煤矿井下全液压钻机对比分析

煤矿井下全液压钻机对比分析

1液压计及设备1.1工作介质出油全液压机枪是全液压动力机枪的简称，主要区别于半液压机的机械传动和故障导向。全液压钻机由电动液压泵站提供动力,以矿物油为工作介质,通过对工作介质的流量、压力和方向的控制,驱动钻具完成所需要的动作。液压钻机的具体工作机理为:大泵供油实现马达和动力头部分旋转,为钻具提供转速和扭矩;小泵供油实现钻具推进、夹持器夹紧以及主机倾角的调整。调节马达排量,可实现钻机转矩和转速大范围的无级调节且钻机的液压联动功能可方便地拧卸钻杆。通过对液压操纵阀的集中操纵,可实现不同的钻进工艺,进而达到钻孔的目的。1.2水探火及他工程钻机中国煤炭工业部于1994年制定了关于煤矿井下钻机的标准,该标准适用于煤矿井下瓦斯抽放、煤(岩)层注水、探放水、防(灭)火及其他工程用钻机。要求钻机给进机构运行平稳,无漏液(气)现象,推进力和起拔力不得小于额定值的95%。钻机运转达到热平衡时,钻机表面温升和变速箱中的油液温升不得超过40℃,其最高温度不得超过75℃,液压泵站油箱的出油口处温度不得超过60℃,钻机效率不得小于表1的规定,如表1所示。2国内不同挖掘机的比较分析2.1大直径煤锚机钻机主要用于巷道宽、运输较少,可采用分体式全液压钻机液压钻机主要有2种结构形式:分体式和履带式。分体式全液压钻机主要由主机、泵站和操纵台3部分组成,各部分之间通过高压软管连接。该类型钻机具有解体性好、搬迁运输方便、现场布置灵活和成本低等优点,广泛应用于坑道狭窄、运输困难的大直径深孔煤层钻孔施工,如煤炭科学研究总院西安分院及重庆分院研制的MK、ZY系列全液压巷道钻机。分体式液压钻机虽然适应了井下巷道的客观条件,但也存在主机质量过重,搬迁过程中工人劳动强度大,钻孔辅助时间长等缺点。履带式全液压钻机通过对其进行履带化改造,把钻机固定在履带车上,可实现前进、后退和转弯等行走功能,主要用于煤矿井下近水平长距离瓦斯抽放的钻孔施工。履带式钻机提高了传统分体式钻机的机动性,减少了移动和固定等辅助时间,降低了工人的劳动强度且对巷道的宽度和高度要求不高,适用性强,具有很好的推广和应用前景。2.2钻机定向设备配套使用的情况根据驱动钻头回转的动力源不同,煤矿坑道钻机可分成两大类:一类是常规的孔口回转钻机(钻机通过钻杆柱驱动钻头回转);另一类是孔底动力回转钻机(钻进时钻杆柱不回转,由孔底马达驱动钻头回转)。对用于井下瓦斯抽采长钻孔(钻进超过300米)的钻机而言,需要配备相应的定向设备,以保证钻孔轨迹符合预期的设计要求,达到很好的抽采效果。上述2种不同工作方式的瓦斯钻机配套使用的定向技术也不同:(1)采用稳定组合钻具;(2)采用孔底马达配合造斜工具。采用组合钻具定向的虽然在成本方面上较孔底马达的低,但在钻孔方向的控制上不如孔底马达。目前煤矿井下液压钻机多采用先进的孔底马达、造斜工具和随钻测量设备,钻进能力强(>1000m)、定向精度高。2.3在压力和效率之间的匹配液压系统是全液压钻机的核心,其性能优劣直接影响到钻机的整体性能和可操作性。煤矿井下全液压钻机液压系统主要分为回转回路和给进回路2个基本回路。(1)回转回路回转回路主要为钻具提供转速和转矩,在给进回路提供的给进力的配合下,实现钻具的钻进。目前井下全液压钻机回转回路有两种控制方式,阀控式和泵控式。国内煤矿井下全液压钻机多采用定量泵或手动变量泵,并用液压阀来实现系统的压力、流量和方向的控制,属于节流控制,是典型的阀控系统。通过调节节流阀的开口量来调节经节流阀流回油箱的流量,从而达到调节回转速度的目的,如图1所示。泵的压力随负载变化而变,其效率较高,但还存在一定量的节流损失且系统的调速范围较小。此类系统的负载适应能力较弱,控制实时性差,不能适应复杂控制的需要,而且系统的能耗和发热问题突出,效率低下,严重制约和影响了钻机性能的发挥。另一种采用较先进的负载敏感泵配合负载敏感阀,该系统根据负载压力的变化调节补偿液压泵的流量,属于典型的变量泵与变量马达组成的双变量容积调速系统,如图2所示。该系统负载具有刚度好、传动效率高、能量损耗少、转速和转矩可大范围的无级调节等优点,易于满足各种钻进工艺的要求,所以得到了很好的应用。(2)给进回路传统的给进回路是通过对操纵台上换向阀的操纵,控制着钻具的给进和起拔。由于井下地质条件复杂,手动操作难度较大,且容易出现卡钻和载荷冲击等现象,造成塌孔和丢钻等孔内事故,成孔率较低。现在国内一些科研机构已研制出配备推力自适应模块的给进回路。推力自适应模块由负载敏感调压阀和减压阀组成,如图3所示。该回路的工作原理是在钻机钻进的过程中,钻头遇到较硬的岩石时,阻力增大,马达负载增加,驱动油压升高,此时负载敏感调压阀自动调节减压阀的后压力,从而减小推进油缸的推进力,避免钻头损坏和孔内事故。2.4孔口回转钻机定向能力差通过对国内不同类型的煤矿井下全液压钻机对比分析,总结出现有的全液压钻机存在的一些问题:(1)分体式液压钻机主机质量过重、搬迁运输困难、劳动强度大、钻孔辅助时间较长;(2)采用组合钻具定向的孔口回转钻机定向能力较差,容易造成钻孔跑偏等问题,加大钻孔难度,降低了成孔率;(3)阀控的液压系统易发生供过于求的情况,产生过剩的压力和流量,能耗较大,油温升高问题比较严重,且工人操作不便,容易发生操作失误。不难看出,上述出现的诸多问题已严重的影响了生产效率和钻孔质量,且不能满足煤矿高效节能生产的需求,因此开发和应用新型的全液压钻机是非常必要的。3煤基压法非织造钻机的前景展望煤矿井下全液压钻机从诞生起至今已有50a多,且已存在多种型号的成熟产品,在未来很长的一段时间内不会有太大的改动,发展方向和研究重点将集中在以下几个方面。(1)高效随着我国煤矿采掘技术的高速发展,传统的液压钻机已不能满足目前煤矿高效安全生产的需求,新型的高效全液压钻机将有很大的应用前景。(2)节能据统计,目前国内全液压钻机的效率仅在47%~70%,虽然满足煤炭工业部规定的全液压钻机整机效率大于43%的要求,但效率还是比较低,能耗较大。采用节能技术后,系统发热减少,能效高,电动机和外负载得到了更好的匹配,提高电动机功率的利用率,液压元件工况改善明显,日常维护减少,延长了钻机的寿命。(3)智能化随着推力自适应模块和带有比例流量分配阀的负载敏感技术在煤矿钻机上成功应用,煤矿井下全液压钻机已逐步实现了智能化。智能化的发展,有效地提高了钻机的效率和使用寿命,降低了工人的劳动强度,为煤矿钻机自动化奠定了一定的技术基础,是今后井下全液压钻机的主要发展