高效智能化大型潜孔钻机的研制*

陶照园

(湖南有色重型机器有限责任公司， 湖南长沙 410012)

0 前言

目前我国大多数大、中型露天矿山使用的凿岩设备还是1970年代研制的机械式常规气压(气压小于1．0MPa)凿岩设备，其工作效率低、能耗大、机械结构复杂、操作控制不方便、缺少能实时调整凿岩参数的自动控制系统;有少数国家重点大型矿山为了满足工作的需要采用了瑞典At1as－copco公司、美国 Ingerso11－ 1and 等公司生产的潜孔钻机［1－3］。CS225E露天潜孔钻机是由湖南有色重型机器有限责任公司自主研发具有自主知识产权的高气压高效智能化大型潜孔钻机，其研制的成功为露天矿山企业提供了高性能、高质量、高效率、多功能先进的凿岩设备，满足了不断增长的采矿、采石业以及交通、国防等建设的需要，该产品的价格远远低于同档次的进口产品，具有巨大的社会经济效益。

高效智能化的大型潜孔钻机的研究需要解决凿岩钻进、动力源配置、整机智能化控制和钻机多功能性能等方面的关键技术。例如在各类露天矿山和岩土工程中实现大、中直径炮孔的穿孔作业，集炮孔开凿、边坡处理、清根底等多种功能为一体;智能控制凿岩钻孔参数，并实现自动故障监测、预防与处理;采用如电动机动力和柴油机双能源动力系统;设计并配置先进的潜孔钻机的工作机构，如装备多自由度钻架和定位装置，液压马达—链条推进系统，智能化的钻杆装卸与钻杆库设置等等［4－5］。

1 高效智能化大型潜孔钻机基础理论研究

1．1 凿岩参数综合智能控制系统(DPCS系统)研究

研究在不同岩石条件下凿岩参数的变化与凿岩效率的关系，有效的提高钻机的作业效率。

一是智能故障预测、预防、处理及分析技术的研究。为确保钻机的高可靠性和出勤率，通过设在钻机各处的传感器实时检测钻机各部分的工作状态，由智能控制器对各项数据进行记录、分析和判断，确定设备是否处于正常状态，便于提前发现和诊断故障，并有效的避免故障扩大。智能控制器内部记忆本记录钻机工作过程中相关数据，为设备维护以及故障分析提供依据。根据预设在内部的保养维护章程、工作时间和工作强度适时提醒操作人员对设备进行保养和维护，保证了设备始终处于良好状态。

二是设计采用由CANbus总线控制的高度集成的液控中心智能程控系统，实现全自动智能化作业和远程监管等功能。

1．2 多自由度钻架结构(凿岩机械手)研究

国产大型露天潜孔钻机普遍采用固定式钻架结构，但该结构定位炮孔困难，需要配套其它钻机来穿凿特殊孔。为了扩大作业范围，一机多用，研究由钻臂、变位机构、补偿机构、推进架及液压油缸组成的多自由度钻架结构，在微处理器控制下根据预设位置自动定位，解决钻机在钻孔功能方面的不足，扩展钻机的作业功能。

1．3 新型盘式钻杆库的研究

研究在结构上通过单组油缸的伸缩，完成送杆、取杆和存杆动作的新型盘式钻杆库，实现结构简单化，运动轨迹易控制，增大钻孔深度，在保证整机性能扩展的同时使其具备较高的可靠性。

1．4 双动力驱动方式

采用油机、电动机双动力驱动的动力型式，在凿岩作业时采用低成本的电力驱动型式，而在设备长距离移动时，采用本身装备的柴油机提供动力，将提高长距离移动的安全性、灵活性，也确保了潜孔钻机具备较强的经济性、灵活性。

1．5 研究与模块化结构相适应的各个功能模块单元

根据大型露天潜孔钻机的功能和结构特点，利用模块化技术研制潜孔钻机的各个机构，有利于整机批量化生产和产品功能的充分扩展。

2 高效智能化大型潜孔钻机的主要机构与关键技术

2．1 多自由度多向定位的钻臂结构

为了满足客户对矿山采矿孔、边坡孔等多种凿岩工况要求，钻机采用多自由度钻架结构。多自由度钻架结构由钻臂、变位机构、补偿机构、推进架及液压油缸组成。通过油缸运动钻架可以在前后、左右、上下6个自由方位运动，此结构不仅作业范围大，且能确保钻机能在坑洼的地方停放，也能在一定高度的凸台上正常工作。运用计算机辅助设计的手段，对多自由度钻架的结构设计虚拟三维模型，并进行仿真分析。

2．2 两种不同类型的钻杆库模块研究

开发出两种不同类型的钻杆库模块，满足不同客户需求。

一是夹持式钻杆库。夹持式钻杆库设有两组油缸，一组油缸用于轻松、准确地完成钻杆的取、放的动作，另一组油缸用于夹紧钻杆使钻杆不下落，并通过上下一组弹簧片的作用力使钻机的安全性得到进一步提高。在简化了液压系统的同时，也减少了若干连动机构，保证了取、放动作定位的准确性和取、放动作操作的简单化。为防止钻杆在工作时意外掉落，在导轨上安装三个护栏，从而提高整个钻机的安全性。

二是盘式钻杆库。盘式钻杆库由一组油缸，通过特殊结构带动钻杆库整体各部件联动，准确地完成钻杆的取、放动作。它简化了液压系统，还保证了取、放动作定位的准确性以及取、放动作操作的简单化。设计了专门的关门结构，从而提高整个钻机的安全性，防止钻杆在行走或工作时意外掉落。

2．3 凿岩参数综合智能控制技术

凿岩参数的智能控制是提高钻机作业效率的关键技术之一。不同的岩石条件下各凿岩参数与凿岩效率的关系不同，直接影响凿岩效率的参数包括:凿岩的气压、气量、钻头的推进轴压力、推进速度、回转扭矩、回转速度、排渣环形面积等。本钻机通过建立这些参数的数据模型，得出了参数的相关关系，从而建立了最优的凿岩综合智能控制系统，有效的保障了凿岩效率，降低了卡钻发生概率，延长了钻杆和潜孔钻头的使用寿命。

2．4 高气压潜孔钻具技术

潜孔钻具的性能是影响钻机作业效率的重要因素，必须在钻具结构设计、钻具材质和热处理工艺方面予以保障。

在结构设计方面，借鉴国际先进的设计，并根据国内工业基础，运用有限元技术进行分析，形成符合国内实际需要的钻具结构。

在材质方面，通过分析国际先进潜孔钻具的材质成分，选择多种牌号的材料做多种样品加工与测试，最终确定了钻具的材料，并且确保热处理后的钻具芯部有足够的韧性，表面又具高的强度和高耐磨性。

在热处理工艺方面，制定合理的热处理工艺，对热处理后的钻具进行金相分析、性能测试、凿岩实验，并根据结果不断优化热处理工艺，最终再获得较理想的热处理效果。

3 结论

CS225E高效智能化大型露天潜孔钻机集炮孔开凿、边坡处理、清根底等多种功能为一体，能满足各类露天矿山和岩土工程中钻凿直径202～225mm的大、中直径炮孔的穿孔作业，能智能调节凿岩参数，自主进行故障监测、预防和处理，具有性能先进、操作简单、维护方便、低耗高效及人机关系优良等特点。CS225E高效智能化大型潜孔钻机的研制成功，填补了国内智能化潜孔钻机多项空白，定将在我国矿山开采等工程中发挥巨大的作用。

［1］ 赵宏强，等．SWDW90一体化液压潜孔钻机［J］．建筑机械，2006(10):77－79．

［2］ 吴万荣．一种露天潜孔钻机［P］．中国 200420035200．2005．04．06．

［3］ 郭 勇．潜孔钻机的应用现状与发展趋势［J］．矿业快报，2008(4):13－15．

［4］ 何清华，等．新型一体化液压潜孔钻机［J］．建筑机械，2004(5):46－47．

［5］ 卫 进．JZ－150型全液压潜孔钻机［J］．黄金科学技术，2003(11):34．

［6］ 陶照园，刘 晖，王福坚．智能钻机软特性自动防卡技术研究与设计［J］．矿业研究与开发，2011(5):71－73，77．