针对煤矿瓦斯抽放钻车液压系统的设计

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２０１６年４月机床与液压Ａｐｒ􀆰２０１６第４４卷第８期ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳＶｏｌ􀆰４４Ｎｏ􀆰８ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ􀆰ｉｓｓｎ􀆰１００１－３８８１􀆰２０１６􀆰０８􀆰０１８煤矿瓦斯抽放钻车液压系统的设计魏广，张成成（山西晋煤集团金鼎煤机矿业有限责任公司，山西晋城０４８００６）摘要：介绍煤矿瓦斯抽放钻车液压系统的组成、工作原理及其特点，分析油缸、马达、泵、电动机等重要元器件的参数确定过程，为钻车的设计、选型提供理论依据，也为同类型矿山机械液压系统设计提供参考。关键词：瓦斯抽放钻车；液压系统；参数计算中图分类号：ＴＨ１３７􀆰７文献标志码：Ｂ文章编号：１００１－３８８１（２０１６）０８－０５４－４ＤｅｓｉｇｎｏｆＨｙｄｒａｕｌｉｃＳｙｓｔｅｍｆｏｒＣｏａｌＭｉｎｅＧａｓＤｒａｉｎａｇｅＤｒｉｌｌｅｒＷＥＩＧｕａｎｇ，ＺＨＡＮＧＣｈｅｎｇｃｈｅｎｇ（ＳｈａｎｘｉＪｉｎｃｈｅｎｇＡｎｔｈｒａｃｉｔｅＭｉｎｉｎｇ（Ｇｒｏｕｐ）ＫｉｎｇｄｉｎｇＭｉｎｉｎｇａｎｄＭａｃｈｉｎｅｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，ＪｉｎｃｈｅｎｇＳｈａｎｘｉ０４８００６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ，ｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅａｎｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｃｏａｌｍｉｎｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｄｒｉｌｌｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓｏｆｔｈｅｃｙｌｉｎｄｅｒｓ，ｍｏｔｏｒｓ，ｐｕｍｐｓ，ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｏｒｓａｎｄｏｔｈｅｒｉｍｐｏｒｔａｎｔｃｏｍｐｏ⁃ｎｅｎｔｓｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌｂａｓｉｓｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｓｅｌｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｄｒｉｌｌｉｎｇｖｅｈｉｃｌｅ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｉｔｐｒｏｖｉｄｅｓｒｅｆｅｒｅｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓａｍｅｔｙｐｅｏｆｍｉｎｉｎｇｍａｃｈｉｎｅｒｙｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｃｏａｌｍｉｎｅｇａｓｄｒａｉｎａｇｅｄｒｉｌｌｅｒ；Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｙｓｔｅｍ；Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ２０１４年山西晋煤集团某公司自主研发了煤矿瓦集成化钻进，从而实现大高程、多角度机械化钻孔的斯抽放钻车（见图１）。该钻车设计主要为了解决大目的。此外，该钻车利用转阀可以实现３个挡位的断面高程打孔需搭设临时平台的问题，同时可以完成高、中、低扭矩（或转速）的不同切换，来满足不掘进工作面、巷道顶、底板及两帮瓦斯抽放孔一次性同地质条件下的钻孔作业。图１煤矿瓦斯抽放钻车１钻车结构组成及工作原理及角度，稳定后，给进机构将动力头通过传动链推至此钻车由动力头、拧管机、夹持器、给进机构、前方，并不断提供给进力，动力头马达为钻杆提供一钻架、变幅机构、底盘、液压系统、无线遥控系统及定的扭矩并实现钻孔作业。无线遥控可以实现远程遥电气系统所组成。工作时，将钻杆放入动力头，由拧控钻杆旋转、给进起拔、拧卸钻杆等动作。管机和夹持器共同将其上扣，变幅机构调节钻架方向收稿日期：２０１５－０３－０２基金项目：山西省技术创新项目（ＣＸ２０１４⁃０３）；晋城煤业集团科学技术项目（２０１０⁃ＫＪ⁃０５⁃３）作者简介：魏广（１９８５—），男，工学硕士，机械工程师，现从事煤机装备研发工作。Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｅｉｇｕａｎｇ􀆰５５８１７８２＠１６３􀆰ｃｏｍ。 第８期魏广等：煤矿瓦斯抽放钻车液压系统的设计·５５·２钻车基本参数此钻车的液压系统主要由电动机、通轴式双联油煤矿瓦斯抽放钻车基本参数见表１。泵、马达（动力头、旋转、行走）、油缸（给进、夹表１煤矿瓦斯抽放钻车基本参数持、拧管、卸扣、钻架伸缩、钻架支撑、大臂仰俯、外形尺寸４７８０ｍｍ×１３００ｍｍ×２４００ｍｍ变角）、阀（手动、电磁、电液）、高压胶管、接头、质量７１００ｋｇ冷却器、滤油器、油箱等组成，见图２。电动机功率４５ｋＷ工作时电动机驱动２个通轴式双联油泵旋转产生系统压力１８ＭＰａ动力油源，通过手动控制行走阀，高压油驱动行走马钻孔直径ϕ９４ｍｍ达，实现整机前进、后退及转弯等动作；操纵控制阀最大仰角５０°及三位六通转阀，实现动力头马达启停及３个挡位不最大俯角９０°同切换（进而可以根据井下实际条件调整钻进扭矩最大回转角度左右各１５０°等参数）；操纵夹持、拧管、卸扣、给进等控制阀，起拔力１１０􀆰４ｋＮ可以依次实现钻杆拧、卸及向前钻进、向后起拔等功钻进力７５􀆰８ｋＮ能；操纵钻架伸缩缸的控制阀，使得钻车在煤壁前一最大钻进扭矩５０００Ｎ·ｍ定距离处保持不动而钻架伸出顶住煤壁（有一定的转速范围０～１４３ｒ／ｍｉｎ推进补偿行程）；操纵支撑油缸控制阀，可以在钻两爬坡能力１８°帮瓦斯孔时，钻架后端顶住后方煤壁，从而保持钻进最大行走速度１􀆰８ｋｍ／ｈ稳定；分别操纵大臂仰俯、变角缸及托盘旋转马达可最高水平钻孔高度４２００ｍｍ实现变幅机构升降、变角及托盘的回转，从而完成在最低水平钻孔高度４００ｍｍ一定高度的任意角度施工。此外，为了使钻车工作更３液压系统设计加安全、高效，动力头旋转、给进起拔、拧卸钻杆的３􀆰１液压系统组成及工作原理控制均采用隔爆比例多路换向阀，可以由远程遥控。图２钻车液压系统原理图 ·５６·机床与液压第４４卷根据工况条件，该液压系统采用双泵供油设计。式中：杆径比φ＝ｄ／Ｄ。经查表可知，速比ｖ／ｖ为１２主泵（ｑ＝８０ｍＬ／ｒ）供油通过操纵控制阀实现钻车行１􀆰４６时，杆径比取０􀆰５６。故Ｄ＝１１３􀆰７ｍｍ，取１２５走、动力头旋转，同时辅助钻杆给进起拔三者构成主ｍｍ，则ｄ＝０􀆰５５Ｄ＝６８􀆰７５ｍｍ，取７０ｍｍ。油路；副泵（ｑ＝１６ｍＬ／ｒ）供油通过操纵控制阀实现钻车给进起拔，变幅机构升降、变角，托盘的水平旋转，钻架的平稳支撑以及钻杆的拧、卸等功能，构成次要油路。此外，为了实现钻杆快速起拔和扫孔作业，作者采取双泵同时向给进缸供油设计；同时为了拧、卸钻杆时油缸有一定的浮动量，给进缸并联了梭图３液压油缸受力示意图阀和换向阀。由于该给进油缸行程ｌ＝１１００ｍｍ，ｌ／ｄ＝１５􀆰７１＞３􀆰２液压系统主要部件１０，因此需要对活塞杆的强度进行校核。活塞杆的材（１）两联手动变量柱塞泵ＴＤＸＢ８０Ｈ／Ｌ⁃ＴＤＸＢ１６，料为４０Ｃｒ，经８５０℃淬火和５００℃回火的调质处理，公称排量分别为８０、１６ｍＬ／ｒ，额定工作压力３１􀆰５布氏硬度ＨＢ２０７；抗拉强度σ＝９８０ＭＰａ，［σ］＝ｂｂＭＰａ，额定转速１５００ｒ／ｍｉｎ；２σ／５＝１９６ＭＰａ；活塞杆横截面积Ａ＝πｄ／４＝３８４６􀆰５ｂｄ（２）动力头摆线马达ＢＭ４⁃３２０Ｐ３Ａ４Ｙ３，排量２ｍｍ，σ＝Ｆ／Ａ＝１９２０８０／３８４６􀆰５＝４９􀆰９ＭＰａ。因σ＜ｄ３１７􀆰５ｍＬ／ｒ，最大连续扭矩９０２Ｎ·ｍ，转速７～３８０［σ］，故活塞杆安全可靠。ｂｒ／ｍｉｎ；最大连续压降２０ＭＰａ；行走马达ＴＭＯ７ＶＣ，此外，设计了隔爆比例先导溢流阀和电磁换向连续排量４３􀆰３ｍＬ／ｒ，最大排量５５􀆰８ｍＬ／ｒ，传动比阀，需要拧卸钻杆，靠无线遥控打开先导溢流阀和换５３􀆰７，连续扭矩７９８７Ｎ·ｍ，最大输出扭矩８３３０向阀，使得给进缸活塞可以有一定的浮动量，完毕之Ｎ·ｍ，连续输出转速２３􀆰６ｒ／ｍｉｎ，最大转速２７后关上溢流阀和换向阀即可。ｒ／ｍｉｎ；根据不同工况条件，其余油缸的缸径、杆径和行（３）隔爆型三相异步电动机ＹＢＫ２⁃２２５Ｍ⁃４Ｂ３５，程如表３所示。功率４５ｋＷ，转速１４５０ｒ／ｍｉｎ。表３其余油缸基本参数ｍｍ３􀆰３液压系统各主要部件设计缸径杆径行程文中着重从这几方面介绍油缸（给进）、马达夹持缸１１０８０５８（动力头和行走）、油泵、电动机等参数的确定。卸扣缸６３３５７８（１）油缸主要结构确定支撑缸８０５５１５００液压缸的载荷Ｆ分为工作载荷Ｆ和因速度变化ｗ变角缸１２５７０９９７引起的惯性载荷Ｆ，即Ｆ＝Ｆ＋Ｆ。其中：工作载荷ａｗａ仰俯缸１２５７０７３３包括给进时动力头与钻架导轨的摩擦力，钻头与岩石（２）马达排量确定的切削力、挤压力等，起拔时因钻具的重力引起的摩该钻车最主要的执行马达是用于钻孔的动力头马擦力等。而惯性载荷：达和用于移动的行走马达。Ｆ＝ｍ·Δｖ／Δｔａ动力头马达计算。外部载荷为５０００Ｎ·ｍ，传式中：ｍ为钻具质量；Δｖ为速度变化量；Δｔ为启动动比ｉ＝２，马达进出口压差Δｐ＝１６􀆰５ＭＰａ（因回油或制动所用时间。综合考虑给进和起拔情况及该钻车经过冷却器、过滤器，取背压１􀆰５ＭＰａ），则液压马的动滑轮系统，确定作用在传动链的载荷的推力应为达的排量为ｑ＝２πＴ／Δｐ。容易得出：要想输入到传动１００ｋＮ，则传递到活塞杆的推力为Ｆ＝２Ｆ＝无杆腔主轴的扭矩最大，３个马达处于并联状态。则３个马２００ｋＮ。达的输出扭矩为５０００／２＝２５００Ｎ·ｍ，其共同的排如图３所示，油缸的活塞杆伸出时，推力：量ｑ＝６􀆰２８×２５００／１６􀆰５＝９５１􀆰５ｍＬ／ｒ，单个马达的排Ｆ＝ｐＡ－ｐＡ２２１１量为：９５１􀆰５／３＝３１７􀆰２ｍＬ／ｒ。参照样本选型为３１７􀆰５式中：ｐ为无杆腔油液工作压力（１８ＭＰａ）；Ａ为无２２ｍＬ／ｒ，扭矩９０２Ｎ·ｍ。因３×９０２×２＝５４１２Ｎ·ｍ＞２杆腔活塞面积（Ａ＝πＤ／４，Ｄ为活塞直径）；ｐ为１１５０００Ｎ·ｍ，故选型合格。有杆腔回油压力，即背压（１􀆰５ＭＰａ）；Ａ为有杆腔１行走马达计算。该钻车采用履带式牵引，因此有２２油液作用活塞面积（Ａ＝π（Ｄ－ｄ）／４，ｄ为活塞杆１必要对马达的行走、爬坡能力、最大行驶速度及对应直径）。经简单整理：的排量进行计算和校核。２Ｄ＝４Ｆ／π［ｐ２－ｐ１（１－φ）］钻车由静止到行走其牵引力必须能够克服静摩擦 第８期魏广等：煤矿瓦斯抽放钻车液压系统的设计·５７·力。两个行走马达的牵引力Ｆ＝２×Ｔ／Ｒ，马达扭矩Ｔ故电机的功率Ｐ≥Ｐ＋Ｐ＝ｐＱ／η＋ｐＱ／η＝Ｑ电机主泵副泵１１１２２２为７９８７Ｎ·ｍ，驱动轮半径Ｒ为２３０ｍｍ，则ＦＱ＝１８×１１６／（６０×０􀆰９５）＋１８×２３􀆰２／（６０×０􀆰８５）＝３６􀆰６＋８􀆰２＝６９４５２Ｎ。钻车履带与地面的附着力Ｆｆ＝μｍｇ，系数４４􀆰８ｋＷ，取４５ｋＷ。μ＝０􀆰７，则Ｆｆ＝０􀆰７×７１００×９􀆰８＝４８７０６Ｎ，由于ＦＱ＞４加载试验Ｆｆ，故行走能力合格。经过设计、制造后，作者对样机进行了地面的初钻车的最大牵引力Ｆ＝２×８３３０／０􀆰２３＝７２４３５Ｑｍａｘ步调试。钻进系统的高、中、低扭矩分别为４９４０、Ｎ，爬坡时钻车受到的反力ｆ＝ｍｇ·ｓｉｎθ＋μｍｇ·ｃｏｓθ，３２９６、１５９２Ｎ·ｍ；给进力和起拔力分别为１１０􀆰４、式中θ＝１８°，ｆ＝６７８４０Ｎ，因Ｆ＞ｆ，故爬坡能力Ｑｍａｘ７５􀆰８ｋＮ；行走速度１􀆰８ｋｍ／ｈ，爬坡角度１８°，均与合格。理论值符合得很好。液压马达所能提供的最大行驶速度ｖ＝η２πＲｎ，ｍ５结论式中：传动效率η＝０􀆰９。故ｖ＝１􀆰８４ｋｍ／ｈ。因为ｖ＞ｍｍ综上理论计算和实际加载试验表明：整机钻进系１􀆰８ｋｍ／ｈ，故最大行驶速度合格。统的扭矩、转速以及起拔力均达到了理论设计值，加钻车以最大速度行驶时，马达的转速为ｎ＝ｍａｘ上钻车的３个挡位的变换调节，可以很好地适应不同２３􀆰６ｒ／ｍｉｎ，对应排量为Ｑ＝２×４３􀆰３×２３􀆰６×５３􀆰７＝ｍａｘ的地质条件，符合井下实际使用需求。并且电机、油１０９􀆰７Ｌ／ｍｉｎ。主泵提供的最大流量为Ｑ＝１１６Ｂ泵、油缸、马达等部件均匹配良好。因此，该钻车的Ｌ／ｍｉｎ。因Ｑ＜Ｑ，故马达的排量合格。ｍａｘＢ液压系统计算是正确的，选型是合理的。（３）泵的选型参考文献：主泵主要供给行走马达和动力头，两者相比较，［１］费烨，陈涛，姜学寿．大吨位水平钻机液压系统设计［Ｊ］．由于动力头在３个马达并联时所需要的流量Ｑ最大，液压与气动，２０１１（２）：６８－７１．所需的转速ｎ为５５ｒ／ｍｉｎ，因此Ｑ＝３ｑｎ＝３×３１７􀆰５×主泵［２］马永辉，徐宝富，刘绍华．工程机械液压系统设计计算５５×２＝１０４􀆰８Ｌ／ｍｉｎ，故选择ｑ＝１０４􀆰８／１４５０＝７２􀆰３主泵［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８５．ｍＬ／ｒ的泵，考虑泄漏因素，选型８０ｍＬ／ｒ的泵。［３］周士昌．液压系统设计图集［Ｍ］．北京：机械工业出版副泵主要为给进、变幅、夹持、拧卸缸提供动力社，２００３．油，其中给进缸的速度最为关键，给进速度ｖ为０～［４］樊姗．岩心钻机提下钻机械手的液压系统设计［Ｊ］．机床２􀆰７ｍ／ｍｉｎ以下，给进缸的给进面积ΔＳ＝Ｓ缸径－Ｓ杆径＝与液压，２０１４，４２（３）：６８－６９，５３．π２２π２［５］宋超，邹云，杜碧华．地下顶管用液压设备液压油设计计（Ｄ－ｄ）＝×（１２５２－７０２）＝８４􀆰２ｃｍ。给进时需４４算［Ｊ］．机床与液压，２０１３，４１（１７）：１２９－１３０，９９．－２要的流量Ｑ副泵＝Ｖ／ｔ＝ΔＳ·ｖ＝８４􀆰２×１０×２􀆰７×１０Ｌ／ｍｉｎ＝［６］孙慧．ＷＹ２⁃２００液压挖掘机液压系统设计［Ｊ］．机床与液２２􀆰７３Ｌ／ｍｉｎ，排量ｑ＝Ｑ／ｎ＝２２􀆰７３／１４５０＝１５􀆰７压，２０１３，４１（１４）：７２－７４．副泵ｍＬ／ｒ，故选择１６ｍＬ／ｒ的柱塞泵。［７］于传江．ＲＥ４００型履带式潜孔锤钻机液压系统设计［Ｊ］．（４）电动机功率确定液压与气动，２０１２（１１）：５７－６１．主泵的流量Ｑ＝８０×１４５０＝１１６Ｌ／ｍｉｎ，副泵的［８］凡东，殷新胜，常江华，等．ＺＤＹ１０００Ｇ型全液压坑道钻机主泵流量Ｑ＝１６×１４５０＝２３􀆰２Ｌ／ｍｉｎ。电机驱动双联泵，的设计［Ｊ］．煤田地质与勘探，２０１１（１９）：７８－８０．副泵（上接第１５４页）参考文献：５结论［１］孙英飞，罗爱华．我国工业机器人发展研究［Ｊ］．科学技术与工程，２０１２（１２）：３４－３５．（１）根据机械加工典型工艺特征，给出了机器［２］川崎机器人（天津）有限公司．川崎机器人使用说明书人控制数控机床进行加工的流程。［Ｍ］，２０１３．（２）给出了机器人与数控机床之间的硬件连接［３］朱明华，王霄，蔡兰．机器人路径规划方法的研究进展与及Ｉ／Ｏ通信方法。趋势［Ｊ］．机床与液压，２００６（３）：７６－７８．（３）结合机器人的特性，编制了ＡＳ语言控制程［４］李伟光，许阳钊．一种搬运机器人控制系统的软件开发序，使机器人完全控制数控机床在无人化环境下自动与研究［Ｊ］．制造技术与机床，２０１０（４）：４３－４４．运行。［５］宝鸡机床集团有限公司．数控车床操作说明书［Ｍ］，（４）通过对数控机床的改造，给出了数控机床２０１０．与机器人之间的固定通信程序，在使用中，只需根据［６］汉川机床集团有限公司．数控铣床操作说明书［Ｍ］，所加工工件的类型，改变对应的“加工程序”即可。２０１１．