煤矿井下炮眼施工钻机液压泵站的设计

2021-05-10高鑫

煤矿安全 2021年4期

高鑫

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

在煤矿综采过程中经常会遇到硬岩断层等的复杂地质构造情况，制约了综采工作面的推进速度，给煤矿安全生产带来了严峻的挑战[1]，尤其是遇到岩性硬度等级较高的断层时影响最为突出[2]。煤矿长期以来对于煤层变薄甚至尖灭、断层落差较大且顶底板岩石硬度系数较大的工作面多采用放震动炮的方法进行解决处理[3]，而其中作为关键环节的炮眼施工直接影响着爆破效率，以至于影响着整个综采工作面的施工速度[4]。为此，一种适用于综采工作面炮眼施工的履带式全液压坑道钻机，一种能提高炮眼施工效率，搬迁稳固迅速、降低工人劳动强度的履带式钻机应运而生。

该型炮眼钻机为整体履带式结构，集成了包括给进装置、调角装置、操纵台、液压泵站、履带车体、油雾润滑器等主要结构部件。而其中液压泵站是炮眼钻机的动力源部分，液压泵站由电机泵组、冷却器、油箱总装等组成，泵站中的齿轮泵从油箱中吸入低压油的同时输出高压油，然后分流进入各个液压执行机构[5]，从而完成炮眼钻机的各个功能。因此，保证液压泵站的平稳、可靠运行是保证整个炮眼钻机安全、高效工作的关键要素之一[6]。

1 炮眼钻机泵站液压原理

炮眼钻机泵站液压原理图如图1。采用煤矿井下坑道钻机液压系统中经典的双泵开式循环系统，液压元器件上选用定量齿轮泵和电磁比例换向阀等先进的液压元件和控制技术[7]。主泵、副泵共用同一个油箱总装，Ⅰ泵经自封式吸油滤油器吸入低压油，输出的高压油经过高压滤油器后进入电磁回转行走阀，供给动力头冲击和履带行走液压执行元件。Ⅱ泵也通过自封式吸油滤油器吸入低压油，泵出口高压油经过高压滤油器后进入到调角稳固多路阀，包括切换钻机的回转给进起拔和调角稳固功能。最终，钻机液压系统的总回油经过冷却器、回油滤油器再次循环回油箱腔体中。

图1 炮眼钻机泵站液压原理图Fig.1 Hydraulic schematic diagram of blasthole drilling rig pump station

2 炮眼钻机液压泵站方案

炮眼钻机泵站由Ⅰ泵、Ⅱ泵高压滤油器、电机泵组、油箱总装和冷却器等液压元件构成，根据钻机在日常操作使用过程中对压力、流量以及清洁度的要求，稳定提供液压油介质。按照液压泵安装位置的不同，可以将油箱分为上置式、旁置式和下置式3 种结构[8]。由于炮眼施工本身就存在振动较大等现象，不宜将液压泵和电动机等安装在油箱上，因而不能采用上置式结构。而下置式结构，即电机泵组安装在油箱之下，尽管可使设备的安装面积减少，使液压泵的吸入性能得到有效改善，但该结构常常是加高到使人能在油箱底下穿越，从而便于对液压泵的安装与维修[9]，但相对于窄体履带式坑道钻机来说，由于履带车体本身已经在高度上占用了很大空间，因而下置式结构不具有高度低且搬迁方便的优势[10]。最终，钻机采用了旁置式的布局结构，即电机泵组安装于油箱总装的旁侧，与油箱总装共同装配在履带车体平台上，电机泵组采用立式安装形式，不仅使油箱内的液面最大程度上高于液压泵的吸油口，从而收到更好的吸油效果，而且有效地优化了泵站空间占比，最大限度挖掘出了履带车体上部的空间利用率，且便于日常维修保养。炮眼钻机泵站布置图如图2。

图2 炮眼钻机泵站布置图Fig.2 Layout of blasthole drilling rig pump station

3 炮眼钻机液压泵站设计

3.1 液压泵选型

泵的设计准则和习惯一般是高压系统选择轴向柱塞泵，中低压系统选择叶片泵或齿轮泵[11]，本钻机选用了齿轮泵形式。根据钻机使用工况、冲击和转速等的需求，选择主、副泵开式循环液压系统，由液压泵的空间利用率的角度出发，采用串联式双泵结构。主泵为钻机动力头冲击、履带行走提供动力，副泵为钻机动力头回转给进、调角稳固、电缆卷筒转动等辅助动作提供动力。

外购冲击动力头在正常冲击使用时又分为开孔冲击和正常冲击，其中开孔冲击时额定压力为6 MPa，正常冲击时油路液压压力为12 MPa，冲击所需液压流量为45 L/min，动力头回转所需要流量为25 L/min，给进油缸所需要的流量为15 L/min，给进速度要求3 m/min，起拔速度30 m/min，于是采用通过钢丝绳倍程倍速结构实现动力头的快进快退[12]，驱动履带行走的额定压力为22 MPa。通过以上要求，并以管路损失及国内外现有产品的情况为考量依据，最终选择排量为主泵36 mL/r 和副泵26 m L/r的液压齿轮泵为钻机提供动力。

3.2 电动机选型

电动机是泵站的“心脏”，进行能量的转换。通过计算，按照主、副泵消耗的功率来选择电动机的驱动功率。

主泵理论最大输出流量Qm=50.3 L/min。

主泵的驱动功率Nm=20.5 kW。

副泵理论最大输出流量Qs=36.3 L/min。

副泵的驱动功率Ns=9.4 kW。

式中：n 为转速，n=1 470 r/min；qm为主泵的每转最大排量，qm＝36 mL/r；qs为副泵的每转最大排量，qs＝26 mL/r；η1为主、副泵的容积效率，η1＝0.95；pm为主泵的额定压力，pm＝22 MPa；ps为副泵的额定压力，ps＝14 MPa；ηm、ηs为主、副泵的总效率，取ηm＝ηs＝0.9。

总消耗功率N=Nm+Ns=29.9 kW。

根据设计原理，由于钻机在实际工作中主、副泵不会同时在最高压力和最大排量下工作，且电动机自身具有一定的过载能力，因此按照钻机驱动功率略小于计算值的标准选用电动机，选用YBK3-180L-4 型煤矿井下用隔爆型电动机，其主要技术参数：额定功率22 kW，额定转速1 470 r/min。

3.3 联轴器

联轴器是连接两轴或连接轴和回转件的一个部件，在传递运动和动力过程中和轴一同回转不脱开。联轴器除有连接功能之外，也可使之具有安全防护等功能[13]。

考虑钻机在进行炮眼施工时会受到反作用力，选择可减振、缓冲、传动系统对中性能好、径向尺寸小的梅花形弹性联轴器，具有使用时不用润滑，维护方便的优点。主动端与电动机连接部分加装调整环，使最终装配完成后主动端与从动端之间的间隙达到为5～8 mm。

联轴器的计算转矩T=557 N·m。

式中：Pw为驱动功率，Pw＝22 kW；n 为电机转速，n＝1 470 r/min；Kw为动力机系数，Kw＝1；K 为工况系数，K＝2.5；Kz为启动系数，Kz＝1.3；Kt为温度系数，Kt＝1.2。

结合煤矿井下工作条件，选用聚氨酯梅花形弹性体MT6，元件耐磨耐油，承载能力大，使用寿命长，安全可靠，维护工作量少，可连续长期运行。

电机泵组由液压泵、电动机、联轴器以及泵座等部件组成，采取立式安装结构，根据以上选型设计的电机泵组结构如图3。

3.4 油箱总装

图3 电机泵组结构图Fig.3 Structural diagram of motor pump set

一般在液压系统的液压泵选型确定以后，可以根据泵的排量基本确定油箱的容积，除此之外还应该充分考虑现场空间，各液压件的排列安装方式等来进一步确定油箱的尺寸。

油箱在钻机液压系统中起着储油、散热、逸出油液中的气体及沉淀杂质的重要作用。因此，油箱设计也是液压泵站设计中的一个重要部分。根据炮眼钻机整机结构和空间布局要求，同时满足安装、维护、清洗方便的要求，油箱采用侧开口的开式结构，油箱总装结构图如图4。

图4 油箱总装结构图Fig.4 Structural diagram of oil tank assembly

钻机油箱的有效容量一般为泵最大流量的2～3倍。设计油箱时应充分考虑钻机高度、宽度以及电机泵组和操纵台等部件的参数和位置，计算出系统发热量与散热量，同时考虑冷却器的选型，合理散热，从热平衡角度最终计算出油箱的容积。最终确定将油箱的有效容积定为164 L。油箱被其中设置的隔板分成吸油区和回油区，底部放入磁铁，在油液进行循环的过程中为了保证清洁度，油箱盖上加装有空气滤清器及回油滤油器，油箱侧边泵吸油口处安装了更换滤芯方便的自封式外置吸油滤油器，并在主副泵的出油口增设压力管路滤油器。回油管管口成45°斜角，使油液流动时速度变化不致过大。管口面向油箱壁，插入最低油面之下，距油箱侧边和底部距离不小于管径的3 倍，以免发生吸空和回油冲溅产生气泡[14]。

3.5 冷却器

在钻机正常工作时，液压元器件的容积损失和机械损失，以及控制元件、管路的压力损失、液体摩擦损失等消耗的能量，几乎全部转化为热量的形式。这些热量除一部分热对流散失外，大部分使油液及元件的温升。如果油温过高（＞60 ℃），将严重影响液压系统稳定。油箱虽然可以起到一定的散热作用，但仅靠油箱自身冷却难以满足整个液压系统热平衡的需求，因此需要选用冷却器为液压系统的回油进行强制冷却[15]。

液压系统的发热功率H=10.24 kW。

式中：Pp为液压泵的总输入功率，Pp=22 kW；η2为液压系统总效率，综合多方面因素，η2=0.53。

冷却器的散热面积A=0.39 m2。

式中：k 为冷却器的传热系数，钎焊式冷却器k=1 114 W/（m2·K）；△tm为液压油和冷却水之间的平均温差；t1为液压油的进口温度，t1=341.15 K；t2为液压油的出口温度，t2=323.15 K；t1′ 为冷却水的进口温度，t1′=302.15 K；t2′ 为冷却水的出口温度，t2′=315.15 K。

考虑油箱的表面自然散热、现有产品的规格以及井下施工经验，最终选择了传热面积为2.9 m2、最大流量为18 m3/h 的板式冷却器，可以完全满足液压系统的散热要求，板式冷却器如图5。