大孔徑一體式露天潛孔鉆機(jī)的設(shè)計(jì)

謝存，黃俊，蔣麗偉，余利芳，胡定波，張?jiān)椋１?，張玉?/p>

（1.浙江志高機(jī)械股份有限公司，浙江 衢州 324000；2.衢州學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院浙江省空氣動(dòng)力裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 衢州 324000）

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2021年全國主要礦產(chǎn)品生產(chǎn)繼續(xù)保持增長趨勢，高于疫情之前水平，礦產(chǎn)資源開采增速加快，全國煤炭增產(chǎn)保供政策成效明顯，原煤產(chǎn)量36.7億t，同比增長4.2%；大企業(yè)特別是國有企業(yè)發(fā)揮了積極帶頭作用，前十大煤炭生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)量總計(jì)19.8億t，同比增長5.8%，占全國原煤產(chǎn)量的54.0%，連續(xù)3年保持增長，除粗鋼和水泥外，主要礦產(chǎn)品生產(chǎn)繼續(xù)保持增長，鐵礦石產(chǎn)量9.0億t，同比增長10.4%。粗鋼產(chǎn)量9.5億t，同比減少2.6%。10種有色金屬產(chǎn)量5911萬t，同比增長6.3%；磷礦石產(chǎn)量9053.1萬t（折含P2O530%），同比增長12.1%。

相對于國外鉆車廠商，國內(nèi)鉆車水平相對落后，雖然國內(nèi)也能生產(chǎn)一體式潛孔鉆機(jī)，但因技術(shù)水平低，一直無法滿足國內(nèi)經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的需求。大孔徑一體式潛孔鉆機(jī)一直被國外壟斷，價(jià)格昂貴，維護(hù)成本居高不下，因此，研制大孔徑范圍一體式潛孔鉆機(jī)勢在必行。

1 國內(nèi)外發(fā)展概況

1.1 國外潛孔鉆機(jī)現(xiàn)狀

國外，中高風(fēng)壓露天潛孔鉆機(jī)應(yīng)用廣泛，如英格索蘭的CM341、CZ200、CM351，阿特拉斯·科普柯的ROC400和ROC460系列產(chǎn)品，日本古河PCR200DH鉆機(jī)等；另外，半液壓潛孔鉆機(jī)也得到了廣泛的應(yīng)用，如英格索蘭XZ200鉆機(jī)、阿特拉斯·科普柯的ROCL8鉆機(jī)，鑿巖沖擊器采用高風(fēng)壓動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，其它依靠液壓驅(qū)動(dòng)，對空壓機(jī)的性能要求就顯著降低，可鉆鑿光面、預(yù)裂和錨索孔等，有足夠的動(dòng)力鉆鑿生產(chǎn)孔、大小型爆破孔。

水壓潛孔鉆車的研發(fā)并得以應(yīng)用，如瑞典盧基公司的下屬GDrill開發(fā)公司研制了Wassara水力潛孔沖擊器，解決鉆孔深度加大、保證鉆孔精度，裝于AMV鉆車上并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，1990年至1992年4月中旬已鉆進(jìn)了10萬m，試驗(yàn)成功后，與AtlasCopco公司合作，研制配有Wassara水力潛孔沖擊器的SimbaW469型遙控潛孔鉆車，并在基律納鐵礦試驗(yàn)取得了很好效果，1998年在該礦推廣應(yīng)用，可從事采礦鑿巖擴(kuò)展到平巷掘進(jìn)鉆鑿254 mm的水平掏槽孔，加拿大的兩個(gè)礦山試驗(yàn)用SimbaW469型水力潛孔沖擊鉆車鑿巖與地面鉆。Wassara水力潛孔沖擊器所用高壓水中的80%可循環(huán)使用。從20世紀(jì)50年代，AtlasCopco公司相繼研發(fā)出ROC403A、ROC404ABVB2510型潛孔鉆車，以及ROC304、306，ROC604、606潛孔鉆車，近年來 推 出ROC403A，404A、405A氣 動(dòng) 潛 孔 鉆 車 及ROC430H系列、ROC936HC系列柴油液壓履帶式潛孔鉆車，最新型的有ROC400A系列、ROC430H系列、ROC936HC系列、Rotamec130C型潛孔和回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)履帶式鉆車等。阿特拉斯·科普柯公司的ROC40Q系列鉆機(jī)、RC460系列鉆機(jī)、ROCD7型全液壓鉆機(jī)，日本古河、芬蘭湯姆諾克等生產(chǎn)全液壓鉆機(jī)也廣泛應(yīng)用于露天石方開采工程[1-3]。

1.2 國內(nèi)潛孔鉆機(jī)現(xiàn)狀

與國外相比，我國潛孔鉆機(jī)的研究起步較晚，發(fā)展到現(xiàn)在，露天潛孔鉆機(jī)已有多種機(jī)型及其配套設(shè)備，從80年代開始，先后從瑞典、美國、加拿大引進(jìn)了ROC306、PromeeM177、Simba261、CMM1、CMM2、CD360、CD90等類型的許多潛孔鉆機(jī)及其配套設(shè)備，進(jìn)行了試驗(yàn)與仿制大直徑采礦法，解決部分的大孔徑鑿巖設(shè)備依賴進(jìn)口的局面[4-6]。隨著我國科學(xué)技術(shù)研究的迅猛發(fā)展，在液壓控制技術(shù)、關(guān)鍵零件材料研發(fā)、制造設(shè)備與工藝水平度都取得了長足進(jìn)步，潛孔鉆機(jī)的設(shè)計(jì)、制造和研發(fā)水平穩(wěn)步提高，潛孔鉆機(jī)的設(shè)計(jì)制造技術(shù)各個(gè)領(lǐng)域均獲得了較大突破和發(fā)展，加上模塊化設(shè)計(jì)和電液比例技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)等得到廣泛運(yùn)用，正呈現(xiàn)出從機(jī)械化向數(shù)字化、遙控化、自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展的趨勢，浙江志高機(jī)械股份有限公司、湖南山河智能機(jī)械股份有限公司、張家口宣化華泰礦冶機(jī)械有限公司等一批國內(nèi)鉆車企業(yè)迅速崛起，大大縮小了與國外先進(jìn)產(chǎn)品的差距，增強(qiáng)了國產(chǎn)潛孔鉆車的市場競爭力，打破了瑞典阿特拉斯.科普柯公司、山特維克公司和日本古河公司等主要國外廠家一統(tǒng)天下的局面，為液壓潛孔鉆機(jī)的發(fā)展和國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)作出了突出貢獻(xiàn)。

目前國內(nèi)煤炭、鋼鐵、黃金等大型露天礦山的需求比較穩(wěn)定，每年都會(huì)有鉆機(jī)的新購和更新需求。目前主要穿孔工藝和孔徑為：最大203 mm（柴動(dòng)潛孔平臺(tái)鉆機(jī)），作為主采鉆機(jī)，柴動(dòng)潛孔152 mm和138 mm孔徑多方位鉆機(jī)作為輔助鉆機(jī)（邊坡、并段），目前此孔徑范圍的一體式潛孔鉆機(jī)一直被國外壟斷，價(jià)格昂貴?？傮w來說，全球的露天煤炭、鋼鐵、黃金等大型露天礦山對中國制造鉆機(jī)的需求在未來幾年內(nèi)將呈現(xiàn)穩(wěn)步上升的態(tài)勢。

2 大孔徑一體式露天潛孔鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 性能參數(shù)

大孔徑一體式露天潛孔鉆機(jī)的主要性能參數(shù)要求如下：

（1）鉆孔直徑：178～203 mm；

（2）換桿器及持桿數(shù)：4+1；

（3）大排量高轉(zhuǎn)速集塵風(fēng)機(jī)-轉(zhuǎn)速≥3600 r/min；

（4）調(diào)平角度：±10°；

（5）行走速度高/低：3/1.5 km/h。

2.2 總體方案

大孔徑一體式露天潛孔鉆機(jī)主要由履帶行走底盤、鉆臂、推進(jìn)梁、自動(dòng)換釬機(jī)構(gòu)、集塵器、液壓系統(tǒng)、空壓機(jī)系統(tǒng)、電器系統(tǒng)、推進(jìn)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、駕駛室等11部分組成，如圖1所示。

圖1 大孔徑一體式露天潛孔鉆機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

2.3 履帶行走底盤

底盤又稱車架，主要由履帶架、履帶、引導(dǎo)輪、承重輪、驅(qū)動(dòng)輪、減速器、馬達(dá)、底架、外殼、調(diào)平機(jī)構(gòu)等組成。為保證車輛良好的通過性，底盤離地高度可調(diào)，離地高度300～400 mm，剎車距離為200～300 mm，最大牽引力高達(dá)110 kN，底盤為框架式結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度和剛度優(yōu)良，加寬履帶板降低對地面的壓力，履帶具有調(diào)平功能使得鉆機(jī)運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，履帶設(shè)計(jì)的最大速度為3 km/h，最大爬坡角度為30°。

2.4 鉆臂機(jī)構(gòu)

鉆機(jī)鉆臂機(jī)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)鉆機(jī)多方位鉆孔的調(diào)節(jié)裝置，主要由臂座、大臂、拐臂、中托架、油缸、滑板、俯仰座等組成。鉆臂采用全方位調(diào)整變幅機(jī)構(gòu)，由立面擺動(dòng)、滑移伸縮以及旋擺組成，不僅大大增加鉆臂工作范圍，也可以滿足垂直孔、側(cè)高低位水平孔和前高低位水平孔等多工況要求。

2.5 推進(jìn)梁

主要由導(dǎo)軌、推進(jìn)油缸、卡釬器、托板、頂尖、耐磨墊、跟管器、滑輪機(jī)構(gòu)等組成。標(biāo)配7 m鉆桿的高強(qiáng)度鋁合金推進(jìn)梁及不銹鋼滑軌防護(hù)套，此套鋁合金推進(jìn)系統(tǒng)滿足大孔徑潛孔鉆進(jìn)在更換一次鉆桿完成單孔作業(yè)，大大提高了效率。同時(shí)回轉(zhuǎn)頭上下滑軌和中托架滑軌都采用不銹鋼滾壓防護(hù)套配合耐磨滑塊，整套機(jī)構(gòu)輕便，耐用。

2.6 新型卸釬機(jī)構(gòu)

新型卸釬機(jī)構(gòu)采用合金夾具及液壓回轉(zhuǎn)夾緊機(jī)構(gòu)，四個(gè)油缸完成夾緊并反向旋轉(zhuǎn)，保證了全液壓換桿的穩(wěn)定性。其使用4根扶釬油缸、一根扭力旋轉(zhuǎn)油缸、兩個(gè)卡鉗架、四個(gè)卡爪，一個(gè)回轉(zhuǎn)裝置及2個(gè)銷軸聯(lián)接點(diǎn)，其中四根油扶釬缸實(shí)現(xiàn)鉆桿卡爪的開合動(dòng)作，使四個(gè)卡爪緊緊夾住鉆桿，然后卸釬油缸撐開，使上一組卡爪對鉆桿施加一個(gè)使鉆桿逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的扭矩，從而卸開鉆桿。這種結(jié)構(gòu)形式用于回轉(zhuǎn)馬達(dá)扭矩不足的情況下卸鉆桿，扭矩大，卸釬快，結(jié)構(gòu)可靠穩(wěn)定，如圖2所示。

圖2 卸釬機(jī)構(gòu)

2.7 推進(jìn)跟管機(jī)構(gòu)

圖3所示為推進(jìn)跟管機(jī)構(gòu)，帶滑槽的尼龍跟管輪結(jié)合鋼絲繩聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)減少在回轉(zhuǎn)頭鉆進(jìn)時(shí)管路的抖動(dòng)，提高了核心部件的穩(wěn)定性。其包括回轉(zhuǎn)頭底板，滑板和軌道，軌道上端一側(cè)與回轉(zhuǎn)頭底板連接，滑板與導(dǎo)軌的軌道腔配合連接，導(dǎo)軌上端設(shè)有動(dòng)力裝置，動(dòng)力裝置和動(dòng)力輸出端位于導(dǎo)軌的軌道腔內(nèi)滑板頂端上方，且所述動(dòng)力輸出端上繞設(shè)有鋼絲繩，鋼絲繩的一端與滑板左側(cè)的回轉(zhuǎn)頭底板連接，另一端與滑板右側(cè)下端連接，導(dǎo)軌的頂端上方設(shè)有第一動(dòng)滑輪，繞設(shè)在第一動(dòng)滑輪上的上提鋼絲繩兩端分別與導(dǎo)軌上端和滑板下端連接，導(dǎo)軌上端回轉(zhuǎn)頭底板上方設(shè)有第二動(dòng)滑輪，繞設(shè)在第二動(dòng)滑輪上的下拉鋼絲繩兩端分別與回轉(zhuǎn)頭底板和導(dǎo)軌中部連接。

圖3 推進(jìn)跟管機(jī)構(gòu)

2.8 回轉(zhuǎn)頭總成

回轉(zhuǎn)頭為雙馬達(dá)驅(qū)動(dòng)方式，并采用低轉(zhuǎn)速、大扭矩變量液壓馬達(dá)，主要由齒輪箱、液壓馬達(dá)、過渡接頭和滑板座等組成，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速和輸出轉(zhuǎn)矩可根據(jù)地質(zhì)條件進(jìn)行無級調(diào)節(jié)，回轉(zhuǎn)頭扭矩高達(dá)5600 N·m，轉(zhuǎn)速為0～80 r/min，滿足了多種鉆孔工藝的扭矩和轉(zhuǎn)速要求。

2.9 CAN通訊連接技術(shù)

整機(jī)電器系統(tǒng)采用CAN通訊連接技術(shù)，模塊化的分區(qū)域布局設(shè)計(jì)，簡化線路，保證了整車電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故障排查維修方便。整車散熱系統(tǒng)運(yùn)用了智能溫控系統(tǒng)，在不同環(huán)境溫度下，確保發(fā)動(dòng)機(jī)液壓油、空壓機(jī)油有足夠的散熱風(fēng)量的同時(shí)，降低了整車油耗。

3 大孔徑一體式露天潛孔鉆機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)

大孔徑一體式露天潛孔鉆機(jī)在結(jié)構(gòu)上做了許多創(chuàng)新設(shè)計(jì)，主要表現(xiàn)在：該鉆機(jī)配置了可裝配7 m鉆桿的高強(qiáng)度鋁合金推進(jìn)梁及不銹鋼滑軌防護(hù)套；新型卸釬平臺(tái)，采用合金夾具及液壓回轉(zhuǎn)夾緊機(jī)構(gòu)，四個(gè)油缸完成夾緊并反向旋轉(zhuǎn)，保證了全液壓換桿的穩(wěn)定性；新型的推進(jìn)跟管機(jī)構(gòu)，帶滑槽的尼龍跟管輪結(jié)合鋼絲繩聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)減少在回轉(zhuǎn)頭鉆進(jìn)時(shí)管路的抖動(dòng)，提高了核心部件的穩(wěn)定性；整機(jī)電器系統(tǒng)采用CAN通訊連接技術(shù)，模塊化的分區(qū)域布局設(shè)計(jì)，簡化線路，保證了整車電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性，故障排查維修方便。

4 結(jié)語

大孔徑一體式露天潛孔鉆機(jī)的成功研發(fā)填補(bǔ)了國內(nèi)大孔徑潛孔鉆機(jī)產(chǎn)品的空白，產(chǎn)品的推進(jìn)梁、自動(dòng)卸釬、跟管鉆進(jìn)技術(shù)和CAN通訊連接技術(shù)等的創(chuàng)新設(shè)計(jì)解決了國內(nèi)大孔徑潛孔鉆機(jī)產(chǎn)品的技術(shù)難題，產(chǎn)品性能遠(yuǎn)超國內(nèi)同類產(chǎn)品，具有性能穩(wěn)定性高、使用壽命長、安全環(huán)保高效等優(yōu)勢，產(chǎn)品具有很強(qiáng)的市場競爭力，打破了國外產(chǎn)品高價(jià)壟斷局面，可廣泛應(yīng)用于礦山開采、基礎(chǔ)工程建設(shè)、建筑基礎(chǔ)建設(shè)、國防工程建設(shè)等方面的作業(yè)工作。