ZY45LK 型自动化连续换杆车研制

2023-09-19阚志涛钟自成何玢洁

金属矿山 2023年8期

阚志涛钟自成何玢洁刘璞

(1.中国矿业大学(北京)应急管理与安全工程学院,北京 100083;2.煤炭科学研究总院,北京 100013;3.中煤科工西安研究院(集团)有限公司,陕西西安 710077)

我国井下瓦斯抽采经过几十年的发展,形成了采前、采中、采后抽采的系统瓦斯抽采方法。随着瓦斯作为清洁能源角色的突显,钻孔抽采已成为实现煤矿井下煤层气开发的主要途径[1-4]。而长距离钻孔抽采具有覆盖范围广、封孔次数少、瓦斯抽采效率高的优点,越来越受到矿方的欢迎。为了满足煤矿区工作面瓦斯长距离高效抽采和区域抽采的需要,中煤科工西安研究院(集团)有限公司研制了ZDY25000LDK 型大功率自动化定向钻机,钻机具有自动上卸钻杆、钻进参数实时监测、系统故障报警、现场实时监控、可与地面远程实时控制通信等功能,钻孔直径、钻进效率和钻孔质量与现有装备相比显著提高,已在神东保德煤矿、锦兴能源肖家洼煤矿顺利进行推广应用[5-6]。

ZDY25000LDK 型大功率自动化定向钻机的自动上卸钻杆装置由机械手和钻杆仓组成,结构简单、性能稳定可靠,与传统人工上/卸钻杆相比,工作效率显著提高。但是由于钻机输出能力大,施工钻孔距离长,主机尺寸以及配套的执行以及动力部件尺寸随之增大,受井下巷道空间的限制,钻机配备的钻杆仓只能容纳7 根钻杆,当杆仓内钻杆用尽后,仍需人工进行钻杆装填,延长了辅助作业时间;且配套钻杆直径为φ114 mm、长度为1.5 m、重量为45 kg,人工装填劳动强大、安全风险高、工作效率低。因此,亟需研发一款高效的自动化换杆装置,满足大功率自动化定向钻机快速上/卸钻杆需要,最大限度地解放劳动力,进一步提高钻探装备的自动化、智能化水平。

针对这一情况,国内学者进行了相关研究。陈泽平[7]提出了一种定向钻杆辅助上杆及搬运组合方案,能够实现长度3 m 大直径定向钻杆的快速加接和机械化搬运,为煤矿井下大直径定向钻机的推广应用提供了有力支持;刘智[8]设计了一种由夹紧承托装置、吊装装置和钻杆架组成的快速起下钻装置,满足了钻孔施工过程中快速起下钻的功能要求;高勇[9]设计了由储杆车、加杆车和机械手组成的连续自动加卸钻杆装置,实现了钻机的自动连续加卸钻杆作业;雷万年[10]设计了带有多层斜面式补充箱的钻杆补充系统,增加了自动钻机的单次装填钻杆进尺,提高了施工效率,减轻了劳动强度;罗江南[11]设计了采用回转支承和摆动油缸作为动力元件,液压驱动的换钻机器人,提高了换钻效率。但通过适用性分析,已有的研究均不能满足配套大直径钻杆的大功率自动化定向钻机的使用要求。

本研究在前人工作的基础上,设计了ZY45LK 型自动化连续换杆车,配合大功率自动化定向钻机实现了大直径钻杆的自动连续上/卸钻杆作业,为煤矿井下长距离定向钻孔的安全高效施工提供了可靠的装备保障。

1 换杆车的总体设计

根据大功率自动化定向钻机自动上卸钻杆装置的工作原理,结合煤矿井下空间小,布局受限的施工环境,确定ZY45LK 型自动化连续换杆车整体方案[12-16]如图1 所示。

图1 ZY45LK 型自动化连续换杆车结构示意Fig.1 Structure schematic of ZY45LK vehicle with drill pipe replaced automatically and continuously

自动化连续换杆车主要由翻转钻杆箱、上杆装置、冷却器、油箱、电磁起动器、机车灯、操作台、电机泵组、电控箱及履带车体组成。

上杆装置是主要的执行部件,位于履带车体的前端,与车体长度方向顺向布置,保证整机良好的巷道通过性;翻转钻杆箱通过4 个圆柱形支撑座置于上杆装置内,利用单轨吊或液压吊臂实现快速更换;电机泵组横置于履带车体后部,主要包括22 kW 隔爆型三相异步电动机、轴向式柱塞液压泵、泵座及弹性联轴器。其中,液压泵的排量45 mL/r,最高工作压力25 MPa,满足各执行部件的流量及压力要求。操作台置于电机泵组的液压泵端,主要包括四联手动换向阀、六联手动换向阀及七联负载敏感电液比例阀,控制液压油缸及马达的动作,其上面还布置有机车灯及电控箱;油箱及冷却器采用支架的形式置于电机泵组的电动机端,油箱主要包括箱体、吸油过滤器、回油过滤器、空气滤清器等,具有储油、散热的作用;电磁起动器置于履带车体的右后侧,方便电缆连接;履带车体由履带底盘和车体平台组成。车体平台两端布置有整体式对伸油缸及稳固油缸,保证连续换杆车行走及工作过程中的稳定性。

自动化连续换杆车的液压系统采用开式系统,结构简单,油箱的散热、沉淀杂质效果好。液压泵为负载敏感泵,通过功能切换阀块实现手动换向阀与负载敏感电液比例阀间的自动切换。其中,手动换向阀主要用于对伸油缸、稳固油缸等辅助动作控制,负载敏感电液比例阀主要用于履带行走、上/卸钻杆动作的控制,并可实现与大功率自动化定向钻机自动连续上/卸钻杆的协同控制。液压回路中,负载敏感电液比例阀与负载敏感泵组成负载敏感系统,液压泵的输出压力、流量与所需负载相匹配,系统的功率损耗较低。

2 换杆车的主要性能参数

ZY45LK 型自动化连续换杆车的主要性能参数如表1 所示。

表1 主要性能参数Table 1 Main performance parameters

3 换杆车关键技术

3.1 大容量、可翻转、快速更换式钻杆箱

为了更好地满足上/卸钻杆的使用需求,自动化连续换杆车设计了大容量、可翻转、快速更换式钻杆箱。钻杆箱主要包括翻转板、箱体框架、档杆、上固定螺母、观察螺母、调整杆、下固定螺母、拉板及角度杆,如图2 所示。

图2 钻杆箱结构示意Fig.2 Structural schematic of drill pipe box

钻杆箱有5 层翻转板,翻转板层间距为140 mm,每层可放置直径φ114 mm、长度为1 500 mm 的钻杆6 根,钻杆箱共计容纳钻杆30 根。为了使钻杆顺利地下滑,翻转板的倾斜角度为±10°。

翻转板由四块厚度为10 mm 的长方形钢板组成,左右两侧为底板,中间两块为连接板,对称焊接;底板外侧中间位置设有中心轴,中心轴向后300 mm设有偏转轴,中心轴与偏转轴的直径和长度相同;中心轴通过轴承和弹性挡圈固定在箱体框架上,偏转轴通过弹性挡圈固定在拉板上。拉板能在上固定螺母、观察螺母、调整、下固定螺母的作用下使翻转板实现角度的变化。

钻杆箱底部有4 个圆柱形支撑座,杆箱更换时定位快速、精准,且底座开孔,可防止泥渣、岩屑等杂物聚集。

3.2 多自由度、高精准度上杆装置

自动化连续换杆车的上杆装置主要包括钻杆提升装置、钻杆箱座、举升装置、左右移动油缸、前后移动油缸、滑动座、中板及底板,如图3 所示。其中,钻杆提升装置、钻杆箱座、举升装置及滑动座通过螺栓固定在中板上;左右移动油缸有2 根,可使中板和底板产生相对移动,行程为300 mm;前后移动油缸一端固定在底板上,一端固定在履带车体上,行程为100 mm;滑动座共有8 个,长度为300 mm,对称布置。

图3 上杆装置结构示意Fig.3 Structural schematic of drill pipe loading device

钻杆提升装置主要由细导向杆、卡槽、提升架、提升油缸、按钮式行程开关、夹板、接近开关、夹紧油缸、偏转油缸及滑动杆组成,主要用于卸钻时,将钻杆提升,并翻转至钻杆箱内。

钻杆箱座主要包括粗导向杆、箱座、称重传感器、滑动套、升降油缸及位移传感器,主要用于检测钻杆箱的质量,根据质量变化升降钻杆箱。当上钻杆时,钻杆箱内翻转板为-10°,从顶层开始上杆,钻杆箱的质量每减少270 kg,钻杆箱升高140 mm,将每一层的钻杆送至举升装置;当卸钻杆时,钻杆箱内翻转板为+10°,从底层开始装杆,钻杆箱的质量每增加270 kg,钻杆箱下降140 mm,钻杆提升装置将钻杆逐一送至钻杆箱的每一层。

举升装置主要包括推板、框架、举升油缸、移动板、推杆及挡板,主要用于上杆时,将钻杆举升,依靠重力滑动至钻机的钻杆仓内。

3.3 分层、紧凑式多功能操作台

操作台是自动化连续换杆车的控制装置,主要包括六联手动换向阀、四联手动换向阀、压力表、隔爆型急停按钮、四脚框架、观察窗及七联负载敏感电液比例阀,如图4 所示。操作台内部中空,内置电机泵组的液压泵,节省空间的同时起到保护液压泵的作用;操作台上部设计为平面,为机车灯及电控箱预留了布置空间。观察窗为透明玻璃钢,用于观察电动机转动方向;压力表共有3 个,用于监测液压泵的出口压力及液压回路的回油压力。