立井抓岩机的研究与改进

　　HK型靠壁式抓岩机由地面绞车单独悬吊，不受吊盘影响，但每次作业前需将机身通过锚杆固定在井帮上。当井帮围岩松软时，抓岩机很难固定。因此，这种抓岩机不适于煤炭系统凿井使用，即使冶金系统现在也很少使用。
HH型环形轨道抓岩机曾在大屯、兖州、开滦等矿区应用，并在钱家营矿副井表土段施工中取得月成井122m的好成绩。但由于这种机型的环形轨道尺寸固定，不适于变井径井筒。而且在抓岩时常出现环形轨道随吊盘倾摆，致使抓斗不能到位投抓。因此，该机在近年已不生产。
HZ型中心回转抓岩机性能可靠，机动灵活，故障率低，适用于不同井径的井筒。因此，这种抓岩机自研制成功以来，一直成为煤炭、冶金系统主要使用机型。但从众多施工单位使用情况看，这种抓岩机也存在急需解决和改进的问题。

2　HZ中心回转抓岩机存在的问题
　　(1)变幅机构推力油缸损坏严重。HZ型中心回转抓岩机推力油缸采用普通的双作用油缸。油缸中的液压油采用气液增压器加压，只有下腔通液压油，而上腔则与大气相通。因为井下空气潮湿，油缸上腔极易锈蚀，密封圈损坏严重，厂家在生产HZ-6B型中心回转抓岩机时，也没有采用有效的方法解决这个问题，而由不清洁的机架管腔代替附油箱，油中杂质又极易损坏下腔和活塞。为此，常常需要充足的备件更换。更换油缸或密封件不仅影响掘进工时，而且油缸备件费用十分昂贵。
(2)提升钢丝绳跳匝。由于HZ型中心回转抓岩机以凿井吊盘为机架，司机操纵室一般距工作面20m左右。由于井下照明条件有限，加之水雾大，致使抓岩机司机视野不清，抓斗落地后很难准确控制松绳量。松绳量过小，抓斗不能抓满矸石；松绳量过大，常发生钢丝绳跳匝咬绳现象，不仅增加了抓岩机维修量及更换钢丝绳的费用，而且严重地影响了抓岩效率。
(3)原机配套的抓斗耐用度低。原机配套的0.6m³抓斗耐用度低，使用寿命短，主要表现为气缸拉伤、连杆折断、抓片变形、耳子断裂、抓尖脱落、U型环和销轴损坏十分频繁。一般整机在不间断维修和大量更换备件的条件下，累计抓岩量也不足10 000m³。
以上这些问题，严重影响抓岩生产率，浪费抓岩工时。据统计，在平顶山六矿二水平进风井施工中，抓岩机故障时间占总掘砌循环时间的5%，其它矿区抓岩机故障率更高。因此，如果能全面系统地解决上述问题，其技术经济效益是十分显著的。

3　中心回转抓岩机结构与性能的改进
　　提高抓岩机主机的机械化程度，研究抓岩阻力的变化规律，减少抓斗及其它部件的故障率是近几年国内抓岩机的主要攻关目标。
针对目前HZ型中心回转抓岩机存在的问题，煤科总院北京建井研究所与太原矿山机器厂合作，成功地研制开发了HZ-6C型中心回转抓岩机。HZ-6C型中心回转抓岩机比HZ-6型抓岩机有以下几点改进。
3.1　增加了抓斗自动降控系统
在原HZ型抓岩机气动控制系统基础上增加了具有传感和执行功能的钢丝绳气动自动降控装置。其主要动作原理是，当抓斗落地失重后，由自动降控装置中的顶杆压向机控阀的操作钮，机控阀换向并将压缩空气送进延时阀控制口，经延时后，气控单向阀控制口通大气，由气控单向阀截止气源，提升马达断气停车。延时阀的延时时间可根据掘进工作面的矸石量和抓岩机司机的熟练程度自由调节，一般为3～10s。
在抓岩机上安装上述自动降控装置及其配套的控制阀后，司机只要将抓岩机操作阀打到抓斗下放位置，抓斗落地完成下挖动作后，18.64kW气马达则会自动停车，然后可进行抓斗抓岩闭合、提升、张开等操作，从根本上解决了司机在抓斗落地后停车控制难、钢丝绳易损坏断绳等问题，实现了自动控制抓斗下放、落地、下挖、停车等全过程，使我国抓岩机向自动化方向又迈进了一步。
3.2　改进变幅机构推力油缸
为了彻底根除推力油缸锈蚀、拉伤及漏油现象，研制了自润滑闭路循环油缸。自润滑闭路循环油缸与普通双作用液压缸不同之处在于液压缸的活塞杆空腔储有润滑油并与推力液压上腔相通。当来自增压缸的高压油经控油阀进入液压缸下腔时，活塞杆向上伸出使抓岩机大臂上摆，液压缸上腔的润滑油被活塞压入到活塞空腔内；当抓岩机大臂下摆时，液压缸下腔回油至增压缸，油缸活塞下移。在大臂及抓斗的重力作用下，活塞杆空腔内的润滑油被吸回到油缸上腔，如此循环，实现液压缸上腔闭路润滑。为了减小活塞与液压缸的运动阻力，在活塞杆端部设有呼吸器。在呼吸器内部装有防溢片，保证进入活塞杆空腔的油不被溢出，同时有效阻止了污物进入活塞杆空腔。
3.3　引入DTQ6型抓斗
DTQ型系列抓斗为煤科总院北京建井研究所研制开发的新一代多瓣式气动抓斗，该抓斗采用了具有局部自由度的五杆机构的组合结构。抓岩时，当两相邻抓片遇有夹石或被石块卡阻时，其余抓片仍能借助抓斗机构的多余活动度而实现差动闭合。这样一方面提高了抓斗的抓满系数，另一方面使抓斗各构件始终保持均等受力状态。所以，抓斗的耐用度明显高于原机配套抓斗。据在大同矿务局四台沟工程处进行的耐用度跟踪考核试验结果表明，该抓斗曾创累计抓岩近40 000m³而未更换主要零部件的纪录，达到国内同类抓斗使用寿命的4倍。所以，引用DTQ6型抓斗后，使抓岩机的综合机械性能得到了大幅度的提高。
DTQ6型抓斗之所以经久耐用，很重要的一点是在设计方法上改变了传统的做法。国内抓斗的传统设计方法或沿用前苏联50年代提出的计算理论，或进行简单的类比设计，致使抓斗结构设计不合理，抓岩效率不高，使用寿命低。煤科总院北京建井研究所在对抓斗抓岩过程中的抓岩阻力矩进行测试研究基础上，建立了抓岩阻力及阻力矩的数学模型。经过实测，DTQ6型抓斗工作时的动力特性符合实际工况条件，因此在不增加气缸直径和重量的情况下，抓岩效率高，使用寿命长。
通过改进形成的HZ-6C型中心回转抓岩机的技术性能明显优于HZ-6型抓岩机。由于HZ-6C型抓岩机能自动控制抓斗落地动作和时间，既杜绝了钢丝绳跳匝现象，又提高了抓岩机的自动化程度，从而提高了抓岩机的生产效率。据测试，HZ-6C型抓岩机的实际技术生产能力达到75m³/h。

4　结　语
综上所述，国内抓岩机的研制从引进到仿制，从消化吸收到自行开发，取得了令人满意的成果。纵观立井施工技术的发展趋向，抓岩机还需从以下几个方面进行改进提高。
(1)将抓岩机操作系统移到井筒工作面，实现离机遥控操作，提高抓岩机工作效率，避免误操作。
(2)对抓岩机关键元部件进行技术攻关，提高设备的可靠性。
(3)研制适于抓岩机配套的消声装置，降低工作面噪声，改善抓岩作业环境。
(4)减轻抓岩机重量，减小机器外形尺寸，最大限度地减少占用井筒有效空间。

作者单位：煤炭科学研究总院，北京，100013

作者简介

　　姜　利，男，1960年生，高级工程师。1983年毕业于阜新矿业学院，现从事科研管理工作，已发表论文10余篇。