ZYWL-4000SY 自动钻机钻进机构故障分析

刘小华

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

随着国家智慧矿山建设的稳步推进，煤矿井下瓦斯抽放钻孔正在向自动化、智能化方向发展[1]。由中煤科工集团重庆研究院有限公司生产的ZYWL-4000SY 分体履带式自动钻机，是最先应用于煤矿井下瓦斯抽放钻孔施工的自动化装备。2016 年以来，已在全国多个矿井进行瓦斯抽放、探放水和防冲卸压等工程钻孔中推广应用[2-4]。ZYWL-4000SY 自动钻机可实现自动上下钻杆、一键全自动钻孔，大幅降低了工人的劳动强度，提高了钻孔施工的安全性，其自动化功能弱化了工人对设备的操作，但对设备维护和保养的要求更高。随着自动钻机的大量使用，各矿根据自身的特点，逐步形成了一套自动化钻孔作业流程，对设备的使用、保养和维护也摸索出一套行之有效的管理办法。

1 ZYWL-4000SY 自动钻机工作原理

ZYWL-4000SY 分体履带式自动钻机主要由泵车和主车构成[5]，其结构如图1 所示。

图1 ZYWL-4000SY 自动钻机结构Fig.1 Structure of ZYWL-4000SY automatic drilling rig

ZYWL-4000SY 自动钻机的泵车作为设备的动力部分，主要由电磁启动器、油箱组件、电动机和液压泵等组成，并采用履带车搭载，结构紧凑，运输方便。主车通过履带车搭载控制系统、钻杆容纳与转运系统、姿态调节系统、锚固系统、上下钻杆系统和钻进系统，用于机身的稳固、运输和钻孔操作。自动钻机在工作时，由遥控器发出钻进指令，电控系统根据预设程序，控制电磁阀对执行元件进行操作，实现自动上下钻杆和自动钻孔。

在钻进时，电脑程序控制副机械手将钻杆交给主机械手，主机械手再将钻杆送至夹持器中，动力头与夹持器配合进行接扣，然后通过动力头的旋转和推进，实现自动钻进操作。当钻进到不同的岩层或煤层时，电脑程序能根据传感器反馈回来的钻进参数变化情况，自动调整钻进速度，实现自适应钻进。卸钻时，电脑程序控制动力头和双夹持器进行卸扣，主机械手将钻杆从夹持器中取出并交给副机械手，副机械手再将钻杆放回钻杆箱中。

2 ZYWL-4000SY 自动钻机钻进机构

ZYWL-4000SY 自动钻机的钻进机构主要包含动力头的回转机构、机架的给进机构和双夹持器的接卸扣机构，如图2 所示。

图2 ZYWL-4000SY 自动钻机钻进机构Fig.2 Drilling mechanism of ZYWL-4000SY automatic drilling rig

动力头回转机构主要包含齿轮传动系统、动力头马达、主轴、主动钻杆、过渡盘与传扭销等零件。机架给进机构主要包含机架导轨、给进液压缸、托板、滑块和位移传感器安装座等零件。接卸扣机构即双夹持器，主要包含前夹持器、后夹持器、卡瓦、夹紧液压缸、摆动液压缸、保护套和旋转套等零件。钻进机构主要用于钻进、退钻、接卸扣，以及配合机械手进行自动上下钻杆等操作。

在钻进与退钻时，动力头带动钻杆与钻头进行顺时针旋转，再经机架的给进液压缸带动其前进或后退，从而实现钻进和退钻操作。在上钻杆时，主机械手要将新钻杆准确地送入夹持器中，夹持器夹紧钻杆后，还需将主动钻杆与新钻杆通过螺纹连接在一起。为保证主动钻杆的接扣操作能顺利完成，主动钻杆的中心线与新钻杆的中心线应尽可能重合。在正常钻进和接卸扣时，动力头在机架导轨上通过滑块与托板相连，推进液压缸带动托板和滑块在导轨上前后移动。

钻进机构作为自动钻机最重要的组成部分，在长时间运行后，会逐渐磨损，从而对整个钻机产生影响。

3 钻进机构的故障现象

以淮南矿业集团张集北矿为例，该矿自2020 年 7月开始，在14146 底抽巷集中使用了3 台 ZYWL-4000 SY 分体履带式自动钻机，并组建成自动钻孔作业线。张集北矿所用自动钻机主要施工卸压穿层钻孔，钻孔倾角为 10°～74°，钻孔深度为 42.5～161.7 m。

3 台自动钻机于2020 年7 月1 日开始拆解运输，7 月10 日在井下组装完成并开始调试、培训和试运行，从7 月25 日开始进入正常生产化运行。随着钻机的使用，钻机逐渐出现故障，尤其钻进机构的故障较为多见。主要现象有：

（1）主动钻杆晃动，偶尔出现断裂现象；

（2）动力头前端盖漏油；

（3）夹持器的保护套和旋转套磨损严重；

（4）位移传感器连接座出现变形断裂；

（5）钻杆螺纹磨损严重。

截止2021 年8 月，ZYWL-4000SY 分体履带式自动钻机已在张集北矿连续运行超过1 a，由于故障频率越来越高，需要花更多的时间对钻机进行停机检修和处理，影响生产效率。

4 故障点拆解情况

为保障自动钻机的正常运行，对钻进机构的故障点进行了拆解，发现有以下情况：

（1）主动钻杆丝扣从根部断裂；

（2）过渡盘和销轴磨损严重，间隙较大；

（3）动力头前端盖骨架油封损坏；

（4）夹持器旋转套和保护套下端磨损较严重，上端几乎没有磨损；

（5）位移传感器连接座向上弯曲变形；

（6）滑块与轨道间隙较大，约为6 mm。

故障部位拆解情况如图3 所示。

图3 现场拆解情况Fig.3 On-site disassembly

5 故障原因分析

通过拆解分析并结合现场钻机的使用情况发现，造成钻进机构出现故障的主要原因如下：

（1）主动钻杆晃动，主要是销轴和过渡盘磨损过度造成；

（2）动力头前端盖漏油，是其内部骨架油封损坏造成；

（3）夹持器保护套与旋转套下端过度磨损，主要原因是钻杆在旋转时因自重而向下偏转，从而摩擦保护套与旋转套的下端；

（4）滑块的过度磨损，使主动钻杆中心线向下偏移，位移传感器的活塞杆受到一个向下的径向力，导致位移传感器安装座受到活塞杆向上的反作用力，因此安装座会向上变形；

（5）主动钻杆中心向下偏移，也会导致主动钻杆在接卸扣时损伤其丝扣，同时也会加速钻杆丝扣和夹持器旋转套的磨损。

6 故障处理与改进方向

结合故障现象和原因分析，可从两方面进行改进：一是从使用与维护方面进行改进，另一方面对设计进行优化。

6.1 使用与维护

（1）在钻机的使用过程中，每班在轨道上涂抹润滑脂，以提高滑块的使用寿命；

（2）每班在钻杆丝扣上涂抹丝扣油，降低钻杆与主动钻杆的丝扣磨损；

（3）随时观察主动钻杆的晃动情况，若晃动过大，应及时检查过渡盘和销轴的磨损情况，及时更换；

（4）每天至少紧固1 次动力头与滑块、主动钻杆与动力头、夹持器与机架的连接螺栓；

（5）每周检测1 次夹持器保护套和旋转套，若有过度磨损，应及时更换；

（6）每周检测1 次动力头滑块与导轨间的间隙，若间隙大于3 mm，应及时更换。

6.2 设计优化

（1）主动钻杆的外螺纹接头可采用抗磨能力更强的材料，提高耐磨性；

（2）提高拉线传感器安装座的强度，增加腰形孔长度，减小安装座所受的径向力影响；

（3）在滑块允许的极限磨损位置做标记，方便观察和提示更换。

7 结语

设备的自动化功能弱化了对设备的操作要求，但对设备维护和保养提出了更高的要求。自动钻机使用最频繁的钻进机构，其损耗不可避免，需要根据实际使用情况，随时观察运行状态，及时更换磨损的零件，以防设备发生故障影响生产。采用标准化管理，提高使用和维护水平，是自动化设备正常运行的前提和保障。