煤礦井下全液壓鉆機對比分析

煤礦井下全液壓鉆機對比分析

1液壓計及設備1.1工作介質(zhì)出油全液壓機槍是全液壓動力機槍的簡稱，主要區(qū)別于半液壓機的機械傳動和故障導向。全液壓鉆機由電動液壓泵站提供動力,以礦物油為工作介質(zhì),通過對工作介質(zhì)的流量、壓力和方向的控制,驅(qū)動鉆具完成所需要的動作。液壓鉆機的具體工作機理為:大泵供油實現(xiàn)馬達和動力頭部分旋轉(zhuǎn),為鉆具提供轉(zhuǎn)速和扭矩;小泵供油實現(xiàn)鉆具推進、夾持器夾緊以及主機傾角的調(diào)整。調(diào)節(jié)馬達排量,可實現(xiàn)鉆機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速大范圍的無級調(diào)節(jié)且鉆機的液壓聯(lián)動功能可方便地擰卸鉆桿。通過對液壓操縱閥的集中操縱,可實現(xiàn)不同的鉆進工藝,進而達到鉆孔的目的。1.2水探火及他工程鉆機中國煤炭工業(yè)部于1994年制定了關(guān)于煤礦井下鉆機的標準,該標準適用于煤礦井下瓦斯抽放、煤(巖)層注水、探放水、防(滅)火及其他工程用鉆機。要求鉆機給進機構(gòu)運行平穩(wěn),無漏液(氣)現(xiàn)象,推進力和起拔力不得小于額定值的95%。鉆機運轉(zhuǎn)達到熱平衡時,鉆機表面溫升和變速箱中的油液溫升不得超過40℃,其最高溫度不得超過75℃,液壓泵站油箱的出油口處溫度不得超過60℃,鉆機效率不得小于表1的規(guī)定,如表1所示。2國內(nèi)不同挖掘機的比較分析2.1大直徑煤錨機鉆機主要用于巷道寬、運輸較少,可采用分體式全液壓鉆機液壓鉆機主要有2種結(jié)構(gòu)形式:分體式和履帶式。分體式全液壓鉆機主要由主機、泵站和操縱臺3部分組成,各部分之間通過高壓軟管連接。該類型鉆機具有解體性好、搬遷運輸方便、現(xiàn)場布置靈活和成本低等優(yōu)點,廣泛應用于坑道狹窄、運輸困難的大直徑深孔煤層鉆孔施工,如煤炭科學研究總院西安分院及重慶分院研制的MK、ZY系列全液壓巷道鉆機。分體式液壓鉆機雖然適應了井下巷道的客觀條件,但也存在主機質(zhì)量過重,搬遷過程中工人勞動強度大,鉆孔輔助時間長等缺點。履帶式全液壓鉆機通過對其進行履帶化改造,把鉆機固定在履帶車上,可實現(xiàn)前進、后退和轉(zhuǎn)彎等行走功能,主要用于煤礦井下近水平長距離瓦斯抽放的鉆孔施工。履帶式鉆機提高了傳統(tǒng)分體式鉆機的機動性,減少了移動和固定等輔助時間,降低了工人的勞動強度且對巷道的寬度和高度要求不高,適用性強,具有很好的推廣和應用前景。2.2鉆機定向設備配套使用的情況根據(jù)驅(qū)動鉆頭回轉(zhuǎn)的動力源不同,煤礦坑道鉆機可分成兩大類:一類是常規(guī)的孔口回轉(zhuǎn)鉆機(鉆機通過鉆桿柱驅(qū)動鉆頭回轉(zhuǎn));另一類是孔底動力回轉(zhuǎn)鉆機(鉆進時鉆桿柱不回轉(zhuǎn),由孔底馬達驅(qū)動鉆頭回轉(zhuǎn))。對用于井下瓦斯抽采長鉆孔(鉆進超過300米)的鉆機而言,需要配備相應的定向設備,以保證鉆孔軌跡符合預期的設計要求,達到很好的抽采效果。上述2種不同工作方式的瓦斯鉆機配套使用的定向技術(shù)也不同:(1)采用穩(wěn)定組合鉆具;(2)采用孔底馬達配合造斜工具。采用組合鉆具定向的雖然在成本方面上較孔底馬達的低,但在鉆孔方向的控制上不如孔底馬達。目前煤礦井下液壓鉆機多采用先進的孔底馬達、造斜工具和隨鉆測量設備,鉆進能力強(>1000m)、定向精度高。2.3在壓力和效率之間的匹配液壓系統(tǒng)是全液壓鉆機的核心,其性能優(yōu)劣直接影響到鉆機的整體性能和可操作性。煤礦井下全液壓鉆機液壓系統(tǒng)主要分為回轉(zhuǎn)回路和給進回路2個基本回路。(1)回轉(zhuǎn)回路回轉(zhuǎn)回路主要為鉆具提供轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩,在給進回路提供的給進力的配合下,實現(xiàn)鉆具的鉆進。目前井下全液壓鉆機回轉(zhuǎn)回路有兩種控制方式,閥控式和泵控式。國內(nèi)煤礦井下全液壓鉆機多采用定量泵或手動變量泵,并用液壓閥來實現(xiàn)系統(tǒng)的壓力、流量和方向的控制,屬于節(jié)流控制,是典型的閥控系統(tǒng)。通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的開口量來調(diào)節(jié)經(jīng)節(jié)流閥流回油箱的流量,從而達到調(diào)節(jié)回轉(zhuǎn)速度的目的,如圖1所示。泵的壓力隨負載變化而變,其效率較高,但還存在一定量的節(jié)流損失且系統(tǒng)的調(diào)速范圍較小。此類系統(tǒng)的負載適應能力較弱,控制實時性差,不能適應復雜控制的需要,而且系統(tǒng)的能耗和發(fā)熱問題突出,效率低下,嚴重制約和影響了鉆機性能的發(fā)揮。另一種采用較先進的負載敏感泵配合負載敏感閥,該系統(tǒng)根據(jù)負載壓力的變化調(diào)節(jié)補償液壓泵的流量,屬于典型的變量泵與變量馬達組成的雙變量容積調(diào)速系統(tǒng),如圖2所示。該系統(tǒng)負載具有剛度好、傳動效率高、能量損耗少、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩可大范圍的無級調(diào)節(jié)等優(yōu)點,易于滿足各種鉆進工藝的要求,所以得到了很好的應用。(2)給進回路傳統(tǒng)的給進回路是通過對操縱臺上換向閥的操縱,控制著鉆具的給進和起拔。由于井下地質(zhì)條件復雜,手動操作難度較大,且容易出現(xiàn)卡鉆和載荷沖擊等現(xiàn)象,造成塌孔和丟鉆等孔內(nèi)事故,成孔率較低?，F(xiàn)在國內(nèi)一些科研機構(gòu)已研制出配備推力自適應模塊的給進回路。推力自適應模塊由負載敏感調(diào)壓閥和減壓閥組成,如圖3所示。該回路的工作原理是在鉆機鉆進的過程中,鉆頭遇到較硬的巖石時,阻力增大,馬達負載增加,驅(qū)動油壓升高,此時負載敏感調(diào)壓閥自動調(diào)節(jié)減壓閥的后壓力,從而減小推進油缸的推進力,避免鉆頭損壞和孔內(nèi)事故。2.4孔口回轉(zhuǎn)鉆機定向能力差通過對國內(nèi)不同類型的煤礦井下全液壓鉆機對比分析,總結(jié)出現(xiàn)有的全液壓鉆機存在的一些問題:(1)分體式液壓鉆機主機質(zhì)量過重、搬遷運輸困難、勞動強度大、鉆孔輔助時間較長;(2)采用組合鉆具定向的孔口回轉(zhuǎn)鉆機定向能力較差,容易造成鉆孔跑偏等問題,加大鉆孔難度,降低了成孔率;(3)閥控的液壓系統(tǒng)易發(fā)生供過于求的情況,產(chǎn)生過剩的壓力和流量,能耗較大,油溫升高問題比較嚴重,且工人操作不便,容易發(fā)生操作失誤。不難看出,上述出現(xiàn)的諸多問題已嚴重的影響了生產(chǎn)效率和鉆孔質(zhì)量,且不能滿足煤礦高效節(jié)能生產(chǎn)的需求,因此開發(fā)和應用新型的全液壓鉆機是非常必要的。3煤基壓法非織造鉆機的前景展望煤礦井下全液壓鉆機從誕生起至今已有50a多,且已存在多種型號的成熟產(chǎn)品,在未來很長的一段時間內(nèi)不會有太大的改動,發(fā)展方向和研究重點將集中在以下幾個方面。(1)高效隨著我國煤礦采掘技術(shù)的高速發(fā)展,傳統(tǒng)的液壓鉆機已不能滿足目前煤礦高效安全生產(chǎn)的需求,新型的高效全液壓鉆機將有很大的應用前景。(2)節(jié)能據(jù)統(tǒng)計,目前國內(nèi)全液壓鉆機的效率僅在47%~70%,雖然滿足煤炭工業(yè)部規(guī)定的全液壓鉆機整機效率大于43%的要求,但效率還是比較低,能耗較大。采用節(jié)能技術(shù)后,系統(tǒng)發(fā)熱減少,能效高,電動機和外負載得到了更好的匹配,提高電動機功率的利用率,液壓元件工況改善明顯,日常維護減少,延長了鉆機的壽命。(3)智能化隨著推力自適應模塊和帶有比例流量分配閥的負載敏感技術(shù)在煤礦鉆機上成功應用,煤礦井下全液壓鉆機已逐步實現(xiàn)了智能化。智能化的發(fā)展,有效地提高了鉆機的效率和使用壽命,降低了工人的勞動強度,為煤礦鉆機自動化奠定了一定的技術(shù)基礎(chǔ),是今后井下全液壓鉆機的主要發(fā)展