煤礦換桿液壓鉆車的設計及應用

周曉芬

（山西焦煤霍州煤電干河煤礦， 山西 洪洞 041600）

引言

本文研制的煤礦換桿液壓鉆車是通過高壓液體來提供動力的，主要采用深孔鉆探的方式來對井下的水源及瓦斯進行勘探[1]。現如今，瓦斯抽放技術已經得到了前所未有的提升，同時為了滿足煤礦安全生產的需求，如今的礦用液壓鉆車無論是在功能上還是在適用性方面與之前相比都得到了很大程度上的提升，然而對于鉆車自動更換鉆桿的工作還有待提升。所以，設計一種新型的煤礦換桿液壓鉆車來滿足井下安全高效生產的需要，有著極高的現實意義及應用價值。

1 自動換桿鉆車整體方案設計

1.1 總體結構設計

井下的工作環境條件是復雜且有限的，為了能使液壓鉆車在工作以及行走運行的過程中能夠更加便捷，針對鉆車的總體結構在設計時可大致分為三個部分，即行走機構、執行機構以及動力控制機構[2]。其中，行走機構主要包含了鉆車的履帶以及支撐底盤的支腿，對于鉆車的履帶采用的是全液壓驅動的模式，選擇的是現階段較為成熟的四輪一帶式；而支撐底盤的支腿則是在液壓鉆車運行的過程中形成一種支撐的效果，目的是保持鉆車在運行過程中的相對穩定。執行機構主要由動力頭、鉆桿夾緊裝置、自動換桿裝置和鉆車支架組成。鉆桿支架與動力頭之間設有自動換桿裝置，可實現鉆桿的自動拆卸；鉆孔時，可在鉆孔車的整個支架上調整執行機構的旋轉角度，以保持鉆孔車的穩定性，并可在鉆孔車上調整執行機構的高度，以保持鉆孔車的穩定性。再者，動力與控制機構主要囊括了動力泵站以及控制臺，動力泵站是整個鉆車的主要動力來源；而控制臺則實現了對液壓系統中各個元件相關動作的操縱控制。如圖1 所示，是煤礦自動換桿液壓鉆機車的結構，其中A 為動力控制機構；B 為執行機構；C 為行走機構；1 是夾持器；2 為自動換桿裝置；3 是動力頭；4 是鉆機車支架；5 是電機；6是油箱；7 是履帶車；8 是支腿。

圖1 煤礦用自動換桿的液壓鉆車結構

1.2 主要技術參數

鉆車主要技術參數可以直觀的反映出設備的具體性能優劣，其大小的選擇也在一定程度上影響著液壓鉆車設計的合理與否[3]。綜合考慮計算鉆車需要達到的性能指標，并與國內外相似種類的液壓鉆車進行參數比較，進而確定了本文研制的煤礦換桿液壓鉆車的主要技術參數，如表1 所示。

表1 煤礦換桿液壓鉆車的主要技術參數

1.3 液壓控制機構

本文研制的煤礦換桿液壓鉆車內部的液壓控制機構，具體包括動力頭液壓系統（分為旋轉式、推進式和回拖式）、自動換桿裝置液壓系統、夾持卸扣液壓系統、鉆機支架液壓系統、旋轉式液壓系統和履帶行走液壓系統。液壓控制系統內部關鍵部件主要包括電機（隔爆型）、液壓油箱和油泵、液壓油濾清器、液壓油缸、液壓馬達、減速器和冷卻器、多功能聯動閥組、測量油壓的壓力表和輸送液壓油的橡膠軟管。

液壓泵站是換桿液壓鉆車的重要動力源泉，通過功率大小為55 kW 的電動機實施驅動，進而使油泵達到旋轉的效果，將液壓油中充滿液壓能，經由控制臺中的控制閥來把液壓油運輸至上述提到的各個液壓執行機構中，從而讓液壓鉆車原本具備的種種功能得以實現。

2 液壓鉆車工作原理

通過動力供應系統，也就是電源，將動力來源與液壓鉆車內部的55 kW 隔爆型電動機相連接，借助電動機內部的驅動油泵來將電源的電能轉變成液壓能儲存到液壓油泵中。隨著液壓鉆車的運行，液壓系統給油，液壓油的壓力作用能驅動鉆車的履帶進行運動。如果鉆車需要進行深孔鉆進時，依照井下的實際作業情況以及工作的需求，來對液壓鉆機的旋轉角度、俯仰角度以及水平標高進行適當的調整。具體操作過程如下：首先，控制液壓鉆車底盤的支腿閥，來控制鉆車前后兩端的支腿，從而使鉆車在運行的過程中保持穩定；隨后，通過控制操縱閥來對液壓馬達實現驅動，而液壓缸在驅動后能夠達到360°無死角的回轉效果，鉆機的水平高度能夠實現800 mm 的上升和下降，同時俯仰角的調節范圍為-20°～+30°之間的往復調節。最后，伴隨著液壓鉆車工作過程的進行，自動換桿裝置可以實現對鉆桿的自動裝接以及拆卸。

3 液壓鉆車主要部件的設計

3.1 鉆車支架

煤礦換桿液壓鉆機鉆機車支架的主要功能是支撐鉆機、自動換桿裝置、推進裝置和夾持器。此外，還可以調節鉆機的旋轉角度、俯仰角和水平高度，便于液壓鉆井車對該斷面及地下巷道兩側進行深孔鉆進的相關操作。目前國內礦山使用的液壓鉆機大多采用一體化結構，即液壓鉆機、鉆機支架和車體連接在一起，不能分離。如果需要鉆小斷面的巷道，其工作將難以開展。同時，目前存在的鉆車支架其結構都是十分有限的，不會留有一定的空間去布置一些輔助性設備。為了改變這一現狀，本文研制出了一種新型的鉆車支架，不但能夠使得鉆車在運行的過程中隨意調節鉆機的旋轉、俯仰角度以及水平高度，同時還能夠把鉆車由底盤結構中拆下，方便作業的進行。此外，還為自動更換桿預留了一些空間。如圖2 所示，為鉆機支架結構圖，其中1 為底座；2 為底盤；3 為馬車；4 為前橫梁；5 為導向支撐柱；6 為后橫梁；7 為管扣；8、13、14 為液壓缸；9、11 為支撐塊；12 為導軌。

圖2 鉆車支架結構

3.2 自動換桿裝置

結合目前已有的換桿結構，并綜合考慮實際工作需要，設計了自動換桿裝置。該裝置的主要結構特點如下：

1）通過機械臂來搬運鉆桿，同時借助液壓缸來驅動機械臂，把鉆桿運送至鉆機上部的特定位置處；

2）本文研制的液壓鑿巖車鉆桿庫采用可容納一根鉆桿的鉆桿架。這種設計降低了液壓控制的復雜性，使液壓結構更簡單，控制方式更容易實現；

3）換桿裝置采用的機械臂數量為兩個，這就使得鉆桿在被抓取的過程中穩定性能得到保障。如圖3 所示，為自動換桿裝置的具體結構示意圖。其中，1 為機械手臂；2 為夾持器；3 為夾持器液壓缸；4 為小擺角液壓缸；5 為伸縮性支柱；6 為大擺角液壓缸；7 為底座；8 為支架；9 為鉆桿架。

圖3 自動換桿裝置

4 應用效果分析

在對煤礦換桿液壓鉆車的結構及功能進行設計后，為了進一步驗證其在實際工況中的可行性，又將其應用到了山西某礦的巷道鉆孔作業中。該礦原本采用傳統的鉆車進行鉆探，換桿過程全部由工作人員來完成，作業效率低下的同時還受限于井下的有限空間，難以施展。在采用本文研制的自動換桿液壓鉆車后，整個換桿過程全部由設備來完成，這在很大程度上提高了換桿鉆探的作業效率，同時也降低了人工勞動強度以及成本。在之前的作業過程中，工人苦于部分巷道斷面尺寸過小而難以施展作業，而此次研制的液壓鉆車恰好解決了這一困擾，鉆機可拆卸的設計形式可以很好的適用到小斷面巷道的鉆探過程中。

5 結語

為解決傳統的礦用鉆車在工作時的換桿效率問題，本文設計出了一種自動換桿液壓鉆車，主要介紹了液壓鉆車的總體結構、工作原理以及關鍵性部件的具體組成。最后，為了驗證其可靠性，進行了工業性試驗，其結果表明，與傳統鉆車相比，本文研制的液壓鉆車不但能提高了作業效率，同時也降低了人工勞動強度，針對一些小斷面也可以正常的施展作業，有一定的安全可靠性。