高转速跨输送带螺旋钻机的设计及应用研究

张泽飞

（山西天地王坡煤业有限公司，山西 晋城 048000）

当前在松软突出煤层瓦斯抽采钻孔施工中采用的大扭矩低转速钻机存在排粉效果差、事故处理能力低等问题，有必要进行调整。同时对于松软煤层而言，钻孔需要在巷道两侧进行施工，因此还要求钻机需要具有跨输送带实施施工的能力。针对以上问题，研制了ZDY15000 型高转速跨输送带螺旋钻进钻机，并在王坡煤业松软突出煤层进行了钻孔现场试验[1-5]。

1 ZDY15000 型钻机的设计总体方案

1.1 设计总体方案分析

ZDY15000 型钻机主要应用工况为松软突出煤层，具有跨输送带实施施工的能力，设计有钻杆吊装机构实现升降与旋转互锁，开孔高度在1.2～1.6 m之间，巷道尺寸宽×高=5 m×4 m。

ZDY15000 型钻机以《煤矿坑道勘探用钻机》（MT/T790-2006）标准进行设计。该钻机应当具备以下功能：（1）主轴回转最大扭矩15 000 N·m，高速经验值转速80～120 r/min，低速经验值转速40～60 r/min；（2）最大给进起拔力500 kN，给进速度最快1 m/min；（3）卡盘，螺旋钻杆不适用卡盘，不方便装夹；（4）夹持器一般2 根油缸，可加持Φ110 mm、Φ280 mm、Φ426 mm 的螺旋钻杆；（5）二次给进起拔油缸辅助装卸钻杆；（6）上稳固油缸一般2 根，下稳固油缸一般4 根，前顶油缸一般2 根，后顶油缸一般2 根，均应当满足钻机的稳固要求；（7）调角油缸或者马达一般成对使用，应当满足钻机的调角要求；（8）履带行走一般成对使用，爬坡一般20°驱动力满足钻机行走要求。

钻杆吊装机构应当具备以下功能：吊臂旋转应当满足吊装的旋转要求；吊臂升降应当满足吊装的升降要求；吊钩伸缩根据钻机的整体布局合理选择。

1.2 结构分析

ZDY15000 型钻机整体结构如图1，主要由风冷散热器、电磁启动器、履带车体、操纵台、稳固调角装置、吊装提升装置、主机等组成。

图1 ZDY15000 型钻机整体结构示意图

2 ZDY15000 型钻机关键部件及技术分析

2.1 电机功率选型

功率计算：依据《煤矿坑道勘探用钻机》（MT/T790-2006）煤矿坑道勘探用钻机计算公式：

式中：P2为主轴输出功率，kW；n为回转器主轴转速，r/min；M为主轴转矩，kN·m。

若最大扭矩15 000 N·m 时转速120 r/min，输出功率=输出扭矩×输出转速×π/30/1000，代入计算P2=15 000×120×3.14/30/1000=188.4 kW。

依据《煤矿坑道勘探用钻机》（MT/T790-2006）中的钻机整机效率：机械传动≥70%，液压传动≥40%，参考MT/T790 的液压传动的效率≥40%，按40%选用的话需要188.4/0.4=471 kW。

根据计算，可确定选择YBK3-355L2-4-315kW（660/1140）隔爆型三相异步电动机。

最大扭矩15 000 N·m 时转速50 r/min，计算功率P2=15 000×50×3.14/30/1000=78.5 kW。

参考MT/T790 的液压传动的效率≥40%，按40% 选用的话需要78.5/0.4=196.25 kW。查《煤矿用隔爆型三相异步电动机技术条件 第1 部分：YBK3 系列煤矿井下用隔爆型三相异步电动机（机座号80～355）》（JB/T9593.1-2015）标准选标准型号最为接近的为YBK3-315L2-4（660/1140）200 kW。 若 按 输 出 功 率 为78.5 kW 计 算，M=P2×9550/120 ≈6247 N·m。

通过计算得出理论数值：扭矩6247 N·m 时转速120 r/min；扭矩15 000 N·m 时转速50 r/min。

2.2 液压马达和传动比选择

选定液压马达时要考虑的因素有工作压力、转速范围、运行扭矩、总效率、容积效率、滑差特性、寿命等机械性能以及在机械设备上的安装条件、外观等。

已知参数：扭矩6247 N·m 时转速120 r/min；扭矩15 000 N·m 时转速50 r/min；额定工作压力一般在16～35 MPa 之间。结合以往的设计经验大扭矩、高速、小尺寸的液压马达应当选用2 个OMV-630 型摆线马达，其输出功率最大为56 kW，初算传动比：i=15 000/1940/2=3.8。试计算时没有考虑效率问题，减速器的实际传动比与公称传动比的相对偏差Δi，单级减速器|Δi|≤3%。选0.97，计算可得i=3.8/0.97 ≈3.91，在单级减速器推荐里面选择i=4，即传动比定位i=4。

单马达工作时：断续转速为380/4=95 r/min，扭矩为T=1660×4=6640 N·m。双马达工作时：连续转速为315/4/2 ≈40 r/min，扭矩为T=1660×4×2=13 280 N·m；断续转速为380/4/2=47.5 r/min，扭矩为T=1940×4×2=15 520 N·m。

2.3 液压主泵选择

这里存在单马达转速和双马达转速，根据液压马达OMV-630 的性能参数表分别计算：单马达工作时，Vg=380×630/1480 ≈162 mL/r；双马达工作时，Vg=380×630×2/1480 ≈324 mL/r。根据计算结果确定选择力士乐的A11VLO190 串泵。

2.4 联轴器选择

联轴器的选择： 电机200 kW，油泵190 cc。联轴器的计算转矩为2903 N·m，确定采用北京古德高机电公司的新型星形联轴器的弹性元件为星形式（或称凸爪式）， 具有缓冲减振、不需润滑、维护方便的特点，具有补偿两轴相对偏移的能力。泵选择DIN5480 的花键轴W50×2×30×24×9g 连接方式，则联轴器泵端花键为N50×2×30×24×10H。

2.5 钻杆、钻头及导向杆的设计

螺旋钻杆直径110 mm、280 mm、426 mm，钻头直径180 mm、380 mm、550 mm。

Φ110 mm 钻杆，杆体采用Φ73×7.5 无缝钢管牌号R780，公母头材质为42CrMoA，杆体与接头的抗拉强度σb≥1080 MPa，屈服强度σs≥930 MPa。Φ180 mm 钻头采用Φ110 mm 钻杆的母头，同时选择球面柱头硬质合金。

钻头前端用Φ42 mm 的煤钻头导向开孔，正转时用硬质合金或金刚石复合片切削，反转时用球面柱头硬质合金反向切割。

Φ380 mm、Φ550 mm 钻头翼片均采用此种设计方案。Φ110 mm 钻杆与钻头接头为4 方，但是Φ280 mm、Φ426 mm 钻杆直径较大，接头选用8 方。

开孔作业顺序是先打Φ180 mm 的底孔，再打Φ380 mm 或Φ550 mm 的终孔，因此导向钻杆外型选择类似子弹头形状。导向钻杆的尾端连接钻头，与钻头连接采用六方插接，钻头六刀翼之间均有环形钢带加固，抵消钻头切割时的反作用力，保证六刀翼的强度；钻头的杆体与钻杆的杆体一致，强度也够；导向钻杆基本不承受扭矩，只承受本身及钻头的重力，所以他的强度要求不高。

3 工业性试验

ZDY15000 型跨输送带螺旋钻机在王坡煤业3203 回风巷进行了工业性试验。第一步，基于该巷道3#松软突出煤层工况，建立松软突出煤层钻进工艺方法；第二步，改进调整钻机和配套钻具，提高钻进效率。

ZDY15000 型钻机配套单根长度1 m 的Φ110 mm/Φ63.5 mm 插接螺旋钻杆和保直效果更好的四翼内凹钻头进行钻孔施工，截至2021 年8 月一共完成钻孔58 个，有效总进尺5365 m，平均孔深92.5 m，其中最大孔深为205 m。对比相邻3316 辅助回风巷采用的其他钻机施工情况，ZDY15000 型钻机的钻进效率和钻孔深度都有了显著提高，钻孔施工效果理想。

4 结语

ZDY15000 高转速跨输送带螺旋钻机具有高转速驱动、跨输送带施工、开孔倾角和开孔高度可调、整体式履带自行走、给进行程大等特点。ZDY15000 型钻机在3203 回风巷瓦斯抽采钻孔中进行了工业性试验，结果表明：该钻机配合螺旋钻杆和四翼内凹钻头可进行高转速跨胶带螺旋钻进，钻进效率、成孔深度显著提高，在松软突出煤层钻进施工中的效果较好。