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第 48 卷 2020 年第 10 期 采掘 编 辑 严 瑾 12 履带式钻杆吊装车总体方案 设计及性能参数确定 王 杰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 400037 摘要针对煤矿井下“顶板高位大直径”定向钻孔过程中存在的上下钻杆困难、劳动强度高的问题， 设计了一种履带式钻杆吊装车。该车主要由履带行走机构和起吊机构两大部分组成，具有自行走、装 载钻杆、辅助起吊和钻杆定位 4 项基本功能，并对其结构组成、工作原理和液压系统进行了阐述和 计算，设计思路和结果能够满足钻机上下钻杆的施工要求，有效减轻了工人的劳动强度，提高施工效 率。 关键词定向钻孔；钻杆吊装；履带行走；液压系统 中图分类号TD421 文献标志码B 文章编号1001-3954202010-0012-05 Overall scheme design and perance parameter determination of crawler drill pipe lifting truck WANG Jie1,2 1Chongqing Research Institute Co., Ltd. of China Coal Technology drill pipe lifting; crawler walking; hydraulic system 基金项目“十三五”国家科技重大专项 2016ZX05045003- 004；重庆市技术创新与应用示范专项 cstc2018jszx-cyzdX0056 作者简介王 杰，男，1988 年生，硕士，工程师，主要从事 煤矿井下全液压定向钻机的研发工作。 目 前，煤矿井下瓦斯抽放钻孔多为巷道内近水 平钻孔施工，在加接钻杆时，主要采用人工搬 运、举升和手拧对中的传统方式，不仅劳动强度高、 操作效率低，而且对人员的人身安全存在着较大的风 险。随着近几年来“煤矿井下顶板高位大直径定向钻 孔”工艺的兴起，瓦斯抽采钻孔的直径越来越大，施 工钻具的质量和尺寸都相应增加，传统的人工加接钻 杆方式将需要更多的人力和辅助工具，无法满足高效 钻孔的要求。相比地面竖直钻进工程，由于井下钻场 作业空间受限、煤矿特殊环境要求和施工方式的不 同，无法采用钻机随车配备卷扬机的方案，其他轻小 型起重设备也较难满足井下瓦斯抽采钻孔施工工艺的 要求。因此，亟需研制一种能够适应井下钻孔要求的 钻杆吊装车，实现从钻杆堆放区到钻机施工处的短距 离钻杆搬运和上钻“定位”功能，仅需人工辅助即可 完成上下钻杆的操作流程，解决大直径钻杆加接困难 万方数据 第 48 卷 2020 年第 10 期 采掘 编 辑 严 瑾 13 1. 钻杆吊具 2. 液压平衡吊 3. 液压泵站 4. 电控柜 5. 行走手柄 6. 钻杆 7. 履带底盘 8. 操纵台 图 1 钻杆吊装车结构 Fig. 1 Structure of drill pipe lifting truck 1. 锚固液压缸 2. 履带总成 3. 行走马达 4. 机架 图 2 履带行走机构结构 Fig. 2 Structure of crawler walking mechanism 压缸等组成，结构如图 2 所示。左右对称的 2 套行走 履带与机架刚性连接，由液压系统驱动车体前进、后 退和转弯，具有接地比压低、转弯半径小、通过能力 强的特点。在履带车体前、后侧分别安装了 2 只锚固 液压缸，用于起吊作业时车体的稳固和调平。 2.3 液压平衡吊 液压平衡吊是一种采用液压驱动的机械式平衡 吊，由平行四边形杆系、头架、配重、固定立柱和驱 动液压缸组成，结构如图 3 所示，运用平形四边形的 缩放原理和杆系的平衡原理，实现了空间内任一点的 随遇平衡。工作时，平衡吊的水平运动和回转运动由 手动控制，仅需操作者施加几千克的辅助力，升降运 动由驱动液压缸控制，具有省力高效、操作方便的特 点。 2.4 钻杆吊具 钻杆吊具用于抓取钻杆，由横梁、两组 X 形抓 手、卡瓦和螺旋锁定机构等组成，结构如图 4 所示。 顺时针转动螺旋机构，X 形抓手上部收紧，下部夹紧 钻杆，逆时针转动螺旋机构则松开钻杆，能够满足直 径 89 127 mm 范围内的多种规格钻杆的夹紧需求。 的问题。 1 设计要求 煤矿井下大直径定向钻机由于外形尺寸较大， 施工过程中所需辅助设备及钻杆数量较多，在布置 钻场时，一般将钻杆摆放在距离主机 10 30 m 的地 方，因此钻杆吊装车需要具有独立行走和装载钻杆的 功能，且装载钻杆的数量能够满足 1 个作业班组的施 工需求。为了能抓取钻杆并起吊到钻杆车或钻机上的 搓杆机构中，需具有辅助起吊及钻杆定位的功能，钻 杆可以在起吊空间任意位置随遇平衡，满足定位的需 求。 2 总体结构方案设计 履带式钻杆吊装车在结构设计上采用模块化的设 计方法，将各个功能部件布置在履带行走底盘上，具 有结构紧凑、功能多样、便于维修的特点。 2.1 总体方案布局 钻杆吊装车由履带底盘、液压平衡吊、钻杆吊 具、液压泵站、电控柜和操纵台等部件组成，整体结 构布局如图 1 所示。钻杆按照分层摆放的形式固定在 车体一侧，每层及每根钻杆之间都留有间隙，便于吊 具抓放钻杆。通过更换钻杆卡座，可以摆放不同规格 和数量的钻杆，最大装载钻杆长度为 3 m，最多可装 载 16 根直径 127 mm 的定向钻杆。履带车搬运钻杆 过程中，由卡座两侧的拉杆螺母锁紧钻杆，防止窜 动。起吊时由铰接在液压平衡吊末端的钻杆吊具锁紧 钻杆，平衡吊具有水平、竖直和回转 3 种运动方式， 可将钻杆“定位”到工作空间的任一位置，满足钻机 上、下钻杆的工艺需求。 2.2 履带底盘 履带底盘由履带总成、行走马达、机架和锚固液 1. 平行四边形杆系 2. 头架 3. 配重 4. 立柱 5. 驱动液压缸 图 3 液压平衡吊结构 Fig. 3 Structure of hydraulic balance crane 万方数据 第 48 卷 2020 年第 10 期 采掘 编 辑 严 瑾 14 1. 横梁 2. 螺旋锁紧机构 3. X 形抓手 4. 卡瓦 图 4 钻杆吊具结构 Fig. 4 Structure of drill pipe lifter 1. 定量泵 2. 先导油源阀 3. 主多路阀 4. 调速阀 5. 升降液压缸 6. 行走马达 7. 先导手柄 8. 锚固液压缸 9. 锚固多路阀 10. 功能选择阀 图 5 钻杆吊装车液压系统 Fig. 5 Hydraulic system of drill pipe lifting truck 每个抓手上安装有 4 片卡瓦，可增加抓手与钻杆壁之 间的摩擦力，防止钻杆滑落。吊具与平衡吊吊钩铰接 连接，可有效扩展钻杆的活动范围。 3 液压系统方案设计 钻杆吊装车为间歇性工作方式，时间间隔在 30 120 min 之间，工作频率较低。从经济性方面考虑， 采用定量泵开式液压系统，包括行走锚固系统和起吊 系统两大部分，操作方式为液压先导操作，液压原理 如图 5 所示。 其中，主多路阀 3 为 4 片式液控换向阀，第 1 联 控制液压平衡吊升降液压缸 5 的伸出或收回，第 2、 3 联分别控制履带车左、右侧行走马达 6.1 和 6.2 前 进和后退，第 4 联为锚固液压缸 8 提供工作油源。先 导油源阀 2 串联在定量泵 1 的出口，为先导手柄 7 提 供控制油源。功能选择阀 10 为两位四通换向阀，用 于行走锚固和起吊功能的切换，置于前位时，先导手 柄 7.1 可以工作，控制起吊系统正常工作；置于后位 时，行走手柄 7.2 和 7.3 可以工作，同时，先导油路 控制主多路阀的第 4 联换向，为锚固多路阀 9 提供压 力油。锚固多路阀 9 分别控制 4 根锚固液压缸的伸出 与收回，液压缸上安装有液压锁用于回路保压。调速 阀 4 安装在升降液压缸的有杆腔上，通过调节节流口 的开度可以控制液压缸伸出和收回速度，液控单向阀 用于防止重物下落。 万方数据 第 48 卷 2020 年第 10 期 采掘 编 辑 严 瑾 15 4 主要技术参数确定及选型计算 4.1 技术参数的确定 履带式钻杆吊装车的技术参数应能满足钻机上下 钻杆的工艺需求，其载质量由机身自身质量和最大钻 杆数确定，行走速度和爬坡能力与钻机参数相适应， 平衡吊的工作范围和技术参数由上下钻杆时的空间要 求确定，各项主要技术参数如表 1 所列。 4.2 履带行走系统参数计算 行走系统的参数计算的依据主要是履带的牵引 力，包括行走马达排量、转速和系统流量的计算。而 计算牵引力需要考虑履带行走过程中的各种阻力系 数，比较繁琐，此处计算主要考虑坡道滚动阻力、回 转阻力和爬坡阻力，则所需牵引力[1] Fp f sin θ mg 43 629.6 N， 式中f 为滚动阻力系数，取 f 0.1； 为回转阻力系 数，取 0.3；sin θ 为爬坡阻力系数，取 θ 20 ；m 为履带车总质量，m 6 000 kg。 由牵引力计算马达驱动转矩，然后得到所需行走 马达的当量排量 V F D p k m p mm p Dη 2 284 mL/r， 式中Dk 为驱动轮齿节圆直径；Δp 为马达工作压 差；ηmm 为马达机械效率。 由履带行走速度可计算驱动轮转速 n v Dk p 8.49 r/min， 式中v 为履带行走速度。 由驱动轮转速和马达当量排量计算所需液压泵的 流量 Q V n p m mvqvpv 2 η η η 43.4 L/min， 式中ηmv 为马达容积效率；ηqv 为多路阀容积效率； ηpv 为泵的容积效率。 4.3 起吊系统参数计算 起吊系统计算主要是计算平衡吊驱动液压缸参 数。为了确定液压缸工作面积及所需流量，需要计 算液压缸的输出力及位移。液压平衡吊的机构运动 原理如图 6 所示，A 为平衡吊的吊钩位置；D 为活动 支点，只能沿 x 方向运动，J 为与液压缸连接的铰接 点，受液压缸控制只能沿 y 方向运动，在受力分析时 为固定支点。A 和 A′ 组成的阴影区域为平衡吊在 xy 平面内的工作范围。 根据平衡吊平行四边形杆系的受力分析结果，为 了实现杆系平衡，需满足 AC/BC JC/EC k，k 为 平衡吊的放大系数，一般取 k 5 10。由相似三角形 原理可以得出 A 点的位移及受力计算公式[2-3] skDD smJJ GFk x y AJ - - , ,1 1/  式中sx 为 A 点的水平位移；sy 为 A 点的垂直位移； GA 为吊点 A 处的重物重力；FJ 为液压缸的 J 点处的 拉力。 根据技术参数，确定液压缸的工作压力 p 5 MPa，杆系放大系数取 k 6，则驱动液压缸有杆腔的 工作力 FJ、速度 vJ 和行程 sJ 分别为 FJ k-1 GA 2 500 N， vJ vA /k - 1 1.6 m/s， sJ sy /k - 1 300 mm。 由液压缸的计算公式得，有杆腔的面积 S FJ /p 5 000 mm2，所需流量 Q vJ S 8 L/min。 5 结语 煤矿井下履带式钻杆吊装车采用履带行走机构解 决了多根钻杆的搬运和存放问题，利用液压平衡吊实 现了钻杆的起吊和空间定位，能够满足“顶板高位大 直径”钻孔过程中辅助上下钻杆的使用要求，为钻机 上下钻杆提供了一种新的设计思路。按照该思路设计 的吊装车，相比传统的“肩扛手拧”加接钻杆方式， 表 1 履带式钻杆吊装车主要技术参数 Tab. 1 Main technical parameters of crawler drill pipe lifting truck 部件 履带底盘 起吊机构 项目 载质量 含自身质量/kg 行走速度/m min-1 爬坡角度/ 额定起吊质量/kg 起吊速度/m min-1 升降高度/m 工作半径/m 参数 6 000 10 20 500 6 8 1 500 1 800 1. 小臂 2. 大臂 3. 升降液压缸 4. 连杆 5. 支承杆 图 6 液压平衡吊机构简图 Fig. 6 Sketch of hydraulic balance crane mechanism 万方数据 第 48 卷 2020 年第 10 期 采掘 编 辑 严 瑾 16  一种大型竖井掘进用多功能 平台系统 田振华1,2，苗军克1,2，周 艳1,2 1洛阳矿山机械工程设计研究院有限责任公司 河南洛阳 471039 2矿山重型装备国家重点实验室 河南洛阳 471039 摘要目前大型掘进设备在竖井掘进应用上功能单一，且效率低、安全性差。为了高效、安全进行竖 井掘进作业，研发了一种大型竖井掘进用多功能平台系统。该多功能平台系统集成了竖井管片拼装 机系统、管片限位扶正工具、应急管片停放系统、竖井超前钻系统及竖井锚杆钻系统，可在竖井掘进 过程中同时进行井壁衬砌管片、管片锚固及超前钻探工作，开挖竖井一次成型。驱动部件选用液压系 统，并配置平衡阀与比例阀，同时配置角度传感器、位移传感器对设备进行监测、反馈，提高了定位 精度。控制系统采用遥控器操作，并备用直控操作台，提高了安全性。该多功能平台系统结构紧凑， 采用机电液一体化技术，可实现高精度定位，对高效竖井掘进设备的研发设计提供了一种方案。 关键词多功能平台系统；竖井掘进；机电液一体化；高精度定位 中图分类号TD421.3 文献标志码B 文章编号1001-3954202010-0016-03 A multi-function plat system for large-scale silo drilling TIAN Zhenhua1,2, MIAO Junke1,2, ZHOU Yan1,2 1Luoyang Mining Machinery Engineering Design Institute Co., Ltd., Luoyang 471039, Henan, China 2State Key Laboratory of Mining Heavy Equipment, Luoyang 471039, Henan, China AbstractAt present, the large-scale drilling machine was characterized by single function, low efficiency and poor safety in silo drilling. For efficient and safe silo drilling operation, a multi-function plat system for large-scale silo drilling was developed. The multi-function plat system integrated the silo segment erector system, segment limit centralizing tool, segment parking system in emergency, advanced silo drilling system and silo anchor drilling system. It built the segment onto the silo inwall, anchored segment and conducted advanced drilling at the same time during silo drilling process, thus the silo one-time ed. The drive adopted hydraulic system, balance valve, proportional valve, angle sensor and displacement sensor to monitor and feedback the equipment, so as to enhance the positioning precision. The control system adopted remote control operation, and the direct-control operation table was equipped for back up to improve the safety. The multi- function plat system was compact in structure and integrated mechanical, electric and hydraulic technology so as to realize precise positioning. It offered a scheme for the development of the efficient silo drilling 作者简介田振华，男，1983 年生，工程师，主要从事机械设计与矿山智能控制工作。 具有高效、省力、操作便捷的特点，同时，有效降低 了工人劳动强度，具有广阔的应用前景。 参 考 文 献 [1] 呼格吉乐图，尹 明，张高平．履带式掘进机行走机构的动 力学计算分析 [J]．煤矿机械，2011，32921-23. [2] 方亚梅．平衡吊若干关键技术问题的分析研究 [D]．合肥合 肥工业大学，20159-14. [3] 何富贤，何全茂．液压平衡吊及其随遇平衡原理的应用 [J]． 煤矿机械，2010，3110194-196. 收稿日期2020-05-19 修订日期2020-07-30 万方数据