大孔径一体式露天潜孔钻机的设计

谢存，黄俊，蒋丽伟，余利芳，胡定波，张元祥，江海兵，张玉良

（1.浙江志高机械股份有限公司，浙江 衢州 324000；2.衢州学院机械工程学院浙江省空气动力装备技术重点实验室，浙江 衢州 324000）

0 引言

据统计，2021年全国主要矿产品生产继续保持增长趋势，高于疫情之前水平，矿产资源开采增速加快，全国煤炭增产保供政策成效明显，原煤产量36.7亿t，同比增长4.2%；大企业特别是国有企业发挥了积极带头作用，前十大煤炭生产企业产量总计19.8亿t，同比增长5.8%，占全国原煤产量的54.0%，连续3年保持增长，除粗钢和水泥外，主要矿产品生产继续保持增长，铁矿石产量9.0亿t，同比增长10.4%。粗钢产量9.5亿t，同比减少2.6%。10种有色金属产量5911万t，同比增长6.3%；磷矿石产量9053.1万t（折含P2O530%），同比增长12.1%。

相对于国外钻车厂商，国内钻车水平相对落后，虽然国内也能生产一体式潜孔钻机，但因技术水平低，一直无法满足国内经济高速发展的需求。大孔径一体式潜孔钻机一直被国外垄断，价格昂贵，维护成本居高不下，因此，研制大孔径范围一体式潜孔钻机势在必行。

1 国内外发展概况

1.1 国外潜孔钻机现状

国外，中高风压露天潜孔钻机应用广泛，如英格索兰的CM341、CZ200、CM351，阿特拉斯·科普柯的ROC400和ROC460系列产品，日本古河PCR200DH钻机等；另外，半液压潜孔钻机也得到了广泛的应用，如英格索兰XZ200钻机、阿特拉斯·科普柯的ROCL8钻机，凿岩冲击器采用高风压动力驱动，其它依靠液压驱动，对空压机的性能要求就显著降低，可钻凿光面、预裂和锚索孔等，有足够的动力钻凿生产孔、大小型爆破孔。

水压潜孔钻车的研发并得以应用，如瑞典卢基公司的下属GDrill开发公司研制了Wassara水力潜孔冲击器，解决钻孔深度加大、保证钻孔精度，装于AMV钻车上并进行实验，1990年至1992年4月中旬已钻进了10万m，试验成功后，与AtlasCopco公司合作，研制配有Wassara水力潜孔冲击器的SimbaW469型遥控潜孔钻车，并在基律纳铁矿试验取得了很好效果，1998年在该矿推广应用，可从事采矿凿岩扩展到平巷掘进钻凿254 mm的水平掏槽孔，加拿大的两个矿山试验用SimbaW469型水力潜孔冲击钻车凿岩与地面钻。Wassara水力潜孔冲击器所用高压水中的80%可循环使用。从20世纪50年代，AtlasCopco公司相继研发出ROC403A、ROC404ABVB2510型潜孔钻车，以及ROC304、306，ROC604、606潜孔钻车，近年来 推 出ROC403A，404A、405A气 动 潜 孔 钻 车 及ROC430H系列、ROC936HC系列柴油液压履带式潜孔钻车，最新型的有ROC400A系列、ROC430H系列、ROC936HC系列、Rotamec130C型潜孔和回转钻进履带式钻车等。阿特拉斯·科普柯公司的ROC40Q系列钻机、RC460系列钻机、ROCD7型全液压钻机，日本古河、芬兰汤姆诺克等生产全液压钻机也广泛应用于露天石方开采工程[1-3]。

1.2 国内潜孔钻机现状

与国外相比，我国潜孔钻机的研究起步较晚，发展到现在，露天潜孔钻机已有多种机型及其配套设备，从80年代开始，先后从瑞典、美国、加拿大引进了ROC306、PromeeM177、Simba261、CMM1、CMM2、CD360、CD90等类型的许多潜孔钻机及其配套设备，进行了试验与仿制大直径采矿法，解决部分的大孔径凿岩设备依赖进口的局面[4-6]。随着我国科学技术研究的迅猛发展，在液压控制技术、关键零件材料研发、制造设备与工艺水平度都取得了长足进步，潜孔钻机的设计、制造和研发水平稳步提高，潜孔钻机的设计制造技术各个领域均获得了较大突破和发展，加上模块化设计和电液比例技术、自动化控制技术等得到广泛运用，正呈现出从机械化向数字化、遥控化、自动化、智能化方向发展的趋势，浙江志高机械股份有限公司、湖南山河智能机械股份有限公司、张家口宣化华泰矿冶机械有限公司等一批国内钻车企业迅速崛起，大大缩小了与国外先进产品的差距，增强了国产潜孔钻车的市场竞争力，打破了瑞典阿特拉斯.科普柯公司、山特维克公司和日本古河公司等主要国外厂家一统天下的局面，为液压潜孔钻机的发展和国家经济建设作出了突出贡献。

目前国内煤炭、钢铁、黄金等大型露天矿山的需求比较稳定，每年都会有钻机的新购和更新需求。目前主要穿孔工艺和孔径为：最大203 mm（柴动潜孔平台钻机），作为主采钻机，柴动潜孔152 mm和138 mm孔径多方位钻机作为辅助钻机（边坡、并段），目前此孔径范围的一体式潜孔钻机一直被国外垄断，价格昂贵。总体来说，全球的露天煤炭、钢铁、黄金等大型露天矿山对中国制造钻机的需求在未来几年内将呈现稳步上升的态势。

2 大孔径一体式露天潜孔钻机的结构设计

2.1 性能参数

大孔径一体式露天潜孔钻机的主要性能参数要求如下：

（1）钻孔直径：178～203 mm；

（2）换杆器及持杆数：4+1；

（3）大排量高转速集尘风机-转速≥3600 r/min；

（4）调平角度：±10°；

（5）行走速度高/低：3/1.5 km/h。

2.2 总体方案

大孔径一体式露天潜孔钻机主要由履带行走底盘、钻臂、推进梁、自动换钎机构、集尘器、液压系统、空压机系统、电器系统、推进回转机构、动力系统、驾驶室等11部分组成，如图1所示。

图1 大孔径一体式露天潜孔钻机的结构组成

2.3 履带行走底盘

底盘又称车架，主要由履带架、履带、引导轮、承重轮、驱动轮、减速器、马达、底架、外壳、调平机构等组成。为保证车辆良好的通过性，底盘离地高度可调，离地高度300～400 mm，刹车距离为200～300 mm，最大牵引力高达110 kN，底盘为框架式结构，强度和刚度优良，加宽履带板降低对地面的压力，履带具有调平功能使得钻机运动更加平稳，履带设计的最大速度为3 km/h，最大爬坡角度为30°。

2.4 钻臂机构

钻机钻臂机构是实现钻机多方位钻孔的调节装置，主要由臂座、大臂、拐臂、中托架、油缸、滑板、俯仰座等组成。钻臂采用全方位调整变幅机构，由立面摆动、滑移伸缩以及旋摆组成，不仅大大增加钻臂工作范围，也可以满足垂直孔、侧高低位水平孔和前高低位水平孔等多工况要求。

2.5 推进梁

主要由导轨、推进油缸、卡钎器、托板、顶尖、耐磨垫、跟管器、滑轮机构等组成。标配7 m钻杆的高强度铝合金推进梁及不锈钢滑轨防护套，此套铝合金推进系统满足大孔径潜孔钻进在更换一次钻杆完成单孔作业，大大提高了效率。同时回转头上下滑轨和中托架滑轨都采用不锈钢滚压防护套配合耐磨滑块，整套机构轻便，耐用。

2.6 新型卸钎机构

新型卸钎机构采用合金夹具及液压回转夹紧机构，四个油缸完成夹紧并反向旋转，保证了全液压换杆的稳定性。其使用4根扶钎油缸、一根扭力旋转油缸、两个卡钳架、四个卡爪，一个回转装置及2个销轴联接点，其中四根油扶钎缸实现钻杆卡爪的开合动作，使四个卡爪紧紧夹住钻杆，然后卸钎油缸撑开，使上一组卡爪对钻杆施加一个使钻杆逆时针旋转的扭矩，从而卸开钻杆。这种结构形式用于回转马达扭矩不足的情况下卸钻杆，扭矩大，卸钎快，结构可靠稳定，如图2所示。

图2 卸钎机构

2.7 推进跟管机构

图3所示为推进跟管机构，带滑槽的尼龙跟管轮结合钢丝绳联动机构减少在回转头钻进时管路的抖动，提高了核心部件的稳定性。其包括回转头底板，滑板和轨道，轨道上端一侧与回转头底板连接，滑板与导轨的轨道腔配合连接，导轨上端设有动力装置，动力装置和动力输出端位于导轨的轨道腔内滑板顶端上方，且所述动力输出端上绕设有钢丝绳，钢丝绳的一端与滑板左侧的回转头底板连接，另一端与滑板右侧下端连接，导轨的顶端上方设有第一动滑轮，绕设在第一动滑轮上的上提钢丝绳两端分别与导轨上端和滑板下端连接，导轨上端回转头底板上方设有第二动滑轮，绕设在第二动滑轮上的下拉钢丝绳两端分别与回转头底板和导轨中部连接。

图3 推进跟管机构

2.8 回转头总成

回转头为双马达驱动方式，并采用低转速、大扭矩变量液压马达，主要由齿轮箱、液压马达、过渡接头和滑板座等组成，液压马达的转速和输出转矩可根据地质条件进行无级调节，回转头扭矩高达5600 N·m，转速为0～80 r/min，满足了多种钻孔工艺的扭矩和转速要求。

2.9 CAN通讯连接技术

整机电器系统采用CAN通讯连接技术，模块化的分区域布局设计，简化线路，保证了整车电路系统的稳定性，故障排查维修方便。整车散热系统运用了智能温控系统，在不同环境温度下，确保发动机液压油、空压机油有足够的散热风量的同时，降低了整车油耗。

3 大孔径一体式露天潜孔钻机的主要优点

大孔径一体式露天潜孔钻机在结构上做了许多创新设计，主要表现在：该钻机配置了可装配7 m钻杆的高强度铝合金推进梁及不锈钢滑轨防护套；新型卸钎平台，采用合金夹具及液压回转夹紧机构，四个油缸完成夹紧并反向旋转，保证了全液压换杆的稳定性；新型的推进跟管机构，带滑槽的尼龙跟管轮结合钢丝绳联动机构减少在回转头钻进时管路的抖动，提高了核心部件的稳定性；整机电器系统采用CAN通讯连接技术，模块化的分区域布局设计，简化线路，保证了整车电路系统的稳定性，故障排查维修方便。

4 结语

大孔径一体式露天潜孔钻机的成功研发填补了国内大孔径潜孔钻机产品的空白，产品的推进梁、自动卸钎、跟管钻进技术和CAN通讯连接技术等的创新设计解决了国内大孔径潜孔钻机产品的技术难题，产品性能远超国内同类产品，具有性能稳定性高、使用寿命长、安全环保高效等优势，产品具有很强的市场竞争力，打破了国外产品高价垄断局面，可广泛应用于矿山开采、基础工程建设、建筑基础建设、国防工程建设等方面的作业工作。