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摘要：水力作业机的工作原理：利用机械机构将一条挠性可缠绕的不锈钢管有序地缠绕在滚筒上，将钢管的直线运动转变为圆周运动，实现收管动作;利用输管器将钢管的圆周运动转变为直线运动伸入瓦斯抽采孔，实现输管动作。为了使水力作业机收放过程中挠性钢管能够整齐、有序地排列在滚筒上，同时为了提高挠性钢管的总长度以及使用寿命，在设备上需要设计可以使滚筒做往复运动的排管机构。
关键词：矿用水力作业机；瓦斯抽采孔；排管装置；作业深度
引言
随着瓦斯抽采孔深度的增加，矿用水力作业机滚筒储管量随之增加，若挠性管不能在滚筒上多层有序的排列，则影响绕管长度及挠性管的使用寿命并给挠性管的注入作业造成困难，针对此问题提出并设计了矿用水力作业机排管装置。优选了排管装置方案，介绍了排管装置工作原理并设计排管装置机械机构。经生产实践证明矿用水力作业机排管装置使挠性管在滚筒上多层有序排列，有效提高了挠性管的使用寿命。
1概述
矿用水力作业机是一种应用于煤矿井下，对已有瓦斯抽采孔进行疏通增透，对煤层强化冲击实现掏煤、割缝、压裂的瓦斯抽采钻孔设备。排管装置是矿用水力作业机收管执行机构滚筒的核心装置。传统的绕管装置滚筒只做旋转运动，挠性管的有序缠绕依靠专门的导向机构实现，不能确保连续挠性管与输送方向始终在一条直线上，造成挠性管扭曲，使收、放管不顺畅。本文将研制一种新型的排管装置实现连续挠性管与输送方向始终在一条直线上。该装置主要由滚筒轮毂、空心轴、导向滑块、导向套、双向螺杆、行程滑块、行程滑块套等组成。滚筒轮毂通过螺栓固定在外滑移套上，导向滑块通过固定套安装在外滑移套上并在空心大轴上的滑动槽内直线移动，行程滑块布置在行程滑块套内，行程滑块套穿过设有方孔的外滑移套固定在内滑移套上，行程滑块套与空心轴的滑动槽滑动配合，行程滑块与双向螺杆构成螺旋传动副，变速齿轮组使双向螺杆与空心轴差速传动，在变速齿轮组的作用下外滑移套和滚筒随空心轴转动并沿空心轴往复移动，实现挠性管在滚筒上的多层有序排列。
2排管机构分析与选择
目前常见的可实现往复运动丝杠有2种：
（1）方案1单向螺纹丝杠，通过电机以及行程开关控制丝杠的正反转。其优点是使用方便，可通过调节电机的转速来控制滚筒旋转的速度；缺点是结构复杂，且无法在瓦斯矿井下使用，因此无法满足使用要求。
（2）方案2通过双向螺纹丝杠排管器带动滚筒做圆周运动。工作时液压马达带动滚筒和双向螺纹丝杠做圆周运动，排管器滑块随着双向螺纹丝杠的转动做左右往复运动，使得钢管有序地排布在滚筒上。但由于设备尺寸限制，排管器与滚筒之间的距离通常很近，这样就会造成挠性钢管在做左右往复运动的时候产生大幅度的扭曲，降低设备使用寿命，因此并不适用于该设备。
3地面井瓦斯抽采监测面临的技术难题
1）瓦斯抽采流量及浓度检测难度大。单口地面井抽采瓦斯流量及浓度的大小受工作面推进速度、周期来压、顶底板岩性等影响，波动范围较大，计量设备在低流速、小流量和低浓度等极端条件难以满足要求。
2）计量数据远距离传输难度大。地面井抽采地点较为偏远且分散，采用有线传输需铺设大量的电缆，经济成本高；无线传输易出现信号中断、数据传输不稳定的现象。
3）监测系统功耗高，供电设备难以满足长期供电的需求。
4）地面井瓦斯抽采计量监控系统所有设备暴露于地面，系统设备的环境适用性要求更高。
5）目前，地面井瓦斯抽采监测多采用人工定期监测，偏重于瓦斯浓度检测，监测数据单一，不能全面反映地面井瓦斯抽采状况。
4排管机构设计
传统往复机构丝杠的螺旋槽带有缺口，缺口两端螺纹相交处强度很低，且丝杠与转向滑块的配合随着滑块的磨损而变得不稳定，造成滑块经常与丝杠卡死的现象，因此设备故障率高。
滚珠式往复丝杠副主要功能是将回转运动转化为线性运动，相对于传统往复丝杠机构具有以下优点：
①驱动力矩小作为传动部件的滚珠在做滚动运动，其所受摩擦力远小于滑动丝杠副中滑块所受的滑动摩擦力，因此能够得到较高的运动效率，其驱动力矩约等于滑动丝杠副的1/3；
②无背隙、刚性高滚珠丝杠副在组装时可以施加预压力，使得滚珠和丝杠的轴向间隙达到负值，因此能够得到较高的刚性；
③微进给滚珠往复丝杠副由于启动力矩小，因此不会出现滑动丝杠副常见的爬行现象，能够保证设备的微进给；
④可靠性高滚珠丝杠故障率低，维修保养也简单，只需一般的防尘和定期的润滑即可。
4.1差速传动系统设计
4.1.1差速传动系统的设计目的及要求
1)对差速传动系统进行设计，通过改变差速传动比调整双向螺杆的螺距或缠绕不同规格的挠性管。
2)在满足煤矿使用条件的基础上，差速传动系统应传动精确，性能可靠，便于维护。
4.1.2差速传动系统的设计
以缠绕dg=16mm的挠性管进行设计，挠性管使用过程中出现弯曲和压扁变形，为使变形的挠性钢管在滚筒上有序排列。滚筒设计排管区间应比挠性管的理论直径大0.5～2mm，通过对dg=16mm的挠性管的变形情况进行统计分析，取相邻挠性管的排管间隙值为1mm。
4.2滚珠往复丝杠副设计
滚珠往复丝杠副由丝杠、滚珠、滑块套、保护套、限位钢丝五部分组成。滑块套套在丝杠上左右滑动，套有保护套的一端设计有1个通孔和2个换向槽。槽的长度方向与丝杠轴向重合，在圆孔和槽内各放有1个滚珠，槽内滚珠左右对称放置于槽最外侧，并通过滑块套上两处沟槽内的弹簧钢丝限位。丝杠运动时，滚珠随着轨道转动，进而带动滑块套前移。到丝杠一端时，中间圆孔处的滚珠起到承载作用，换向槽内2个滚珠向相反方向左右换向移动，从而达到丝杠旋向不变，滚筒左右往复的目的。
丝杠由左旋、右旋2条圆弧轨道复合而成，滚珠与轨道之间间隙小，接触平稳。滚珠以及轨道尺寸可按实际设计需要进行调整。
4.3双向螺杆的结构设计
双向螺杆是挠性管排管装置的核心部件，其具有螺距相同，端部相连通的左右螺旋槽。结合矿用水力作业机的实际生产应用环境以及滚筒转动和轴向移动之间的运动关系，对双向螺杆的相关参数进行设计。
通过对螺杆传动副螺纹的类型和应用分析，设计双向螺杆的牙型为矩形螺纹。为避免左右螺旋槽连接处尖角过度，使行程滑块换向不顺畅且产生极大冲击力造成行程滑块断裂。
结语
新型排管机构的使用，增加了矿用水力作业机的排管数量，提高了作业深度，并解决了传统排管机构所造成了挠性钢管过度扭曲的情况，使设备的使用寿命大幅提高。同时采用新型滚珠往复丝杠，工作中摩擦阻力小、灵敏度高、转向平稳、无颤动，有效地提高了瓦斯抽采孔修复的质量和效率。
参考文献
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