煤礦坑道鉆機大直徑鉆桿上卸裝置設計

劉 智

（中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077）

自動化、智能化是近年來煤炭行業發展的主要方向。利用具有自動化、智能化功能的裝備來代替人工，不但可以解決人工勞動強度高以及勞動作業安全的問題，還可以有效緩解煤炭行業日漸突出的“招工難”問題。自動化、智能化裝備將引領煤炭行業實現高質量發展，代表著煤炭行業裝備發展的新方向[1-4]。

煤礦坑道鉆機實現自動化、智能化必然離不開自動上卸鉆桿裝置。每一臺具有自動化、智能化功能的坑道鉆機都必須配備穩定可靠的自動上卸鉆桿裝置[5-6]。近年來，針對煤礦坑道鉆機自動上卸鉆桿裝置的研究很多，根據不同的使用要求，自動上卸鉆桿裝置的結構及功能也不盡相同[7-8]。目前上卸鉆桿裝置多使用在動力頭與夾持器之間上卸鉆桿的模式，機械手和儲桿箱的結構形式，1 個儲桿箱可儲存45～80 根鉆桿，2～3 箱鉆桿既能夠滿足施工常規鉆孔孔深的要求[9]。但此類儲桿箱結構的上卸鉆桿裝置適用于鉆桿直徑?73 mm 以下，鉆桿長度1 m 以內的鉆桿。因鉆桿直徑小，長度短，儲桿箱的外形尺寸小，能夠滿足集成在鉆機上的條件。但對于大直徑鉆桿，例如鉆桿直徑?89 mm 以上、鉆桿長度1.5 m 以上的鉆桿，鉆桿體積大，質量重，不適合采用儲桿箱的結構形式。為此，研制了煤礦坑道鉆機用大直徑鉆桿上卸裝置。

1 礦用坑道鉆機大直徑鉆桿上卸裝置方案

大直徑鉆桿施工的多為長鉆孔，利用鉆孔設計孔深大、使用的鉆桿數量多的特點，采用將10 根鉆桿組成1 個鉆桿束，以鉆桿束為單元進行整體吊裝移運的方式，在巷道頂板安裝移運軌道及吊裝裝置；鉆桿束碼放在軌道下方，需要使用鉆桿時，將鉆桿束吊運至鉆桿托架上，拆除兩側護板即可供施工使用；施工完成后，在鉆桿托架上重新組裝鉆桿束，并將其吊運至巷道內碼放整齊。

采用在動力頭與夾持器之間加鉆桿的模式，每上1 根鉆桿可以減少1 次拆裝水便的次數，可有效提高上鉆桿的效率。但這種模式也存在一定的弊端，卸鉆桿時，需要卸開待卸鉆桿兩端的絲扣，與動力頭后部卸鉆桿的方式相比，需要多卸1 組絲扣。若從動力頭后端卸鉆桿只需擰卸1 組鉆桿絲扣即可。為提高上卸鉆桿效率，采用在動力頭與夾持器之間加鉆桿，在動力頭后部卸鉆桿的形式。為提高卸鉆效率，設計了卸鉆專用的搓桿裝置。上卸鉆桿裝置如圖1。

圖1 上卸鉆桿裝置Fig.1 Drill pipe loading and unloading device

2 上桿裝置

上桿裝置如圖2。上桿裝置主要由機械手、鉆桿托架、鉆桿束和吊裝單元組成。機械手和鉆桿托架分別安裝在機身兩側。鉆桿托架用于承托鉆桿束，上鉆桿時用于放置吊裝單元移運過來的鉆桿束，卸鉆桿時用于在鉆桿托架上組裝鉆桿束，完成后由吊裝單元移運至巷道內碼放整齊。

圖2 上桿裝置Fig.2 Drill pipe loading device

1）機械手。利用機械結構模擬人工上鉆桿動作比較復雜。將上鉆桿動作進行水平方向和豎直方向上的分解，從起點至終點均為直線運動，分為鉆桿抓取、平移至指定位置、鉆桿釋放、機械手復位4 個步驟。機械手共設置3 級運動機構：第1 級為豎直方向移動，用于抓手從鉆桿托架的指定位置抓取鉆桿；第2 級為水平方向移動，用于將鉆桿運送到動力頭中心通孔上方；第3 級為抓手的豎直方向移動，用于將鉆桿運送到動力頭中心孔位置。3 級伸縮機構均為伸縮套式結構，外套為正方形套筒結構，內芯為矩形結構外壁焊接定位鋼帶。為了增加伸縮套結構的活動流暢性及可調節功能，在外套端口部設置黃銅材質的微調機構。夾持型抓手是目前應用最為廣泛的一種抓手形式[10]。鉆桿為外形規則的圓柱狀結構，為適應鉆桿的外形，抓手由手掌、手指、轉軸、滑塊、定位板、控制油缸等組成。手指通過轉軸與手掌相連，控制油缸的缸桿與滑塊連接?；瑝K可在手指背部設置的橢圓型槽內滑動?？刂朴透椎母讞U全部伸出時，手掌與手指共同作用夾緊鉆桿?？刂朴透椎母讞U全部縮回時，抓手處于張開狀態。抓手中設置的滑塊機構，可以有效減少控制油缸的伸縮行程，減小了抓手的外形尺寸。

2）鉆桿托架。鉆桿托架用于儲存沿軌道吊裝移運來的鉆桿束，并將待上鉆桿滑送到指定位置。鉆桿托架由撐桿支座、定位板、鉸支座、托盤體、上桿支座、收桿支座、支撐桿和平移組件組成。撐桿支座、定位板通過螺栓連接在平移組件上。在進行傾角鉆孔施工時，鉆桿托架與機身保持同樣的傾角，不用單獨設計調節鉆桿托架傾角的裝置。支撐桿與上桿支座鉸接，托盤體與水平面成正角，鉆桿可在重力的作用下自由滾落至定位板的直角凹槽處，機械手在此位置取走鉆桿。支撐桿與收桿支座鉸接，托盤體與水平面成負角，從鉆桿柱上卸下來的鉆桿可在重力的作用下滑滾放滿整個托盤，組裝成鉆桿束后吊離托盤。平移組件安裝在機身側邊，用于移動鉆桿托架的位置。上鉆桿時，鉆桿托架位于機身側邊動力頭與夾持器之間，卸鉆桿時，鉆桿托架位于動力頭后端。托盤體兩端設計有調整油缸，可將放置在托盤上的鉆桿鐓齊。同時調整油缸也可以將鉆桿束沿軸線方向進行微調，以適應加卸鉆桿時準確位置的需要。

3）鉆桿束。鉆桿束如如圖3。鉆桿束由端蓋組件、鉆桿、拉桿、螺母組成。端蓋組件套裝在鉆桿束兩端，通過拉桿把整個鉆桿束組裝成一個整體。端蓋組件由U 型夾、吊環、限位銷和定位塊組成。U 型夾側邊焊接有2 個吊環，用于吊裝整個鉆桿束。U 型夾上端焊接2 個限位銷，下端設計有2 個限位孔。鉆桿束在巷道內按層碼放時，上層鉆桿束的限位孔套裝在下層鉆桿束的限位銷中。

圖3 鉆桿束Fig.3 Drill pipes bundle

4）吊裝單元。在鉆桿束存放位置的頂板上方至鉆機施工位置的頂板上方安裝滑移軌道，帶有驅動機構的滑輪卡裝在軌道內，滑輪架下端連接吊繩。吊繩用于連接并且吊裝鉆桿束，利用遙控器可控制吊裝的鉆桿束的移動速度和起停位置。

3 搓桿裝置

煤礦坑道鉆機普遍是低轉速，大扭矩鉆機，動力頭的轉速較小，卸桿速度較慢。搓桿裝置的作用是加快卸桿時鉆桿的旋轉速度，提高卸鉆效率。搓桿裝置如圖4。搓桿裝置由搓輪組件、夾緊裝置、滑移架組成，采用2 組滾輪對夾的結構形式，這種結構形式可滿足直徑在一定范圍內鉆桿的使用要求。

圖4 搓桿裝置Fig.4 Drill pipe rubbing device

搓桿裝置中還需要設計鉆桿沿軸線方向的移動功能，移動行程大于鉆桿絲扣的長度。搓桿裝置的性能參數如下：①最大輸出扭矩：175 N·m；②最大輸出轉速：120 r/min；③適用鉆桿范圍：73～114 mm；④馬達排量：145 L/min。

1）搓輪組件。搓輪組件為搓桿裝置的核心部件，其將高壓油的液壓能轉化為搓輪的動能。搓輪組件如圖5。搓輪組件中設置有齒輪箱，齒輪箱中設置有3 個齒輪，分別安裝在馬達軸上和2 個搓輪軸上。馬達軸上的齒輪同時與2 個搓輪軸上的齒輪嚙合，可將馬達輸出的轉速傳遞給2 個搓輪。齒輪傳動機構的減速比設計為2.416。傳動路線為：液壓馬達-齒輪副-搓輪。由于搓輪受到的反扭距較小，齒輪表面的硬度不需要太高。綜合加工成本和使用壽命計算，主動齒輪材質選用42GrMo，調質處理，硬度20～32 HRC；被動齒輪材質選用20GrMnTi，表面滲碳處理，硬度30～42 HRC。齒輪副硬度相差10 HRC，對于齒輪副的使用壽命比較有利。計算得出齒輪表面的接觸應力不超過相應材料的許用應力，齒根的彎曲應力也不超過對應材料的許用屈服極限。

圖5 搓輪組件Fig.5 Roller assembly

2）夾緊裝置。夾緊裝置為左右對稱結構，夾緊裝置中設置有1 個中心框架和2 個側支架。中心框架上設置有2 個導向孔，導向孔可沿滑移架中圓形滑軌滑動。中心框架中固定安裝有4 個導向軸，每側設置2 個導向軸。側支架中設置有2 個導向套。導向套可沿導向軸滑動。夾緊油缸為2 個單桿雙作用油缸缸筒端同軸線背對背焊接的整體，中間設置鉸接軸。夾緊油缸缸筒端鉸接在中心框架上，缸桿端鉸接在側支架上的油缸支座上。

3）滑移架?；萍苡糜谥螉A緊裝置及搓輪組件，并將搓桿裝置連接于給進裝置上?；萍苡砂惭b底座、滑軌、定位板和復位彈簧組成。推拉油缸缸筒端鉸接在滑移架的安裝底座上，缸桿端鉸接在夾緊裝置的中心框架上。

4 上卸鉆桿過程

1）加桿過程。加桿過程主要有：①鉆桿吊裝單元起吊鉆桿束并沿導軌移動至鉆桿托架上方，將鉆桿束放置在鉆桿托架內；②拆除鉆桿束的拉桿及兩端的U 形夾板，鉆桿在自重的作用下滑滾至托盤體的直角凹槽處；③控制一級油缸、二級油缸、三級油缸和抓手油缸的組合動作，將鉆桿從托盤內抓取移動至動力頭中心線位置，鉆機夾持器夾緊鉆桿；④抓手松開，回到初始位置，準備進行下1 根鉆桿的抓取動作；⑤鉆機完成鉆進動作；⑥鉆桿托架中的其余鉆桿按照上述步驟完成上桿動作；⑦鉆桿吊裝單元起吊下1 組鉆桿束繼續重復上述動作。

2）卸桿過程。卸桿過程主要有：①搓桿裝置處于張開狀態，推拉油缸缸桿收緊；②利用鉆機動力頭與夾持器配合將待卸鉆桿絲扣松開1～2 扣，動力頭倒桿將待卸鉆桿整體移動至動力頭后端；③搓桿機構夾緊鉆桿快速旋轉，同時推拉油缸的缸桿伸出，使鉆桿反轉的同時向后移動，鉆桿接頭與前端鉆桿完全脫開；④搓桿裝置張開，鉆桿滑落至鉆桿托架上；⑤重復上述動作，在鉆桿架上組裝完成鉆桿束后，吊運至巷道內碼放整齊。

5 應用情況

大直徑鉆桿上卸裝置工業性試驗在內蒙古自治區鄂爾多斯市某礦進行。試驗期間共施工鉆孔6 個，累計進尺7 420 m，累計上卸2 m 長鉆桿3 710 根。試驗過程中機械手從鉆桿托盤內取桿至上桿完成所需時間28 s，搓桿裝置快速卸桿至鉆桿滑滾至鉆桿托架上所需時間為18 s 左右，與從動力頭后方上卸鉆桿的方式相比大大減少了上卸鉆桿的輔助時間。工業性試驗中機械手抓取鉆桿動作穩定可靠，移動位置精確，卸桿裝置快速高效，無卡滯、打滑等現象發生。

6 結 語

煤礦坑道鉆機大直徑鉆桿上卸裝置采用在動力頭與夾持器中間上鉆桿、動力頭后部卸鉆桿的方式，集成了2 種上卸鉆桿方式的優點，優化了上卸鉆桿的方式；機械手將人工加鉆桿的復雜動作分解為笛卡爾坐標內的平移動作，結構簡單，可靠性高；搓桿裝置旋轉速度高，在低轉速大扭矩鉆機上使用時可明顯提高卸鉆效率。大直徑鉆桿上卸裝置實現了大直徑鉆桿連續上卸，減輕了操作者的勞動強度，降低了井下作業的危險系數，提高了煤礦坑道鉆機上卸大直徑鉆桿的自動化水平。