ZY45LK 型自動(dòng)化連續(xù)換桿車研制

闞志濤 鐘自成 何玢潔 劉 璞

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)應(yīng)急管理與安全工程學(xué)院,北京 100083;2.煤炭科學(xué)研究總院,北京 100013;3.中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司,陜西 西安 710077)

我國(guó)井下瓦斯抽采經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展,形成了采前、采中、采后抽采的系統(tǒng)瓦斯抽采方法。隨著瓦斯作為清潔能源角色的突顯,鉆孔抽采已成為實(shí)現(xiàn)煤礦井下煤層氣開(kāi)發(fā)的主要途徑[1-4]。而長(zhǎng)距離鉆孔抽采具有覆蓋范圍廣、封孔次數(shù)少、瓦斯抽采效率高的優(yōu)點(diǎn),越來(lái)越受到礦方的歡迎。為了滿足煤礦區(qū)工作面瓦斯長(zhǎng)距離高效抽采和區(qū)域抽采的需要,中煤科工西安研究院(集團(tuán))有限公司研制了ZDY25000LDK 型大功率自動(dòng)化定向鉆機(jī),鉆機(jī)具有自動(dòng)上卸鉆桿、鉆進(jìn)參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、系統(tǒng)故障報(bào)警、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控、可與地面遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)控制通信等功能,鉆孔直徑、鉆進(jìn)效率和鉆孔質(zhì)量與現(xiàn)有裝備相比顯著提高,已在神東保德煤礦、錦興能源肖家洼煤礦順利進(jìn)行推廣應(yīng)用[5-6]。

ZDY25000LDK 型大功率自動(dòng)化定向鉆機(jī)的自動(dòng)上卸鉆桿裝置由機(jī)械手和鉆桿倉(cāng)組成,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠,與傳統(tǒng)人工上/卸鉆桿相比,工作效率顯著提高。但是由于鉆機(jī)輸出能力大,施工鉆孔距離長(zhǎng),主機(jī)尺寸以及配套的執(zhí)行以及動(dòng)力部件尺寸隨之增大,受井下巷道空間的限制,鉆機(jī)配備的鉆桿倉(cāng)只能容納7 根鉆桿,當(dāng)桿倉(cāng)內(nèi)鉆桿用盡后,仍需人工進(jìn)行鉆桿裝填,延長(zhǎng)了輔助作業(yè)時(shí)間;且配套鉆桿直徑為φ114 mm、長(zhǎng)度為1.5 m、重量為45 kg,人工裝填勞動(dòng)強(qiáng)大、安全風(fēng)險(xiǎn)高、工作效率低。因此,亟需研發(fā)一款高效的自動(dòng)化換桿裝置,滿足大功率自動(dòng)化定向鉆機(jī)快速上/卸鉆桿需要,最大限度地解放勞動(dòng)力,進(jìn)一步提高鉆探裝備的自動(dòng)化、智能化水平。

針對(duì)這一情況,國(guó)內(nèi)學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。陳澤平[7]提出了一種定向鉆桿輔助上桿及搬運(yùn)組合方案,能夠?qū)崿F(xiàn)長(zhǎng)度3 m 大直徑定向鉆桿的快速加接和機(jī)械化搬運(yùn),為煤礦井下大直徑定向鉆機(jī)的推廣應(yīng)用提供了有力支持;劉智[8]設(shè)計(jì)了一種由夾緊承托裝置、吊裝裝置和鉆桿架組成的快速起下鉆裝置,滿足了鉆孔施工過(guò)程中快速起下鉆的功能要求;高勇[9]設(shè)計(jì)了由儲(chǔ)桿車、加桿車和機(jī)械手組成的連續(xù)自動(dòng)加卸鉆桿裝置,實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)的自動(dòng)連續(xù)加卸鉆桿作業(yè);雷萬(wàn)年[10]設(shè)計(jì)了帶有多層斜面式補(bǔ)充箱的鉆桿補(bǔ)充系統(tǒng),增加了自動(dòng)鉆機(jī)的單次裝填鉆桿進(jìn)尺,提高了施工效率,減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度;羅江南[11]設(shè)計(jì)了采用回轉(zhuǎn)支承和擺動(dòng)油缸作為動(dòng)力元件,液壓驅(qū)動(dòng)的換鉆機(jī)器人,提高了換鉆效率。但通過(guò)適用性分析,已有的研究均不能滿足配套大直徑鉆桿的大功率自動(dòng)化定向鉆機(jī)的使用要求。

本研究在前人工作的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)了ZY45LK 型自動(dòng)化連續(xù)換桿車,配合大功率自動(dòng)化定向鉆機(jī)實(shí)現(xiàn)了大直徑鉆桿的自動(dòng)連續(xù)上/卸鉆桿作業(yè),為煤礦井下長(zhǎng)距離定向鉆孔的安全高效施工提供了可靠的裝備保障。

1 換桿車的總體設(shè)計(jì)

根據(jù)大功率自動(dòng)化定向鉆機(jī)自動(dòng)上卸鉆桿裝置的工作原理,結(jié)合煤礦井下空間小,布局受限的施工環(huán)境,確定ZY45LK 型自動(dòng)化連續(xù)換桿車整體方案[12-16]如圖1 所示。

圖1 ZY45LK 型自動(dòng)化連續(xù)換桿車結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure schematic of ZY45LK vehicle with drill pipe replaced automatically and continuously

自動(dòng)化連續(xù)換桿車主要由翻轉(zhuǎn)鉆桿箱、上桿裝置、冷卻器、油箱、電磁起動(dòng)器、機(jī)車燈、操作臺(tái)、電機(jī)泵組、電控箱及履帶車體組成。

上桿裝置是主要的執(zhí)行部件,位于履帶車體的前端,與車體長(zhǎng)度方向順向布置,保證整機(jī)良好的巷道通過(guò)性;翻轉(zhuǎn)鉆桿箱通過(guò)4 個(gè)圓柱形支撐座置于上桿裝置內(nèi),利用單軌吊或液壓吊臂實(shí)現(xiàn)快速更換;電機(jī)泵組橫置于履帶車體后部,主要包括22 kW 隔爆型三相異步電動(dòng)機(jī)、軸向式柱塞液壓泵、泵座及彈性聯(lián)軸器。其中,液壓泵的排量45 mL/r,最高工作壓力25 MPa,滿足各執(zhí)行部件的流量及壓力要求。操作臺(tái)置于電機(jī)泵組的液壓泵端,主要包括四聯(lián)手動(dòng)換向閥、六聯(lián)手動(dòng)換向閥及七聯(lián)負(fù)載敏感電液比例閥,控制液壓油缸及馬達(dá)的動(dòng)作,其上面還布置有機(jī)車燈及電控箱;油箱及冷卻器采用支架的形式置于電機(jī)泵組的電動(dòng)機(jī)端,油箱主要包括箱體、吸油過(guò)濾器、回油過(guò)濾器、空氣濾清器等,具有儲(chǔ)油、散熱的作用;電磁起動(dòng)器置于履帶車體的右后側(cè),方便電纜連接;履帶車體由履帶底盤和車體平臺(tái)組成。車體平臺(tái)兩端布置有整體式對(duì)伸油缸及穩(wěn)固油缸,保證連續(xù)換桿車行走及工作過(guò)程中的穩(wěn)定性。

自動(dòng)化連續(xù)換桿車的液壓系統(tǒng)采用開(kāi)式系統(tǒng),結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,油箱的散熱、沉淀雜質(zhì)效果好。液壓泵為負(fù)載敏感泵,通過(guò)功能切換閥塊實(shí)現(xiàn)手動(dòng)換向閥與負(fù)載敏感電液比例閥間的自動(dòng)切換。其中,手動(dòng)換向閥主要用于對(duì)伸油缸、穩(wěn)固油缸等輔助動(dòng)作控制,負(fù)載敏感電液比例閥主要用于履帶行走、上/卸鉆桿動(dòng)作的控制,并可實(shí)現(xiàn)與大功率自動(dòng)化定向鉆機(jī)自動(dòng)連續(xù)上/卸鉆桿的協(xié)同控制。液壓回路中,負(fù)載敏感電液比例閥與負(fù)載敏感泵組成負(fù)載敏感系統(tǒng),液壓泵的輸出壓力、流量與所需負(fù)載相匹配,系統(tǒng)的功率損耗較低。

2 換桿車的主要性能參數(shù)

ZY45LK 型自動(dòng)化連續(xù)換桿車的主要性能參數(shù)如表1 所示。

表1 主要性能參數(shù)Table 1 Main performance parameters

3 換桿車關(guān)鍵技術(shù)

3.1 大容量、可翻轉(zhuǎn)、快速更換式鉆桿箱

為了更好地滿足上/卸鉆桿的使用需求,自動(dòng)化連續(xù)換桿車設(shè)計(jì)了大容量、可翻轉(zhuǎn)、快速更換式鉆桿箱。鉆桿箱主要包括翻轉(zhuǎn)板、箱體框架、檔桿、上固定螺母、觀察螺母、調(diào)整桿、下固定螺母、拉板及角度桿,如圖2 所示。

圖2 鉆桿箱結(jié)構(gòu)示意Fig.2 Structural schematic of drill pipe box

鉆桿箱有5 層翻轉(zhuǎn)板,翻轉(zhuǎn)板層間距為140 mm,每層可放置直徑φ114 mm、長(zhǎng)度為1 500 mm 的鉆桿6 根,鉆桿箱共計(jì)容納鉆桿30 根。為了使鉆桿順利地下滑,翻轉(zhuǎn)板的傾斜角度為±10°。

翻轉(zhuǎn)板由四塊厚度為10 mm 的長(zhǎng)方形鋼板組成,左右兩側(cè)為底板,中間兩塊為連接板,對(duì)稱焊接;底板外側(cè)中間位置設(shè)有中心軸,中心軸向后300 mm設(shè)有偏轉(zhuǎn)軸,中心軸與偏轉(zhuǎn)軸的直徑和長(zhǎng)度相同;中心軸通過(guò)軸承和彈性擋圈固定在箱體框架上,偏轉(zhuǎn)軸通過(guò)彈性擋圈固定在拉板上。拉板能在上固定螺母、觀察螺母、調(diào)整、下固定螺母的作用下使翻轉(zhuǎn)板實(shí)現(xiàn)角度的變化。

鉆桿箱底部有4 個(gè)圓柱形支撐座,桿箱更換時(shí)定位快速、精準(zhǔn),且底座開(kāi)孔,可防止泥渣、巖屑等雜物聚集。

3.2 多自由度、高精準(zhǔn)度上桿裝置

自動(dòng)化連續(xù)換桿車的上桿裝置主要包括鉆桿提升裝置、鉆桿箱座、舉升裝置、左右移動(dòng)油缸、前后移動(dòng)油缸、滑動(dòng)座、中板及底板,如圖3 所示。其中,鉆桿提升裝置、鉆桿箱座、舉升裝置及滑動(dòng)座通過(guò)螺栓固定在中板上;左右移動(dòng)油缸有2 根,可使中板和底板產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng),行程為300 mm;前后移動(dòng)油缸一端固定在底板上,一端固定在履帶車體上,行程為100 mm;滑動(dòng)座共有8 個(gè),長(zhǎng)度為300 mm,對(duì)稱布置。

圖3 上桿裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structural schematic of drill pipe loading device

鉆桿提升裝置主要由細(xì)導(dǎo)向桿、卡槽、提升架、提升油缸、按鈕式行程開(kāi)關(guān)、夾板、接近開(kāi)關(guān)、夾緊油缸、偏轉(zhuǎn)油缸及滑動(dòng)桿組成,主要用于卸鉆時(shí),將鉆桿提升,并翻轉(zhuǎn)至鉆桿箱內(nèi)。

鉆桿箱座主要包括粗導(dǎo)向桿、箱座、稱重傳感器、滑動(dòng)套、升降油缸及位移傳感器,主要用于檢測(cè)鉆桿箱的質(zhì)量,根據(jù)質(zhì)量變化升降鉆桿箱。當(dāng)上鉆桿時(shí),鉆桿箱內(nèi)翻轉(zhuǎn)板為-10°,從頂層開(kāi)始上桿,鉆桿箱的質(zhì)量每減少270 kg,鉆桿箱升高140 mm,將每一層的鉆桿送至舉升裝置;當(dāng)卸鉆桿時(shí),鉆桿箱內(nèi)翻轉(zhuǎn)板為+10°,從底層開(kāi)始裝桿,鉆桿箱的質(zhì)量每增加270 kg,鉆桿箱下降140 mm,鉆桿提升裝置將鉆桿逐一送至鉆桿箱的每一層。

舉升裝置主要包括推板、框架、舉升油缸、移動(dòng)板、推桿及擋板,主要用于上桿時(shí),將鉆桿舉升,依靠重力滑動(dòng)至鉆機(jī)的鉆桿倉(cāng)內(nèi)。

3.3 分層、緊湊式多功能操作臺(tái)

操作臺(tái)是自動(dòng)化連續(xù)換桿車的控制裝置,主要包括六聯(lián)手動(dòng)換向閥、四聯(lián)手動(dòng)換向閥、壓力表、隔爆型急停按鈕、四腳框架、觀察窗及七聯(lián)負(fù)載敏感電液比例閥,如圖4 所示。操作臺(tái)內(nèi)部中空,內(nèi)置電機(jī)泵組的液壓泵,節(jié)省空間的同時(shí)起到保護(hù)液壓泵的作用;操作臺(tái)上部設(shè)計(jì)為平面,為機(jī)車燈及電控箱預(yù)留了布置空間。觀察窗為透明玻璃鋼,用于觀察電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向;壓力表共有3 個(gè),用于監(jiān)測(cè)液壓泵的出口壓力及液壓回路的回油壓力。

圖4 操作臺(tái)結(jié)構(gòu)示意Fig.4 Structural schematic of operating table

此外,四聯(lián)手動(dòng)換向閥、六聯(lián)手動(dòng)換向閥及七聯(lián)負(fù)載敏感電液比例閥分層布置,便于連接油管及后期的保養(yǎng)、維護(hù)。

4 換桿車工作流程

4.1 上桿過(guò)程

(1)調(diào)角。大功率自動(dòng)化定向鉆機(jī)到達(dá)指定位置后,將回轉(zhuǎn)器調(diào)至水平開(kāi)孔位置,鉆桿倉(cāng)調(diào)至+18°。

(2)對(duì)位。利用左右移動(dòng)油缸、穩(wěn)固油缸等將舉升裝置移動(dòng)到鉆桿倉(cāng)中間,且舉升裝置與鉆桿倉(cāng)的水平距離控制在20～50 mm 的范圍內(nèi),高度差在20～30 mm 的范圍內(nèi)。

(3)一次滾桿。將翻轉(zhuǎn)鉆桿箱的翻轉(zhuǎn)板調(diào)整為-10°,鉆桿在自身重力的作用下自由滾動(dòng)到舉升裝置后面。

(4)升箱。利用升降油缸將鉆桿箱升高,最高層翻轉(zhuǎn)板上的一層鉆桿自由向下滾動(dòng)到舉升裝置的推板上。

(5)舉桿。利用舉升油缸將推板上的鉆桿升高,鉆桿在重力的作用下滾動(dòng)到鉆桿倉(cāng)里。

(6)二次滾桿。鉆桿繼續(xù)滾動(dòng)到鉆桿倉(cāng)底端。

(7)上桿。利用鉆機(jī)機(jī)械手和鉆桿倉(cāng)的夾持裝置完成上桿。

4.2 卸桿過(guò)程

(1)調(diào)角。當(dāng)打鉆完成后,開(kāi)始卸鉆桿,調(diào)整鉆機(jī)的鉆桿倉(cāng)至-5°。

(2)對(duì)位。利用左右移動(dòng)油缸、穩(wěn)固油缸等將鉆桿提升裝置的卡槽與鉆桿倉(cāng)水平距離控制在10 ～20 mm 的范圍內(nèi),高度差在20～30 mm 的范圍內(nèi)。

(3)轉(zhuǎn)角。將翻轉(zhuǎn)鉆桿箱的翻轉(zhuǎn)板調(diào)整為+10°。

(4)一次滾桿。利用鉆機(jī)上機(jī)械手將鉆桿放置到鉆桿倉(cāng)上,鉆桿在重力滾動(dòng)到鉆桿提升裝置的卡槽里。

(5)升桿。當(dāng)按鈕式行程開(kāi)關(guān)檢測(cè)到卡槽內(nèi)有鉆桿時(shí),提升鉆桿直到卡槽高于翻轉(zhuǎn)鉆桿箱最底層翻轉(zhuǎn)板的高度。

(6)卸桿。利用偏轉(zhuǎn)油缸使卡槽向內(nèi)翻轉(zhuǎn),鉆桿在重力作用下滾動(dòng)到翻轉(zhuǎn)鉆桿箱的最底層翻轉(zhuǎn)板上。

5 結(jié) 論

(1)ZY45LK 型自動(dòng)化連續(xù)換桿車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理,移動(dòng)靈活、攜桿量大、上/卸鉆桿效率高,滿足大功率自動(dòng)化鉆機(jī)連續(xù)上/卸鉆桿要求。

(2)對(duì)鉆桿箱、上桿裝置、操作臺(tái)等關(guān)鍵技術(shù)及工作流程進(jìn)行了研究,縮短了輔助作業(yè)時(shí)間,增強(qiáng)了換桿車的巷道適應(yīng)性。

(3)自動(dòng)化連續(xù)換桿車施工時(shí)無(wú)需人工進(jìn)行鉆桿裝填,工人數(shù)量少、勞動(dòng)強(qiáng)度低、工作效率高,為進(jìn)一步提高鉆探裝備的自動(dòng)化、智能化水平提供可靠的裝備保障。