定向钻机用泥浆泵增压试验台设计与测试.pdf

第 48 卷 2020 年第 11 期 采掘 编 辑 严 瑾 5 最终通过正向运动学控制钎杆末端移动，到达目标钻 孔位置。经试验结果分析，该方法可有效降低钎杆末 端的位姿误差，满足工程应用需求，且具有很好的通 用性。BP 神经网络具有较好的非线性拟合能力，而 且误差辨识结果准确度取决于网络结构和数据样本的 质量，对钻臂的结构和自由度数的依赖不大。但是单 纯的 BP 神经网络存在局部逼近能力差和收敛速度缓 慢等缺点，因此经过遗传算法优化后的 BP 神经网络 具有更好的辨识能力，更好的补偿效果。 参 考 文 献 [1] 赵昱东．液压凿岩设备的发展概况及趋势 [J]．现代矿业， 2010，26411-16. [2] 王宪伦，喻 洋，王道全，等．凿岩机器人的建模与运动学 分析 [J]．矿山机械，2016，44190-93. [3] 何清华，周宏兵，吴 凡．凿岩机器人钻臂的运动学研究 [J]. 中南工业大学学报，1998，295483-486. [4] 黄开启，魏文彬，陈荣华，等．凿岩机器人钻臂定位误差补 偿控制交叉精英反向粒子群优化算法 [J]．机械科学与技术， 2018，3771005-1012. [5] 李尊远，代慧敏，高 明．凿岩机器人钻臂油缸行程计算方 法的误差分析 [J]．矿山机械，2011，399110-112. [6] 陈荣华．凿岩机器人钻臂定位控制研究 [D]．赣州江西理工 大学，20179-20. [7] 陈世涛．钻臂类型分析 [J]．凿岩机械气动工具，19984 24-29. [8] 周友行，何清华，徐海良，等．多关节凿岩机械手快速定位方 法 [J]．中南工业大学学报 自然科学版，2001，326622- 625. [9] YUAN P J，WANG Q S. SHI Z Y，et al. A micro-adjusting attitude mechanism for autonomous drilling robot end-effector [J]. SCIENCE CHINA Ination Sciences，2014，57121-12. [10] 李函结．机器人技术 [M]．北京电子工业出版社，200982- 94. [11] 徐勤宪，郭治富．锚杆钻车三角钻臂的运动学研究 [J]．煤矿机 械，2019，40625-27. [12] 吴玉香，王 聪．不确定机器人的自适应神经网络控制与学习 [J]．控制理论与应用，2013，308990-997. [13] 刘春艳，凌建春，寇林元，等．GA-BP 神经网络与 BP 神经网 络性能比较 [J]．中国卫生统计，2013，302173-176. □ 收稿日期2020-09-04 修订日期2020-10-07  定向钻机用泥浆泵增压试验台 设计与测试 朱利民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 摘要设计了一种定向钻机用泥浆泵增压供水试验台，通过螺杆空压机来为增压水箱提供稳定压力， 为泥浆泵吸水口提供稳定的测试压力水。试验台集成了出/入水口的流量与压力检测装置，可以通过 调节阀来调节压力流量值来检测泥浆泵的工况参数。通过对 XW50 型泥浆泵进行试验台检测，测试 结果满足出厂设计要求，因此可通过此试验台对定向钻机用各种型号的泥浆泵进行型式检测。 关键词定向钻机；泥浆泵；试验台 中图分类号TD421 文献标志码B 文章编号1001-3954202011-0005-05 Design and test of pressurized test bench for mud pump of directional drilling rig ZHU Limin1,2 1Chongqing Research Institute, China Coal Technology mud pump; test bench 近 几十年来，国内外学者对大功率泥浆泵的使 用性能进行过较为广泛的研究[1-2]，主要针对的 大多是石油钻井用泥浆泵[3]，此类泥浆泵试验检测系 统的研究也相对较多，但是专门针对煤矿用小型泥浆 泵的试验检测系统的研究相对较少，为此研发了定向 钻机专用泥浆泵试验台。 对于定向钻机井下作业施工期间，泥浆泵车驱动 孔底马达不能有效进行作业时，很难判断是否是泥浆 泵出现问题。有了试验平台后，可立即检测泥浆泵状 况，为定向钻机顺利施工做出检测依据。另一方面， 泥浆泵车供水测试试验台，不仅可以实现泥浆泵车的 出厂检验检测，而且可对泥浆泵车的设计研发提供试 验参考，提高定向钻机的质量，对于开拓市场和提高 经济效益也有十分重要的现实意义。 1 泥浆泵增压试验台方案设计 1.1 研制流程 在定向钻机专用泥浆泵试验台研发过程中，对现 有技术和装备进行吸收、改进，结合原始创新的研究 方法[4-8]，采用对比法确定试验系统水流传递方案、 压力调节方案、流量调节方案。采用三维软件建模， 研究供水系统布局，优化水系统结构，并对系统底 座、增压水箱进行三维设计与校核。试验台研制流程 如图 1 所示。 1.2 方案设计及试验流程 定向钻机用泥浆泵对于入水口的流量和压力有 一定的要求，因此在设计泥浆泵试验台时需要在水箱 内部预设一定的压力。采用螺杆空压机加储气罐给水 箱提供压缩空气，使水箱内的水压保持在一定的范围 内，因此，增压水箱的设计是重点。泥浆泵出入口流 量与压力的测定，可通过管路上的电磁流量计与压力 表实现。试验台设计方案如图 2 所示，主要由泥浆泵 进出口液体流量压力检测装置、水箱加压装置、出水 蓄能器、快速更换接头等组成。 通过注水口向水箱中注水 3 m3，并通过螺杆压缩 机经储气罐向水箱中注入压缩空气，使水箱中的压力 保持在 0.5 MPa。试验时，水箱中的压力水通过装有 截止阀、过滤器、流量计、压力表的管路系统进入泥 浆泵。由于试验泵为柱塞式泥浆泵，泵出口的水需要 再接入蓄能器进行流体稳定，然后经装有压力表、流 量计、截止阀的管路系统回到水箱。 2 增压水箱计算设计 该试验台设计的重点为增压水箱的设计计算。水 1. 螺杆泵 2. 储气罐 3. 泄压阀 4. 截止阀 5. 水箱 6. 过滤器 7. 入口流量计 8. 入口压力表 9. 泥浆泵 10. 蓄能器 11. 出口压力表 12. 出口流量计 13. 调压阀 图 2 试验台设计方案 Fig. 2 Design scheme of test bench 图 1 试验台研制流程 Fig. 1 Process flow of development of test bench 万方数据 第 48 卷 2020 年第 11 期 采掘 编 辑 严 瑾 7 箱设计综合考虑环境条件、介质的理化性质等因素， 结合给定的工艺参数，按照机械容器的选材、壁厚计 算、强度核算、附件选择、焊缝标准的设计顺序，分 别对水箱的筒体、封头、人孔接管、人孔补强、接 管、法兰、液位计、鞍座、焊接形式进行了设计和选 择。 水箱设计容积为 3 m3，直径为 1 600 mm，根据 水箱接口需求，设有出水口、泥浆泵回水口、人孔 等，水箱上部装有液位计，底部设计有底座，用于固 定安装增压水箱。增压水箱结构如图 3 所示。 增压水箱的保持压力为 0.5 MPa，设计压力 p 为 计算压力的 1.05 1.1 倍，这里取 1.1，则设计压力 p 0.51.1 0.55 MPa。水箱选用材料为不锈钢，许用 应力 [σ] 137 MPa。水箱壁厚 δ σ − pD p i 2[ ]Φ 3.58 mm， 式中Di 为水箱直径，Di 1 600 mm；Φ 为焊接系 数。 板材厚度附加量 C C1 C2， 式中C1 为板材厚度负偏差，由于计算壁厚小于 5 mm，因此取 C1 0.18 mm；C2 为板材厚度正偏差， 考虑到工作容器需要与水接触，取 C1 1 mm。 因此设计壁厚 δd δ C 4.76 mm， 根据不锈钢板材规格，圆整后取 δd 6 mm。 水箱壁应力 σ δ δ − p Di . d d 137 MPa 2 73 058 。 经校核，水箱壁强度符合设计要求。 使用软件对水箱进行应力应变分析。将水箱的内 表面均匀施加 0.5 MPa 压力，得到应力和应变云图， 分别如图 4、5 所示。从分析结果看，最大应力和应 变位置均为水箱的顶部和底部位置，其最大值均在安 全设计范围之内，因此水箱的结构设计满足要求。 3 泥浆泵增压试验台结构设计 增压水箱设计完成以后，试验台其他元器件只需 根据要求选择合适的型号即可。 螺杆空压机选用额定输出压力为 0.8 MPa 的螺杆 泵与泄压阀联合使用，将输出压力控制在 0.5 MPa。 螺杆机的排气量为常压下的指标，将其压缩到 0.5 MPa 时需要将体积压缩到原先的 1/5，考虑到最大排 量为 1 m3/min，因此螺杆泵的排量应为 5 m3/min，型 号为 LW-30P/LW-50P。与压缩机配套使用的还有储 气罐，为保证供气稳定性，采用压力为 0.8 MPa、容 积为 1 m3 的储气罐，进气口与出气口均为 1/2 英寸。 试验台总体布置结构如图 6 所示，螺杆空压机连 图 4 增压水箱应力云图 Fig. 4 Stress contours of pressurized water tank 1. 水箱体 2. 液位计 3. 人孔 4. 底座 图 3 增压水箱结构 Fig. 3 Structure of pressurized water tank 图 5 增压水箱位移云图 Fig. 5 Displacement contours of pressurized water tank 万方数据 第 48 卷 2020 年第 11 期 采掘 编 辑 严 瑾 8 接储气罐，然后接入增压水箱。增压水箱的出水口接 调节阀，经流量计、过渡阀板接头连接到需要测量的 泥浆泵入水口；泥浆泵出水口通过过渡阀板接头连接 试验台的回水管，经蓄能器、流量计和调节阀连接增 压水箱的回水接口，形成一个回路。测试不同的泥浆 泵时，只需将泥浆泵连接到指定的出/入水口过渡阀 板接头即可。 4 泥浆泵试验结果分析 泥浆泵试验系统是一个闭式循环系统，清水从增 压水箱通过进水管道吸入，进水管道上装有压力表和 电磁流量计，用来测量进水口压力与流量；泥浆泵出 水口连接回水管道，首先通过蓄能器稳压，然后通过 接有压力表和电磁流量计的回水管道返回增压水箱， 增压水箱保持一定的压力。 排出压力从最小值开始，再依次按照额定压力 值的 10、20、30、40、50、60、70、 80、90 和 100 升压，在每次的工况点测量和 记录流量 Q、入水口压力 ps 和出水口压力 pd 的测试 值，温度 温升 采用红外测温仪测量，转速通过转速 表进行测量。泥浆泵试验台测试项目如表 1 所列。 1. 螺杆空压机 2. 蓄能器 3. 储气罐 4. 流量计 5. 增压水箱 6. 调压阀 图 6 试验台总体布置 Fig. 6 Overall layout of test bench 试验项目 输入压力/MPa 输入流量/L min-1 输出压力/MPa 输出流量/Lmin-1 转速/rmin-1 温升/℃ 表 1 泥浆泵试验台测试项目 Tab. 1 Testing items of bench test for mud pump 测量范围 0～16 0～1000 0～16 0～1000 50～2 000 0～100 以 XW50 型 PINFL 泥浆泵为例进行测试，检测 泥浆泵是否达到设计规定的指标。该泵的技术参数 为输出流量为 230 L/min，额定压力为 6 MPa。从 最小排出压力开始进行检测，然后按额定排出压力的 10 依次递增，共 10 个工况点，每个工况点平稳运 行 5 min，然后同时测量和记录压力、流量、转速等 测试值，部分测试记录如表 2 所列。由试验测试数据 得知，XW50 型泥浆泵各挡容积效率都在 90 以上， 满足设计测试要求。 5 结语 随着定向钻机在煤矿中的使用越来越普遍，根据 泥浆泵的测试需求，设计了一种定向钻机用泥浆泵增 压供水试验台。该试验台采用螺杆空压机为增压水箱 提供稳定压力，为泥浆泵吸水口提供稳定的测试压力 水，集成了出/入水口的流量与压力检测装置，可以 测试泥浆泵的工作参数，并可以通过调节阀门来调节 压力流量值，以满足不同型号泥浆泵的检测与检验。 通过对 XW50 型泥浆泵进行压力流量分挡测试，验证 了该试验台满足试验设计要求。 使用试验平台，可立即检测泥浆泵是否损坏，为 定向钻机顺利施工做出检测依据。该试验台不仅可以 实现泥浆泵车的出厂检验检测，而且可对泥浆泵车的 设计研发提供设计参考。 参 考 文 献 [1] 焦清朝，刘永勤，齐 然，等．国内外轻便泥浆泵的现状与 发展趋势 [J]．石油矿场机械，2004，33增刊 128-31. [2] 杨玉洁，谭 涛，吴 琼，等．泥浆泵传动系统研究与改造 [J]．中国石油石化，20162298-99. [3] 胡振琪，张国良．煤矿沉陷区泥浆泵复田技术研究 [J]．中国 矿业大学学报，1994，23160-65. [4] 陈泽平．煤矿井下双泵大流量泥浆泵车设计 [J]．煤矿机械， 2019，401225-27. [5] 刘小华．ZYWL-13000DS 定向钻机泵车液压系统设计 [J]．矿 山机械，2017，45414-17. 工 况 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 输入压 力/kPa 0.6 0.5 0.4 0.3 0.3 0.5 0.3 0.4 0.4 0.5 输出压 力/MPa 0.11 1.05 2.67 2.98 4.15 6.23 2.23 4.29 5.96 6.02 实测流量/ L min-1 178.5 180.5 179.6 180.2 182.6 185.5 202.3 212.6 223.5 226.7 实测转速/ r min-1 726.6 728.6 730.5 731.6 736.5 756.3 836.8 838.6 842.8 856.2 理论流量/ L min-1 179.8 182.5 182.6 182.5 184.5 187.2 204.5 215.5 225.2 228.5 容积效 率/ 99.67 99.08 98.56 98.85 97.45 98.23 98.50 98.65 98.47 98.76 总效 率/ 54.56 56.75 56.62 56.72 58.87 60.25 68.65 69.52 70.24 72.58 表 2 泥浆泵试验台性能测试试验数据 Tab. 2 Data of bench test for perance of mud pump 万方数据 第 48 卷 2020 年第 11 期 采掘 编 辑 严 瑾 9 [6] 姚 克，张占强，李 栋，等．煤矿井下钻探用系列泥浆泵 车研制 [J]．煤田地质与勘探，2016，444153-156. [7] 杨 琴．国内外钻井泥浆泵发展概况 [J]．机械工程师， 20081063-65. [8] 张占强．BLY390 型煤矿井下钻探用泥浆泵车设计 [J]．矿山 机械，2016，44317-19. □ 收稿日期2020-06-18 修订日期2020-08-28  大采高大侧护支架在低位放顶煤 工作面的应用 董跃文 阳泉煤业 集团 有限责任公司一矿 山西阳泉 045008 摘要综采放顶煤工作面回风巷一般沿煤层底板布置，上端头不放顶煤或是少放顶煤。介绍了 S8303 综采放顶煤工作面回风巷沿煤层顶板布置，在工作面机尾安装大采高大侧护液压支架的情况。现场实 际应用结果表明，大采高大侧护支架可以很好地解决低位放顶煤工作面上端头维护困难、底煤难以回 收的问题，提高了工人作业环境的安全度，减轻了工人的劳动强度，成功回收回风巷区域三角底煤， 取得了良好的经济效益。现工作面每推进 1 m 比原先沿上层推进，可多回采约 131.04 t 的煤炭资源。 关键词上端头；大侧护；三角底煤 中图分类号TD355 文献标志码B 文章编号1001-3954202011-0009-05 Application of large mining height hydraulic support with big side plate on low coal caving workface DONG Yuewen No. 1 Mine of Yangquan Coal Industry Group Co., Ltd., Yangquan 045008, Shanxi, China AbstractThe return airway of the fully-mechanized top coal caving workface is usually arranged along the floor of coal seam, and there is no coal or a little coal on the top end. The paper introduced the arrangement of the return airway of the fully-mechanized top coal caving workface S8303 along the ceiling of coal seam, and the installation of the large mining height hydraulic support with big side plate at facility end on workface. Actual field application effects showed the application of the large mining height hydraulic support with big side plate solved the problems such as maintenance difficulty at top end of low coal caving workface and hard recovery of bottom coal. Its application enhanced the security of working surroundings, reduced the labor intensity, and recovered triangular bottom coal of the return airway, thus good economic benefit was obtained. Nowadays, the workface advanced every 1 m along upper layer than before, extra 131.04 t coal recovered. Key Wordstop end; big side plate; triangular bottom coal 放 顶煤工作面回风巷一般沿底板掘进，随着工 作面的推进，回风巷顶煤随顶板垮落直接遗落 在落山。由于上端头顶板压力大，支护效果也往往 不理想，为保证支护质量，工作面端头区域一般不 放顶煤，不仅造成煤炭资源的浪费，同时也存在一定 的自燃危险。此外，由于端头维护工序繁杂，采用传 统的“单体液压支架 Π 形梁 工字钢”维护，工 人劳动强度大，作业环境差。每推进一茬需要移动 作者简介董跃文，男，1987 年生，硕士，工程师，主要从事 采矿工程技术工作。 万方数据