ZYWL-23000DS 大功率定向鉆機幾項關鍵技術研究

閆保永

1中煤科工集團重慶研究院有限公司 重慶 400039

2瓦斯災害監控與應急技術國家重點實驗室 重慶 400039

煤礦應用的常規定向鉆機回轉轉矩普遍為 3 000～6 000 N·m，主要用于近水平順煤層鉆孔施工，一次成孔直徑為 96 mm，不能完全滿足國內長距離回采工作面瓦斯預抽鉆孔和頂底板巖層大直徑鉆孔施工的需求[1]。由于常規定向鉆機轉矩小，處理孔內事故能力差，有必要開展大功率定向鉆機研究[2-3]?！笆濉眹铱萍贾卮髮ｍ楅_展了大功率定向鉆進技術與裝備的研發，重點在頂板裂隙帶大直徑鉆孔施工方面進行了探索，研制出了 ZDY-12000LD、ZYWL-13000DS、ZYWL-15000DS 型定向鉆機，在解決上隅角瓦斯問題方面取得了一定效果[4-7]。經過在晉煤集團、汾西集團等礦區的推廣應用，頂板裂隙帶大直徑鉆孔抽采瓦斯效果逐步得到認可。因其可以縮短施工周期，節約生產成本，緩解礦井采掘接替緊張的矛盾，為以孔代巷提供了可行方案[8-11]。然而，由于頂板大直徑定向鉆孔施工過程受巖層地質條件的影響，對鉆進裝備的能力提出更大需求：需要鉆機轉矩大；鉆孔通徑大，可以使用更大直徑鉆桿；為了打撈方便，需要快速更換卡瓦；需要上下鉆桿輔助裝置，以實現粗徑鉆具快速裝卸。針對新需求，為了滿足該技術日益發展的需要，對幾項關鍵技術進行攻關，研制出 ZYWL-23000DS 型大功率定向鉆機，形成系列化的定向鉆機產品。

1 技術要求

根據目前定向鉆孔施工情況，大功率定向鉆機除具備回轉鉆進、定向鉆進和復合定向鉆進等基本功能外，還需注意以下問題：在頂板裂隙帶大直徑定向鉆孔鉆進過程中，經常遇到破碎巖層，需采用回轉鉆進方式穿過破碎帶，同時，為解決鉆進過程中不可避免的卡、埋鉆等鉆孔事故，鉆機需要大轉矩和大起拔力，具備強力起拔和回轉等功能；隨著頂板裂隙帶鉆孔直徑不斷增大，需要鉆機可以夾持使用粗徑鉆具進行鉆孔施工；粗徑鉆具一般較重，需要研制輔助上下鉆桿裝置，減輕工人勞動強度，提高效率；針對大轉矩動力頭制動難的問題，需研制新型旋轉與制動功能互鎖液壓控制技術。

針對這些問題，在鉆機的關鍵技術方面開展研究，通過虛擬樣機技術，對關鍵參數進行核算，實現鉆機一體化緊湊型布局；創新研制動力頭、夾持器、制動等關鍵結構部件；開發基于恒功率控制、負載敏感和比例先導控制技術的液壓系統，降低鉆機功耗，提高鉆機可靠性。結合理論計算和經驗類比，確定了大功率定向鉆機主要性能參數，如表 1 所列。

表1 主要性能參數Tab.1 Main performance parameters

2 關鍵技術研究

在借鑒 ZYWLD 系列定向鉆機優點的基礎上，重點對雙馬達動力頭、快換卡盤、大通徑夾持器、旋轉與制動功能互鎖、輔助上下鉆桿裝置等關鍵技術進行了創新攻關設計，實現了鉆機大轉矩、大主軸通徑、快速更換卡盤、自動擰卸鉆桿等功能，大大提高了施工過程中對抱鉆、卡鉆等事故的處理能力，提高了鉆機的實用性。

2.1 雙馬達動力頭

動力頭是驅動鉆具回轉，提供轉矩和回轉速度的關鍵部件，同時還實現了機械化拆卸鉆桿與處理孔內事故。動力頭將液壓能轉換成機械能，高壓油驅動液壓馬達旋轉，經減速器減速后帶動鉆具旋轉，輸出轉矩和轉速。減速器為兩級齒輪傳動機構，無級變速。為了實現大轉矩要求并盡量減小體積，采用雙液控變量液壓馬達驅動，傳動原理如圖 1 所示。根據轉矩輸出要求，計算選取動力頭總傳動比i，按照 1 級齒輪傳動比為 3～6 的取值原則，對 2 級傳動比進行合理分配設計。

圖1 雙馬達動力頭傳動原理Fig.1 Transmission principle of dual motor power head

動力頭主軸為中空結構，為滿足定向鉆進及打撈需要，通孔直徑為 135 mm。雙馬達動力頭轉矩大，大大提高了施工過程中對抱鉆、卡鉆等事故的處理能力，提高了定向鉆機的地層適應性。為了實現馬達同步驅動，防止雙馬達間驅動干涉，將 2 個馬達進油口串聯，通過液壓系統實現 2 個馬達輸出轉矩一致。

2.2 快換卡盤

卡盤在液壓力的作用下，依靠液控單向閥、膠套、卡瓦、彈簧等完成夾緊與松開功能。夾緊鉆桿時，高壓油經液控單向閥注入密封油腔，膠套受到徑向的壓力而收縮，使卡瓦組向中心移動，夾緊鉆桿，然后停止供油，液控單向閥關閉，密封油腔內保持高壓，卡盤處于常閉式狀態；松開鉆桿時，控制油路供油，液控單向閥被打開，密封油腔回油，在彈簧力作用下，卡瓦松開。卡盤采用液控單向閥控制卡盤工作油路，實現了常閉式卡盤和常開式卡盤兩者的有機統一，夾緊松開卡盤只需間歇供油，大大降低了定向鉆機的功耗。

卡盤與動力頭主軸通過連接盤連接，安裝卡盤時，將卡盤上控制油口對準主軸控制油口，通過螺栓將卡盤固定在主軸上，因此可以快速整體更換卡盤。要更換卡瓦組件時，不用拆除膠套，只需將定位蓋拆下，拔出卡瓦組件，即可實現卡瓦組件快速更換?？鞊Q卡盤結構及原理如圖 2 所示。

圖2 卡盤結構及原理Fig.2 Structure and principle of chuck

2.3 大通徑夾持器

為了滿足粗徑鉆具快速通過要求，設計了上開口拉桿結構大通徑夾持器，最大通徑為 200 mm。夾持器前端設有扶正器，擴孔回轉鉆進時對鉆具起導向作用。

采用大行程夾持液壓缸帶動卡瓦，實現對鉆桿的夾持和松開，液壓缸通過螺釘與立板聯接，保證了夾持鉆桿時液壓缸受力的穩定性，不會出現液壓缸焊接在安裝座上，長期受力后損壞液壓缸的情況；2 組立板頂端通過銷軸與上拉板聯接，取下銷軸后，上拉板可以朝 2 個方向打開，方便放入孔底馬達、封孔管等粗徑鉆具；打開立板中間的擋板，可拔出卡瓦，實現快速更換。

圖3 大通徑夾持器結構示意Fig.3 Structure sketch of large-diameter gripper

夾持器受力主要有鉆具質量和反轉矩 2 種類型。僅夾持孔內鉆具時，在最大傾角下，所需的最大夾緊力F1主要克服鉆孔內鉆桿的重力，

式中：G為每根鉆桿重力；n為鉆桿數量；α為鉆機最大傾角；i為卡瓦與鉆桿摩擦副數，i=2；f為卡瓦與鉆桿摩擦因數，f=0.25。

為了配合卡盤拆卸鉆桿，夾持器最大反轉矩所需的夾緊力

式中：M為鉆機額定轉矩；d為鉆桿直徑。

以配套的f127 mm 鉆具為例，計算得F1=142 kN，F2=723 kN。

設計計算中，應該考慮到夾持器同時克服最大鉆具自重和鉆機最大轉矩時的情況，即

計算得F3=736 kN。以此為條件，取合適安全系數，根據液壓缸計算公式即可選取合適的夾持器液壓缸直徑參數。

2.4 旋轉與制動功能互鎖

在定向鉆進時，制動裝置鎖緊動力頭主軸 (剎車狀態)；在調整孔底馬達彎頭方向時，制動裝置松開動力頭主軸。目前煤礦井下實際使用過程中存在頻繁的誤操作，即在剎車狀態下操作動力頭旋轉，造成剎車軸和卡瓦磨損加劇，導致制動“打滑”、孔底馬達彎頭方向改變，嚴重影響制動裝置工作的可靠性和定向鉆孔軌跡的精確性。

圖4 旋轉與制動功能互鎖原理Fig.4 Interlocking principle of rotating and braking function

旋轉與制動功能互鎖的液壓原理如圖 4 所示。先導壓力油 SC控制液控換向閥 3 時，主油路為高壓油，制動裝置處于剎車狀態，同時先導壓力油 SC通過液控單向閥 9 控制液控換向閥 6、7 處于右位機能，切斷 ZC、FC，此時即使誤操作旋轉手柄，動力頭也無法旋轉。只有當先導控制油 JC控制液控換向閥3 時，控制主油路松開制動裝置，同時先導控制油 JC控制液控換向閥 8 處于左位機能，切斷持續先導控制油源 PC，并控制液控單向閥 9 處于打開狀態，使液控換向閥 6、7 處于左位機能，操作旋轉手柄，才能實現動力頭旋轉。

2.5 輔助上下鉆桿

根據定向鉆進工藝需要，ZYWL-23000DS 型大功率定向鉆機配套鉆桿為f102 mm×3 000 mm，質量約 100 kg，施工過程中預先擰緊鉆桿成為亟待解決的關鍵難題。根據鉆機結構特點，研制了輔助上下鉆桿機構，如圖 5 所示，主要由主動摩擦輪、從動輪、支撐架、隨動導軌、托輪、液壓缸等組成。從動輪形成的中心與鉆機動力頭軸線同軸。預擰緊鉆桿時，將鉆桿置于從動輪上，主動輪壓緊，正向旋轉即可擰緊鉆桿；拆卸鉆桿時，主動輪壓緊鉆桿，反向旋轉即可拆卸鉆桿，降低了工人勞動強度。

圖5 輔助上下鉆桿機構示意Fig.5 Sketh of auxiliary device for drilling pipe installation and removal

3 性能測試

鉆機性能測試是檢驗鉆機設計性能指標的有效手段，需開展負載性能、過載性能、空載性能和溫升等測試內容。鉆機研制完成后，在國家安全生產重慶礦用檢測檢驗中心進行性能測試，各項參數滿足設計要求。其中，回轉負載性能測試部分數據如表 2所列。

表2 回轉負載性能測試Tab.2 Rotary load performance test

4 結論

(1)研制的雙馬達動力頭，具有較大轉矩。通過ZYWL-23000DS 型定向鉆機研制，提供了大轉矩、大起拔力的大功率定向鉆機，大大提高了施工過程中對抱鉆、卡鉆等事故的處理能力，提高了定向鉆機的地層適應性，特別適合頂板裂隙帶大直徑鉆孔及破碎煤層鉆孔施工。

(2)大通徑夾持器可以通過粗徑鉆具，可以滿足頂板裂隙帶f200 mm 孔徑鉆孔施工，為高位鉆孔代替高抽巷工藝提供了裝備支撐。

(3)研制了輔助上下鉆桿裝置，提高了定向鉆機自動化程度，減輕了工人勞動強度，但自動化水平仍較低，后續會在定向鉆機自動化水平上加大研發力度，真正達到減人增效、保障施工人員安全的目的。