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针对链条加压方式设计全液压无链回转加压装置
2014-10-17
牙轮钻机是国内外露天矿山广泛采用的一种高效穿孔设备。国外研制牙轮钻机起步早,种类多,规格全,技术水平高,制造厂家多。在国外牙轮钻机市场上,美国比塞洛斯公司(B-I)、钻进技术公司(Dritech)、英格索兰公司(IR)、P&H公司、里德钻进设备公司(Reedrill)、瑞典山特维克公司(Sandvik)占据主导地位...
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牙轮钻机是国内外露天矿山广泛采用的一种高效穿孔设备。国外研制牙轮钻机起步早,种类多,规格全,技术水平高,制造厂家多。在国外牙轮钻机市场上,美国比塞洛斯公司(b-i)、钻进技术公司(dritech)、英格索兰公司(ir)、p&h公司、里德钻进设备公司(reedrill)、瑞典山特维克公司(sandvik)占据主导地位;我国自60年代开始研制牙轮钻机,已形成ky和yz两大系列,目前国内主要生产制造厂家有南昌凯马和中钢衡重。随着现代牙轮钻机相关技术的发展,针对国内牙轮钻机种类单一,更新换代缓慢,近年来一些新兴企业也加入了研制新型牙轮钻机的行列,他们借鉴国外先进技术,大胆创新,取得了一些显著成果。例如,采用液压马达驱动行走机构、提升加压机构、回转机构等,采用视频系统监控牙轮钻机内、外部运行环境情况等。

1.技术背景

牙轮钻机加压方式主要有:链条齿轮齿条、无链齿轮齿条、油缸链条、油缸钢缆索等。我国生产使用的牙轮钻机仍然采用链条齿轮齿条加压,由于链条过长,工作过程中容易发生跳链及摆动扭曲现象。不但影响链条寿命,还易出现链条断裂事故,造成人身设备伤害。同时链条维护困难,特别是在北方非常寒冷的冬季,链条维修几乎无法进行。为了解决链条断链问题,长沙矿山研究院与衡阳有色冶金机械总厂曾联合对yz-35牙轮钻机的主机构进行过技术改造的研究,但并未生产投入使用。现依据美国b-i公司生产的49-r牙轮钻机,结合现代液压技术,研制了新型全液压无链回转加压装置。

2.工作原理

原yz系列牙轮钻机的提升加压机构(主机构)采用的是浮动的、悬挂式变速箱结构,该机构上装有一台交流变频电机和一台液压马达。电机经一级齿轮减速,由提升加压轴上的小链轮带动封闭链条,通过回转小车上的大链轮实现快速提升或下放;液压马达经三级齿轮减速将动力传递给提升加压轴(与快速提升或下放共用),由链轮链条来实现慢速提升或加压。

新型全液压无链回转加压装置将提升加压机构与回转小车集成为一体,取消了链轮链条、提升加压交流变频电机、回转交流变频电机,简化了结构。提升加压机构采用两个不同的液压马达,其中一个液压马达排量大,额定扭矩大,经过两级减速,可实现该新型全液压无链回转加压装置及钻具的快速提升或下放;另一个液压马达排量小,额定扭矩小,经三级减速,可实现穿孔作业时对钻具的加压和回转加压装置的慢速提升。回转小车采用两个液压马达,共同驱动钻具实现钻具回转运动。新型全液压无链回转加压装置总体结构如图1所示:

图1  新型全液压无链回转加压装置总体结构

图1  新型全液压无链回转加压装置总体结构

1.回转减速机        2.回转液压马达            3.提升加压减速机

4.加压液压马达      5.闸带式制动器            6.钳盘式制动器

7.滚轮组            8.加压小齿轮              9.提升液压马达

10.左右支架

3.结构设计

3.1提升加压减速机的设计

全液压无链回转加压装置完全取消了传统的封闭链条和主传动机构,采用齿轮—齿条式提升加压系统,提升加压减速机与回转减速机安装在同一个支架上。提升加压减速机采用两个高速液压马达做动力源,分别实现回转加压装置的快速提升或下放、慢速提升或加压作业。提升加压减速机结构如图2所示:

图2  提升加压减速机结构图

图2  提升加压减速机结构图

1.加压液压马达    2.加压马达轴(z1)   3.加压离合器   4.齿轮ⅲ(z2)

5.加压第一中间轴(z5)    6.加压小齿轮    7.制动轮     8.齿轮ⅰ(z6)

9.提升加压轴      10制动盘      11齿轮ⅱ(z4)     12.提升液压马达

13.加压第二中间轴(z3)

提升加压传动参数见表1所示:

表1 提升加压传动参数

传动级

一级

二级

三级

齿轮齿条

齿轮

z1=17

z2=97

z3=15

z4=100

z5=15

z6=64

z=14

模数

4

5.5

9

15

传动比

5.706

6.667

4.267

3.2回转减速机的设计

    无链回转加压装置的回转减速机采用了双液压马达作为动力源,共同驱动钻具实现回转运动。回转减速机结构如图3所示:

图3  回转减速机结构图

图3  回转减速机结构图

1.齿轮轴ⅰ(z1)        2.齿轮ⅱ(z2)        3.齿轮轴ⅲ(z3)

4.中空轴                5.齿轮ⅳ(z4)        6.回转液压马达

回转减速机传动参数见表2所示:

表2  回转减速机传动参数

传动级

一级

二级

齿轮

z1=18

z2=76

z3=13

z4=59

模数

5

8

传动比

4.222

4.538

4.选型与计算

4.1液压泵的选择

由于牙轮钻机穿孔工作时,不需要行走。因此全液压无链回转加压装置与液压行走系统共用一台斜盘式双联变量柱塞泵(排量为2×140ml/r),该泵上插装一个双联齿轮泵(排量为40+32 ml/r),整个液压系统由一台交流电机(转速1480r/min,功率110kw)驱动。行走时,双联变量柱塞泵分别给两条履带行走马达供油;快速提升或下放时,双联变量柱塞泵合流给提升马达供油,双联齿轮泵给回转马达供油;穿孔作业时,双联变量柱塞泵合流后给两台回转马达供油,双联齿轮泵给加压马达供油。

4.2液压马达的选择

    回转减速机采用双液压马达驱动,同时考虑回转速度为90r/min左右,选用型号为a2fe107液压马达(当量扭矩1.7n·m/bar)做为回转动力源;该全液压无链回转加压装置自身重量大,一方面有利于增大穿孔时的轴压力,另一方面需要的提升力较大,因此选用型号为a2fe160液压马达(当量扭矩2.54n·m/bar)做为提升动力源;选用型号为a2fe80液压马达(当量扭矩1.27n·m/bar)做为加压动力源。

4.3主要技术参数的计算

该全液压无链回转加压装置自身重量约7.1t,钻具(包括减震器、两根钻杆、稳杆器、钻头)约4.2t,提升总重量g=11.3t,加压齿轮分度圆直径为210mm。双联变量柱塞泵压力设定为25mpa,双联齿轮泵压力设定为10mpa与20mpa(低于10mpa时双泵供油,高于10mpa时由32 ml/r的单泵供油),取背压为2.5mpa,容积效率为0.9。

4.3.1快速提升

4.3.1.1提升力

快速提升总速比i1=28.44

提升马达输出扭矩mt=571.5 n·m

提升力t=155kn

4.3.1.2提升速度

当提升11.3t的该无链回转加压装置时,

提升马达需输出扭矩m1=417.2 n·m

系统压力为18.9mpa,根据双联变量柱塞泵流量压力曲线图得,此时单泵输出流量为148l/min。

提升马达转速n1=1850r/min

提升速度v1=42.9m/min

4.3.2慢速加压

4.3.2.1加压力

慢速加压总传动比i2=162.3

加压系统压力为20mpa时

加压马达输出扭矩mj=222.3n·m

加压力p1=344kn

轴压力f1=457kn

为了防止轴压力过大,影响齿轮齿条以及钻具寿命,通过调节压力来限制最大轴压力,取轴压力为400kn。

此时,加压系统压力为17.1mpa。

当加压系统压力为10mpa时

轴压力f2=260kn

4.3.2.2加压速度

当系统压力大于10mpa时

加压马达转速n2=533r/min

加压速度v2=2.2m/min

当系统压力小于10mpa时

加压马达转速n3=1199r/min

加压速度v3=4.9m/min

4.3.3回转

4.3.3.1回转扭矩

回转总传动比i3=19.16

单个回转马达输出扭矩mh=382.5n·m

回转扭矩m=14.7kn·m

4.3.3.2回转速度

回转马达转速n4=1743r/min

回转速度n=91r/min

5.结论

5.1该装置集成了提升加压减速机、回转减速机,保留了闸带式制动器,增加了钳盘式制动器。该装置取代了封闭链条齿条式回转加压系统,简化了系统结构,即加大了提升速度,又利用了整个装置重量的增加增大了轴压力。同时提高了钻进速度,在矿岩硬度较低的情况下,穿孔速度为原来的2.2倍。

5.2该装置可减小由于链条摆动引起的小车振动和飘移,加压平稳,钻具承受的载荷稳定,提高了钻具、钻架的使用寿命。由于取消了封闭链轮链条,消除了由链条断裂、链轮磨损造成的人身设备事故,降低了设备故障率,提高了牙轮钻机的使用效率。

5.3该装置取消了两个交流变频电机,电气系统减少了两套变频调速系统,降低了整机制造成本。同时简化了控制方式,易实现恒轴压、恒转矩工作,整机运行平稳,穿孔作业更智能高效。装机容量降低了62kw,从而减少了电能消耗,大大节约了穿孔成本。

5.4该装置同样适用于国产ky系列及进口牙轮钻机的技术改造,该装置的推广实施提高了国产牙轮钻机的装备水平,为国产全液压牙轮钻机的开发打下了坚实的基础。

5.5由于在提升和加压马达油路上均采用了平衡阀,有效防止了因提升抱闸失灵回转小车快速下坠事故的发生。

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