高效智能化大型潛孔鉆機的研制*

陶照園

(湖南有色重型機器有限責任公司， 湖南長沙 410012)

0 前言

目前我國大多數大、中型露天礦山使用的鑿巖設備還是1970年代研制的機械式常規(guī)氣壓(氣壓小于1．0MPa)鑿巖設備，其工作效率低、能耗大、機械結構復雜、操作控制不方便、缺少能實時調整鑿巖參數的自動控制系統(tǒng);有少數國家重點大型礦山為了滿足工作的需要采用了瑞典At1as－copco公司、美國 Ingerso11－ 1and 等公司生產的潛孔鉆機［1－3］。CS225E露天潛孔鉆機是由湖南有色重型機器有限責任公司自主研發(fā)具有自主知識產權的高氣壓高效智能化大型潛孔鉆機，其研制的成功為露天礦山企業(yè)提供了高性能、高質量、高效率、多功能先進的鑿巖設備，滿足了不斷增長的采礦、采石業(yè)以及交通、國防等建設的需要，該產品的價格遠遠低于同檔次的進口產品，具有巨大的社會經濟效益。

高效智能化的大型潛孔鉆機的研究需要解決鑿巖鉆進、動力源配置、整機智能化控制和鉆機多功能性能等方面的關鍵技術。例如在各類露天礦山和巖土工程中實現(xiàn)大、中直徑炮孔的穿孔作業(yè)，集炮孔開鑿、邊坡處理、清根底等多種功能為一體;智能控制鑿巖鉆孔參數，并實現(xiàn)自動故障監(jiān)測、預防與處理;采用如電動機動力和柴油機雙能源動力系統(tǒng);設計并配置先進的潛孔鉆機的工作機構，如裝備多自由度鉆架和定位裝置，液壓馬達—鏈條推進系統(tǒng)，智能化的鉆桿裝卸與鉆桿庫設置等等［4－5］。

1 高效智能化大型潛孔鉆機基礎理論研究

1．1 鑿巖參數綜合智能控制系統(tǒng)(DPCS系統(tǒng))研究

研究在不同巖石條件下鑿巖參數的變化與鑿巖效率的關系，有效的提高鉆機的作業(yè)效率。

一是智能故障預測、預防、處理及分析技術的研究。為確保鉆機的高可靠性和出勤率，通過設在鉆機各處的傳感器實時檢測鉆機各部分的工作狀態(tài)，由智能控制器對各項數據進行記錄、分析和判斷，確定設備是否處于正常狀態(tài)，便于提前發(fā)現(xiàn)和診斷故障，并有效的避免故障擴大。智能控制器內部記憶本記錄鉆機工作過程中相關數據，為設備維護以及故障分析提供依據。根據預設在內部的保養(yǎng)維護章程、工作時間和工作強度適時提醒操作人員對設備進行保養(yǎng)和維護，保證了設備始終處于良好狀態(tài)。

二是設計采用由CANbus總線控制的高度集成的液控中心智能程控系統(tǒng)，實現(xiàn)全自動智能化作業(yè)和遠程監(jiān)管等功能。

1．2 多自由度鉆架結構(鑿巖機械手)研究

國產大型露天潛孔鉆機普遍采用固定式鉆架結構，但該結構定位炮孔困難，需要配套其它鉆機來穿鑿特殊孔。為了擴大作業(yè)范圍，一機多用，研究由鉆臂、變位機構、補償機構、推進架及液壓油缸組成的多自由度鉆架結構，在微處理器控制下根據預設位置自動定位，解決鉆機在鉆孔功能方面的不足，擴展鉆機的作業(yè)功能。

1．3 新型盤式鉆桿庫的研究

研究在結構上通過單組油缸的伸縮，完成送桿、取桿和存桿動作的新型盤式鉆桿庫，實現(xiàn)結構簡單化，運動軌跡易控制，增大鉆孔深度，在保證整機性能擴展的同時使其具備較高的可靠性。

1．4 雙動力驅動方式

采用油機、電動機雙動力驅動的動力型式，在鑿巖作業(yè)時采用低成本的電力驅動型式，而在設備長距離移動時，采用本身裝備的柴油機提供動力，將提高長距離移動的安全性、靈活性，也確保了潛孔鉆機具備較強的經濟性、靈活性。

1．5 研究與模塊化結構相適應的各個功能模塊單元

根據大型露天潛孔鉆機的功能和結構特點，利用模塊化技術研制潛孔鉆機的各個機構，有利于整機批量化生產和產品功能的充分擴展。

2 高效智能化大型潛孔鉆機的主要機構與關鍵技術

2．1 多自由度多向定位的鉆臂結構

為了滿足客戶對礦山采礦孔、邊坡孔等多種鑿巖工況要求，鉆機采用多自由度鉆架結構。多自由度鉆架結構由鉆臂、變位機構、補償機構、推進架及液壓油缸組成。通過油缸運動鉆架可以在前后、左右、上下6個自由方位運動，此結構不僅作業(yè)范圍大，且能確保鉆機能在坑洼的地方停放，也能在一定高度的凸臺上正常工作。運用計算機輔助設計的手段，對多自由度鉆架的結構設計虛擬三維模型，并進行仿真分析。

2．2 兩種不同類型的鉆桿庫模塊研究

開發(fā)出兩種不同類型的鉆桿庫模塊，滿足不同客戶需求。

一是夾持式鉆桿庫。夾持式鉆桿庫設有兩組油缸，一組油缸用于輕松、準確地完成鉆桿的取、放的動作，另一組油缸用于夾緊鉆桿使鉆桿不下落，并通過上下一組彈簧片的作用力使鉆機的安全性得到進一步提高。在簡化了液壓系統(tǒng)的同時，也減少了若干連動機構，保證了取、放動作定位的準確性和取、放動作操作的簡單化。為防止鉆桿在工作時意外掉落，在導軌上安裝三個護欄，從而提高整個鉆機的安全性。

二是盤式鉆桿庫。盤式鉆桿庫由一組油缸，通過特殊結構帶動鉆桿庫整體各部件聯(lián)動，準確地完成鉆桿的取、放動作。它簡化了液壓系統(tǒng)，還保證了取、放動作定位的準確性以及取、放動作操作的簡單化。設計了專門的關門結構，從而提高整個鉆機的安全性，防止鉆桿在行走或工作時意外掉落。

2．3 鑿巖參數綜合智能控制技術

鑿巖參數的智能控制是提高鉆機作業(yè)效率的關鍵技術之一。不同的巖石條件下各鑿巖參數與鑿巖效率的關系不同，直接影響鑿巖效率的參數包括:鑿巖的氣壓、氣量、鉆頭的推進軸壓力、推進速度、回轉扭矩、回轉速度、排渣環(huán)形面積等。本鉆機通過建立這些參數的數據模型，得出了參數的相關關系，從而建立了最優(yōu)的鑿巖綜合智能控制系統(tǒng)，有效的保障了鑿巖效率，降低了卡鉆發(fā)生概率，延長了鉆桿和潛孔鉆頭的使用壽命。

2．4 高氣壓潛孔鉆具技術

潛孔鉆具的性能是影響鉆機作業(yè)效率的重要因素，必須在鉆具結構設計、鉆具材質和熱處理工藝方面予以保障。

在結構設計方面，借鑒國際先進的設計，并根據國內工業(yè)基礎，運用有限元技術進行分析，形成符合國內實際需要的鉆具結構。

在材質方面，通過分析國際先進潛孔鉆具的材質成分，選擇多種牌號的材料做多種樣品加工與測試，最終確定了鉆具的材料，并且確保熱處理后的鉆具芯部有足夠的韌性，表面又具高的強度和高耐磨性。

在熱處理工藝方面，制定合理的熱處理工藝，對熱處理后的鉆具進行金相分析、性能測試、鑿巖實驗，并根據結果不斷優(yōu)化熱處理工藝，最終再獲得較理想的熱處理效果。

3 結論

CS225E高效智能化大型露天潛孔鉆機集炮孔開鑿、邊坡處理、清根底等多種功能為一體，能滿足各類露天礦山和巖土工程中鉆鑿直徑202～225mm的大、中直徑炮孔的穿孔作業(yè)，能智能調節(jié)鑿巖參數，自主進行故障監(jiān)測、預防和處理，具有性能先進、操作簡單、維護方便、低耗高效及人機關系優(yōu)良等特點。CS225E高效智能化大型潛孔鉆機的研制成功，填補了國內智能化潛孔鉆機多項空白，定將在我國礦山開采等工程中發(fā)揮巨大的作用。

［1］ 趙宏強，等．SWDW90一體化液壓潛孔鉆機［J］．建筑機械，2006(10):77－79．

［2］ 吳萬榮．一種露天潛孔鉆機［P］．中國 200420035200．2005．04．06．

［3］ 郭 勇．潛孔鉆機的應用現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］．礦業(yè)快報，2008(4):13－15．

［4］ 何清華，等．新型一體化液壓潛孔鉆機［J］．建筑機械，2004(5):46－47．

［5］ 衛(wèi) 進．JZ－150型全液壓潛孔鉆機［J］．黃金科學技術，2003(11):34．

［6］ 陶照園，劉 暉，王福堅．智能鉆機軟特性自動防卡技術研究與設計［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2011(5):71－73，77．