大孔徑一體式露天潛孔鉆機的設計

謝存，黃俊，蔣麗偉，余利芳，胡定波，張元祥，江海兵，張玉良

（1.浙江志高機械股份有限公司，浙江 衢州 324000；2.衢州學院機械工程學院浙江省空氣動力裝備技術重點實驗室，浙江 衢州 324000）

0 引言

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

相對于國外鉆車廠商，國內鉆車水平相對落后，雖然國內也能生產一體式潛孔鉆機，但因技術水平低，一直無法滿足國內經濟高速發展的需求。大孔徑一體式潛孔鉆機一直被國外壟斷，價格昂貴，維護成本居高不下，因此，研制大孔徑范圍一體式潛孔鉆機勢在必行。

1 國內外發展概況

1.1 國外潛孔鉆機現狀

國外，中高風壓露天潛孔鉆機應用廣泛，如英格索蘭的CM341、CZ200、CM351，阿特拉斯·科普柯的ROC400和ROC460系列產品，日本古河PCR200DH鉆機等；另外，半液壓潛孔鉆機也得到了廣泛的應用，如英格索蘭XZ200鉆機、阿特拉斯·科普柯的ROCL8鉆機，鑿巖沖擊器采用高風壓動力驅動，其它依靠液壓驅動，對空壓機的性能要求就顯著降低，可鉆鑿光面、預裂和錨索孔等，有足夠的動力鉆鑿生產孔、大小型爆破孔。

水壓潛孔鉆車的研發并得以應用，如瑞典盧基公司的下屬GDrill開發公司研制了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鉆車上并進行實驗，1990年至1992年4月中旬已鉆進了10萬m，試驗成功后，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取得了很好效果，1998年在該礦推廣應用，可從事采礦鑿巖擴展到平巷掘進鉆鑿254 mm的水平掏槽孔，加拿大的兩個礦山試驗用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%可循環使用。從20世紀50年代，AtlasCopco公司相繼研發出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 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型潛孔和回轉鉆進履帶式鉆車等。阿特拉斯·科普柯公司的ROC40Q系列鉆機、RC460系列鉆機、ROCD7型全液壓鉆機，日本古河、芬蘭湯姆諾克等生產全液壓鉆機也廣泛應用于露天石方開采工程[1-3]。

1.2 國內潛孔鉆機現狀

與國外相比，我國潛孔鉆機的研究起步較晚，發展到現在，露天潛孔鉆機已有多種機型及其配套設備，從80年代開始，先后從瑞典、美國、加拿大引進了ROC306、PromeeM177、Simba261、CMM1、CMM2、CD360、CD90等類型的許多潛孔鉆機及其配套設備，進行了試驗與仿制大直徑采礦法，解決部分的大孔徑鑿巖設備依賴進口的局面[4-6]。隨著我國科學技術研究的迅猛發展，在液壓控制技術、關鍵零件材料研發、制造設備與工藝水平度都取得了長足進步，潛孔鉆機的設計、制造和研發水平穩步提高，潛孔鉆機的設計制造技術各個領域均獲得了較大突破和發展，加上模塊化設計和電液比例技術、自動化控制技術等得到廣泛運用，正呈現出從機械化向數字化、遙控化、自動化、智能化方向發展的趨勢，浙江志高機械股份有限公司、湖南山河智能機械股份有限公司、張家口宣化華泰礦冶機械有限公司等一批國內鉆車企業迅速崛起，大大縮小了與國外先進產品的差距，增強了國產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天下的局面，為液壓潛孔鉆機的發展和國家經濟建設作出了突出貢獻。

目前國內煤炭、鋼鐵、黃金等大型露天礦山的需求比較穩定，每年都會有鉆機的新購和更新需求。目前主要穿孔工藝和孔徑為：最大203 mm（柴動潛孔平臺鉆機），作為主采鉆機，柴動潛孔152 mm和138 mm孔徑多方位鉆機作為輔助鉆機（邊坡、并段），目前此孔徑范圍的一體式潛孔鉆機一直被國外壟斷，價格昂貴。總體來說，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的需求在未來幾年內將呈現穩步上升的態勢。

2 大孔徑一體式露天潛孔鉆機的結構設計

2.1 性能參數

大孔徑一體式露天潛孔鉆機的主要性能參數要求如下：

（1）鉆孔直徑：178～203 mm；

（2）換桿器及持桿數：4+1；

（3）大排量高轉速集塵風機-轉速≥3600 r/min；

（4）調平角度：±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主要由履帶行走底盤、鉆臂、推進梁、自動換釬機構、集塵器、液壓系統、空壓機系統、電器系統、推進回轉機構、動力系統、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的結構組成

2.3 履帶行走底盤

底盤又稱車架，主要由履帶架、履帶、引導輪、承重輪、驅動輪、減速器、馬達、底架、外殼、調平機構等組成。為保證車輛良好的通過性，底盤離地高度可調，離地高度300～400 mm，剎車距離為200～300 mm，最大牽引力高達110 kN，底盤為框架式結構，強度和剛度優良，加寬履帶板降低對地面的壓力，履帶具有調平功能使得鉆機運動更加平穩，履帶設計的最大速度為3 km/h，最大爬坡角度為30°。

2.4 鉆臂機構

鉆機鉆臂機構是實現鉆機多方位鉆孔的調節裝置，主要由臂座、大臂、拐臂、中托架、油缸、滑板、俯仰座等組成。鉆臂采用全方位調整變幅機構，由立面擺動、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、側高低位水平孔和前高低位水平孔等多工況要求。

2.5 推進梁

主要由導軌、推進油缸、卡釬器、托板、頂尖、耐磨墊、跟管器、滑輪機構等組成。標配7 m鉆桿的高強度鋁合金推進梁及不銹鋼滑軌防護套，此套鋁合金推進系統滿足大孔徑潛孔鉆進在更換一次鉆桿完成單孔作業，大大提高了效率。同時回轉頭上下滑軌和中托架滑軌都采用不銹鋼滾壓防護套配合耐磨滑塊，整套機構輕便，耐用。

2.6 新型卸釬機構

新型卸釬機構采用合金夾具及液壓回轉夾緊機構，四個油缸完成夾緊并反向旋轉，保證了全液壓換桿的穩定性。其使用4根扶釬油缸、一根扭力旋轉油缸、兩個卡鉗架、四個卡爪，一個回轉裝置及2個銷軸聯接點，其中四根油扶釬缸實現鉆桿卡爪的開合動作，使四個卡爪緊緊夾住鉆桿，然后卸釬油缸撐開，使上一組卡爪對鉆桿施加一個使鉆桿逆時針旋轉的扭矩，從而卸開鉆桿。這種結構形式用于回轉馬達扭矩不足的情況下卸鉆桿，扭矩大，卸釬快，結構可靠穩定，如圖2所示。

圖2 卸釬機構

2.7 推進跟管機構

圖3所示為推進跟管機構，帶滑槽的尼龍跟管輪結合鋼絲繩聯動機構減少在回轉頭鉆進時管路的抖動，提高了核心部件的穩定性。其包括回轉頭底板，滑板和軌道，軌道上端一側與回轉頭底板連接，滑板與導軌的軌道腔配合連接，導軌上端設有動力裝置，動力裝置和動力輸出端位于導軌的軌道腔內滑板頂端上方，且所述動力輸出端上繞設有鋼絲繩，鋼絲繩的一端與滑板左側的回轉頭底板連接，另一端與滑板右側下端連接，導軌的頂端上方設有第一動滑輪，繞設在第一動滑輪上的上提鋼絲繩兩端分別與導軌上端和滑板下端連接，導軌上端回轉頭底板上方設有第二動滑輪，繞設在第二動滑輪上的下拉鋼絲繩兩端分別與回轉頭底板和導軌中部連接。

圖3 推進跟管機構

2.8 回轉頭總成

回轉頭為雙馬達驅動方式，并采用低轉速、大扭矩變量液壓馬達，主要由齒輪箱、液壓馬達、過渡接頭和滑板座等組成，液壓馬達的轉速和輸出轉矩可根據地質條件進行無級調節，回轉頭扭矩高達5600 N·m，轉速為0～80 r/min，滿足了多種鉆孔工藝的扭矩和轉速要求。

2.9 CAN通訊連接技術

整機電器系統采用CAN通訊連接技術，模塊化的分區域布局設計，簡化線路，保證了整車電路系統的穩定性，故障排查維修方便。整車散熱系統運用了智能溫控系統，在不同環境溫度下，確保發動機液壓油、空壓機油有足夠的散熱風量的同時，降低了整車油耗。

3 大孔徑一體式露天潛孔鉆機的主要優點

大孔徑一體式露天潛孔鉆機在結構上做了許多創新設計，主要表現在：該鉆機配置了可裝配7 m鉆桿的高強度鋁合金推進梁及不銹鋼滑軌防護套；新型卸釬平臺，采用合金夾具及液壓回轉夾緊機構，四個油缸完成夾緊并反向旋轉，保證了全液壓換桿的穩定性；新型的推進跟管機構，帶滑槽的尼龍跟管輪結合鋼絲繩聯動機構減少在回轉頭鉆進時管路的抖動，提高了核心部件的穩定性；整機電器系統采用CAN通訊連接技術，模塊化的分區域布局設計，簡化線路，保證了整車電路系統的穩定性，故障排查維修方便。

4 結語

大孔徑一體式露天潛孔鉆機的成功研發填補了國內大孔徑潛孔鉆機產品的空白，產品的推進梁、自動卸釬、跟管鉆進技術和CAN通訊連接技術等的創新設計解決了國內大孔徑潛孔鉆機產品的技術難題，產品性能遠超國內同類產品，具有性能穩定性高、使用壽命長、安全環保高效等優勢，產品具有很強的市場競爭力，打破了國外產品高價壟斷局面，可廣泛應用于礦山開采、基礎工程建設、建筑基礎建設、國防工程建設等方面的作業工作。