履帶式鉆桿吊裝車總體方案設計及性能參數確定

王 杰

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 400037

目 前，煤礦井下瓦斯抽放鉆孔多為巷道內近水平鉆孔施工，在加接鉆桿時，主要采用人工搬運、舉升和手擰對中的傳統方式，不僅勞動強度高、操作效率低，而且對人員的人身安全存在著較大的風險。隨著近幾年來“煤礦井下頂板高位大直徑定向鉆孔”工藝的興起，瓦斯抽采鉆孔的直徑越來越大，施工鉆具的質量和尺寸都相應增加，傳統的人工加接鉆桿方式將需要更多的人力和輔助工具，無法滿足高效鉆孔的要求。相比地面豎直鉆進工程，由于井下鉆場作業空間受限、煤礦特殊環境要求和施工方式的不同，無法采用鉆機隨車配備卷揚機的方案，其他輕小型起重設備也較難滿足井下瓦斯抽采鉆孔施工工藝的要求。因此，亟需研制一種能夠適應井下鉆孔要求的鉆桿吊裝車，實現從鉆桿堆放區到鉆機施工處的短距離鉆桿搬運和上鉆“定位”功能，僅需人工輔助即可完成上下鉆桿的操作流程，解決大直徑鉆桿加接困難的問題。

1 設計要求

煤礦井下大直徑定向鉆機由于外形尺寸較大，施工過程中所需輔助設備及鉆桿數量較多，在布置鉆場時，一般將鉆桿擺放在距離主機 10～30 m 的地方，因此鉆桿吊裝車需要具有獨立行走和裝載鉆桿的功能，且裝載鉆桿的數量能夠滿足 1 個作業班組的施工需求。為了能抓取鉆桿并起吊到鉆桿車或鉆機上的搓桿機構中，需具有輔助起吊及鉆桿定位的功能，鉆桿可以在起吊空間任意位置隨遇平衡，滿足定位的需求。

2 總體結構方案設計

履帶式鉆桿吊裝車在結構設計上采用模塊化的設計方法，將各個功能部件布置在履帶行走底盤上，具有結構緊湊、功能多樣、便于維修的特點。

2.1 總體方案布局

鉆桿吊裝車由履帶底盤、液壓平衡吊、鉆桿吊具、液壓泵站、電控柜和操縱臺等部件組成，整體結構布局如圖 1 所示。鉆桿按照分層擺放的形式固定在車體一側，每層及每根鉆桿之間都留有間隙，便于吊具抓放鉆桿。通過更換鉆桿卡座，可以擺放不同規格和數量的鉆桿，最大裝載鉆桿長度為 3 m，最多可裝載 16 根直徑 127 mm 的定向鉆桿。履帶車搬運鉆桿過程中，由卡座兩側的拉桿螺母鎖緊鉆桿，防止竄動。起吊時由鉸接在液壓平衡吊末端的鉆桿吊具鎖緊鉆桿，平衡吊具有水平、豎直和回轉 3 種運動方式，可將鉆桿“定位”到工作空間的任一位置，滿足鉆機上、下鉆桿的工藝需求。

圖1 鉆桿吊裝車結構Fig.1 Structure of drill pipe lifting truck

2.2 履帶底盤

履帶底盤由履帶總成、行走馬達、機架和錨固液壓缸等組成，結構如圖 2 所示。左右對稱的 2 套行走履帶與機架剛性連接，由液壓系統驅動車體前進、后退和轉彎，具有接地比壓低、轉彎半徑小、通過能力強的特點。在履帶車體前、后側分別安裝了 2 只錨固液壓缸，用于起吊作業時車體的穩固和調平。

圖2 履帶行走機構結構Fig.2 Structure of crawler walking mechanism

2.3 液壓平衡吊

液壓平衡吊是一種采用液壓驅動的機械式平衡吊，由平行四邊形桿系、頭架、配重、固定立柱和驅動液壓缸組成，結構如圖 3 所示，運用平形四邊形的縮放原理和桿系的平衡原理，實現了空間內任一點的隨遇平衡。工作時，平衡吊的水平運動和回轉運動由手動控制，僅需操作者施加幾千克的輔助力，升降運動由驅動液壓缸控制，具有省力高效、操作方便的特點。

圖3 液壓平衡吊結構Fig.3 Structure of hydraulic balance crane

2.4 鉆桿吊具

鉆桿吊具用于抓取鉆桿，由橫梁、兩組 X 形抓手、卡瓦和螺旋鎖定機構等組成，結構如圖 4 所示。順時針轉動螺旋機構，X 形抓手上部收緊，下部夾緊鉆桿，逆時針轉動螺旋機構則松開鉆桿，能夠滿足直徑 89～127 mm 范圍內的多種規格鉆桿的夾緊需求。每個抓手上安裝有 4 片卡瓦，可增加抓手與鉆桿壁之間的摩擦力，防止鉆桿滑落。吊具與平衡吊吊鉤鉸接連接，可有效擴展鉆桿的活動范圍。

圖4 鉆桿吊具結構Fig.4 Structure of drill pipe lifter

3 液壓系統方案設計

鉆桿吊裝車為間歇性工作方式，時間間隔在 30～120 min 之間，工作頻率較低。從經濟性方面考慮，采用定量泵開式液壓系統，包括行走錨固系統和起吊系統兩大部分，操作方式為液壓先導操作，液壓原理如圖 5 所示。

其中，主多路閥 3 為 4 片式液控換向閥，第 1 聯控制液壓平衡吊升降液壓缸 5 的伸出或收回，第 2、3 聯分別控制履帶車左、右側行走馬達 6.1 和 6.2 前進和后退，第 4 聯為錨固液壓缸 8 提供工作油源。先導油源閥 2 串聯在定量泵 1 的出口，為先導手柄 7 提供控制油源。功能選擇閥 10 為兩位四通換向閥，用于行走錨固和起吊功能的切換，置于前位時，先導手柄 7.1 可以工作，控制起吊系統正常工作；置于后位時，行走手柄 7.2 和 7.3 可以工作，同時，先導油路控制主多路閥的第 4 聯換向，為錨固多路閥 9 提供壓力油。錨固多路閥 9 分別控制 4 根錨固液壓缸的伸出與收回，液壓缸上安裝有液壓鎖用于回路保壓。調速閥 4 安裝在升降液壓缸的有桿腔上，通過調節節流口的開度可以控制液壓缸伸出和收回速度，液控單向閥用于防止重物下落。

圖5 鉆桿吊裝車液壓系統Fig.5 Hydraulic system of drill pipe lifting truck

4 主要技術參數確定及選型計算

4.1 技術參數的確定

履帶式鉆桿吊裝車的技術參數應能滿足鉆機上下鉆桿的工藝需求，其載質量由機身自身質量和最大鉆桿數確定，行走速度和爬坡能力與鉆機參數相適應，平衡吊的工作范圍和技術參數由上下鉆桿時的空間要求確定，各項主要技術參數如表 1 所列。

表1 履帶式鉆桿吊裝車主要技術參數Tab.1 Main technical parameters of crawler drill pipe lifting truck

4.2 履帶行走系統參數計算

行走系統的參數計算的依據主要是履帶的牽引力，包括行走馬達排量、轉速和系統流量的計算。而計算牽引力需要考慮履帶行走過程中的各種阻力系數，比較繁瑣，此處計算主要考慮坡道滾動阻力、回轉阻力和爬坡阻力，則所需牽引力[1]

式中：f為滾動阻力系數，取f=0.1；為回轉阻力系數，取為爬坡阻力系數，取=20°；m為履帶車總質量，m=6 000 kg。

由牽引力計算馬達驅動轉矩，然后得到所需行走馬達的當量排量

式中：Dk為驅動輪齒節圓直徑；Δp為馬達工作壓差；為馬達機械效率。

由履帶行走速度可計算驅動輪轉速

式中：v為履帶行走速度。

由驅動輪轉速和馬達當量排量計算所需液壓泵的流量

4.3 起吊系統參數計算

起吊系統計算主要是計算平衡吊驅動液壓缸參數。為了確定液壓缸工作面積及所需流量，需要計算液壓缸的輸出力及位移。液壓平衡吊的機構運動原理如圖 6 所示，A為平衡吊的吊鉤位置；D為活動支點，只能沿x方向運動，J為與液壓缸連接的鉸接點，受液壓缸控制只能沿y方向運動，在受力分析時為固定支點。A和A′組成的陰影區域為平衡吊在xy平面內的工作范圍。

圖6 液壓平衡吊機構簡圖Fig.6 Sketch of hydraulic balance crane mechanism

根據平衡吊平行四邊形桿系的受力分析結果，為了實現桿系平衡，需滿足=k，k為平衡吊的放大系數，一般取k=5～10。由相似三角形原理可以得出A點的位移及受力計算公式[2-3]

式中：sx為A點的水平位移；sy為A點的垂直位移；GA為吊點A處的重物重力；FJ為液壓缸的J點處的拉力。

根據技術參數，確定液壓缸的工作壓力p=5 MPa，桿系放大系數取k=6，則驅動液壓缸有桿腔的工作力FJ、速度vJ和行程sJ分別為

5 結語

煤礦井下履帶式鉆桿吊裝車采用履帶行走機構解決了多根鉆桿的搬運和存放問題，利用液壓平衡吊實現了鉆桿的起吊和空間定位，能夠滿足“頂板高位大直徑”鉆孔過程中輔助上下鉆桿的使用要求，為鉆機上下鉆桿提供了一種新的設計思路。按照該思路設計的吊裝車，相比傳統的“肩扛手擰”加接鉆桿方式，具有高效、省力、操作便捷的特點，同時，有效降低了工人勞動強度，具有廣闊的應用前景。