全液壓坑道鉆機立式夾持器的設計及應用

陳 翔，張 銳，王 松

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

0 引言

井下鉆機是進行瓦斯抽采、探放水等煤礦隱蔽致災因素探查和治理的關鍵裝備[1]。鉆機在狹窄巷道的通過能力、角度調整范圍等參數是衡量鉆機在煤礦井下復雜條件鉆孔施工的重要指標。

夾持器是全液壓煤礦坑道鉆機的關鍵部件之一，其作用是為孔內鉆具提供夾緊力使其不發生滑移與轉動，并可配合回轉器轉動實現擰卸鉆桿的機械化操作，降低人工勞動強度[2]。傳統的夾持器由于其油缸和彈簧等施力機構的水平布置，導致其橫向尺寸過大，直接影響著鉆機的整體尺寸和調角能力。因此，若要進一步提高鉆機在狹窄巷道的通過能力，并且滿足鉆機傾角調整范圍大的要求，設計一款新的夾持器十分必要。

1 夾持器分類及特點

目前常用夾持器按啟閉方式分主要有常開式和常閉式兩種類型[3，4]。

（1）常開式夾持器。常開式夾持器采取液壓夾緊、彈簧松開的方案[5]。其優點是夾緊力可通過系統壓力進行調節，但是由于其常開的特點，一旦鉆機失去動力源，孔內鉆具無法進行夾持，易出現事故，從而使其應用受到一定的限制。

（2）常閉式夾持器。常閉式夾持器采取彈簧夾緊、液壓松開的方案[2]。其優點是夾持可靠，當鉆機突然失去動力源時可以確保孔內鉆具不發生滑移；缺點是夾緊力恒定不可調，且碟簧選取不當會降低鉆具使用壽命。同時，為了使夾持器張開需配置尺寸較大的油缸，從而增加了夾持器結構尺寸，在夾緊力需求較大時導致尺寸過大，使用受到限制。

2 立式夾持器的設計

由于配套鉆機需滿足大角度鉆孔施工的要求，該夾持器必須選用常閉式以保證鉆具不會由于鉆機突然失去動力源而出現意外滑墜[6]。此外，還應盡量減少夾持器的橫向尺寸以滿足鉆機窄體化和大調角范圍的設計要求。基于以上分析，設計了一款常閉式夾持器，其結構如圖1所示。

圖1 立式夾持器

夾持器置于夾持器座內，夾持器座通過螺栓和定位銷與機身前端相連，整體高度可上下調節。夾持器采用常閉式結構，將碟簧和油缸等施力機構置于夾持器下側。碟簧安裝在彈簧座內，通過螺桿2與缸塞、缸蓋連接，共同組成施力機構。通過控制缸塞的上下移動，在螺桿1的作用下帶動上卡瓦運動，實現夾緊或松開鉆具。當夾持器處于初始狀態時，碟簧的預緊力作用于缸塞，推動上卡瓦向下運動，使夾持器閉合[7]；當高壓油進入缸塞和缸蓋之間的腔體時，推動缸塞向上運動壓緊碟簧，帶動上卡瓦向上運動，使夾持器張開；當高壓油進入缸塞上方的腔體時，推動缸塞繼續向下運動，帶動上卡瓦強力夾緊鉆具。

3 設計計算

在夾持器設計時，夾持力的計算及油缸面積的確定是主要的計算內容，也是夾持器設計中的核心任務，其他零部件的設計綜合了整體尺寸、使用要求以及油缸、碟簧選型等多方面因素，校核過程繁瑣，文中均沒有一一列舉。

3.1 夾持力計算

夾持器需提供的夾持力主要由鉆桿自重、鉆機扭矩或兩者共同作用而決定[8]。

（1）克服鉆桿自重所需的夾緊力F1[9]

式中：m為進尺300 m所需的鉆桿數量，m=200根；Q為單根鉆桿質量，Q=24 kg；α為鉆機調角范圍，α = ±90°；μ 為鉆桿與卡瓦摩擦系數，μ =0.3；n為卡瓦與鉆桿摩擦副數，n=2.

代入數據計算得：78.4 kN.

式中：M為回轉器最大扭矩，M=4 300 N·m；d為鉆桿直徑，d=73 mm.

代入數據計算得：F2＝196.3 kN.

代入數據計算得：F3=211.4 kN.

3.2 碟簧的選取

由于采用常閉式夾持器，必須選取合適的碟簧來實現鉆具的有效夾緊。碟簧的選取以計算的夾緊力為依據來進行選取，并適當考慮夾持器的開口量（即碟簧總形變量）。開口量選取過小會導致鉆進過程中鉆桿擺動造成意外磨損，降低鉆具的使用壽命，開口量選取過大則會導致夾持器結構尺寸增加，因此必須綜合兩方面來進行碟簧的選取。

3.3 缸塞面積及最小開啟壓力的確定[10]

式中：P0為系統背壓，P0=0.5 MPa；P1為碟簧預緊力，P1=47.82 kN；D1為缸塞內徑，D1=116 mm；D2為缸塞直徑，D1=110 mm.

缸塞在高壓油的作用下，壓縮碟簧，推動上卡瓦運動，使夾持器張開。代入數據計算得，缸塞內徑為φ116 mm時，最小開啟壓力Pmin為4.98 MPa.

當夾持器達到最大夾持力時，碟簧與缸塞同時工作，此時提供夾持力為Fmax

式中：Fmax為鉆機夾持系統額定壓力，Fmax=16 MPa；P2為碟簧工作點壓力，P2=91.7 kN.

將數據代入式中，計算得Fmax＝238.4 kN＞F3，因此可以在擰卸鉆桿時夾緊鉆具。

4 應用

該夾持器成功應用于ZDY4300LF（A）型分體式履帶鉆機，鉆機結構如圖2所示。從圖2可以看出，文中設計的夾持器坐落于鉆機給進機身前端，在鉆進過程中起到夾緊鉆桿的作用。由于采用了立式夾持器，使得整機設計寬度為0.85 m時主機調角可以滿足設計要求，不與機架干涉，能夠滿足在狹窄巷道施工大角度鉆孔的要求。

圖2 Z D Y4300L F（A）型分體式履帶鉆機

該鉆機在陜西黃陵二號煤礦進行試驗的過程中，共完成進尺2100余米，總共成孔16個，其中水平孔1個，頂板孔8個，底板孔7個，最深鉆孔深度達280 m，最大傾角+20°，最大俯角-30°；在淮北礦業集團楊柳煤礦進行試驗的過程中，共完成進尺369 m，總共成孔8個，最大孔深達到73 m，最大傾角73°，最小傾角26°，各個孔位及進尺均達到了設計指標，此外，鉆機的鉆進能力仍有極大的富余量，可以適用于更加復雜的地質條件和鉆孔設計要求更高的場合。

在工業性試驗過程中，立式夾持器運轉良好，結構設計強度能夠滿足使用要求，夾緊和張開動作工作正常，能可靠夾緊鉆具，有效減少了夾持器與鉆具的非正常磨損，延長了鉆具的使用壽命，為試驗的順利進行提供了可靠保障。

5 結束語

夾持器采用了立式設計，同時選擇了復合式碟簧夾緊形式，解決了夾緊可靠和橫向窄體化設計需求，提高了鉆機調角時夾持器在機架中的通過性，滿足了鉆機整體窄體化設計要求。通過現場試驗證明，在累計進尺2 469 m的過程中，夾持器夾緊可靠，且無鉆桿的非正常磨損，完全滿足鉆機的工業性使用要求。