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;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大、中直徑炮孔的穿孔作業，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，并實現自動故障監測、預防與處理;采用如電動機動力和柴油機雙能源動力系統;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，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(DPCS系統)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，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，便于提前發現和診斷故障，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和維護，保證了設備始終處于良好狀態。

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，實現全自動智能化作業和遠程監管等功能。

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動，準確地完成鉆桿的取、放動作。它簡化了液壓系統，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，從而建立了最優的鑿巖綜合智能控制系統，有效的保障了鑿巖效率，降低了卡鉆發生概率，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，能智能調節鑿巖參數，自主進行故障監測、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．潛孔鉆機的應用現狀與發展趨勢［J］．礦業快報，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 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］．礦業研究與開發，2011(5):71－73，77．