何剑江1 杨述友1 王洪民1 向炜1 何潜一2
1.国家能源集团 新疆能源公司 新疆乌鲁木齐 830001
2.2.成都医学院2018级医学检验1班 四川成都 610500
摘要：针对煤矿急倾斜煤层放顶煤钻孔施工的工艺需求，研制了组合轻型乳化液钻机。介绍了钻机整体结构布局、关键部件机械结构设计及液压系统设计、具体的实施方式和现场应用情况，为急倾斜煤层综采工作面放顶煤钻孔施工提供了一种安全适用的钻探设备。
关键词：钻机；机架；给进装置；液压系统
引言
在急倾斜煤层开采过程中，随着综放工作面施工工艺的不断改进，工作面回采推进速度不断加快，因此，也要求提高钻制爆破孔的效率。
通常所采用的岩石电钻钻孔施工也随之暴露出越来越多的缺陷，例如：
1．在综放工作面上使用岩石电钻进行钻孔作业时，需要的时间比较长，例如，如果要在工作面上钻一个直径为100毫米深度为27米的孔，往往需要耗时接近两小时；
2．如果要求增大综放工作面开切巷断面高度，则需要用自制的金具固定住钻架，增加了岩石电钻的搬运重量和安装时间；
3．综放工作面上采用岩石电钻进行钻孔作业，通常要进行竖直打眼，钻孔时粉尘较多，如果采用湿式打眼，则岩石电钻电机的使用环境恶劣，容易产生漏电，从而影响正常安全操作使用；
4．随着综放工作面机械化水平的不断提高，设备容量则随之增加，电压等级由660V跃升到1140V、3300V，这样，对井下钻机、岩石电钻等移动设备配套的电控设备要求也越来越高，对维护要求相应提高，设备容易出现故障，线路较多，查找处理较为耽搁时间；
5．综放工作面岩石电钻的配套设备以及附属材料较多，例如，每台岩石电钻配套矿用隔爆控制开关设置两台，降压开关设置一台，真空磁力开关设置一台，配套电缆可达260米，增大了成本，也增加了管理环节。
因此，本领域中急需一种能够克服现有技术中岩石电钻缺陷的钻机，确保安全操作，提高效率。
1.组合轻型乳化液钻机的研制
（1）钻机的组成及结构布局
该钻机液压钻机由动力头机构、机架、液压操纵系统和其它件组成，如图1所示。
动力头机构包括液压马达、连接盘、减速器等。
液压马达通过连接盘与减速器相连接，液压马达的输出轴通过键槽配合联结到圆柱齿轮，圆柱齿轮的外齿与减速器内齿轮的内齿相啮合，内齿轮通过键槽配合与主轴相互固定。如图1可见，圆柱齿轮的直径小于内齿轮的直径。
在减速器箱体内，内齿轮轴柄与主轴之间的键槽配合部分外围设置两个轴承，两个轴承之间用内隔离套和外隔离套隔开；在主轴输出端和主轴键槽之间的连接处外围安设另一轴承，并设置压盖和水便端盖。
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如图2所示，机架包括：（1）两条导轨；（2）滑移托板，固定有两条滑道，通过这两条滑道与两条导轨各自接合，滑移托板可滑移地固定于导轨上，在滑移托板上固定有动力头机构主体；（3）液压油缸，其活塞杆的自由端抵住动力头机构的端部；（4）支承座，其设置在导轨的端部并且设置钻杆穿过的通孔。
如图3所示，液压操纵系统包括：泵箱、泵站、多路换向阀等。泵箱经泵站流体连通到多路换向阀，该多路换向阀包括第一路换向阀、第二路换向阀和第三路换向阀。第一路换向阀设有第一操纵手把并连通到液压马达，第二路换向阀设有第二操纵手把并连通到液压油缸。第三路换向阀包含第三操纵手把并经由调速阀流通至液压油缸。
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2.具体实施方式
在操作中，泵站从泵箱泵抽乳化液，乳化液随之流到多路换向阀。当按下第一操纵手把时，第一路换向阀导通，乳化液随之流向液压马达，从而启动液压马达，液压马达的输出轴随之转动，从而带动与该输出轴固定的圆柱齿轮转动，与圆柱齿轮相互啮合的内齿轮也随之转动。需要注意的是，圆柱齿轮的直径小于内齿轮的直径，并且在圆柱齿轮与内齿轮的各自的啮合点具有相同的线速度，所以相应地，内齿轮的转速小于圆柱齿轮的转速。因此，在动力头机构中，通过内齿轮的啮合，实现了减速器的技术效果。
内齿轮的减速转动，随之带动与内齿轮通过连接头固定的钻杆转动。
从上可以看出，动力头机构采用一级内齿轮传动，减少了传动环节，使减速机构的外形尺寸变小，不仅提高了工作效率，减轻重量，而且还节约了材料。
图2左视图为液压钻机的机架的俯视图。机架包括支承座、两条导轨、液压油缸、滑移托板。动力头机构的主体接合在机架的两条导轨上。动力头机构前端的钻杆插过支承座，液压油缸的活塞杆的自由端抵住动力头机构的后端。
图2左视图下方为沿A-A方向观察的机架的示意图。图中可见，滑移托板固定有两条滑道，这两条滑道接合相应的两条导轨，使滑道可以相对于导轨滑移。动力头机构固定放置在滑移托板上。因此，在施加外力的情况下，动力头机构就可以通过滑移托板和滑道沿着导轨的方向滑动。
图2右视图为液压钻机的机架的侧视图。显示出液压油缸、动力头机构、支承座之间的结构关系。
图2右视图下方图示出处于机架端部的支承座，支承座中设置有通孔，钻杆穿过通孔。
在操作中，泵站从泵箱泵抽乳化液，乳化液随之流到多路换向阀。当按下第二操纵手把时，第二路换向阀导通，乳化液随之流向液压油缸，从而启动液压油缸，液压油缸的活塞杆向外伸出，从而推动动力头机构在导轨上向前滑动，使动力头机构前端的钻杆也相应地向前移动。由于钻杆穿过支承座上的通孔，使钻杆的移动不至于偏离预定的方向，钻杆由此就能够稳定地前行。液压系统还可以控制液压油缸将活塞杆向回缩，从而使动力头机构向回退。
为了控制钻杆的前进或后退速度，第三路换向阀包含第三操纵手把并经由调速阀流通至液压油缸。当乳化液流向多路换向阀时，按下第三操纵手把，第三路换向阀导通，从而启动调速阀，由此，调速阀就可以对液压油缸中活塞杆的前进和回缩速度进行调节。
机架内液压推进（回缩）油缸的定位及选择
1）新型矿用急倾斜煤层综合机械化放顶煤组合轻型乳化液钻机机架内液压推进（回缩）油缸的固定方式与以上国内外同类钻机相反，油缸缸体及夹持器都设置在机架的上部，可使夹持器位置降低至1450mm左右，便于人员拆、装钻杆。
2）液压推进（回缩）油缸缸径、活塞杆径选择
根据国内外钻机情况，洛阳风动工具有限公司生产KHYD40dIA型煤矿用岩石电钻其推进力7000N；波兰海德曼液压动力设备厂生产WSP-220/500型支架式乳化液钻机1500N～10000N。
推进力选择范围6000N～10000N，推进机构的进退是靠推进油缸活塞杆的伸缩来实现的。对其推力、伸出时间进行计算。
当推进油缸直径D=30mm， 活塞杆径d=20mm，行程S=860mm，泵站控制压力p=16Mpa，流量Q＝200 L/min
其推力为
F=п/40*D2*p＝11.304KN
推进油缸伸出速度不能太快，必须通过对先导减压阀、单向调速阀进行控制，当Q=61 L/min,推进油缸给进时间为：
T=п/40*D2*S/Q≈60s
使之调整控制到钻孔速度即推进机构推进速度：800mm/min。
通过以上计算可知，推进油缸的运动速度满足要求。
2.现场应用情况
此钻机通过在煤矿急倾斜煤层综采工作面近两年的现场试验，符合现场实际使用要求。
首先，解决了钻机操作使用的安全问题。
该钻机以液压能为动力源，避免了电控线路使用所产生的漏电故障或事故等风险；钻孔工作环境较为恶劣，在顶板和煤壁前作业，由于效率提高，钻孔时间缩短，进一步控制了风险，使综放工作面进行放顶煤钻孔工作更加安全可靠。
其次，组合轻型乳化液钻机整机重量轻，只有67kg左右，管路少，运输安装快捷；操作上除了钻机上下通过手把与岩石电钻不同外，其余操作程序与岩石电钻相同，方便操作。
再次，在钻机主轴上配置了进水灭尘装置，消除工作面粉尘对作业人员的影响。
最后 综放工作面进行放顶煤钻孔工作，钻一个孔Ф100深度27m左右，只需45分钟左右，比岩石电钻同条件下钻孔节约一半以上时间。不仅提高了工作效率，还创造了良好的经济效益。
3.结语
如上文所述，采用液压钻机，实现了安全操作，提高了效率，降低了操作人员的劳动强度和材料成本，在同类煤矿中具有广阔的推广前景。
参考文献
[1]朱真才，韩振铎.采掘机械与液压传动［M］．中国矿业大学出版社，2005．
[2]姜庆乐．综采维修钳工［M］．煤炭工业出版社，1998．
作者简介：何剑江（1966-），新疆乌鲁木齐人，工程师，研究方向：矿山机械煤矿急倾斜煤层综采工