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– 12 –工装设计·ZYW-4000液压钻机分体式机架的优化设计及加工doi:10.16648/ki.1005-2917.2020.01.006ZYW-4000液压钻机分体式机架的优化设计及加工孟鑫 张丹丹 杨晓楠（北方自动控制技术研究所，山西太原 030006）摘要： 文章以ZYW-4000钻机分体式机架优化设计与加工为研究对象，首先对原机架结构弊端与加工工艺进行了讨论分析，随后围绕如何进行分体式机架优化设计与加工，提出了一些针对性的措施，以供参考。
关键词： ZYW-4000钻机；分体式机架；优化设计；加工前言ZYW-4000钻机是一种煤矿坑道式全液压钻机，在煤矿开采中有着较为广泛的运用。
钻机在工作过程中对于运行稳定性有着较高要求，而这主要取决于钻机机架的加工精度，硬度等因素。
然而由于钻机经常进行地下煤矿开采，工作环境充分不可控性，机架导轨很容易磨损，原本的钻机机架与导轨采用焊接方式连接，在导轨磨损无法使用后，由于无法单独将导轨从机架上拆除，导致整个机架需要进行报废处理，这使得钻机成本大大增加，因此为有效解决这一弊端，有必要从设计层面入手，来对ZYW-4000机架优化设计与加工工艺进行分析研究，这对于降低ZYW-4000钻机煤矿开采成本有着重要意义。
1. 原机架结构弊端与加工工艺分析原机架整体与导轨焊接在一起，导轨采用的是双矩形导轨，通过采取调节垫片方式，来调整导轨与滑块之间的间隙，在确保滑块精度的同时，又能保证滑块在导轨上滑动的顺畅性。
液压钻机在工作时，主要依靠液压油缸提供动力，推动动力头在导轨之上反复移动。
在这一过程中，导轨需要承受滑块移动产生的偏载力与侧向力，容易加重导轨的磨损。
在进行原机架结构加工过程中，一是需要将导轨与机架体焊接在一起，在完成焊接后，为避免受应力影响导致导轨或机架焊接位置出现沿着的变形，需要进行去应力退火加工，需要先将焊接体加热至较低温度，在保温一定时间后，然后使其冷却，让工件自行恢复，从而能够有效消除残余的变形应力；二是需要进行铣加工，由于在完成导轨与机架的焊接后，整体外形尺寸比较大，因此需要借助龙门铣床，在完成槽钢端面找正后，来对导轨面进行铣加工处理，确保导轨面有着较好的平面度与精细度。
矿井安全高效钻进技术研究与应用第一部分：钻机设备安全性能改进（一）、钻机试用发现的缺陷（1）钻机前夹持器松杆不到位；通过检查油路及更换小件，均无法满足要求。
（2）钻机顶镐设计不合理，转移钻机时，顶镐回收高度不足，与履带持平，遇坑洼地段时，磨蹭顶镐底座，导致钻机无法移动。
（3）油箱位置位于立轴跑道下侧，立轴移动时，对油箱盖顶部螺丝进行切除。
（4）正常打钻期间，变速箱固定不牢固。
（5）操作台位置不合适，距钻杆近，对操作人员安全有隐患。
（二）、钻机改进实施方案1、对前夹持器进行改造，根据前夹持器的外形尺寸，利用废旧铁板制作，将铁板割成宽540mm，高310mm的铁块。
附加铁板割成宽40mm二块，跑道铣槽高10mm，宽10mm，滑块长180mm，对称铣槽、滑块及跑道进行抛光打磨。
将铁板与附加铁板进行安装，按比例打眼，使用20mm螺丝进行紧固。
将跑道铣槽与滑块分别安装在模块上侧，使用22mm螺丝进行紧固。
根据前夹持器的外形尺寸，利用废旧铁板制作，将铁板割成宽540mm，高310mm的铁块。
附加铁板割成宽40mm二块，跑道铣槽高10mm，宽10mm，滑块长180mm，对称铣槽、滑块及跑道进行抛光打磨。
将铁板与附加铁板进行安装，按比例打眼，使用20mm螺丝进行紧固。
将跑道铣槽与滑块分别安装在模块上侧，使用22mm螺丝进行紧固。
2、对钻机顶镐进行改进，现顶镐长度为500mm，收缩时，只能收缩至履带上部，影响钻车行进，改进方案是，拆卸连接顶镐的8条12mm螺丝，将现有的顶镐向上平移500mm，下部加设一顶镐接骨，接骨为液压系统，能升高至履带以上，这样，将顶镐与接骨连接，打钻时，将下部顶镐骨节放下，稳定钻机，上部顶镐提升至钻场顶部时，能够顶到钻场顶板，接骨上焊接一200mm×200mm平面铁板，能有效对破碎顶板支护。
行走时，收缩下部顶镐，不影响钻车行走。
3、对跑道进行改进，现有的跑道是槽钢规格为5#50mm×37mm×4.5mm 更换成8#80mm×43mm×5.0mm槽钢，槽钢加厚后，与原有的固定油箱螺丝加大了间距，这样，立轴移动时，不会对油箱盖顶部螺丝进行切除。
大直径大功率定向钻机的研制摘要：定向钻机主要用于煤矿井下瓦斯抽（排）放、注浆防灭火、煤层注水、探放水、煤层厚度探测、防突卸压、地质勘探等各类工程定向钻孔的施工。
适用于岩石坚固性系数f≤10的中、硬煤层或岩层。
定向钻机卡盘与动力头齿轮箱体联接，卡盘工作时在油压的作用下实现卡瓦的夹紧与松开。
卡盘夹紧时，通过卡盘后端盖的液控单向阀对密封腔进行保压，使卡盘处于夹紧状态。
通过控制油路及反向油口进油实现对卡盘的松开。
卡盘夹紧力的大小通过调节油压及楔形卡瓦的压力角来实现。
关键词：定向钻机；大直径；大功率；煤矿井下；定向钻孔引言定向钻孔施工具有轨迹可控、抽采效率高等优点，被广泛应用于煤矿井下的瓦斯抽采钻孔和地质超前探测。
在定向钻孔瓦斯抽采技术中，大直径、长钻孔治理上隅角瓦斯具有较高的技术优势，高位大直径定向钻孔的经济效益和安全性较高，因此需开发大功率定向钻进技术与装备以满足煤矿的瓦斯抽采工艺需求。
目前常用的定向钻机功率较小，输出的扭矩与推进力较小，在长距离钻孔中不能施工大直径定向钻孔，因此开发大功率定向钻机以满足煤矿对一次成孔钻孔直径准150mm以上、钻进深度达到1000m的瓦斯抽采钻孔的需要。
定向钻机在施工深钻孔时，由于钻孔深、直径大，在钻进施工与孔内事故处理中需要的扭矩和推进力更大，现有的矿用单液压马达驱动的动力头无法同时满足大功率定向钻机对输出扭矩与输出转速的要求。
1大功率定向钻机整机设计对于大、中型煤矿区域化瓦斯治理钻孔施工工艺，目前定向钻孔装备施工直径准120mm以上的瓦斯抽采钻孔需要进行二次扩孔，其工艺复杂、耗时长，且二次扩孔难以保证钻孔的成孔率，因此开发大直径、深钻孔的定向钻孔成孔装备，为大中型煤矿提供一种一次定向钻孔施工直径大于准150mm以上的施工工艺，以提高大直径定向钻孔的施工效率和成孔率。
为保证钻孔施工的安全性、有效性，开发大直径大功率定向钻机，其动力头的最大扭矩超过20000Nm，有效推进起拔力超过360kN，所研制钻机整机结构尺寸紧凑，单位质量输出功率高，能够完成本煤层、顶板高位孔、底板孔的大直径钻孔施工，解决区域性瓦斯集中抽采问题，提高抽采效率和安全性.2ZYWL-4500D定向钻机工况分析定向钻机在井下巷道内进行打钻作业时，可能在巷道内部的任意位置进行打钻作业，所以ZYWL4500D定向钻机设计了0～360°倾角和0～360°的方位角调姿机构，可以实现巷道内全方位打钻作业。
ZDY4000全液压钻机定向化改造技术应用
赵磊
【期刊名称】《机械管理开发》
【年(卷),期】2022(37)3
【摘要】为解决ZDY4000全液压钻机钻进速度低、精度不足的问题,重点从抱紧机构、液压系统和钻杆、钻头重新选型配套等方面对其进行定向化改造,并在西山煤电屯兰矿22302轨道巷中进行现场试验。
试验表明,ZDY4000全液压钻进机实施定向化改造后测量系统性能较为稳定且实现了定向钻进功能,改造取得了预期效果。
【总页数】3页(P156-157)
【作者】赵磊
【作者单位】山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿
【正文语种】中文
【中图分类】TD421.3
【相关文献】
1.ZDY6000LD(A)型履带式全液压定向钻机及其应用
2.ZDY4000S型全液压钻机的设计与应用
3.浅谈改造ZDY4000S型钻机作反井钻机的探讨与应用
4.ZDY4000S型全液压大角度钻机改造的设计与应用
5.ZDY4000S型全液压大角度钻机改造的设计与应用
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辛德忠.ZYW-4000G高转速钻机研制及试验研究[J].矿业安全与环保，2016,43(4):27-30.文章编号= 1008-4495(2016)04-0027-04ZYW-4000G高转速钻机研制及试验研究辛德忠U2(1.中煤科工集团重庆研究院有限公司，重庆400039; 2.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室，重庆400037)摘要：为了提高煤矿井下坚硬岩层钻孔的施工效率，解决坚硬岩层钻孔技术难题，研制出ZYW- 4000G高转速钻机，其具有切削转速高、输出转矩大、钻进能力强等特点。
介绍了该钻机的整体结构特 点及其双马达动力头传动系统、液压系统、钻孔姿态调节系统等关键技术。
通过在坚硬岩层中的钻孔 试验及顺煤层中的钻孔试验表明，该钻机结构合理、操作方便、系统发热量小。
该钻机与相关钻具配 合，在坚硬岩层中及在顺煤层中钻孔时，其钻孔效率远高于普通钻机。
关键词：高转速；坚硬岩层；金刚石钻进；钻机中图分类号:TD403 文献标志码：B网络出版时间=2016-08-03 14:53网络出版地址：/kcms/detail/50. 1062. TD.20160803. 1453.012. h加l Development and Experimental Research of ZYW-4000G High-speed Drilling MachineXIN Dezhong1,2(1. China Coal Technology and Engineering Group Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China；2. State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037, China)Abstract：In order to improve the drilling efficiency in hard stratum in coal mines and solve the technical problem of borehole drilling in hard stratum, Model ZYW-4000G high-speed drilling machine was developed, which has the features of high drilling speed, large output torque, strong drilling ability and so on. This paper described the overall structure of this drilling machine and its key technologies, including the double-motor power head driving system, the hydraulic system and the adjusting system for the drilling posture. The drilling tests both in the hard stratum and coal seam indicated that this drilling machine was rational in structure and easy to operate and had a little heating. When this drilling machine is used with the relevant drilling tools to drill holes in the hard stratum and coal seam, its drilling efficiency is much higher than that of the ordinary drilling machines.Keywords：high rotation rate；hard rock；diamond drilling；drilling machine在煤层中钻孔泄压，是矿井瓦斯治理最有效的 手段之一，而钻机是煤矿生产中不可或缺的设备。
在煤矿钻探时,不可避免地要遇到坚硬岩层,现有的 钻孔设备及施工工艺无法有效且便捷地在坚硬岩层 中钻孔,施工效率极低。
如何提高在坚硬岩层中钻 孔施工效率，是一个亟待解决的难题。
坚硬岩层快速钻进工艺的基本思路是通过高硬 度回转钻具或冲击回转钻具配合高速切削，来提高 钻孔施工的效率[1]。
其基本方法是采用潜孔锤+全收稿日期：2016-01-04;2016-04-18 修订作者简介：辛德忠（1976—),男，四川巴中人，副研究员，主要从事钻机的研发工作。
Tel: 023 - 65239394 , E - mail:103748527@ qq. com。
面钻头配合钻机高速切削，或采用金刚石取芯钻进 配合钻机高速切削。
该工艺方法要求钻机最大转速 能达到300〜500 r/min,且具有足够的切削力矩。
现有的煤矿钻机，如ZYW系列钻机、Z K系列钻机及 Z Y系列钻机，其功率小、转速低、输出转矩小，不能 完全胜任该施工工艺[2-4]。
因此，研发应用能进行高 速切削的高转速钻机势在必行。
在此,笔者着重介绍ZYW-4000G高转速钻机 的主要结构、关键技术及其在坚硬岩层、顺煤层钻孔 中的试验情况。
1钻机总体结构及参数该钻机采用了目前煤矿钻机常用的分体式结 构[2-3],由主机、泵站和操纵台3部分组成。
各部分• 27•之间采用液压胶管及快换接头连接，便于快速解体 及搬迁。
钻机各部分尺寸小、质量轻，方便巷道内使1—果站;2—操作台；3—动力头;4—上错固；5—钻孔姿态调节系统;6—机架;7—夹持器。
图i 钻机整体布置图主机由动力头、钻孔姿态调节系统、机架、夹持器 等组成。
动力头为回转动力头结构，可以在给进油缸 的带动下沿机架前后运动，进行钻进;机架给进行程 长、起下钻速度快;钻孔姿态调节系统采用液压缸调 节开孔高度、蜗轮蜗杆回转减速器调节倾角、方位回 转器调节方位角，以满足钻机全方位钻进的需求。
泵站为钻机的动力源，由防爆电动机、泵、油箱 及冷却系统组成，为钻机主机提供液压能。
操作台由集成式多路阀及操作台架组成，主要 用于控制钻机钻进、卸钻、卡盘及夹持器的动作，是钻机控制系统的核心。
该钻机的主要技术参数如表i 所示，钻机输出 转速高、转矩大，当输出转速达到最大值500 r/min 时，其输出转矩仍然能达到1 050 N .m 。
表1钻机的主要技术参数参数类别参数值钻孔倾角/(。
）0〜±90开孔高度/m m 1150〜1800开孔直径/m m 94、113、133终孔直径/m m 94、113输出转速/(r/min)150〜500输出转矩/(N.m ) 4 000 〜1050钻杆直径/m m 73给进力/k N 110起拔力/k N 150给进速度/(m/min)0〜1.5电动机功率/k W902钻机的关键技术研究由于钻机要满足坚硬岩层钻孔施工的要求，因此，需要对该钻机的高转速动力头、液压系统、钻孔姿态调 节装置及抗冲击性能等关键技术进行深入的研究。
2.1 高速动力头高速动力头是钻机至关重要的传动部件，用于输出转速及转矩。
不仅要求其强度、可靠性要高，而 且要求其体积小、质量轻。
该动力头为常规煤矿钻 机用动力头结构形式[2-4]，采用中空主轴配胶套式液 压卡盘，以满足各类钻具的使用要求。
由液压马达的特性可知[5]，液压马达输出转速 越高，马达内部发热量越大，马达使用寿命越短，因 此，马达排量选择至关重要。
选择单个较小排量马 达，会使马达发热量高且使用寿命达不到要求，而单个大排量马达价格较贵（一般为小排量的3〜5倍）、经济性低。
因此，该高速动力头采用两个较小排量 马达联合驱动以满足钻机的排量要求且能降低成 本。
动力头传动系统原理如图2所示，两个较小排 量的变量马达通过单级传动齿轮将动力传递至主 轴，再通过卡盘驱动钻具工作。
1 2 3 41—变量马达;2—传动齿轮;3—钻机主轴;4—卡盘。
图2高速动力头传动原理图高速动力头的结构如图3所示，利用手轮来改 变马达的排量。
由于采用双马达联合驱动，调节马 达排量变化所导致的流量分配，由联合驱动齿轮自 动完成，不需要增加额外的流量分配装置。
图3高速动力头结构图钻机工作时，卡盘需要供油保持夹紧，因此，在 主轴上设置有配油套，配油套与主轴之间的旋转密 封为微间隙密封，由于密封间隙的存在，配油套与主 轴之间存在泄漏，长时间工作时，液压油会充满动力 头箱体。
高速旋转的齿轮副由于自身的发热及与液 压油摩擦生热会导致动力头箱体升温过快，需要强制冷却。
因此，该高转速动力头采用如图4所示的 热交换系统。
通过冲洗阀2将马达1回油管内较冷 的液压油引入动力头箱体3底端的进油口 4,并将动 力头箱体内的热油由顶部的出油口 5交换出来，达 到降温的目的。
•28•1 2 3 4 51一马达;2—冲洗阀；3—动力头箱体;4一进油口；5—出油口。
图4动力头热油交换系统示意图2.2钻机液压系统钻机的液压系统决定着钻机的工作性能[6]，该 钻机的液压系统原理如图5所示。
23456 7896,9—液控换向阀；7—卡盘;8—夹持器；10—夹持器控制阀；11一卡盘控制阀；12—功能选择阀。
图5钻机液压系统图系统由泵组1的3个泵供油：大泵为钻机旋转 供油,小泵为正常给进供油，恒压泵与单向阀组5组 成供油网络，控制卡盘、夹持器的动作。
恒压泵设定 压力为7 M P a,仅在钻机低负载时夹紧卡盘7或控制 夹持器8。
在系统负载变大时，大小泵可向该供油 网络补充高压油，以保证卡盘7、夹持器8的夹紧力。
由于钻机输出转速高，如果夹持器8动作不够 灵敏,在钻机动力头旋转启动瞬间，钻杆容易与夹持 器卡瓦发生摩擦而损坏。
为了安全起见，钻机旋转 马达3不宜与夹持器8联动操作。
因此，该钻机的 液压系统宜采用半联动的操作方式，即该系统在钻进 时，需手动操作夹持器8张开,再旋转动力头。
同时，该系统采用推进卡盘、夹持器联动，可以实现快速进 杆、快速退杆及快速卸扣等功能，方便操作。
系统还设置了夹持器控制阀10、卡盘控制阀11，以控制卡盘7及夹持器8单独夹紧及松开,增强钻 机的操作能力。
2.3钻孔姿态调节装置钻孔姿态调节装置结构如图6所示，主要由升 降机构、倾角调节机构、方位角调节机构及支撑锚固 装置等几部分组成。
1—回转减速器;2—提升套;3—支撑油缸;4—导柱；5—升降油缸;6—机架底座;7—方位回转器。
