大龙论文36：液压整体迈步式凿井吊盘的设计研究

发布时间:2024-05-19

液压整体迈步式凿井吊盘的设计研究

刘 杰^1，2,邱天德^1，2,龙志阳^1，2,王子雷^1，2

（1 天地科技建井研究院，北京，100013；2 北京中煤矿山工程有限公司，北京，100013）

摘  要：介绍了立井液压整体迈步式凿井吊盘的工作原理、液压迈步装置和牛腿布置形式，以及可实现吊盘迈步行走的集中控制、自动控制和安全控制的液压系统。液压整体迈步式凿井吊盘在矿山千米深井施工中的推广应用，可带动深井凿井技术水平的提高，保证施工安全，降低工程成本。

关键词：立井；液压；迈步式；凿井吊盘；千米深井

中图分类号：TD262.3      文献标识码：A     文章编号：1002-6029（2013）03-0005-04

近10年来，天地科技建井研究院开发研制了液压伞形钻架和配套的液压凿岩机，用于5～6m深孔光面爆破凿岩作业，1m³中心回转式液压抓岩机装岩，4m高液压整体金属模板浇筑混凝土井壁。最近，又新开发研制了液压整体迈步式凿井吊盘，提高了立井施工装备液压技术应用水平。

根据千米深井快速凿井需要而研发的液压整体迈步式凿井吊盘，不用地面稳车悬吊，靠牛腿插入井壁预埋盒中支撑；可自行调平找正和液压迈步移动，节省了稳车及钢丝绳，简化了地面和井筒内设备布置^[1]。

1  液压整体迈步式凿井吊盘结构设计

液压整体迈步式凿井吊盘荷载由插入井壁预埋盒中的牛腿支撑，吊盘装置可沿井壁做竖直运动，进行砌壁。吊盘由上层盘、加强环、迈步盘、下层盘、迈步油缸、牛腿、立柱、液压泵站及液压控制系统等组成，如图1所示。上层盘是主要承载盘，盘下方沿环向布置8只可伸缩运动的承载牛腿，承受上层盘及其上面设备的重力荷载。迈步盘结构与上层盘基本相同，其径向同样装有8只牛腿。加强环起到稳定结构作用。下层盘除原有的安装抓岩机等功能外，还起着增加整个吊盘刚度的作用。立柱起着连接吊盘整体结构及迈步运动时的导向作用。上层盘通过立柱与下层盘连接，迈步盘与上层盘间通过迈步油缸连接。迈步油缸的伸缩，使迈步盘沿着立柱做往复运动，实现迈步功能。模板由钢丝绳悬挂在迈步盘上，随着迈步盘做上下运动。图1 液压整体迈步式凿井吊盘结构

1—上层盘；2—牛腿；3—迈步油缸；4—立柱；

5—加强环；6—迈步盘；7—液压泵站；8—下层盘；

9—模板悬吊钢丝绳；10—模板；11—预埋盒

2 液压整体迈步式凿井吊盘工作原理

当迈步式凿井吊盘下行砌壁时，上层盘在第1层预埋盒位置，上层盘牛腿伸入预埋盒中撑紧。如图2所示，吊盘迈步分4步：

第1步，当工作面爆破出矸达到1个支护段高后，平整工作面矸石，使其基本水平；然后用快速接头连通油泵与迈步式凿井吊盘液压油路，开动油泵，给模板伸缩油缸供油，使模板收缩，脱离井壁；随后给迈步油缸供油，迈步油缸向下伸出，迈步盘用钢丝绳组悬吊着模板，缓慢下落到工作面矸石上。

第2步，收缩迈步油缸，直到收紧悬吊模板的钢丝绳，使模板找平；再给模板伸缩油缸供油，使模板扩大至井壁直径尺寸。随后将模板预埋盒安装在模板主体上，开始浇筑混凝土。

第3步，待浇筑混凝土完成后，收回迈步盘牛腿组，给迈步油缸供油，缓慢下放迈步盘到第4层预埋盒位置，将迈步盘牛腿伸入井壁预埋盒中撑紧并受力。

第4步，继续给迈步油缸供油，将上层盘托起一点，将上层盘上的牛腿收回。然后收缩迈步油缸，将上层盘下放到第2层预埋盒位置，将上层盘上的牛腿伸入井壁预埋盒中撑紧。至此，1个下行砌壁循环即告完成。

3 牛腿布置形式

为不影响正常施工与效率，迈步式凿井吊盘结构基本上与常规凿井施工所用的吊盘相似。上层盘牛腿和迈步盘牛腿分别焊接在各自盘面下方，其伸缩方向和迈步油缸位置如图3所示。牛腿布置避开立柱、迈步油缸、主（副）提喇叭口、部分钢丝绳等位置。左面3个牛腿与右面3个牛腿对称布置；另外2个牛腿因要避让主（副）提喇叭口，采用不对称布置方式。图2 迈步式凿吊盘工作原理图3 迈步式凿井吊盘牛腿及迈步油缸布置

1—主提喇叭口；2—牛腿、3—副提喇叭口

4 迈步式凿井吊盘液压系统

液压系统是液压迈步式凿井吊盘实现动作的关键。因工作环境恶劣，液压系统除需满足实现规定动作的要求外，还需克服井下严格防爆、粉尘多、不便使用水冷、维修不便等困难。要求液压系统节能、高效，以减少系统发热；尽量少使用电控元件；液压阀、管接头和胶管耐磨耐脏；液压元件安装集中有序，并留出检修空间。

4.1  迈步式凿井吊盘液压系统性能要求

（1）由于迈步油缸垂直安装，整个吊盘重量都施加在其上面。吊盘下降时，在重力作用下自行下落，要求具有平衡措施，使迈步油缸可以在任意位置停止。为了使牛腿油缸定位准确，迈步油缸停止时，应防止窜动。

（2）各组油缸运行到位后，应采取卸荷措施，使油泵处于无负荷运转状态，以延长油泵寿命，节省动力消耗，降低系统发热，提高系统效率。

（3）为防止牛腿油缸误操作而动作，发生坠盘的重大事故，要求牛腿油缸互锁。即2组牛腿油缸，只能单独动作。

（4）6个迈步油缸应同步动作，防止吊盘倾斜或液压缸与加强环卡死，导致变形过大，产生机械损伤。

（5）液压系统操作阀的安装，应便于井下施工。

4.2  液压系统设计

根据迈步式凿井吊盘液压系统性能要求，迈步式凿井吊盘运行工况及负载情况，设计了迈步式凿井吊盘液压系统，其原理如图4所示。工作油泵为轴向柱塞泵b、c，控制油泵为齿轮泵a。油路压力由多路阀内的溢流阀调定。 
图4 迈步式凿井吊盘液压系统原理

1—三联泵；2—多路阀；3—压力表；4—双向液压锁；5—平衡阀；6—外泄式液控单向阀；

7—管路防爆安全阀；8—迈步油缸；9—同步分流马达；10—牛腿油缸；

11—液控单向阀；12—调速阀

（1）迈步油缸锁紧方案

如图5所示，由平衡阀产生背压，将双向液压锁置于平衡阀之前，无背压回油，可实现有效锁紧。为防止油管爆裂，在油缸油口设置管路防爆安全阀，直接装在液压缸上。双向液压锁起到锁紧作用，管路防爆安全阀起到安全作用。在平衡阀上，并联液控单向阀，吊盘下行（包括迈步盘下行与上层盘下行）时，液控单向阀仅起单向阀作用，设置回油背压，可有效防止失速。吊盘上行（包括迈步盘上行与上层盘上行）时，液控单向阀控制油路通油，将单向阀打开，短接平衡阀，无背压回油，可降低能耗与发热。图5 迈步油缸锁紧与调速方案

（2）迈步油缸同步方案

采用简单的同步分流马达系统，同步精度可达1.5%～3.5%，压力损失小。影响这种回路同步精度的主要因素有：①同步马达由于制造上的误差而引起的排量差别；②由于液压缸负载不同而引起的各马达泄漏量不同及摩擦阻力不同等。

本系统采用同步分流马达同步回路。六联同步分流马达原理如图6所示。

无论同步元件的分流精度多么高，总要有分流误差，而且误差会积累，因此必须修正误差。同步分流马达在液压缸行程到达终点时，可消除同步误差。即使回路中有1只液压缸已经提前完图6 六联同步分流马达原理

成了整个行程，其他液压缸仍可以继续完成其工作行程。

（3）牛腿油缸互锁方案

考虑到迈步式凿井吊盘的工作方式及安全性，要求正常工作时，牛腿油缸互锁。即上层盘的一组牛腿油缸必须全部伸到井壁预埋盒内设计位置，迈步盘的一组牛腿油缸才允许缩回；反之亦然。采用上层盘与迈步盘的牛腿油缸互相进行行程控制的方式，来解决此问题。

牛腿行程控制原理如图7所示。在牛腿底部开1个带有坡角的方形口，利用滚轮式两位三通换向阀控制油路通断。只有当一组牛腿伸出至井壁预埋盒内设计位置，滚轮及其顶杆落下时，油路才能接通，为另一组牛腿油缸供油。图7 牛腿行程控制

1—牛腿座；2—牛腿油缸；3—牛腿；

4—滚轮式两位三通换向阀；5—单向阀；

6，7—截止阀

5 结    语

在开发研制立井液压整体迈步式凿井吊盘过程中，针对其工作原理、凿井施工实际工况要求，通过迈步油缸锁紧方案、同步方案，以及牛腿油缸互锁方案，实现了凿井吊盘迈步行走的集中控制、自动控制和安全控制。液压整体迈步式凿井吊盘在矿山千米深井施工中的推广应用，对促进我国建井技术发展，提高建井技术水平具有重要意义。

[参考文献]

[1]龙志阳，桂良玉.千米深井凿井技术研究[J].建井技术，2011，32(1/2)：15-20.

作 者 简 介

刘 杰(1983—)，男，河北邯郸人，助理工程师。2007年6月本科毕业于天津大学机械工程系，2010年6月硕士研究生毕业于中国矿业大学（北京）机械设计及理论专业，一直从事井巷技术与煤矿紧急避险系统研发及应用工作。