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【摘 要】在目前国内煤矿建设中，钻机是一种被广泛应用的钻探设备。主要用于矿井内部，钻探各种角度的探放水孔、地质构造孔、防突解压孔、瓦斯抽排放孔及其他用途的各种工程用孔等，具有广泛的使用范围。钻机拥有许多优点，比如体积小、灵活、运输方便，但与此同时也存在着一些不足：其某些方面的自动化程度不够高，尤其是在换杆的过程中，完全需要人力去实现，这导致了效率的降低以及成本的增加。因此，笔者以ZDY1900S型全液压钻机为例，提出一种钻杆续接机构的设计，实现钻机自动连续换杆，并利用Solidworks进行三维仿真，本文着重介绍续接机构的机械设计部分。
【关键词】煤矿钻机；钻杆续接；精确性；三维仿真
引 言
我国目前存在钻探设备陈旧老化，自动化程度低，技术方法落后，钻探效率低等现状[1]，同时我国也是一个产煤大国。例如山西、内蒙古、陕西、新疆等蕴含丰富的煤炭资源，但是我国煤矿开采技术，特别是一些中小型煤矿抽排瓦斯的技术低，探放水设备落后，矿难发生次数居高不下[2]。2009年，我国煤炭百万吨死亡率降至1以下为0.892，随后逐年下降，2013年降至0.288。但是，与世界发达国家相比仍存在较大差距。美国作为世界第二大产煤国，其过去10多年来百万吨死亡率长期控制在0.1以下，特别近几年来，百万吨死亡率降到了0.03。澳大利亚作为世界上第4大产煤国和最大的煤炭出口国，每百万吨死亡率仅为0.014左右。因此我国与其他发达国家相比，仍然存在很大差距。
煤矿井下是发生煤矿事故的最主要地点，减少井下作业人数、提高作业效率，是保证安全的最有效途径。钻机作为煤矿井施工的重要设备，其先进程度成为制约工作安全可靠的决定性因素。ZDY1900S型全液压钻机是一款先进的钻机，具有多功能性，钻机的整体设计方案与其功能性特点非常符合煤矿井下施工，比如钻探地质构造孔、探放水孔、防突解压孔、瓦斯抽排放孔及其他用途的各种工程用孔等，具有广泛的使用范围。但是该液压钻机在换杆方面仍有很大的改进提升空间。在超前预报的施工工艺中，在动力头的加压力作用下，一根钻杆施工完成后，由钻机的加紧装置可以进行自行卸杆，然后经人工装好另外一根钻杆后，钻机才能继续作业[3]。其换杆的方式完全依靠传统的人工手动的作业方式，不仅浪费了大量的人力和时间，而且在凿岩工作面上的危险性也是相当大的。为了降低工人的作业量，保证施工安全，在现有的多功能钻机基础上设计了钻杆续接机构，目的在于保证安全的基础上提高工作效率。
一、续接机构的的工作原理
钻杆续接机构的工作主要分为两个过程：一是钻杆在储杆装置中拦截和释放的过程，二是钻杆在释放后被运送到指定位置的过程。两个过程按顺序协调进行，共同完成钻杆的换杆工作过程。
（一）钻杆在储杆装置中的运动过程
1.钻杆在初始时被前面钻杆挡板截止，阻止钻杆向下运动。
2.双向液压缸向上方运动时，前挡板向上运动，释放前面的钻杆，与此同时后面的挡板也向上运动，从而阻止后面的钻杆向下运动。
3.完成一次换杆动作后，重复以上的动作，即可达到连续换杆，储杆装置一次可以储存6根钻杆，使用者可根据储杆装置内钻杆数量随时添加新的钻杆即可。
通过这样的往复动作，并且两挡板之间的距离为一根钻杆的直径，这样以达到一次释放一根钻杆的目的。
（二）钻杆被运送到指定位置的运动
1、钻杆通过储杆体被运送到夹持手臂上，夹持手臂的液压缸伸出，加紧钻杆。
2、伸缩液压缸缩进，由于伸缩液压缸活塞杆端部与夹持手臂底座是螺纹连接，所以，其缩进是带动夹持手臂运动，使得夹持手臂端部远离储杆体端部，防止在摆动过程中与储杆体发生干涉。
3、摆角油缸桶过伸缩液压缸的支架，带动夹持手臂及伸缩液压缸摆动。由于摆角油缸最大摆动角度为，所以选定摆角油缸初始的角度为水平方向，摆动角度为。到达指定位置时，钻机的动力头推进到钻杆端，旋转，动力头连接套连接钻杆。
4、钻杆连接结束后，夹持手臂的液压缸缩进，松开钻杆，摆角缸反方向摆动到初始的位置。伸缩液压缸伸出。这样一次换杆的工作过程结束。
上述步骤结束之后，再重复第一个工作过程。反復循环上述的两个工作过程，就可以有序的实现钻杆续接的工作。
二、续接机构的零部件设计
（一）储杆装置的设计
设计储杆装置的目的是为了满足换杆机构的连续性，避免浪费人力劳动进行装杆的工作，同时不需要人工直接换杆，只需要将钻杆放入储干装置中，在提高更换钻杆工作效率的同时，提高作业安全系数。
设计要求：
1、保证一次只能释放出一根钻杆，并且钻杆从储杆装置释放出来时的速度不能过大，以避免钻杆落在夹持手臂上时产生跳动。
2、储存钻杆的装置有一定的体积要求，一次至少可以储存6根钻杆。
3、储存钻杆的装置重量应该尽量小，由于整个换杆机构的结构形式为简支梁，重量过大会导致结构的不稳定。
根据设计的要求和现场工作情况，提出如图4的设计方案：双向液压缸分置储杆装置两边，带动前后挡板上下运动，储杆装置右侧设计为两边高，中间低的斜三角形挡板，目的在于减轻整个储存钻杆装置的重量，保持简支梁的稳定性。
图4 储杆装置
（二）夹持手臂的设计
在钻杆续接机构的设计中，机械夹持手臂的设计是其核心，是保证钻杆定位精确，按照预定轨迹运动以及确保钻杆之间平稳连接的重要部件。机械夹持手臂能够按照预定轨迹运动主要依靠夹持手臂液压缸来实现，因此夹持手臂液压缸是机械手臂设计以及整个换杆机构设计的重点，根据设计要求液压缸实际输出力必须能够满足夹持力的要求，而且还要要保证法兰盘和固定手指等焊接件的焊缝不会被过大的输出力破坏。考虑到市场上的液压缸的尺寸及输出力无法正好满足设计的要求，因此夹持手臂液压缸进行自行设计。 图5 夹持手臂
根据ZDY1900S钻机的使用说明书[4]，夹持时的扭矩矩为500N·m时，进行钻杆的续接， 钻杆的直径为73mm，选定如图3.1 所示正六边形的夹持方式，钻杆内切于正六边形内，夹持液压缸提供力F，根据图形分析，分解成F1，F2，F3，其中：F2=F1=F3=0.5F，根据图形的对称性，在钻杆和正六边形相切的六个点上，钻杆共受到6个力的总用，大小均为0.5F，但是根据实际设计需求，接触面的数量为5个，煤钻杆的材料为34CrMo，选用夹持的材料为Q235号钢，两种材料都为钢，查常用材料的摩擦系数可知，两者的摩擦系数约为0.15，为保证钻杆在对接时不发生转动，F必须满足：
（1）
图6 夹持示意图
由上式可知F=3.65KN，故液压缸的输出力至少为3.65KN。
1、缸筒设计
①、缸筒结构的选择，连接方式选取法兰式连接，并且法兰和缸筒用焊接方式连接。 其优点是结构简单，易选取、易装卸； 缺点是外径较大，比螺纹连接的重量大。
②、缸筒的要求要有足够强度，能够承受动态工作压力，长时间工作不会变形； 有足够刚度，承受活塞侧向力和安装反作用力时不会弯曲； 内表面和导向件与密封件之间摩擦少，可以保证长期使用； 缸筒和法兰要良好焊接，不产生裂纹。
③、缸筒材料的选取及强度给定。
部分材料的机械性能如下表：
表1 缸筒常用无缝钢管材料机械性能
根据本次设计要求，缸筒材料选取45号钢，从表中可以得到：
缸筒材料的屈服强度=360Mpa；
缸筒材料的抗拉强度=610Mpa； 现在利用屈服强度来引申出：
缸筒材料的许用应力[δ]= /n=360/5=72MP。 其中 n=5 是选取的安全系数，来源于下表：
表2 液压缸的安全系数
2、液压缸缸径的计算
液压缸内径可按下面公式计算：
（2）
式（2）中 F—液压缸的实际使用推力（N）；
Φ—液压缸的负载率一般Φ取0.5—0.7，根据本设计要求Φ取0.7；
—液压缸的总效率；
P —液压缸的共有压力，一般为系统压力（Mpa），大柳塔煤矿井下泵站系统压力为31.5Mpa；
D—活塞杆直径（m）；
（1）油缸的效率由以下三种效率组成，机械效率，由各运动件摩擦损失所造成，在额定压力下，通常可取=0.9；容积效率，由各密封件泄露所造成，通常容积效率为装弹性体密封圈时=1；作用力效率，由出油口背压所产生的反作用力而造成，一般取=0.9。
因此總效率==0.81；
本次设计中液压缸负载为推拉，根据式（2）得到内径 D=20mm。
则单杆活塞式液压缸的推力为：
F1=P1A1×103 （3）
上式（3）中：
—液压缸推力（kN）；
—工作压力（MPa）；
—活塞的作用面积（m2）；
（4）
——活塞的直径（m）。
所以，推力为：
式（5）中由于F1=7.91kN>3.65kN，因此夹持手臂液压缸能够满足钻杆的夹持运输以及钻杆的拧钻的要求。
3、液压缸缸筒壁厚的计算
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算，工程机械的液压缸，一般是用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚可以按薄壁圆筒公式进行计算：
（6）
公式（6）中：δ—液压缸的壁厚（mm）；
D—液压缸的内径（mm）；
Py—试验压力，取最高工作压力的1.5倍（Mpa）；
—缸筒材料的许用应力（Mpa）；无缝钢管的许用压力=100Mpa；
由公式（6）可得δ=4.725mm 为保证安全，取壁厚为5mm；
液压缸壁厚算出后，可求出缸体的外径D1=D+2δ=20+2×5=30mm
按照工程机械标准液压缸外径尺寸系列[5]，所以取外径为D1=32mm；
表3 液压缸活塞杆外径尺寸系列[5]
4、液压缸的缓冲装置
常用的缓冲装置结构有（1）环状间隙式节流缓冲装置，它适用于运动惯性不大、运动速度不高的液压系统。（2）三角槽式节流缓冲装置，它是利用被封闭液体的节流产生的液压阻力来缓冲的。（3）可调节流缓冲装置，它调节针形节流阀的流通面积，就可改变缓冲作用的强弱和效果。
本设计中的液压缸运动惯性不大、速度也不高，因此选用圆柱形环状间隙式节流缓冲装置。
夹持手臂的液压缸装配图如下图7：
图7 夹持手臂液压缸
（三）机架的设计
机架是钻杆续接机构各部分零件的载体，是给各部分零件提供固定、定位和支撑的重要部分，钻杆续接机构的机架由两个底座和一个等边角钢组成，整体采用简支梁设计，目的在于减轻自身重力，方便移动搬运，机架左边放置储杆装置，固定座较水平位置向右下倾斜，有利于钻杆利用自身重力自动滑落到挡板处。
图8 底座的设计
（四）钻杆续接装置
使用SolidWorks软件对钻杆续接装置进行三维仿真如下：
图9 三维仿真图
三、液压系统设计
1-油箱；2-液压泵；3-过滤器；4-电动机；5-溢流阀；6-节流阀；9-双向液压缸；12-夹持液压缸；15-伸缩液压缸；18-摆角油缸；7，10，13，16-电磁换向阀；8，11，14，17-液控单向阀；
图10 液压系统原理图
当双向液压缸9向上动作，释放钻杆，与此同时后挡板上升阻止后面的钻杆向下运动，钻杆被运送到夹持手臂上，此时夹持液压缸12伸出，加紧钻杆，伸缩油缸15缩进，使夹持手臂端远离储杆体端部，防止摆动时发生干涉，此时摆角油缸18动作，带动夹持手臂摆动，将钻杆送到指定位置，待钻杆连接结束，夹持手臂液压缸12缩进，松开钻杆，摆动油缸反向摆动到初始位置，伸缩油缸15伸出，一次换杆工作结束，如此反复循环，即可实现钻杆连续换杆工作。
结 论
本文以ZDY1900S钻机为例，提出一种钻杆续接机构的设计方案，实现钻机换杆连续工作方式。对自行设计的夹持手臂液压缸进行了详细设计和力学分析，经验证满足实际要求，并简单的进行了液压系统的设计，最后运用三维仿真软件对连续钻机钻杆续接机构进行了三维仿真，该机构可以实现煤矿钻机钻探工作中自动连续换杆方式代替人工换杆的方式，为井下作业减少不必要的人力劳动和提高工作效率提供一种新的思路和设计方案。
参考文献：
[1] 谢步升. 浅谈钻探机械设备现状及技术创新[J]. 地球：2013年05期
[2] 谭国庆，周心权，曹涛，等. 近年来我国重大和特别重大瓦斯爆炸事故的新特点[J]. 中国煤炭：2009年04期：7-9
[3] 冀龙飞， 李坤恒， 王伟平. ZDY1900S型煤矿用全液压坑道钻机的研究[J]. 能源技术与管理：2013年第38卷第4期：162-165
[4] ZDY1900S（MKD-5S）使用说明书，煤炭科学研究总院西安分院，2005-07
[5]贾培起.液压缸[M].北京：北京科学技术出版社，1987
作者简介：
冯晓斌，（1980-），男，甘肃天水人，2004年毕业于吉林大学电气工程及其自动化专业，中北大学控制工程在读工程硕士，工程师，现任神华神东大柳塔煤矿副总工程师，从事煤矿机电设备管理等工作。
【关键词】煤矿钻机；钻杆续接；精确性；三维仿真
引 言
我国目前存在钻探设备陈旧老化，自动化程度低，技术方法落后，钻探效率低等现状[1]，同时我国也是一个产煤大国。例如山西、内蒙古、陕西、新疆等蕴含丰富的煤炭资源，但是我国煤矿开采技术，特别是一些中小型煤矿抽排瓦斯的技术低，探放水设备落后，矿难发生次数居高不下[2]。2009年，我国煤炭百万吨死亡率降至1以下为0.892，随后逐年下降，2013年降至0.288。但是，与世界发达国家相比仍存在较大差距。美国作为世界第二大产煤国，其过去10多年来百万吨死亡率长期控制在0.1以下，特别近几年来，百万吨死亡率降到了0.03。澳大利亚作为世界上第4大产煤国和最大的煤炭出口国，每百万吨死亡率仅为0.014左右。因此我国与其他发达国家相比，仍然存在很大差距。
煤矿井下是发生煤矿事故的最主要地点，减少井下作业人数、提高作业效率，是保证安全的最有效途径。钻机作为煤矿井施工的重要设备，其先进程度成为制约工作安全可靠的决定性因素。ZDY1900S型全液压钻机是一款先进的钻机，具有多功能性，钻机的整体设计方案与其功能性特点非常符合煤矿井下施工，比如钻探地质构造孔、探放水孔、防突解压孔、瓦斯抽排放孔及其他用途的各种工程用孔等，具有广泛的使用范围。但是该液压钻机在换杆方面仍有很大的改进提升空间。在超前预报的施工工艺中，在动力头的加压力作用下，一根钻杆施工完成后，由钻机的加紧装置可以进行自行卸杆，然后经人工装好另外一根钻杆后，钻机才能继续作业[3]。其换杆的方式完全依靠传统的人工手动的作业方式，不仅浪费了大量的人力和时间，而且在凿岩工作面上的危险性也是相当大的。为了降低工人的作业量，保证施工安全，在现有的多功能钻机基础上设计了钻杆续接机构，目的在于保证安全的基础上提高工作效率。
一、续接机构的的工作原理
钻杆续接机构的工作主要分为两个过程：一是钻杆在储杆装置中拦截和释放的过程，二是钻杆在释放后被运送到指定位置的过程。两个过程按顺序协调进行，共同完成钻杆的换杆工作过程。
（一）钻杆在储杆装置中的运动过程
1.钻杆在初始时被前面钻杆挡板截止，阻止钻杆向下运动。
2.双向液压缸向上方运动时，前挡板向上运动，释放前面的钻杆，与此同时后面的挡板也向上运动，从而阻止后面的钻杆向下运动。
3.完成一次换杆动作后，重复以上的动作，即可达到连续换杆，储杆装置一次可以储存6根钻杆，使用者可根据储杆装置内钻杆数量随时添加新的钻杆即可。
通过这样的往复动作，并且两挡板之间的距离为一根钻杆的直径，这样以达到一次释放一根钻杆的目的。
（二）钻杆被运送到指定位置的运动
1、钻杆通过储杆体被运送到夹持手臂上，夹持手臂的液压缸伸出，加紧钻杆。
2、伸缩液压缸缩进，由于伸缩液压缸活塞杆端部与夹持手臂底座是螺纹连接，所以，其缩进是带动夹持手臂运动，使得夹持手臂端部远离储杆体端部，防止在摆动过程中与储杆体发生干涉。
3、摆角油缸桶过伸缩液压缸的支架，带动夹持手臂及伸缩液压缸摆动。由于摆角油缸最大摆动角度为，所以选定摆角油缸初始的角度为水平方向，摆动角度为。到达指定位置时，钻机的动力头推进到钻杆端，旋转，动力头连接套连接钻杆。
4、钻杆连接结束后，夹持手臂的液压缸缩进，松开钻杆，摆角缸反方向摆动到初始的位置。伸缩液压缸伸出。这样一次换杆的工作过程结束。
上述步骤结束之后，再重复第一个工作过程。反復循环上述的两个工作过程，就可以有序的实现钻杆续接的工作。
二、续接机构的零部件设计
（一）储杆装置的设计
设计储杆装置的目的是为了满足换杆机构的连续性，避免浪费人力劳动进行装杆的工作，同时不需要人工直接换杆，只需要将钻杆放入储干装置中，在提高更换钻杆工作效率的同时，提高作业安全系数。
设计要求：
1、保证一次只能释放出一根钻杆，并且钻杆从储杆装置释放出来时的速度不能过大，以避免钻杆落在夹持手臂上时产生跳动。
2、储存钻杆的装置有一定的体积要求，一次至少可以储存6根钻杆。
3、储存钻杆的装置重量应该尽量小，由于整个换杆机构的结构形式为简支梁，重量过大会导致结构的不稳定。
根据设计的要求和现场工作情况，提出如图4的设计方案：双向液压缸分置储杆装置两边，带动前后挡板上下运动，储杆装置右侧设计为两边高，中间低的斜三角形挡板，目的在于减轻整个储存钻杆装置的重量，保持简支梁的稳定性。
图4 储杆装置
（二）夹持手臂的设计
在钻杆续接机构的设计中，机械夹持手臂的设计是其核心，是保证钻杆定位精确，按照预定轨迹运动以及确保钻杆之间平稳连接的重要部件。机械夹持手臂能够按照预定轨迹运动主要依靠夹持手臂液压缸来实现，因此夹持手臂液压缸是机械手臂设计以及整个换杆机构设计的重点，根据设计要求液压缸实际输出力必须能够满足夹持力的要求，而且还要要保证法兰盘和固定手指等焊接件的焊缝不会被过大的输出力破坏。考虑到市场上的液压缸的尺寸及输出力无法正好满足设计的要求，因此夹持手臂液压缸进行自行设计。 图5 夹持手臂
根据ZDY1900S钻机的使用说明书[4]，夹持时的扭矩矩为500N·m时，进行钻杆的续接， 钻杆的直径为73mm，选定如图3.1 所示正六边形的夹持方式，钻杆内切于正六边形内，夹持液压缸提供力F，根据图形分析，分解成F1，F2，F3，其中：F2=F1=F3=0.5F，根据图形的对称性，在钻杆和正六边形相切的六个点上，钻杆共受到6个力的总用，大小均为0.5F，但是根据实际设计需求，接触面的数量为5个，煤钻杆的材料为34CrMo，选用夹持的材料为Q235号钢，两种材料都为钢，查常用材料的摩擦系数可知，两者的摩擦系数约为0.15，为保证钻杆在对接时不发生转动，F必须满足：
（1）
图6 夹持示意图
由上式可知F=3.65KN，故液压缸的输出力至少为3.65KN。
1、缸筒设计
①、缸筒结构的选择，连接方式选取法兰式连接，并且法兰和缸筒用焊接方式连接。 其优点是结构简单，易选取、易装卸； 缺点是外径较大，比螺纹连接的重量大。
②、缸筒的要求要有足够强度，能够承受动态工作压力，长时间工作不会变形； 有足够刚度，承受活塞侧向力和安装反作用力时不会弯曲； 内表面和导向件与密封件之间摩擦少，可以保证长期使用； 缸筒和法兰要良好焊接，不产生裂纹。
③、缸筒材料的选取及强度给定。
部分材料的机械性能如下表：
表1 缸筒常用无缝钢管材料机械性能
根据本次设计要求，缸筒材料选取45号钢，从表中可以得到：
缸筒材料的屈服强度=360Mpa；
缸筒材料的抗拉强度=610Mpa； 现在利用屈服强度来引申出：
缸筒材料的许用应力[δ]= /n=360/5=72MP。 其中 n=5 是选取的安全系数，来源于下表：
表2 液压缸的安全系数
2、液压缸缸径的计算
液压缸内径可按下面公式计算：
（2）
式（2）中 F—液压缸的实际使用推力（N）；
Φ—液压缸的负载率一般Φ取0.5—0.7，根据本设计要求Φ取0.7；
—液压缸的总效率；
P —液压缸的共有压力，一般为系统压力（Mpa），大柳塔煤矿井下泵站系统压力为31.5Mpa；
D—活塞杆直径（m）；
（1）油缸的效率由以下三种效率组成，机械效率，由各运动件摩擦损失所造成，在额定压力下，通常可取=0.9；容积效率，由各密封件泄露所造成，通常容积效率为装弹性体密封圈时=1；作用力效率，由出油口背压所产生的反作用力而造成，一般取=0.9。
因此總效率==0.81；
本次设计中液压缸负载为推拉，根据式（2）得到内径 D=20mm。
则单杆活塞式液压缸的推力为：
F1=P1A1×103 （3）
上式（3）中：
—液压缸推力（kN）；
—工作压力（MPa）；
—活塞的作用面积（m2）；
（4）
——活塞的直径（m）。
所以，推力为：
式（5）中由于F1=7.91kN>3.65kN，因此夹持手臂液压缸能够满足钻杆的夹持运输以及钻杆的拧钻的要求。
3、液压缸缸筒壁厚的计算
液压缸的壁厚由液压缸的强度条件来计算，工程机械的液压缸，一般是用无缝钢管材料，大多属于薄壁圆筒结构，其壁厚可以按薄壁圆筒公式进行计算：
（6）
公式（6）中：δ—液压缸的壁厚（mm）；
D—液压缸的内径（mm）；
Py—试验压力，取最高工作压力的1.5倍（Mpa）；
—缸筒材料的许用应力（Mpa）；无缝钢管的许用压力=100Mpa；
由公式（6）可得δ=4.725mm 为保证安全，取壁厚为5mm；
液压缸壁厚算出后，可求出缸体的外径D1=D+2δ=20+2×5=30mm
按照工程机械标准液压缸外径尺寸系列[5]，所以取外径为D1=32mm；
表3 液压缸活塞杆外径尺寸系列[5]
4、液压缸的缓冲装置
常用的缓冲装置结构有（1）环状间隙式节流缓冲装置，它适用于运动惯性不大、运动速度不高的液压系统。（2）三角槽式节流缓冲装置，它是利用被封闭液体的节流产生的液压阻力来缓冲的。（3）可调节流缓冲装置，它调节针形节流阀的流通面积，就可改变缓冲作用的强弱和效果。
本设计中的液压缸运动惯性不大、速度也不高，因此选用圆柱形环状间隙式节流缓冲装置。
夹持手臂的液压缸装配图如下图7：
图7 夹持手臂液压缸
（三）机架的设计
机架是钻杆续接机构各部分零件的载体，是给各部分零件提供固定、定位和支撑的重要部分，钻杆续接机构的机架由两个底座和一个等边角钢组成，整体采用简支梁设计，目的在于减轻自身重力，方便移动搬运，机架左边放置储杆装置，固定座较水平位置向右下倾斜，有利于钻杆利用自身重力自动滑落到挡板处。
图8 底座的设计
（四）钻杆续接装置
使用SolidWorks软件对钻杆续接装置进行三维仿真如下：
图9 三维仿真图
三、液压系统设计
1-油箱；2-液压泵；3-过滤器；4-电动机；5-溢流阀；6-节流阀；9-双向液压缸；12-夹持液压缸；15-伸缩液压缸；18-摆角油缸；7，10，13，16-电磁换向阀；8，11，14，17-液控单向阀；
图10 液压系统原理图
当双向液压缸9向上动作，释放钻杆，与此同时后挡板上升阻止后面的钻杆向下运动，钻杆被运送到夹持手臂上，此时夹持液压缸12伸出，加紧钻杆，伸缩油缸15缩进，使夹持手臂端远离储杆体端部，防止摆动时发生干涉，此时摆角油缸18动作，带动夹持手臂摆动，将钻杆送到指定位置，待钻杆连接结束，夹持手臂液压缸12缩进，松开钻杆，摆动油缸反向摆动到初始位置，伸缩油缸15伸出，一次换杆工作结束，如此反复循环，即可实现钻杆连续换杆工作。
结 论
本文以ZDY1900S钻机为例，提出一种钻杆续接机构的设计方案，实现钻机换杆连续工作方式。对自行设计的夹持手臂液压缸进行了详细设计和力学分析，经验证满足实际要求，并简单的进行了液压系统的设计，最后运用三维仿真软件对连续钻机钻杆续接机构进行了三维仿真，该机构可以实现煤矿钻机钻探工作中自动连续换杆方式代替人工换杆的方式，为井下作业减少不必要的人力劳动和提高工作效率提供一种新的思路和设计方案。
参考文献：
[1] 谢步升. 浅谈钻探机械设备现状及技术创新[J]. 地球：2013年05期
[2] 谭国庆，周心权，曹涛，等. 近年来我国重大和特别重大瓦斯爆炸事故的新特点[J]. 中国煤炭：2009年04期：7-9
[3] 冀龙飞， 李坤恒， 王伟平. ZDY1900S型煤矿用全液压坑道钻机的研究[J]. 能源技术与管理：2013年第38卷第4期：162-165
[4] ZDY1900S（MKD-5S）使用说明书，煤炭科学研究总院西安分院，2005-07
[5]贾培起.液压缸[M].北京：北京科学技术出版社，1987
作者简介：
冯晓斌，（1980-），男，甘肃天水人，2004年毕业于吉林大学电气工程及其自动化专业，中北大学控制工程在读工程硕士，工程师，现任神华神东大柳塔煤矿副总工程师，从事煤矿机电设备管理等工作。