ZYWL-4000SY 自动钻机提升机构液压系统设计

刘小华

1瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室 重庆 400039

2中煤科工集团重庆研究院有限公司 重庆 400039

随 着技术的进步，我国煤矿井下瓦斯抽放钻孔施工正从机械化向自动化方向发展[1]。中煤科工集团重庆研究院有限公司研制的 ZYWL-4000SY 自动钻机，是首台用于煤矿井下瓦斯抽放钻孔的自动化钻探设备[2]。该设备采用无线遥控操作、自动上下钻杆、一键全自动钻孔以及数据采集与存储技术，达到先进水平。

ZYWL-4000SY 自动钻机的提升系统作为钻机辅助操作的重要组成部分，主要用于钻机对开孔高度的调节[3-4]。为保证钻孔参数的准确性，通常需要对开孔高度进行微调，在常规钻机的定量泵控制系统中，小流量、高压力的微调工况，通常会伴随大量的能量损失和系统发热，影响钻机的稳定性。为提高ZYWL-4000SY 自动钻机的稳定性，迫切需要一种稳定可靠的钻机机构提升液压系统。

1 提升机构的结构原理

为增强钻机对各种巷道条件的适应性，根据ZYWL-4000SY 自动钻机的总体结构设计，钻机的主机结构采用全方位布局的形式[5]，其提升机构如图 1所示。

图1 ZYWL-4000SY 自动钻机提升机构Fig.1 Lifting mechanism of ZYWL-4000SY automatic drill rig

ZYWL-4000SY 自动钻机的主机通过履带车搭载，在回转平台上设置提升套和 2 根提升立柱。提升液压缸的两端分别与提升套和提升立柱相连，通过提升液压缸的驱动，可使提升套以提升立柱为导向上下滑动。提升套的外侧连接倾角回转减速器。底架分别连接倾角回转减速器和机架。机架上的钻进机构可以在其轨道上前后移动，并可停靠在任意位置。由于主机的全方位结构设计，其重心必然会偏置。当提升液压缸驱动提升套进行钻孔高度调节时，由于钻进机构的重心偏置，势必会造成提升液压缸负载不均匀和液压缸不同步的问题。

2 提升机构液压系统设计

为降低钻机提升系统中的能量损失和系统发热，同时满足小流量、高压力的微调工况，液压系统采用负载敏感的变量泵控制系统[6]。液压系统采用电比例控制，并用遥控器对主机的升降机构进行无线遥控操作。为克服提升机构因重心偏置、负载不均匀导致液压缸不同步的问题，在升降油路中设置分流集流阀。ZYWL-4000SY 自动钻机的提升液压系统如图 2 所示。

1.电动机 2.负载敏感变量泵 3.高压过滤器 4.负载敏感比例多路阀 5.压力表 6.液压锁 7.分流集流阀 8.提升液压缸

电动机驱动负载敏感变量泵为整个液压系统提供压力油源。液压油经过高压过滤器 3 进入负载敏感比例多路阀 4，控制系统驱动比例多路阀 4的阀芯换向，使得液压油经液压锁 6 和分流集流阀 7 进入提升液压缸 8。压力表 5 可实时监测提升机构的负载压力。该系统为负载敏感系统，通过控制比例多路阀 4的阀芯开度来控制提升液压缸的运行速度，不会有多余的溢流损失，能大幅降低液压系统的能量损失和系统发热。液压锁 6 能将提升液压缸锁定在钻孔施工所需的任意高度，分流集流阀 7 可对 2 个提升液压缸进行同步控制，让其在允许的误差范围内同步升降。为提高分流集流阀的控制精度，将分流集流阀设置在液压缸的无杆腔油路。

3 关键液压件选型计算

系统最关键的液压元件为提升液压缸和分流集流阀，因此需要对提升液压缸和分流集流阀进行选型计算。

3.1 液压缸选型计算

根据自动钻机的总体方案设计要求，钻机高度不宜太高，否则无法通过罐笼和井下的风门。提升液压缸的行程应控制在合理的范围内，因此将提升液压缸的行程设置为 0.4 m。根据主机结构估算其质量，可得到提升液压缸的负载，通过负载可计算出单根提升液压缸的缸径。单根液压缸所需的活塞面积

式中：nk为安全系数，取nk=4；m为主机提升机构的质量，m=2 500 kg；Δp为提升液压缸的无杆腔与有杆腔的压差，该系统为中压系统，取 Δp=14 MPa；ηm为液压缸的机械效率，ηm=0.9。

将参数代入式 (1)，计算得单根提升液压缸所需的活塞面积AL=3 889 mm2，由此可计算出单根液压缸的直径D=70.8 mm。结合液压缸的缸径系列，确定提升液压缸的缸径D=80 mm。该缸径对应的杆径有 3种，分别为 43、45 和 55 mm，相应速比分别为 1.33、1.46 和 2.00。在此选用速比为 1.46的液压缸，其对应杆径为 45 mm。由此可确定提升液压缸的缸径D=80 mm，杆径d=45 mm，行程为 400 mm，从液压技术手册查出该液压缸的安装距为 700 mm。

3.2 分流集流阀选型

为保证提升机构在上升和下降过程中，2 根液压缸能在负载不均匀的情况下实现同步动作，需在油路中设置分流集流阀。分流集流阀的选型需要确定其工作压力、流量和分流比。在确定液压缸的缸径和杆径后，即可对分流集流阀进行选型。由于提升机构采用中压系统，大部分的分流集流阀的工作压力均可满足使用要求。ZYWL-4000SY 自动钻机的提升机构采用2 根规格相同的液压缸并联驱动，需同时升降，因此选用分流比为 1∶1的分流集流阀。为确定分流集流阀的流量，需获得提升机构的运行速度。按照现场施工要求，提升机构的运行速度v=0.01～ 0.05 m/s，根据选定的液压缸参数，提升机构所需的流量

由式 (2) 可计算出分流集流阀所需的流量Q=6～30 L/min，按照该流量选择相应的分流集流阀。当提升机构向下运动时，因分流集流阀安装在无杆腔油路上，其背压会增大，但因重力作用，不会造成无法下降的情况。

4 校核计算

液压件选型完成后，需要对关键元件进行校核计算，自动钻机的提升机构则需对提升液压缸进行压杆稳定性校核[7]。在液压缸运行中，需要保证伸出到极限位置，活塞杆不产生纵向弯曲。活塞杆的推力与极限力的关系为

式中：PK为活塞杆纵向弯曲破坏的临界载荷，N；n为末端条件系数，按两端铰接安装方式，取n=1；E为液压缸活塞杆材料的弹性模量，对于钢，取E=2.1×1012Pa；J为活塞杆截面的转动惯量；L为液压缸伸出到极限位置的计算长度，即安装距与行程之和，L=1.1 m。

由式 (3) 可计算得提升液压缸的活塞杆纵向弯曲破坏临界载荷PK=3.44×105N。

一般在实际使用时，为了保证活塞杆不产生纵向弯曲，活塞杆实际承受的纵向载荷 (单根提升液压缸所受的正压力F) 应小于极限载荷，即

通过计算可知，采用缸径为 80 mm，杆径为 45 mm，行程为 400 mm，安装距为 700 mm的液压缸，在提升机构中，其推力小于具有 4 倍安全系数的极限载荷，具有较好的压杆稳定性。

5 试验研究

ZYWL-4000SY 自动钻机在瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室进行了现场试验。试验结果证明：

(1) 钻机的提升机构可实现无线遥控操作；

(2) 提升机构在高速状态下，2 个液压缸同步性能较好，运行平稳；

(3) 在低速状态下，左右两侧液压缸在运行至末端之时，约有 2～ 3 mm的同步误差，该误差主要因分流集流阀在小流量时精度相对较低的特性所致，不影响提升机构的现场使用；

(4) 提升机构不宜在低于0.01 m/s的速度下运行，此时系统流量低于分流集流阀的最小流量，分流集流阀会失效，此时该阀只相当于1 个三通。

6 结语

自2017 年至今，ZYWL-4000SY 自动钻机分别在安徽淮南谢桥、神东锦界、山东赵楼等多个煤矿进行瓦斯抽放钻孔施工、探放水钻孔施工和防冲卸压钻孔施工。从现场使用情况看，ZYWL-4000SY 自动钻机的提升系统可实现无线遥控操作，机构运行平稳，能满足各种开孔高度的使用要求，具有一定的推广应用价值。