刘旭①② LIU Xu；陶勇①② TAO Yong
（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 400039）
摘要： 针对矿用液压钻机的使用特点，结合现有钻机的液压系统，设计了ZYW-4000型矿用闭式系统钻机，并利用仿真软件AMESim对钻机实际工况进行了模拟仿真，然后对钻机进行了相应的实验室测试。仿真及实验结果表明，该闭式液压系统的效率比原系统有一定的提高，钻机工作稳定，为后续闭式系统在煤矿设备上的应用提供了依据。
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关键词 ： 矿用钻机；闭式液压系统；液压系统设计；高效率
中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）17-0120-04
基金项目：“十二五”国家科技重大专项 （2011ZX05041-002）。
作者简介：刘旭（1988-），男，四川内江人，硕士，主要从事矿用钻机研发工作。
0 引言
随着煤矿开采效率的逐步提高，煤炭开采对瓦斯抽放效率和能源利用率提出了更高的要求。目前国内外煤矿用全液压瓦斯抽采钻机液压系统均为开式系统，还没有出现由闭式系统驱动的钻机。闭式系统是一种效率较高的液压系统，其整体结构可以设计得更为紧凑，系统发热量更小，且传动稳定性更高。
1 钻机设计
1.1 结构设计
钻机主要含泵站、操作台、动力头及主机部分。其中泵站为动力源，主机为施工主体。
钻机主要设计参数见表1。
1.2 系统设计
开式系统就是泵从油箱吸油，其出口通常设置控制元件去控制执行元件动作，做完功的油液再回到油箱。
闭式系统中，泵的进出油管直接与马达的进出油管相连，油液在系统中进行封闭循环，大大减小了空气及其他固体杂质混入油液的几率，传动平稳性要好于开式系统。工作时，系统的变速及变向可操作泵或者马达的变量机构来实现，避免了开式系统的换向冲击及能量损失，系统整体效率高。
本文设计的矿用钻机系统如图1所示，采用萨奥-丹佛斯轴向柱塞闭式泵90R075HS与J45B串联；多路阀带负载敏感技术；采用末端定位的手柄控制排量；马达排量46-160ml/r。
2 系统数学模型
假设电机转速恒定，忽略流体的可压缩性，对系统进行数学建模。
按出厂实验标准，高速时对系统施加的斜坡量旋转负载，从第1s至第5s从0增加并稳定在1050Nm；低速时施加的负载大小为4000Nm。仿真结果如图3、图4所示。
由仿真结果看到，正反转加载时，系统的响应曲线重合度均较高，响应迅速，线性度非常好，与理论分析吻合。高速时系统启动有压力波动但很快稳定，正转波动比反转小；正反转空转压力2.28、2.31MPa，负载稳定后压力为21.5、21.7MPa；低速时系统启动稳定时间短于高速，正转短于反转；正反转空转压力1.86、1.90MPa左右，负载稳定后压力为22.8、22.9MPa。
4 整机研制及实验
样机于2014年3-7月加工完成并调试完毕后，于8-9月在国家煤矿防尘通风安全产品质量监督检验中心进行了性能实验，实验内容包括温升实验、负载实验及压力流量实验。
①空载温升试验。实验时钻机旋转、推进机构运转平稳，无异响声响和震动，操纵手柄灵活，定位可靠。系统调速、调压平稳，液压卡盘动作灵活、可靠。实验数据如表2所示。
②负载试验。钻机低速档运转，正反转工作压力分别为24.6、24.8MPa时，输出转矩分别为4002、4037.1Nm，转速分别为67、68r/min；钻机高速档运转，正反转工作压力均为分别为23.3、22.4 MPa时，输出转矩分别为1050.7、1053.1Nm，转速分别为250.7、247r/min。实验数据见表3、表4。实验结果表明，钻机性能稳定，各项技术指标均达出厂要求。
③压力-流量试验。对系统进行加载，同时调节泵的排量。实验数据如表5所示。
5 现场试验
钻机于2014年10-11月在重庆松藻煤电有限责任公司逢春煤矿井下+670三角道施工上山处进行了工业性试验。试验共钻孔29个，累计孔深8198m，其中孔深400m以上的能力孔6个，最大孔深427m。整个试验过程中，样机各部件运转正常，系统稳定，施工效率高，圆满地完成了工业性试验大纲规定的各项任务。
6 结论
①对空载实验数据分析来看，实验1小时内，大泵平均温度从38.8℃升高到60.1℃后相对稳定。小泵温升略高于大泵，但系统稳定后总温升小于普通钻机；压力-流量实验数据表明该系统具有良好的压力—流量特性。
②通过对比负载仿真和实验数据可知，闭式系统负载能力较好、负载时线性度较好，仿真结果和实验结果相符。系统实际最高效率可达63.1%（低速正转），大大高于普通钻机（一般在50%左右）。电机输入功率最大为49.9kW，有富余。
③现场试验表明钻机运行稳定，液压系统可靠，施工效率高。
综合来看，该钻机各项参数满足设计要求，闭式液压系统可靠，且温升及调速等特性优于普通钻机。在后续研发中可将串泵形式改为分动箱传动以降低系统温升，延长小泵寿命。
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