國產(chǎn)新型KY310牙輪鉆機

左 強，馬立輝

（太原重工股份有限公司 技術(shù)中心，山西 太原 030024）

引言

牙輪鉆機于20世紀(jì)50年代開始在美國露天礦山應(yīng)用。20世紀(jì)60年代以來由于牙輪鉆機結(jié)構(gòu)的改進及牙輪鉆頭設(shè)計和制造水平的不斷提高，牙輪鉆機不僅在中、軟巖石，而且在堅硬礦巖中，如花崗巖磁鐵石英巖穿孔技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)也優(yōu)于沖擊鉆和潛孔鉆。

1933年，比塞洛斯進入鉆機市場，1952年，比塞洛斯生產(chǎn)了第1臺商業(yè)認(rèn)可的電動型牙輪鉆機。1945年，俄羅斯重型機械聯(lián)合公司（即烏拉爾機械）開始制造重型牙輪鉆機。此后，美國的加登納－丹佛公司（簡稱G－D公司）和德雷賽工業(yè)公司馬里恩機鏟分公司也相繼開發(fā)了牙輪鉆機。在20世紀(jì)90年代初期，P－H 公司也開發(fā)了牙輪鉆機。

牙輪鉆機主要用于露天礦山200mm 以上的炮孔鑿巖作業(yè)，我國露天礦山使用的牙輪鉆機主要有YZ－35型及YZ－55型牙輪鉆機。一些超大型露天礦山特別是煤礦也裝備了進口的牙輪鉆機，其主要產(chǎn)品有阿特拉斯－科普柯DM30 型、DM45型和DM50型牙輪鉆機。

我國雖然從20世紀(jì)60年代起開始研制牙輪鉆機，經(jīng)過多次改良和淘汰，但總的來看，我國的技術(shù)水平與世界先進水平還有較大差距。目前國產(chǎn)牙輪鉆機的產(chǎn)品是在20世紀(jì)80年代研制成功并投入市場，盡管在一些局部地方進行了完善和提高，但在整體性能上與國外當(dāng)今的同類產(chǎn)品差距很大，具體體現(xiàn)在品牌單一，表現(xiàn)為動力單一，功能單一，結(jié)構(gòu)形式單一；傳動方式落后，國產(chǎn)鉆機主要采用機械傳動，傳動效率低；能耗高，國外產(chǎn)品可根據(jù)外部負(fù)載自動輸出能量［1］。

新型KY310牙輪鉆機整機采用全液壓驅(qū)動方式，可傾斜高鉆架模式，并根據(jù)我國露天礦需求，以250～310mm 鉆孔直徑為基礎(chǔ)，以提高牙輪鉆機整體性能。

1 新型KY310牙輪鉆機結(jié)構(gòu)分析

1.1 礦用牙輪鉆機主要技術(shù)參數(shù)（見下頁表1［2］）

表1 KY310礦用牙輪鉆機主要技術(shù)參數(shù)

1.2 牙輪鉆機結(jié)構(gòu)說明

牙輪鉆機利用回轉(zhuǎn)機構(gòu)帶動鉆具旋轉(zhuǎn)，并利用加壓小車使其沿鉆架上下運動。通過鉆桿，將加壓、回轉(zhuǎn)機構(gòu)的動力傳給牙輪鉆頭。當(dāng)鉆桿將鉆頭壓在巖石上并帶著鉆頭轉(zhuǎn)動時，由于牙輪自由地滑裝在鉆頭軸承的軸徑上并且?guī)r石對牙輪有阻力，所以牙輪便沿著與鉆頭旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)。牙輪對于巖石的作用除了由于加壓機構(gòu)所施加的靜壓力外，在滾動過程中柱齒還對巖石產(chǎn)生一沖擊的動壓力，巖石就是在這靜壓力和動壓力的聯(lián)合作用下而被破碎的。

KY310牙輪鉆機鉆孔直徑為250～310mm，主要由平臺、走行機構(gòu)、加壓—提升機構(gòu)、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、鉆具、鉆架、換桿機構(gòu)、鋼絲繩輔助提升機構(gòu)、除塵系統(tǒng)、機器室及其凈化系統(tǒng)、司機室、調(diào)平千斤頂、拐臂鉗、電纜卷筒、電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)等組成（如圖1所示）。

圖1 KY310牙輪鉆機

平臺是牙輪鉆機各個部件的組裝平臺，其中間部分主要是由工字梁組成的框架結(jié)構(gòu)。

走行機構(gòu)由驅(qū)動部分、從動部分、工程履帶鏈、履帶架、托輥、支承輥、履帶漲緊裝置、三點鉸接梁組成。該機構(gòu)有2套驅(qū)動裝置，每套驅(qū)動裝置單獨驅(qū)動一側(cè)履帶，以實現(xiàn)車體的進退和轉(zhuǎn)彎功能?？紤]到系統(tǒng)內(nèi)部阻力問題，驅(qū)動裝置安裝在車體的后部。在從動輪側(cè)安裝有履帶漲緊裝置，可以實現(xiàn)履帶的漲緊和緩沖功能。走行機構(gòu)與平臺連接采用三點鉸接式，這樣可以保證車體在不平整的路面順利行走。

加壓—提升機構(gòu)由雙液壓馬達(dá)、減速機、制動器、鏈輪、雙排鏈條、及鏈條漲緊裝置等組成。該機構(gòu)安裝在鉆架的兩側(cè)，通過雙排鏈條帶動回轉(zhuǎn)機構(gòu)上下動作，以完成該機構(gòu)對鉆桿的加壓和提升動作，2套驅(qū)動裝置為同時驅(qū)動，以保證鉆進過程順利進行。機構(gòu)采用高速提升模式。

回轉(zhuǎn)機構(gòu)由回轉(zhuǎn)減速機、液壓馬達(dá)、減速機滑道等組成。該機構(gòu)由液壓馬達(dá)同時驅(qū)動減速機的輸入軸，并同時傳到減速機的輸出軸，由輸出軸帶動鉆桿進行轉(zhuǎn)動。其中減速機的中間輸出軸為空心軸形式，下部與鉆桿連接，上部與氣路系統(tǒng)管路連接，保證鉆進過程中，吹掃空氣能夠?qū)崟r傳送到鉆頭處，達(dá)到吹掃的目的。減速機與雙排鏈條連接，提供回轉(zhuǎn)力的同時還充當(dāng)加壓小車。

鉆具由三牙輪鉆頭、減震器、連接桿、鉆桿、穩(wěn)桿器、定心套、叉形鎖等組成。

鉆架由鉆架主體，A 型架、升降油缸等組成。鉆架主體主要由高強度方鋼管焊接而成，保證鉆架整體剛度；采用一面開口形式，并且能夠通過A型架調(diào)整鉆架的鉆進角度，其角度調(diào)節(jié)為5°一調(diào)節(jié)，最大可以調(diào)整到與垂直方向成30°角。

換桿機構(gòu)由上下支架、連接桿、儲桿盤、旋轉(zhuǎn)機構(gòu)等組成。當(dāng)需要換桿時，由四根液壓缸同時驅(qū)動機構(gòu)前進到位，并由旋轉(zhuǎn)油缸將有桿的儲桿盤旋轉(zhuǎn)到位，通過鎖銷油缸將盤固定，然后由回轉(zhuǎn)機構(gòu)和加壓提升機構(gòu)配合動作將桿取出，當(dāng)收桿時原理一樣。

除塵系統(tǒng)由干式濾筒除塵器、捕塵罩、連接管道等組成。捕塵罩將鉆機鉆進側(cè)平臺與地面形成一個小型封閉空間，以保證除塵器能夠較好的吸收鉆進過程中產(chǎn)生的粉塵。

拐臂鉗采用機械手形狀，在接換鉆桿過程中若無法順利卸下鉆桿時，可使用拐臂鉗幫助鉆桿的接換。

電纜卷筒由卷筒、平臺、驅(qū)動裝置等組成。其中電纜卷筒的驅(qū)動采用液壓馬達(dá)形式，該動力源由電機帶動1個小型液壓泵站提供。卷筒是旋轉(zhuǎn)速度與整機的走行速度相匹配，以確保在行進過程中不會對電纜產(chǎn)生影響。

電氣系統(tǒng)主要由主電機、電纜卷筒、液壓驅(qū)動機構(gòu)、空壓機驅(qū)動的排渣系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、機器間凈化系統(tǒng)等組成。牙輪鉆機的全部機構(gòu)采用PLC控制，各機構(gòu)之間的連鎖關(guān)系全部通過PLC 內(nèi)部完成。整機還配有緊急停機裝置，該設(shè)計用在發(fā)生緊急狀況時停止鉆機。其中1號緊急停機裝置在駕駛室內(nèi)，2號緊急停機裝置的位置在作業(yè)平臺上，3號緊急停機裝置安裝在主電氣柜上。按下緊急停機按鈕將停止電機和所有機械運轉(zhuǎn)。

液壓系統(tǒng)主要由動力源、行走回路、回轉(zhuǎn)回路、加壓—提升回路、輔助回路等組成，其中輔助回路主要用于鉆機的輔助動作，如鉆塔的升降、支腿找平液壓缸的動作，裝卸鉆桿動作等，同時，還需提供主要工作回路的控制油，如換向閥的切換，制動閥的松開等控制油路，系統(tǒng)所需的風(fēng)扇冷卻回路也由開式泵提供。

KY310牙輪鉆機的整機動力源通過電纜卷筒外接高壓電源，整機的主動力由1臺雙出軸電機提供，該電機一側(cè)連接液壓系統(tǒng)，為整機各執(zhí)行機構(gòu)提供動力源；另一側(cè)連接空氣壓縮機，為整個系統(tǒng)的壓縮空氣提供動力源。

2 KY310牙輪鉆機技術(shù)特點

1）走行機構(gòu)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動，便于操控車體和日常維護保養(yǎng)；采用工程履帶鏈便于日常更換。

2）加壓－提升機構(gòu)采用液壓馬達(dá)－雙排鏈條驅(qū)動，能夠較為直接的將加壓力或提升力傳遞給鉆桿。同時，雙排鏈條還能防止牙輪鉆機工作過程中鏈條發(fā)生斷裂時造成的損壞。

3）回轉(zhuǎn)機構(gòu)采用液壓馬達(dá)驅(qū)動，減輕機構(gòu)重量，可以實現(xiàn)隨時放倒鉆架的功能。同時，又可方便的實現(xiàn)系統(tǒng)過載保護功能及無級調(diào)速功能［3］。

4）鉆架采用可傾斜高鉆架模式，并配備有換桿機構(gòu)，能夠很好的適應(yīng)露天礦垂直爆破和拋擲爆破工藝要求。采用高鉆機模式，可保證在垂直爆破工藝要求中，采用長鉆桿進行一次性鉆孔工作；在拋擲爆破工藝要求中，也可減少換桿次數(shù)，降低換桿時間，增加鉆孔效率［4］。

5）整機調(diào)平機構(gòu)采用4個調(diào)平千斤頂，設(shè)有自動調(diào)平系統(tǒng)，在鉆機工作時，可進行車體自動調(diào)平。

6）司機室內(nèi)部設(shè)置有監(jiān)控裝置，在工作過程中可對鉆孔狀態(tài)進行監(jiān)控，可實時了解當(dāng)前鉆孔深度，鉆孔總深度，鉆孔時間，系統(tǒng)壓力等一系列工作參數(shù)。

7）司機室、機器間采用密閉結(jié)構(gòu)并配有正壓系統(tǒng)，改善室內(nèi)工作環(huán)境［5］。

8）整機加壓—提升機構(gòu)采用快速提升模式，以提高鉆機的工作效率。

9）根據(jù)露天礦的情況，采用干式除塵方式，并采用濾筒式除塵器，保證鉆機工作過程中粉塵的清理。

10）整機配有拐臂鉗，采用機械手模式，能夠在接換桿過程中幫助鉆機迅速接換鉆桿。

3 結(jié)語

國外生產(chǎn)的牙輪鉆機經(jīng)過多年的發(fā)展，在傳動系統(tǒng)和控制系統(tǒng)上都有了長足的變化，由于近年來液壓技術(shù)的不斷提高和完善，液壓傳動裝置體積小，重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊，能夠方便的實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速范圍大，且可在系統(tǒng)運行過程中調(diào)速，能夠使執(zhí)行元件的運動十分均勻穩(wěn)定，可使運動部件換向時無換向沖擊等優(yōu)點逐步體現(xiàn)出來。因此KY310牙輪鉆機使我國在鉆機設(shè)計技術(shù)領(lǐng)域有了新的發(fā)展和突破。

［1］張云鵬，馬志偉，武旭，等.牙輪鉆機鉆孔能效分析［J］.金屬礦山，2014（2）：18－20.

［2］燕碧娟.牙輪鉆機主參數(shù)分析及其合理選擇［J］.機械工程及自動化，2007（2）：52.

［3］王永康.露天礦山牙輪鉆機主參數(shù)確定探討［J］.中國鋁業(yè)，2006（4）：47.

［4］李斌，宮照民，佟杰新.牙輪鉆機鉆進參數(shù)的分析［J］.礦山機械，1996（11）：23－25.

［5］劉長波，謝宇深.影響牙輪鉆機穿孔效果的因素分析［J］.鞍鋼礦山，1999（2）：49.