煤礦井下炮眼施工鉆機液壓泵站的設計

高 鑫

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安710077）

在煤礦綜采過程中經常會遇到硬巖斷層等的復雜地質構造情況，制約了綜采工作面的推進速度，給煤礦安全生產帶來了嚴峻的挑戰[1]，尤其是遇到巖性硬度等級較高的斷層時影響最為突出[2]。煤礦長期以來對于煤層變薄甚至尖滅、斷層落差較大且頂底板巖石硬度系數較大的工作面多采用放震動炮的方法進行解決處理[3]，而其中作為關鍵環節的炮眼施工直接影響著爆破效率，以至于影響著整個綜采工作面的施工速度[4]。為此，一種適用于綜采工作面炮眼施工的履帶式全液壓坑道鉆機，一種能提高炮眼施工效率，搬遷穩固迅速、降低工人勞動強度的履帶式鉆機應運而生。

該型炮眼鉆機為整體履帶式結構，集成了包括給進裝置、調角裝置、操縱臺、液壓泵站、履帶車體、油霧潤滑器等主要結構部件。而其中液壓泵站是炮眼鉆機的動力源部分，液壓泵站由電機泵組、冷卻器、油箱總裝等組成，泵站中的齒輪泵從油箱中吸入低壓油的同時輸出高壓油，然后分流進入各個液壓執行機構[5]，從而完成炮眼鉆機的各個功能。因此，保證液壓泵站的平穩、可靠運行是保證整個炮眼鉆機安全、高效工作的關鍵要素之一[6]。

1 炮眼鉆機泵站液壓原理

炮眼鉆機泵站液壓原理圖如圖1。采用煤礦井下坑道鉆機液壓系統中經典的雙泵開式循環系統，液壓元器件上選用定量齒輪泵和電磁比例換向閥等先進的液壓元件和控制技術[7]。主泵、副泵共用同一個油箱總裝，Ⅰ泵經自封式吸油濾油器吸入低壓油，輸出的高壓油經過高壓濾油器后進入電磁回轉行走閥，供給動力頭沖擊和履帶行走液壓執行元件。Ⅱ泵也通過自封式吸油濾油器吸入低壓油，泵出口高壓油經過高壓濾油器后進入到調角穩固多路閥，包括切換鉆機的回轉給進起拔和調角穩固功能。最終，鉆機液壓系統的總回油經過冷卻器、回油濾油器再次循環回油箱腔體中。

圖1 炮眼鉆機泵站液壓原理圖Fig.1 Hydraulic schematic diagram of blasthole drilling rig pump station

2 炮眼鉆機液壓泵站方案

炮眼鉆機泵站由Ⅰ泵、Ⅱ泵高壓濾油器、電機泵組、油箱總裝和冷卻器等液壓元件構成，根據鉆機在日常操作使用過程中對壓力、流量以及清潔度的要求，穩定提供液壓油介質。按照液壓泵安裝位置的不同，可以將油箱分為上置式、旁置式和下置式3 種結構[8]。由于炮眼施工本身就存在振動較大等現象，不宜將液壓泵和電動機等安裝在油箱上，因而不能采用上置式結構。而下置式結構，即電機泵組安裝在油箱之下，盡管可使設備的安裝面積減少，使液壓泵的吸入性能得到有效改善，但該結構常常是加高到使人能在油箱底下穿越，從而便于對液壓泵的安裝與維修[9]，但相對于窄體履帶式坑道鉆機來說，由于履帶車體本身已經在高度上占用了很大空間，因而下置式結構不具有高度低且搬遷方便的優勢[10]。最終，鉆機采用了旁置式的布局結構，即電機泵組安裝于油箱總裝的旁側，與油箱總裝共同裝配在履帶車體平臺上，電機泵組采用立式安裝形式，不僅使油箱內的液面最大程度上高于液壓泵的吸油口，從而收到更好的吸油效果，而且有效地優化了泵站空間占比，最大限度挖掘出了履帶車體上部的空間利用率，且便于日常維修保養。炮眼鉆機泵站布置圖如圖2。

圖2 炮眼鉆機泵站布置圖Fig.2 Layout of blasthole drilling rig pump station

3 炮眼鉆機液壓泵站設計

3.1 液壓泵選型

泵的設計準則和習慣一般是高壓系統選擇軸向柱塞泵，中低壓系統選擇葉片泵或齒輪泵[11]，本鉆機選用了齒輪泵形式。根據鉆機使用工況、沖擊和轉速等的需求，選擇主、副泵開式循環液壓系統，由液壓泵的空間利用率的角度出發，采用串聯式雙泵結構。主泵為鉆機動力頭沖擊、履帶行走提供動力，副泵為鉆機動力頭回轉給進、調角穩固、電纜卷筒轉動等輔助動作提供動力。

外購沖擊動力頭在正常沖擊使用時又分為開孔沖擊和正常沖擊，其中開孔沖擊時額定壓力為6 MPa，正常沖擊時油路液壓壓力為12 MPa，沖擊所需液壓流量為45 L/min，動力頭回轉所需要流量為25 L/min，給進油缸所需要的流量為15 L/min，給進速度要求3 m/min，起拔速度30 m/min，于是采用通過鋼絲繩倍程倍速結構實現動力頭的快進快退[12]，驅動履帶行走的額定壓力為22 MPa。通過以上要求，并以管路損失及國內外現有產品的情況為考量依據，最終選擇排量為主泵36 mL/r 和副泵26 m L/r的液壓齒輪泵為鉆機提供動力。

3.2 電動機選型

電動機是泵站的“心臟”，進行能量的轉換。通過計算，按照主、副泵消耗的功率來選擇電動機的驅動功率。

主泵理論最大輸出流量Qm=50.3 L/min。

主泵的驅動功率Nm=20.5 kW。

副泵理論最大輸出流量Qs=36.3 L/min。

副泵的驅動功率Ns=9.4 kW。

式中：n 為轉速，n=1 470 r/min；qm為主泵的每轉最大排量，qm＝36 mL/r；qs為副泵的每轉最大排量，qs＝26 mL/r；η1為主、副泵的容積效率，η1＝0.95；pm為主泵的額定壓力，pm＝22 MPa；ps為副泵的額定壓力，ps＝14 MPa；ηm、ηs為主、副泵的總效率，取ηm＝ηs＝0.9。

總消耗功率N=Nm+Ns=29.9 kW。

根據設計原理，由于鉆機在實際工作中主、副泵不會同時在最高壓力和最大排量下工作，且電動機自身具有一定的過載能力，因此按照鉆機驅動功率略小于計算值的標準選用電動機，選用YBK3-180L-4 型煤礦井下用隔爆型電動機，其主要技術參數：額定功率22 kW，額定轉速1 470 r/min。

3.3 聯軸器

聯軸器是連接兩軸或連接軸和回轉件的一個部件，在傳遞運動和動力過程中和軸一同回轉不脫開。聯軸器除有連接功能之外，也可使之具有安全防護等功能[13]。

考慮鉆機在進行炮眼施工時會受到反作用力，選擇可減振、緩沖、傳動系統對中性能好、徑向尺寸小的梅花形彈性聯軸器，具有使用時不用潤滑，維護方便的優點。主動端與電動機連接部分加裝調整環，使最終裝配完成后主動端與從動端之間的間隙達到為5～8 mm。

聯軸器的計算轉矩T=557 N·m。

式中：Pw為驅動功率，Pw＝22 kW；n 為電機轉速，n＝1 470 r/min；Kw為動力機系數，Kw＝1；K 為工況系數，K＝2.5；Kz為啟動系數，Kz＝1.3；Kt為溫度系數，Kt＝1.2。

結合煤礦井下工作條件，選用聚氨酯梅花形彈性體MT6，元件耐磨耐油，承載能力大，使用壽命長，安全可靠，維護工作量少，可連續長期運行。

電機泵組由液壓泵、電動機、聯軸器以及泵座等部件組成，采取立式安裝結構，根據以上選型設計的電機泵組結構如圖3。

3.4 油箱總裝

圖3 電機泵組結構圖Fig.3 Structural diagram of motor pump set

一般在液壓系統的液壓泵選型確定以后，可以根據泵的排量基本確定油箱的容積，除此之外還應該充分考慮現場空間，各液壓件的排列安裝方式等來進一步確定油箱的尺寸。

油箱在鉆機液壓系統中起著儲油、散熱、逸出油液中的氣體及沉淀雜質的重要作用。因此，油箱設計也是液壓泵站設計中的一個重要部分。根據炮眼鉆機整機結構和空間布局要求，同時滿足安裝、維護、清洗方便的要求，油箱采用側開口的開式結構，油箱總裝結構圖如圖4。

圖4 油箱總裝結構圖Fig.4 Structural diagram of oil tank assembly

鉆機油箱的有效容量一般為泵最大流量的2～3倍。設計油箱時應充分考慮鉆機高度、寬度以及電機泵組和操縱臺等部件的參數和位置，計算出系統發熱量與散熱量，同時考慮冷卻器的選型，合理散熱，從熱平衡角度最終計算出油箱的容積。最終確定將油箱的有效容積定為164 L。油箱被其中設置的隔板分成吸油區和回油區，底部放入磁鐵，在油液進行循環的過程中為了保證清潔度，油箱蓋上加裝有空氣濾清器及回油濾油器，油箱側邊泵吸油口處安裝了更換濾芯方便的自封式外置吸油濾油器，并在主副泵的出油口增設壓力管路濾油器。回油管管口成45°斜角，使油液流動時速度變化不致過大。管口面向油箱壁，插入最低油面之下，距油箱側邊和底部距離不小于管徑的3 倍，以免發生吸空和回油沖濺產生氣泡[14]。

3.5 冷卻器

在鉆機正常工作時，液壓元器件的容積損失和機械損失，以及控制元件、管路的壓力損失、液體摩擦損失等消耗的能量，幾乎全部轉化為熱量的形式。這些熱量除一部分熱對流散失外，大部分使油液及元件的溫升。如果油溫過高（＞60 ℃），將嚴重影響液壓系統穩定。油箱雖然可以起到一定的散熱作用，但僅靠油箱自身冷卻難以滿足整個液壓系統熱平衡的需求，因此需要選用冷卻器為液壓系統的回油進行強制冷卻[15]。

液壓系統的發熱功率H=10.24 kW。

式中：Pp為液壓泵的總輸入功率，Pp=22 kW；η2為液壓系統總效率，綜合多方面因素，η2=0.53。

冷卻器的散熱面積A=0.39 m2。

式中：k 為冷卻器的傳熱系數，釬焊式冷卻器k=1 114 W/（m2·K）；△tm為液壓油和冷卻水之間的平均溫差；t1為液壓油的進口溫度，t1=341.15 K；t2為液壓油的出口溫度，t2=323.15 K；t1′ 為冷卻水的進口溫 度，t1′=302.15 K；t2′ 為 冷 卻 水 的 出 口 溫 度，t2′=315.15 K。

考慮油箱的表面自然散熱、現有產品的規格以及井下施工經驗，最終選擇了傳熱面積為2.9 m2、最大流量為18 m3/h 的板式冷卻器，可以完全滿足液壓系統的散熱要求，板式冷卻器如圖5。

4 性能試驗與效果

安裝該液壓泵站的炮眼鉆機在試制完成后，在車間進行了各項功能調試，泵站的各項性能參數均符合標準要求。油箱液壓油的溫升測試曲線如圖6，通過圖6 可以得出，工作介質液壓油的溫升較低，液壓系統處于良好的性能狀態。

圖5 板式冷卻器Fig.5 Plate type cooler

圖6 油箱溫升測試曲線Fig.6 Oil tank temperature rise test curve

5 結 語

以適用于綜采工作面炮眼施工的履帶式全液壓坑道鉆機為例，闡述了其液壓泵站的方案設計及其關鍵部件選型、注意事項、計算方法等，同時為了保障油液的清潔度與散熱性，對各濾油器部分給出了闡述并對冷卻器進行了經驗計算。