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多工位坑道钻机液压系统的设计与分析 摘要 煤矿坑道钻机是当今国内井下煤层瓦斯抽采孔施工的主要设备。传统煤矿 坑道钻机的结构型式，主要有立式( 机械式) 和卧式两类。立式钻机，采用机 械传动。其回转装置的调速是有级的，且操作不方便，易磨损失效。卧式钻机， 采用液压传动，可以方便地实现执行装置的无级调速。另外，在不移动机身情 况下，立式钻机和卧式钻机都只能在一个平面内进行钻孔作业，即工作平面少。 针对传统钻机的以上特点，本文提出多工位坑道式钻机的设想并加以研究。 论文首先分析总结传统钻机液压系统；其次，介绍多工位坑道式钻机的整体结 构，并根据其立卧两用的功能要求，改进了传统钻机执行装置一卡盘与夹持 器的结构；进而分析多工位坑道钻机的工况，设计其液压系统并进行相关计算： 还分别建立了多工位坑道钻机液压系统回转回路、给进回路的简化数学模型和 a m e s i m 软件分析模型，并通过a m e s i m 软件仿真研究系统特性；最后，分别通 过卡盘关键零件一一碟形弹簧的承压性能实验与立式钻机的性能实验，来研究 卡盘的夹紧可靠性和当多工位坑道钻机试制完成后的样机的具体实验方法。 多工位坑道钻机兼有立式钻机和卧式钻机的特点。其采用液压传动，能与 卧式钻机一样方便地实现无级调速；工作时有立式工作状态和卧式工作状态之 分，可以在不移动机身的情况下实现两个平面内的钻孔作业。 关键词：多工位坑道钻机；液压系统；卡盘；动态分析 d e s i g na n da n a l y s i so nh y d r a u l i c m u l t i - s t a t i o nt u n n e ld r i l l i n g a b s t r a c t s y s t e mo f r i g c o a lm i n i n gd r i l l i n g r i g i st h em a j o r e q u i p m e n t u s e di n t o d a y s d o m e s t i c u n d e r g r o u n dc o a ls e a mg a sd r a i n a g eh o l e s a n dt h et w od o m i n a n tt y p e so ft h e t r a d i t i o n a lo n e sa r ev e r t i c a l ( m e c h a n i c a l ) a n dh o r i z o n t a l t h eg o v e r n o ro ft h er o t a r y d e v i c eo fv e r t i c a ld r i l l i n gr i ga d o p tm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n s ot h es p e e do ft h e r o t a r yd e v i c ei ss t e p p e d ，a n di ti si n c o n v e n i e n tt oo p e r a t ea n de a s yt ow e a rf a i l u r e t h ee x e c u t i v ed e v i c e ss t e p l e s s s p e e dr e g u l a t i o no fh o r i z o n t a ld r i l l i n gr i g i s a c h i e v e db yu s i n gh y d r a u l i cd r i v e i na d d i t i o n ，m u l t i p l ew o r k i n gp l a n e sa r en o t a v a i l a b l ef o rb o t hv e r t i c a la n dh o r i z o n t a l d r i l l i n gr i gw h e nn o tm o v i n gt h e e q u i p m e n t o n l yo n ew o r k i n gp l a n ei sa c h i e v e df o rb o t h ：b a s e do nt h ec u r r e n tp r o p e r t i e so fe a c hd r i l l i n gr i g ，am u l t i s t a t i o nt u n n e l d r i l l i n gr i gi sp u tf o r w a r da n dr e s e a r c h e di nt h ep a p e r f i r s t l y ，h y d r a u l i cs y s t e mo f t r a d i t i o n a ld r i l l i n gr i gi sa n a l y z e da n ds u m m a r i z e d t h e naw h o l es t r u c t u r eo ft h e m u l t i - s t a t i o nt u n n e ld r i u i n gr i gi si n t r o d u c e d i no r d e rt or e a l i z et h ef h n c t i o n so f t h ev e r t i c a la n dh o r i z o n t a ld u a l 一u s e ，t h es t r u c t u r eo ft h ee x e c u t i v ed e v i c e so ft h e t r a d i t i o n a ld r i l l i n gr i g ，t h ec h u c ka n dg r i p p e r s ，a r ei n l p r o v e d a n dt h e nb a s e do nt h e o p e r a t i o nc o n d i t i o n so fm u l t i s t a t i o nt u n n e ld r i l l i n gr i g ，t h eh y d r a u l i cs y s t e mi s d e s i g n e da n ds o m et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n sa r em a d e as i m p l em a t h e m a t i c a lm o d e l a n da m e s i ma n a l y s i sm o d e lo f b o t ht h er o t a t i o nc i r c u i ta n dt h ef e e d i n gc i r c u i to f t h em u l t i s t a t i o nd r i l l i n gr i g sh y d r a u l i cs y s t e ma r ee s t a b l i s h e d s o m er e s e a r c h e s a r em a d ea b o u tt h ep r o p e r t i e so ft h es y s t e mt h r o u g hs o f t w a r e s i m u l a t i o no n a m e s i m a tl a s t ，t h ee x p e r i m e n to fd i s cs p r i n g ( k e yp a r to fc h u c k ) i sc a r r i e do u tt o v e r i f - yt h ec l a m p i n gr e l i a b i l i t yo fc h u c k a n dt h ee x p e r i m e n tp l a nf o rm u l t i - s t a t i o n t u n n e ld r i l l i n gr i gc o u l db ed r e wu pf r o mt h ee x p e r i m e n to fo v e r a l le f 先c t i v e e x p e r i m e n t so ft h ev e r t i c a ld r i l l i n gr i g t h em u l t i s t a t i o nt u n n e l d r i l l i n gr i g h a st h ec h a r a c t e r so fv e r t i c a la n d h o r i z o n t a ld r i l l i n gr i g b ya d o p t i n gh y d r a u l i cd r i v e ，i tc a ne a s i l ya c h i e v es t e p l e s s s p e e d c o n t r o la st h eh o “z o n t a l d r i l l i n gr i g b e i n g c a p a b l e o fw o r k i n gb o t hi n v e r t i c a la n dh o r i z o n t a ls t a t i o n s t h ef h n c t i o n so fd r i l l i n gi nt w op l a n e si st h u s r e a l i z e dw i t h o u tm o v i n gi t sb o d y k e y w o r d s ：m u l t i s t a t i o nt u n n e ld r i l l i n gr i g ；h y d r a u l i cs y s t e m ；c h u c k ；d y n a m i c a n a l y s i s 致谢 论文完成，三年的研究生生活也即将结束。此刻，值得回忆的有很多，值 得我感谢的人有很多。 三年前，考研复习的时候压力很大，不过幸好有好友徐阿罗、解明松的帮 助与支持才坚持到最后。想起这段日子，真的很感激他们。 当我顺利进入学校的时候，很幸运的成为王勇老师的弟子，感谢他给我提 供了一个宽松自由而又不失严谨的学习平台。平时，做项目、写论文王老师都 悉心指导，让我从中学习到很多。尤其是本次毕业论文，从选题、研究过程、 实验过程、撰写过程，王老师都给出了很多宝贵意见。另外本次论文的完成也 离不开同门祝政委、孙博宇、沈威，师弟恽炅明、李昆、崔宝平、张腾、王玉 宝等的帮助。 三年的研究生活，让我结识了很多重要的人。现在的同学，如王运、刘明 星、杨胜、朱振国、卓纳麟、马燕等，他们是我宝贵的财富，与他们一同吃住、 一同打球、一同学习的岁月是终身难忘的；还有我的好朋友曹雪琴同学，让我 结识了更多的好友，并与他们一同爬山、一同听报告，开阔了我的眼见。与他 们相识，我真的很幸运! 此外，我要感谢父亲、母亲。中学时有过反叛心理，对他们有过不理解， 但现在他们让我感动。父亲很老实、母亲很勤劳，他们都是农民，他们文化不 高但给了我最好的教育，他们收入不多但给了我最温暖的生活。 论文完成，让我思考了很多。研究生生活即将结束，新的一页即将翻开， 我会拿出勇气迎接未来。 作者：魏涛 2 0 1 2 年3 月18 日 插图清单 图卜1z l j 8 5 0 b 型立式钻机外形图3 图卜2z d y 3 2 0 0 s 型全液压钻机4 图2 1 开式循环系统1 0 图2 2 闭式循环系统1 0 图2 3 节流调速回路1 1 图2 4 变量泵一定量马达容积调速回路1 2 图2 5 定量泵一变量马达容积调速回路1 2 图2 6 变量泵一变量马达容积调速回路1 3 图2 7z l j 8 5 0 型钻机液压系统原理图1 3 图2 8z d y 4 0 0 0 s 型全液压钻机液压系统原理图1 4 图3 1 立式工作状态下的三维图1 6 图3 2 多工位坑道钻机动力头三维外形图1 7 图3 3 回转器结构示意图1 7 图3 4 卧式工作状态下的三维图1 7 图3 5 卡盘结构示意图1 8 图3 6 斜面增力机构受力示意图1 8 图3 7 斜面增力机构位移关系示意图2 0 图3 8 力、行程及位移的关系2 1 图3 9 非标碟形弹簧结构图2 l 图3 1 0 常闭式复合夹持器结构图2 2 图3 一1 1 夹持器结构示意图2 2 图3 1 2 夹持器外形图( 正视) 2 3 图3 13 夹持器外形图( 俯视) 2 3 图3 一1 4 立式工作状态传动方框图2 3 图3 1 5 立式工作状态给进装置2 4 图3 1 6 卧式工作状态传动方框图2 4 图3 一l7 卧式工作状态给进装置2 4 图3 一1 8 多工位坑道液压系统原理图2 6 图4 1 回转回路简化原理图3 6 图4 2 回转回路动态分析原理图3 7 图4 3 回转回路系统方块图3 8 图4 4 回转回路功率流向图3 8 图4 5 元件键合图( 忽略液压管道影响) 一3 9 图4 6 回转回路系统功率键合图3 9 图4 7 回转回路模型图4 0 图4 8 马达转速曲线a l 4 2 图4 9 动力头转速曲线a 1 4 2 图4 一1 0 马达扭矩曲线a l 4 2 图4 1 1 动力头扭矩曲线a l 4 2 图4 一1 2 液压泵压力油出口压力a l 4 2 图4 13 马达转速曲线a 2 4 3 图4 1 4 动力头转速曲线a 2 4 3 图4 一l5 马达扭矩曲线a 2 4 3 图4 一1 6 动力头扭矩曲线a 2 4 3 图4 1 7 液压泵压力油出口压力a 2 4 3 图4 1 8 动力头转速曲线b 1 4 4 图4 一1 9 动力头扭矩曲线b 1 4 4 图4 2 0 液压泵压力油出口压力b 1 4 5 图4 2 1 溢流阀溢流量曲线b 1 4 5 图4 2 2 动力头输出扭矩曲线4 5 图4 2 3 溢流阀溢流量曲线4 5 图4 2 4 液压泵压力油出口压力曲线b 2 4 6 图4 2 5 动力头转速曲线b 2 4 6 图4 2 6 动力头扭矩曲线b 2 4 6 图4 2 7 动力头转速曲线b 3 4 6 图4 2 8 动力头扭矩曲线b 3 4 6 图4 2 9 液压泵压力油出口压力b 3 4 7 图4 3 0 动力头转速曲线c 1 4 7 图4 3 1 动力头扭矩曲线c 1 4 7 图4 3 2 液压泵压力油出口压力c 1 4 8 图4 3 3 溢流阀溢流量曲线c 1 4 8 图4 3 4 动力头转速曲线c 2 4 8 图4 3 5 动力头转矩曲线c 2 4 8 图4 3 6 液压泵压力油出口压力c 2 4 8 图4 3 7 溢流阀溢流量曲线c 2 4 8 图4 3 8 液压缸驱动惯性负载回路4 9 图4 3 9 液压缸一惯性负载回路功率流向4 9 图4 4 0 液压缸一惯性负载回路功率键合图4 9 图4 4 l 立式工作状态理想给进液压系统模型5 l 图4 4 2 立式状态油缸位移曲线1 5 2 图4 4 3 立式状态油缸速度曲线1 5 2 图4 4 4 立式状态溢流阀溢流量曲线1 5 2 图4 4 5 立式工作状态给进液压系统模型5 3 图4 4 6 立式状态给进油缸位移曲线2 5 3 图4 4 7 立式状态给进油缸速度曲线2 5 3 图4 4 8 立式状态溢流阀溢流量曲线2 5 3 图4 4 9 立式状态给进油缸位移曲线3 5 4 图4 5 0 立式状态给进油缸速度曲线3 5 4 图4 5 1 立式状态溢流阀溢流量曲线3 5 4 图4 5 2 立式状态给进油缸位移曲线4 5 5 图4 5 3 立式状态给进油缸速度曲线4 5 5 图4 5 4 立式状态溢流阀溢流量曲线4 5 5 图4 5 5 卧式状态给进回路模型5 6 图4 5 6 卧式状态给进油缸位移曲线1 5 6 图4 5 7 卧式状态给进油缸速度曲线1 5 6 图4 5 8 卧式状态给进油缸位移曲线2 5 7 图4 5 9 卧式状态给进油缸速度曲线2 5 7 图4 6 0 卧式状态给进油缸位移曲线3 5 7 图4 6 l 卧式状态给进油缸速度曲线3 5 7 图4 6 2 卧式状态给进回路溢流阀溢流量曲线5 8 图5 一1w e s 一6 0 0 s 电液式万能试验机5 9 图5 2b 型碟形弹簧5 9 图5 3 非标碟形弹簧5 9 图5 4b 型碟形弹簧力一变形曲线6 0 图5 5 非标碟形弹簧力一变形曲线6 0 图5 6 钻机实验台( 正视) 6 0 图5 7 钻机实验台( 左视) 6 1 图5 8 钻机实验台组成6 1 图5 9 回转加载装置与测速仪6 l 图5 1 0 实验台组成l 6 1 图5 1 l 实验台组成2 6 1 表格清单 表3 1 斜面增力机构有关参数1 9 表3 2 多工位坑道钻机性能参数2 8 表3 3 液压系统参数及元件选型3 3 表4 一l 仿真回路参数设置4 0 表4 2 换向阀参数设置4 0 表4 3 回转回路仿真过程4 1 表4 4 信号模型设置4 l 表4 5 液压泵排量批处理设置4 2 表4 6 回转回路u d 0 0 一l 的设置4 3 表4 7 液压马达排量批处理设置4 4 表4 8u d 0 0 2 设置4 5 表4 9 节流阀开口量批处理设置4 7 表4 1 0u d 0 0 4 设置4 8 表4 1 1 给进回路仿真过程5 0 表4 一1 2 立式工作状态液压缸参数设置5 1 表4 一l3 负载模型参数设置5 1 表4 一1 4u d o o 一4 批处理设置5 4 表4 1 5 卧式状态给进液压缸参数设置5 6 表4 一l6 负载参数设置5 6 表4 一1 7 卧式状态给进回路节流阀开口量设置5 7 表5 1 钻机效率实验数据6 3 表5 2 多工位坑道钻机样机待做实验6 4 第一章绪论 钻探技术的最初发展，是人与自然斗争的结果。我国早在秦代就利用钻井 方法来开采井盐，是世界上最早通过钻探技术来开采地下岩盐的。但最早的钻 探采用的是绳索取心的方法，其钻进过程是不连续的，因此不能完全满足钻探 施工的要求。十九世纪末从欧美传入的回转钻进技术，实现钻进过程的连续施 工，显著提高了钻进效率和钻进效果，因而回转钻进技术在钻探设备的应用中 占据了主导地位。钻探设备种类较多，在不同应用领域中，有不同的类型，如 水文地质、工程地质、矿山开采等都有各自领域的钻探设备【卜3 1 。 目前，煤炭在我国一次能源消费结构中的比重占7 0 以上，占据重要地位。 在相当长的时间内，煤炭资源仍将是我国能源消费的主要部分【4 6 】。而在煤炭开 采过程中，为了满足地质、安全、工程、采矿等方面的要求，需要在矿井下进 行一些钻探作业i 。其中，煤矿坑道钻机在井下作业，是治理煤矿瓦斯灾害的 重要措施，也是勘测煤炭储量的有效方法。在煤矿坑道钻探中，煤矿坑道钻机 是核心设备【8 ，9 j 。因此总结与研究已有坑道钻机的结构、液压系统等，并做出改 进与新的设计以提高其性能，仍有重要的现实意义。 1 1 煤矿坑道钻机的发展 1 1 1 国内发展 通过多年的发展，我国的煤矿坑道钻机设备取得了很大进步【如，1 1 】。 我国煤矿井下瓦斯抽采孔的施工设备，在2 0 世纪7 0 年代中期以前，是以 立轴式钻机为主。立轴式钻机生产成本较低、操作较为简单、维修方便，但也 有很多不足的地方，故到目前为止仍然用在一些浅孔的施工中。国内立轴钻机 的生产厂家较多，如煤炭科学研究总院、杭州钻探机械制造厂、石家庄煤矿机 械有限责任公司等。 我国在2 0 世纪7 0 年代末，先后从国外引进一批钻进能力为15 0 米与3 0 0 米的全液压式钻机。抚顺、阳泉等矿务局将其用于矿井瓦斯抽采，并取得良好 的效果。 2 0 世纪8 0 年代初，煤炭科学研究总院西安研究院与重庆研究院等科研单 位在总结吸收国外先进钻机技术的基础上，结合我国煤矿开采生产的具体情况， 设计制造了具有自主知识产权的全液压式钻机。全液压式钻机较立轴式钻机， 工作效率高、性能良好、操作可靠、方便解体搬运。因此，全液压式钻机在国 内煤矿井下施工应用越来越多。国内生产全液压式钻机的厂家主要有：煤炭科 学研究总院西安研究院、重庆研究院、抚顺研究院等。 进入2 0 世纪9 0 年代后，为了适应煤矿综采技术的要求，坑道钻机对钻探 能力与钻探工艺的要求也越来越高。有关单位在煤矿井下近水平定向钻进技术 的研究方面取得较大进展，钻孔深度大幅度提高。通过国家“九五”、“十五， 期间的支持与产学研结合，19 9 9 年在阳泉煤矿钻成了6 0 3 米深的大直径近水平 定向钻孔，2 0 0 2 年在铜川煤矿钻成了8 6 5 米深的大直径近水平定向钻孔，该项 成果标志我国在该领域开始踏入国际先进水平的行列。在此期间，全液压式坑 道钻机也得到了长足发展，产品规格品种增多、性能进一步改善。 1 1 2 国外发展 美国、德国、澳大利亚等发达国家，在煤矿开采中采取了较为有效的瓦斯 抽采手段，已基本实现安全生产【| 2 ，1 3 】。 发达国家用于瓦斯抽采孔施工的钻机，按照钻头回转的动力来源可以分为 两大类：( 1 ) 钻头由钻杆柱驱动，称为常规孔口回转钻机；( 2 ) 钻头由孔底 马达驱动，称为孔底动力回转钻机。这两种钻机采用不同的定向技术，对应于 前两类钻机分别是：( 1 ) 采用稳定组合钻具；( 2 ) 采用孔底马达配合造斜工 具。 稳定组合钻具控制钻孔方向的技术由美国于2 0 世纪7 0 年代最先在煤矿井 下应用，但德国后来居上，德国取得了最好的应用效果，并推广到其他非煤矿 的矿井。德国w i r t h 公司于l9 9 9 年在一钾盐矿完成了一2 2 2 3 米的深孔，2 0 0 3 年该公司又完成一2 7 0 0 米深的水平勘探孔。日本在2 0 世纪8 0 年代初，应用该 方法也钻成过2 1 5 0 米的近水平勘探孔。这种技术的优点在于成本低、可以钻大 直径孔，缺点是与孔底马达相比控制钻孔方向的能力较弱。 孔底马达定向钻进技术在2 0 世纪8 0 年代初由英国应用于煤矿井下，当时 设备钻进能力为1 0 0 0 米，考虑到煤层及钻进工艺，实际钻进的最大深度为6 3 5 米。澳大利亚从2 0 世纪中期开始，将该技术发展作为其施工瓦斯抽放孔及地质 勘探孔的主要技术，成效显著。钻孔深度一般可以达到7 0 0 米，至2 0 0 2 年最大 深度可以达到1 7 6 1 米。该技术的优点在于控制钻孔方向能力强，缺点是孔底马 达输出扭矩一般较小，钻孔直径小，成本也较高。 一些国外发达国家从2 0 世纪6 0 年代开始研究全液压式坑道钻机技术，并 逐步取代立轴式钻机技术。在2 0 世纪9 0 年代，其新式钻机中采用了电液比例 控制技术，性能又有了进一步的提升。如澳大利亚l o n g y e a r o 公司、瑞典a t l a s c o p c 公司、加拿大j k sb o y l e s 公司等将自动控制技术应用于新型坑道勘探用 钻机中，实现机电一体化操作。这些技术也迅速在煤矿坑道钻机上得到应用。 在动力方面，美国研究并考虑用水和压缩空气作动力进行钻进。r e id r i l 】i n g 公 司据此研发了一种水力破碎岩石的设备及钻进工艺，并在肯塔基州某矿煤层顶 板中施工近水平定向瓦斯抽放孔，取得良好效果。 总体看来，国外煤矿坑道钻机在液压元、部件的性能及选用上比国内钻机 水平要高，此外整机性能更佳，功能更加完善。 1 2 钻机技术概述 在立式钻机和卧式钻机( 全液压式钻机) 的设计中，液压系统的设计都是 很重要的内容，钻机性能的优劣、掘进效率的高低、钻机寿命长短都与液压系 统的性能相关。 煤矿坑道钻机在施工过程中，会因多种原因引起负载的不恒定，如煤层、 孔深、钻头形状、钻杆形状等i l4 | 。钻机需要满足这种负载的不恒定性，且需要 满足钻进工艺的要求，如起拔钻杆、装卸钻杆等。 1 2 1 立式钻机技术概述 如图1 1 所示，是杭州某家企业的z l j 8 5 0 b 型立式钻机，主要由电机、离 合器、变速箱、分动箱、回转器、主卡盘、辅助卡盘、卷扬机、液压系统等部 分构成。 l 型1 一lz l j 8 5 0 b ，诅立式钻秽l 夕h 形图 立式钻机回转动作，是通过电机带动变速箱，雨经过分动箱将运动传递至 回转器来实现的。这是一种机械传动方式，因此有时也称立式钻机为机械式钻 机。 液压系统方面，主要负责主卡盘的松开、辅助卡盘的央紧以及钻杆给进的 动作。由电机带动的动力部分一一油泵，进而将机械能转换成油液的压力能。 然后通过操作液压控制台来控制液压回路，进而实现钻机动作。即通过控制系 统中液压油的流量、压力、流向等控制液压执行机构动作元件。在立式钻机中， 通过控制液压缸的直线往复运动实现主卡盘和辅助卡盘对钻杆的松开与央紧以 及钻杆的给进动作。此外，推进油缸前后往复运动可以调整回转器水平位簧， 调整支撑油缸实现对整机的固定。 1 2 2 卧式( 全液压式) 钻机技术概述 如图1 2 所示，是中煤科工集团两安研究院z d y 3 2 0 0 s 型全液压钻机外形 图，其主要由机架、动力头( 液压马达、变速箱、配油套、液压卡盘) 、辅助 卡盘、液压站、液压操纵台等构成。 图卜2z d y ：j 2 0 0 s 型全液压钻机 该类型钻机的动作全部由液压系统完成，如钻杆回转、钻杆起拔、机架姿 态的调整等。这种全液压式钻机具有较强的工况适应性，并具有以下一些特点 f 2 1 o 1 能根据钻进工艺的要求，在一定范围内调节执行机构的参数。 如钻杆的回转运动，是由电机带动液压泵，将压力油输送至动力头的液压 马达，使液压马达带动变速箱运动，进而实现运动的输出。此处的液压泵、液 压马达的排量均可手动调节，因此，可以根据煤层状况、钻孔深度来调= 节钻机 动力头的输出转速与转矩。 此外，调节有关节流阀可以实现钻杆的快速或慢速起下钻，调整机架上的 油缸可以调整机架姿态，进而调整钻孔方向等。 2 符合钻进工艺，方便钻孔施工。 钻机置于工作位置后，可以在不移动机身的情况下，完成多个动作。如起 下钻杆、卸钻杆、前后移动动力头、实现钻杆正反转时，钻机均可以不移动机 身及动力头方向。故钻机可以较为方便的应用在空间狭小的坑道内，且操作方 便。 3 单一机构有多种功能。 比如给进机构不仅能实现向孔内送钻具，还具有起拔钻具的作用，使钻机 无需设计单独的钻具升降机构。再如卡盘和夹持器，能在钻孔或停机时，分别 央紧钻杆( 不同时夹紧) ，而拧卸钻杆时，则二者都夹紧钻杆，并且相互配合 工作。因此，全液压钻机执行机构往往具有多种功能。 4 全液压钻机液压系统操作较为简单，控制可靠。 全液压钻机在施工时，经常需要多个执行机构相互配合才能完成某道工序。 因此，为了避免错误操作、提高工作效率，液压系统实现了一系列联动功能。 如起拔钻杆、添加或拧卸钻杆都应用了一定的联动特性，使钻机操作时安全可 靠。 5 全液压钻机的结构简单，解体性好。 如前文所述，全液压钻机主要由机架、动力头( 液压马达、变速箱、配油 套、液压卡盘) 、辅助卡盘、液压站、液压操纵台等构成，即钻机由几个模块 构成，容易拆卸便于煤矿坑道环境下的搬运。 4 1 3 液压系统分析 1 3 1 液压系统静态分析与动态分析 通过1 2 节内容的阐述，可知液压系统是立式钻机和卧式钻机的重要组成 部分。 液压系统是一种通过液体静压能来传递能量的传动方式。液压传动技术自 1 8 世纪末世界上第一台水压机诞生算起，已经有11 0 多年历史，但其迅速发展 只开始于第二次世界大战后。战后液压传动技术广泛地应用于各个工业领域。 目前，我国钻机液压系统设计中主要还是采用经验法，其基本内容一般包 括明确系统设计要求、进行详细的工况分析、确定系统液压原理图、参数计算 和液压元件选型【15 1 引，必要时需研究液压系统的性能，如控制精度、动态特性 等。前者是传统意义上的液压系统设计，称为静态设计或初步设计，而后者则 是动态设计。当动态设计无法满足系统要求时，既可以从控制策略层面考虑， 也可以从静态设计层面作改动，再进行动态性能的验算，使系统能够符合设计 要求【2 1 。 在静态设计中，对执行元件的工作情况分析，即负载情况的分析是最为重 要的，因为负载情况是最终选择合适元件的根据。但在此种静态设计方法中， 对负载情况进行了简化，比如取力、速度等的最大值，并不研究负载变化对液 压系统的影响。因此，此种静态设计方法只停留在系统可行的基础上，：并不能 满足控制要求高的液压系统。 1 3 2 我国钻机液压系统研究现状 传统立式钻机、卧式钻机液压系统，在我国目前大都使用手动控制，控制 要求并不高，其系统设计也处于静态设计的水平。钻机使用过程中，不可避免 的因负载不稳定以及系统泄漏，而产生执行元件的速度波动，如液压缸的爬行、 动作响应缓慢等问题，并产生系统振动、系统冲击损耗液压元件。即钻机使用 过程中，液压系统处在一个动态过程之中。动态过程的原因很多，归纳起来有 如下两点：( 1 ) 由控制过程引起的：为了得到工作循环中的不同动作，某一或 某些元件受控而改变其工作状态；( 2 ) 由外界干扰引起的：例如外界被驱动负 载的变换等。为了解决在动态过程中出现的问题，仅仅通过静态设计是不能够 完成的，必须通过系统的动态过程的分析，研究钻机钻掘过程中液压系统的性 能变化规律【l 。 总之，液压系统的动态特性已成为液压系统设计水平的重要指标之一【鸺】。 当前国内钻机液压系统大部分是以手动控制阀、手动变量液压泵、手动变量液 压马达等为基础组成的普通液压控制回路，系统组成复杂，系统性能受液压元 件性能限制。系统动作复杂、操作时要遵循一定的流程，自动化程度不高，性 能要求主要取决于静态特性。然而，在实际施工过程中，钻掘不同煤层时，钻 机的负载特性是不相同的，且系统液压元件的动态性能也相互影响，致使液压 系统动态性能较为复杂。而目前国内钻机液压系统设计偏重于传统静态设计与 分析，对动态特性研究不够扪。 1 4 论文课题的提出及主要研究内容 1 4 1 课题的提出 如图1 1 、图1 2 所示类型立式钻机与卧式钻机，应用中有以下特点： ( 1 ) 立式钻机采用机械传动，只能实现有级调速，施工时其变速装置不易 操作，且容易磨损失效； ( 2 ) 卧式钻机采用液压传动，能够实现无级调速，操作方便，且不易损坏； ( 3 ) 在煤矿坑道施工时，在不移动机身位置的情况下，传统钻机都只能在 一个平面内进行多个角度的钻孔作业，当需要在另外平面内作业时，则需移动 机身。如果钻机所在坑道空间狭小，移动机身的空间受限，则能够钻孔的位置 就变少。 基于以上立式钻机与卧式钻机的施工特点，提出了多工位坑道钻机的设想。 多工位坑道钻机将综合立式钻机和卧式钻机的特点，采用液压传动系统，使其 能与卧式钻机一样实现无级调速；在不移动机身的情况下，立式工作状态和卧 式工作状态各有一个钻孔平面，增加能够钻孔的位置。 1 4 2 主要研究内容 论文在分析传统立式钻机和卧式钻机液压系统的基础上，总结其特点，改 进有关执行元件的结构，并设计出新的液压系统，应用于新型多工位坑道钻机。 多工位坑道钻机液压系统，不仅要能完成钻机的预定动作和满足系统静态特性 的要求，还应满足一定的动态特性要求。因此，在按照静态设计的思想，完成 系统的设计后，对系统的主要回路进行了仿真分析，得出其有关的动态特性曲 线。 论文研究内容来自杭州某企业科研项目，主要如下： ( 1 ) 传统钻机液压系统的分析 分别介绍了传统的立式钻机和卧式钻机的液压系统，并对其各自主要动作 回路的工作原理及执行件的动作流程作了分析。 ( 2 ) 多工位坑道钻机执行装置设计与液压系统设计 在总结传统钻机结构的基础上，改进有关执行元件结构，使其能应用于新 型多工位坑道钻机。进而，根据结构分析其工作时的工况需求，并转化为对液 压系统的工况分析，最终拟定液压系统的原理图。 ( 3 ) 多工位坑道钻机液压系统的仿真分析方法的研究 简要介绍静态分析与动态分析的概念，并介绍了多种动态分析的建模方式。 最后通过a m e s i m 软件建立了系统主要回路的简化模型并进行仿真计算，并得 到相关特性曲线。 ( 4 ) 实验 通过碟形弹簧的承载性能对比实验，进一步说明设计卡盘( 执行装置) 时 选用新设计的非标碟形弹簧的原因；再通过已有z l j 4 0 0 0 钻机的实验，总结提 出多工位坑道钻机试制完成后的实验方案。 第二章钻机液压系统功能与分析 上世纪四十年代，液压传动技术开始应用于钻机，最初主要是应用于钻机 的给进机构。随着液压传动技术的发展，钻机上的液压应用也越来越多 3 ，1 9 】。 液压系统已成为煤矿坑道钻机的重要组成部分。为了设计较为完善的多工位坑 道钻机液压系统，总结分析传统钻机的液压系统十分必要。 2 1 钻机液压传动系统的功能、要求及组成 钻机上液压系统的功能越来越多，其主要功能可以归纳如下1 3 ，1 9 】： ( 1 ) 实现钻机钻具的回转运动； ( 2 ) 实现钻具的给进和起拔动作； ( 3 ) 实现卡盘、夹持器松开和夹紧钻具的动作； ( 4 ) 实现完成拧卸钻杆的动作等。 作为钻机液压系统，除了实现功能动作以外，还应满足以下要求1 3 ，19 】： ( 1 ) 液压系统各执行装置的工作特性要符合钻进工艺对钻机工作的要求； ( 2 ) 液压系统各执行装置能根据不同的钻进工序相互协调动作； ( 3 ) 执行装置结构要合理，工作时要安全可靠； ( 4 ) 在满足作业要求的情况下，尽量简化系统； ( 5 ) 液压元件尽量选用标准、质量较高的元件； ( 6 ) 系统冲击、噪声和发热量尽量小。 钻机液压传动系统与一般的完整液压传动系统具有相同的组成部分【3 ，】9 1 ， 如下所述： ( 1 ) 动力部分，即液压传动系统中实现机械能转换成液体压力能的装置， 在钻机中动力部分是液压泵。 ( 2 ) 执行部分，是将液体压力能转换成机械能的装置，如钻机液压系统中 的液压缸和液压马达等。液压缸，实现直线运动；液压马达，实现旋转运动。 ( 3 ) 控制部分，就是对液压系统中液体的压力、流量、流动方向进行控制 和调节的装置。如钻机系统中用到的溢流阀、节流阀、换向阀等。 ( 4 ) 辅助部分，对保证系统的可靠和稳定有很重要的作用，它一般包括油 箱、过滤器、油管接头、压力表等。 ( 5 ) 传动介质，传递系统压力能的工作介质，即液压油。 2 2 钻机液压基本回路 一般来说，许多基本回路共同组成一个复杂且完善的液压传动系统。在执 行装置的结构确定之后，如何根据执行装置的工作要求合理选择基本回路是液 压系统与执行装置可靠工作的关键。在设计系统时，实现各执行装置动作的回 路可能有多种方案。在分析各种方案后，选择最佳方案，并按照液压传动系统 的要求进行调整，使系统性能更为优越。 在选择液压系统基本回路时，主要考虑以下几个方面 3 】： ( 1 ) 执行装置和液压动力部分的分配方案： ( 2 ) 液压传动系统的形式选择； ( 3 ) 调速回路的选择； ( 4 ) 压力控制回路的选择； ( 5 ) 锁紧与换向方案的选择。 论文主要从前三个方面论述多工位坑道钻机液压传动系统基本回路的选 择。 2 2 1 执行装置和液压动力部分的分配方案 液压传动系统中的执行装置主要有两种形式，即液压缸和液压马达。液压 缸可以实现往复直线运动，液压马达可以实现回转运动。在多工位坑道钻机中， 卡盘、夹持器的松开与夹紧钻杆，钻机动力头的前后移动，给进机构的动作都 采用了液压缸的结构形式；动力头输出的旋转运动，则是由液压马达带动。 液压泵是动力部分，通常有齿轮泵、叶片泵和轴向柱塞泵三种类型。其中 柱塞泵通常又有轴向柱塞泵、径向柱塞泵与卧式柱塞泵三种形式。钻机中采用 轴向柱塞泵的较多。轴向柱塞泵结构紧凑、转动惯量小，容易实现排量的变化。 在多工位坑道钻机中，就选择了轴向柱塞泵。 动力分配，即液压泵与执行装置之间的驱动关系。一般液压系统动：力分配 方案，有以下几种形式： ( 1 ) 单泵一单系统：液压传动系统中只有一台液压泵驱动多个执行装置。 ( 2 ) 双泵一单系统：液压传动系统中有两台液压泵。这种动力分配方式， 可以根据系统中执行装置对压力和油量的要求不同，采用不同的供油方式。如 系统需要油量少时，可以只用一台油泵供油；相反，当系统需油量大时，可以 采用两台油泵同时供油的方式。 ( 3 ) 双泵一双系统：液压传动系统中有两台液压泵和两个独立的液压系统。 每个独立的液压系统，又是由一台液压泵和多个执行装置组成。两个液压系统 中，一个为主液压泵系统( 多为变量泵) ，主要用来驱动液压马达；另一个为 辅助液压泵系统，驱动卡盘、夹持器、给进机构等。此种动力分配方式的液压 传动系统，可以根据执行装置对系统压力及油量的要求，采用不同的液压泵供 油，是一种比较好的驱动方案。全液压钻机，就采用了此种分配方式。多工位 坑道钻机液压系统也采用此种方式。 ( 4 ) 多泵一多系统：液压传动系统中有多台液压泵和多个独立系统的分配 方式。每台液压泵都有相对应的独立系统。 2 2 2 液压传动系统的形式 按照液压油流动的循环方式不同，液压传动系统的形式可以分为两种：开 式循环系统和闭式循环系统。 如图2 1 所示，是开式循环系统。液压油经液压泵1 从油箱进入系统，经 换向阀进入液压缸，再从液压缸经换向阀返回油箱。这种开式循环系统的结构 较为简单；液压油可以在油箱中得到冷却，散热条件好；另外，液压泵需从油 箱中吸油，因此油箱需要较大的容积；由于空气和液压油及管路接触的机会较 多，易渗入管路；液压缸的运动方向通过换向阀实现，但换向时会有一定的液 压冲击。目前，多数液压钻机采用开式循环系统。 8 图2 1 开式循环系统图2 2 闭式循环系统 闭式循环系统，如图2 2 所示。液压泵3 的进油口直接与液压马达8 的出 油口相通，构成一个闭合的回路。液压泵和液压马达都是双作用的，因此可以 通过改变液压泵的进出油方向，进而改变液压马达的回转方向。液压泵l 是为 了补偿系统中的泄漏，而另外设置的辅助液压泵。系统中的安全阀6 、7 可以避 免液压马达换向时，系统产生液压冲击。 闭式循环系统补油油箱容积较小：管路与外界封闭，空气进入的机会较