陶照?qǐng)@

(湖南有色重型機(jī)器有限責(zé)任公司， 湖南長(zhǎng)沙 410012)

0 前言

目前我國(guó)大多數(shù)大、中型露天礦山使用的鑿巖設(shè)備還是1970年代研制的機(jī)械式常規(guī)氣壓(氣壓小于1．0MPa)鑿巖設(shè)備，其工作效率低、能耗大、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作控制不方便、缺少能實(shí)時(shí)調(diào)整鑿巖參數(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng);有少數(shù)國(guó)家重點(diǎn)大型礦山為了滿足工作的需要采用了瑞典At1as－copco公司、美國(guó) Ingerso11－ 1and 等公司生產(chǎn)的潛孔鉆機(jī)［1－3］。CS225E露天潛孔鉆機(jī)是由湖南有色重型機(jī)器有限責(zé)任公司自主研發(fā)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高氣壓高效智能化大型潛孔鉆機(jī)，其研制的成功為露天礦山企業(yè)提供了高性能、高質(zhì)量、高效率、多功能先進(jìn)的鑿巖設(shè)備，滿足了不斷增長(zhǎng)的采礦、采石業(yè)以及交通、國(guó)防等建設(shè)的需要，該產(chǎn)品的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于同檔次的進(jìn)口產(chǎn)品，具有巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

高效智能化的大型潛孔鉆機(jī)的研究需要解決鑿巖鉆進(jìn)、動(dòng)力源配置、整機(jī)智能化控制和鉆機(jī)多功能性能等方面的關(guān)鍵技術(shù)。例如在各類露天礦山和巖土工程中實(shí)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(shù)，并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)故障監(jiān)測(cè)、預(yù)防與處理;采用如電動(dòng)機(jī)動(dòng)力和柴油機(jī)雙能源動(dòng)力系統(tǒng);設(shè)計(jì)并配置先進(jìn)的潛孔鉆機(jī)的工作機(jī)構(gòu)，如裝備多自由度鉆架和定位裝置，液壓馬達(dá)—鏈條推進(jìn)系統(tǒng)，智能化的鉆桿裝卸與鉆桿庫設(shè)置等等［4－5］。

1 高效智能化大型潛孔鉆機(jī)基礎(chǔ)理論研究

1．1 鑿巖參數(shù)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(shù)的變化與鑿巖效率的關(guān)系，有效的提高鉆機(jī)的作業(yè)效率。

一是智能故障預(yù)測(cè)、預(yù)防、處理及分析技術(shù)的研究。為確保鉆機(jī)的高可靠性和出勤率，通過設(shè)在鉆機(jī)各處的傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)鉆機(jī)各部分的工作狀態(tài)，由智能控制器對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、分析和判斷，確定設(shè)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(kuò)大。智能控制器內(nèi)部記憶本記錄鉆機(jī)工作過程中相關(guān)數(shù)據(jù)，為設(shè)備維護(hù)以及故障分析提供依據(jù)。根據(jù)預(yù)設(shè)在內(nèi)部的保養(yǎng)維護(hù)章程、工作時(shí)間和工作強(qiáng)度適時(shí)提醒操作人員對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng)和維護(hù)，保證了設(shè)備始終處于良好狀態(tài)。

二是設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)全自動(dòng)智能化作業(yè)和遠(yuǎn)程監(jiān)管等功能。

1．2 多自由度鉆架結(jié)構(gòu)(鑿巖機(jī)械手)研究

國(guó)產(chǎn)大型露天潛孔鉆機(jī)普遍采用固定式鉆架結(jié)構(gòu)，但該結(jié)構(gòu)定位炮孔困難，需要配套其它鉆機(jī)來穿鑿特殊孔。為了擴(kuò)大作業(yè)范圍，一機(jī)多用，研究由鉆臂、變位機(jī)構(gòu)、補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、推進(jìn)架及液壓油缸組成的多自由度鉆架結(jié)構(gòu)，在微處理器控制下根據(jù)預(yù)設(shè)位置自動(dòng)定位，解決鉆機(jī)在鉆孔功能方面的不足，擴(kuò)展鉆機(jī)的作業(yè)功能。

1．3 新型盤式鉆桿庫的研究

研究在結(jié)構(gòu)上通過單組油缸的伸縮，完成送桿、取桿和存桿動(dòng)作的新型盤式鉆桿庫，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單化，運(yùn)動(dòng)軌跡易控制，增大鉆孔深度，在保證整機(jī)性能擴(kuò)展的同時(shí)使其具備較高的可靠性。

1．4 雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)方式

采用油機(jī)、電動(dòng)機(jī)雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力型式，在鑿巖作業(yè)時(shí)采用低成本的電力驅(qū)動(dòng)型式，而在設(shè)備長(zhǎng)距離移動(dòng)時(shí)，采用本身裝備的柴油機(jī)提供動(dòng)力，將提高長(zhǎng)距離移動(dòng)的安全性、靈活性，也確保了潛孔鉆機(jī)具備較強(qiáng)的經(jīng)濟(jì)性、靈活性。

1．5 研究與模塊化結(jié)構(gòu)相適應(yīng)的各個(gè)功能模塊單元

根據(jù)大型露天潛孔鉆機(jī)的功能和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，利用模塊化技術(shù)研制潛孔鉆機(jī)的各個(gè)機(jī)構(gòu)，有利于整機(jī)批量化生產(chǎn)和產(chǎn)品功能的充分?jǐn)U展。

2 高效智能化大型潛孔鉆機(jī)的主要機(jī)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

2．1 多自由度多向定位的鉆臂結(jié)構(gòu)

為了滿足客戶對(duì)礦山采礦孔、邊坡孔等多種鑿巖工況要求，鉆機(jī)采用多自由度鉆架結(jié)構(gòu)。多自由度鉆架結(jié)構(gòu)由鉆臂、變位機(jī)構(gòu)、補(bǔ)償機(jī)構(gòu)、推進(jìn)架及液壓油缸組成。通過油缸運(yùn)動(dòng)鉆架可以在前后、左右、上下6個(gè)自由方位運(yùn)動(dòng)，此結(jié)構(gòu)不僅作業(yè)范圍大，且能確保鉆機(jī)能在坑洼的地方停放，也能在一定高度的凸臺(tái)上正常工作。運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的手段，對(duì)多自由度鉆架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)虛擬三維模型，并進(jìn)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(shè)有兩組油缸，一組油缸用于輕松、準(zhǔn)確地完成鉆桿的取、放的動(dòng)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(jī)的安全性得到進(jìn)一步提高。在簡(jiǎn)化了液壓系統(tǒng)的同時(shí)，也減少了若干連動(dòng)機(jī)構(gòu)，保證了取、放動(dòng)作定位的準(zhǔn)確性和取、放動(dòng)作操作的簡(jiǎn)單化。為防止鉆桿在工作時(shí)意外掉落，在導(dǎo)軌上安裝三個(gè)護(hù)欄，從而提高整個(gè)鉆機(jī)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(jié)構(gòu)帶動(dòng)鉆桿庫整體各部件聯(lián)動(dòng)，準(zhǔn)確地完成鉆桿的取、放動(dòng)作。它簡(jiǎn)化了液壓系統(tǒng)，還保證了取、放動(dòng)作定位的準(zhǔn)確性以及取、放動(dòng)作操作的簡(jiǎn)單化。設(shè)計(jì)了專門的關(guān)門結(jié)構(gòu)，從而提高整個(gè)鉆機(jī)的安全性，防止鉆桿在行走或工作時(shí)意外掉落。

2．3 鑿巖參數(shù)綜合智能控制技術(shù)

鑿巖參數(shù)的智能控制是提高鉆機(jī)作業(yè)效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。不同的巖石條件下各鑿巖參數(shù)與鑿巖效率的關(guān)系不同，直接影響鑿巖效率的參數(shù)包括:鑿巖的氣壓、氣量、鉆頭的推進(jìn)軸壓力、推進(jìn)速度、回轉(zhuǎn)扭矩、回轉(zhuǎn)速度、排渣環(huán)形面積等。本鉆機(jī)通過建立這些參數(shù)的數(shù)據(jù)模型，得出了參數(shù)的相關(guān)關(guān)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(zhǎng)了鉆桿和潛孔鉆頭的使用壽命。

2．4 高氣壓潛孔鉆具技術(shù)

潛孔鉆具的性能是影響鉆機(jī)作業(yè)效率的重要因素，必須在鉆具結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、鉆具材質(zhì)和熱處理工藝方面予以保障。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面，借鑒國(guó)際先進(jìn)的設(shè)計(jì)，并根據(jù)國(guó)內(nèi)工業(yè)基礎(chǔ)，運(yùn)用有限元技術(shù)進(jìn)行分析，形成符合國(guó)內(nèi)實(shí)際需要的鉆具結(jié)構(gòu)。

在材質(zhì)方面，通過分析國(guó)際先進(jìn)潛孔鉆具的材質(zhì)成分，選擇多種牌號(hào)的材料做多種樣品加工與測(cè)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(qiáng)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(duì)熱處理后的鉆具進(jìn)行金相分析、性能測(cè)試、鑿巖實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)結(jié)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(jié)論

CS225E高效智能化大型露天潛孔鉆機(jī)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(diào)節(jié)鑿巖參數(shù)，自主進(jìn)行故障監(jiān)測(cè)、預(yù)防和處理，具有性能先進(jìn)、操作簡(jiǎn)單、維護(hù)方便、低耗高效及人機(jī)關(guān)系優(yōu)良等特點(diǎn)。CS225E高效智能化大型潛孔鉆機(jī)的研制成功，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)智能化潛孔鉆機(jī)多項(xiàng)空白，定將在我國(guó)礦山開采等工程中發(fā)揮巨大的作用。

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

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

［6］ 陶照?qǐng)@，劉 暉，王福堅(jiān)．智能鉆機(jī)軟特性自動(dòng)防卡技術(shù)研究與設(shè)計(jì)［J］．礦業(yè)研究與開發(fā)，2011(5):71－73，77．