会加速钻杆丝扣和夹 持器旋转套的磨损。 6 故障处理与改进方向 结合故障现象和原因分析，可从两方面进行改 进一是从使用与维护方面进行改进，另一方面对设 计进行优化。 6.1 使用与维护 1 在钻机的使用过程中，每班在轨道上涂抹润 滑脂，以提高滑块的使用寿命； 2 每班在钻杆丝扣上涂抹丝扣油，降低钻杆与 主动钻杆的丝扣磨损； 3 随时观察主动钻杆的晃动情况，若晃动过 大，应及时检查过渡盘和销轴的磨损情况，及时更 换； 4 每天至少紧固 1 次动力头与滑块、主动钻杆 与动力头、夹持器与机架的连接螺栓； 5 每周检测 1 次夹持器保护套和旋转套，若有 过度磨损，应及时更换； 6 每周检测 1 次动力头滑块与导轨间的间隙， 若间隙大于 3 mm，应及时更换。 6.2 设计优化 1 主动钻杆的外螺纹接头可采用抗磨能力更强 的材料，提高耐磨性； 2 提高拉线传感器安装座的强度，增加腰形孔 长度，减小安装座所受的径向力影响； 3 在滑块允许的极限磨损位置做标记，方便观 察和提示更换。 7 结语 设备的自动化功能弱化了对设备的操作要求， 但对设备维护和保养提出了更高的要求。自动钻机使 用最频繁的钻进机构，其损耗不可避免，需要根据实 际使用情况，随时观察运行状态，及时更换磨损的零 件，以防设备发生故障影响生产。采用标准化管理， c 变形的位移传感器连接座 d 磨损的滑块 图 3 现场拆解情况 Fig. 3 On-site disassembly a 断裂的主动钻杆 b 磨损的旋转套 万方数据 第 49 卷 2021 年第 12 期 编 辑 严 瑾 采 掘 4 提高使用和维护水平，是自动化设备正常运行的前提 和保障。 参 考 文 献 [1] 王清峰，陈 航．瓦斯抽采智能化钻研技术及装备的发展与 展望 [J]．工矿自动化，2018，441118-24. [2] 陈小平．ZYWL-4000SY 型煤矿用全自动钻机的研制及应用 [J]．矿山机械，2017，45717-19. [3] 陈松林．突出煤层钻孔远距离控制钻机研究与试验 [J]．煤矿 机械，2010，31563-66. [4] 刘荣辉．自动化钻机在高瓦斯突出矿井中的应用分析 [J]．煤 矿机械，2018，3911131-132. [5] 张始斋，王庆文．ZYWL-4000SY 型遥控钻机设计及关键技 术研究 [J]．煤炭科学技术，2021，493129-134. □ 收稿日期2021-09-06  试验反井钻机智能控制 关键技术研究 陈 云1，刘志强2，涂 伟1 1宁夏天地奔牛实业集团有限公司 宁夏银川 753001 2北京中煤矿山工程有限公司 北京 100013 摘要根据试验反井钻机施工工艺和结构，对钻机主要功能进行了分析研究，详细阐述了钻机智能控 制功能、各项功能控制方法和控制逻辑，为试验反井钻机施工过程实现自动化、智能化提供一定的参 考。 关键词反井钻机；智能控制；控制方法 中图分类号TD41 文献标志码A 文章编号1001-3954202112-0004-05 Research on key technology about intelligent control for trial raise boring machine CHEN Yun1, LIU Zhiqiang2, TU Wei1 1Ningxia Tiandi Benniu Industrial Group Co., Ltd., Yinchuan 753001, Ningxia, China 2Beijing China Coal Mine Engineering Co., Ltd., Beijing 100013, China AbstractAccording to the construction process and structure of the trial raise boring machine, the paper analyzed the main functions of the boring machine, and elaborated the intelligent control function, control and control logic of the boring machine, which offered some reference for the realization of automatic and intelligent construction process of the trial raise boring machine. Key Wordsraise boring machine; intelligent control; control 在 矿井建设、水电和其他地下工程建设中，进 出口通道、通风井、电缆和管路通道等多为竖 井和斜井。采用吊罐法、木垛法和爬罐法进行竖井和 斜井施工，都需要人员进入施工面完成钻孔、装药、 放炮、危石处理和临时支护作业，工作环境差、施工 效率低，部分施工面有害气体对人伤害较大。采用反 井钻机进行竖井和斜井施工，设备安装在地面，操作 人员在地面操作，采取由上向下导孔、从下向上扩孔 的施工工艺，解决了施工过程中人员的安全问题[1-3]。 基金项目宁夏回族自治区 2020 年重点研发计划项目 “千米大直 径智能化反井钻机研制”2020BCE01005；2021 年重点研发计划 项目“深井全断面机械破岩模拟试验钻机研制”2021BFH03009 作者简介陈 云，男，1974 年生，高级工程师，主要从事煤 矿机械设计工作。 万方数据