迈向二十一世纪的美国矿用牙轮钻机.pdf

、口 、 口、 口、 ∞e 矿 山设 备 蟑 曲曲、 晡嚣 、 。 。 向二十一世纪 的美 国矿用牙轮钻机 ， ． ． 、 ’ 0／ 马鞍山矿山研究院赵昱东 一 【 摘要】 叙 述了 美国 露天 矿 用牙 轮 钻 机的 技 术水 平、 结 构 特点 和 发展 趋势 。 ， 关键词 露天矿山钻孔设备牙轮钻机 ，≯ ， ， _ ’厂 ＼ 0 ＼ 一～7， m CH 0N Tl删2l TH cENTURY S US A ⅣⅡNE R0TARY BLAS T H0LE DRI LL M a a n s h a n Re s e a r c h I n s t i t u t e o f M i n e s Z h a o Yu d o n g [ A B S X R A Cr 】T h is p a p e r s t a t e d r o t a r y b l a s t h o l e d r i l l s t e c h n o lo g y l e v e I ，s t r u t t u r e d e s i g n f e a t u r e s ， a n d d e v e l o p me n t t r e n d i n US A o p e np i t mi n es ． KEY W ORDS Op e np i t mi n es E o r e h o l e e q u i p men t s Ro t a r y d r i l l s 1 前言 我国牙轮钻机研制工作虽然起步较晚， 但起点较高，发展较快。到 1 9 8 5年已能生 产 K Y和 Y Z两个系列产品，其结构性能和 技术水平 已达到美国 8 0 年代初期水平。但 进入 9 0年代后 ，我 国牙轮钻机发展缓慢。 美国研制牙轮钻机最早 ，技术水平提高 ，近 期发展又有新 的飞跃。为此我们必须学习美 国牙轮钻机的先进技术 ，把我国牙轮钻机的 技术水平 ，推 向一个新 的高度，以满足我国 露天矿山发展 的需 要 。 2 美国牙轮钻机发展现状和技术水平 B u c y r u s ＆_e BE 公司从 1 9 5 2 年开始 生产牙轮钻机，先后制造了 1 2种类型 2 0 0 0 多台。其 中4 9 一 R 、6 5 一R和6 7 一R可代表 2 1 世纪牙轮钻机的技术水平。1 9 8 5 年推出 的4 9 一 R牙轮钻机 ，到 1 9 8 9 年底已有 1 0台 在露天矿投入 运行 。近几年 开发 出4 9一RⅡ 系 4 钻 机女 口4 9一RⅡ一7 5、4 9一RI I一1 0 0 和 4 9一RⅡ 一1 2 0等 产 品。孔 径 为 1 7 1 ～ 3 1 1 m m，轴压4 5 ， 4 ～5 5 t ， 穿孔速度 4 3 m／ h 左右，有效作业率太于 9 0 ％。 应用现代微电子技术更新了原已实现的 自动 化 ．推 出 了 炮 孔 可 编 程 控 制 系 统 H o l e p m系统 。它 由可编程逻辑控制器 和 显示器组成 的 P L C一视屏 系统，钻机钻孔 过程中可随时向司机提供运转的各种性能参 数 ，保证准确的炮孔深度 ，从而减少了二次 爆破量，改善爆破质量 ，提高综合采矿 效 率 ；根据牙轮钻头的反压和转矩可防止 回转 电机和钻头的损坏，可提高生产率 ；通过监 测钻孔速度 ，钻具转速、回转扭拒和轴压力 绘制反映岩性变化炮孔纵向剖面曲线图，精 确区分岩性的微观地质资料，从而优化采矿 和爆破设计 ，提高爆破质量和挖掘效率 ；用 机载打印机和存贮器绘制台班工作记录表， 列出钻孔时间、辅助时间和台班总进尺；自 动控制钻机调平 ，可快速定位找平 ；控制传 动系统启动、运转和停车。控制润滑时间、 顺序和故障监测报警。 自动控制 回转加压小 有色矿山I 9 9 9 ， 2 ■ 维普资讯 车在钻架上、下极限位置。从而保证钻机在 最佳参数状态下作业、取得较高穿孔效率 。 应用直流电机传动的无链齿条、齿轮的 加压提升系统 。可消除链条破断所增加停机 时间。取消传动链、张紧装置、加压液压马 达、均衡油缸和主传动机构 ，不仅简化 了结 构 、减少了故障源、提高了可靠性，而且改 进了力的传递方式 ，提高了传动效率，并能 使钻头负荷平衡 ，增加钻头寿命 ，减少了回 转机构振动，增加轴压力，提高穿孔速度和 提 升速度 。 采 用无链可反转 的液压 马达驱动行 星齿 轮传动独立式履带行走装置，取消了链传动 和离合器 ，减少了故障和维修 ，提高了可靠 性。每条履带独立运转 ，可实现原地转弯， 可在恶劣条件的工作面上把钻机停放在台适 的位置。钻机动作灵敏 ，便于微调控制，缩 短了更换孔位和非作业行走时间，一般移动 孔位时间只占总作业时间的 8 ％～1 0 ％。 1 9 9 3年 6月推 出的 5 9一R钻 机 ，在结 构和控制系统方面与 4 9 一R钻机基本相同， 在性能参数加大 了一个量级 ，孔径增加到 4 4 5 m m、轴压力 5 9 t 、排渣风速3 5 ． 5 6 m／ s ， 机重1 3 6 ． I t 。该 机在美国的明塔克铁矿使 用平均穿孔速度 比早期钻机高 2 7 ％，钻头 平均寿命延长 3 5 ％左右；全部维修费用为 2 1 美元 ／ h ；在岩石上穿孔速度为2 8 3 m／ h； 钻头寿命最高为 3 3 1 7 m。 Ga r d n e r De n v e r 公 司在 6 0一PⅢ型钻机 基础上研制成功 G D一1 2 0 、G D一1 3 0等型， 并做了重大改进 ，如 G D一1 2 0型钻机孔径 增加到 5 5 9 m m、回转 电机功率 1 5 4 k w、轴 压 7 0 t 近年又推出 G D C M 型钻机，用计 算机控制实现 自动化作业，钻机作业参数经 按键显示屏显示。通过通讯线路将数据传输 到矿部中心控制室。 H a r n i s e h F e g e r公 司 9 O年 代 推 出 了 P ＆H7 0 A、P ＆H1 o o A和 P＆H1 2 0 A等新 型 钻机，孔径分别 为 3 1 1 、4 4 5 mm和 5 5 9 m m； 轴压分别为 4 0 ． 8、5 9 t 和 6 8 t 。其 中P ＆H 1 0 0 A和 P＆H1 2 0 A钻 机上 采 用新 式无链 电 动推进 系统 ，由回转式 齿轮箱上 面机头 内大 功率马达提供动力的齿条齿轮传动机构 ，不 需要推进链条 、链轮 和液压 马达 。齿轮 箱运 动方 向由双向导轮控制以保证定心准确；静 力驱动 I X； 控制系统，调速范围广，提升和 钻进力大，回转驱动扭矩按实际需要进行调 节 ，从而使扭矩范围和能耗趋于合理 ；I X； 数控 回转 电机 和推 进 电机 相 同 ，具 有 功 率 大、抗冲击振动、温度稳定性好。电机整流 子导 电表面积大，电流密度小。电刷大且数 目多，在电流变化速度快的情况下实现无火 花整流，电机发热量小 ，寿命长。全部钻机 均装有 C o r n ma n d d TM控制装置，用以控制钻 进深度、穿孔速度、作业参数、故障显示 以 及压缩空气和油的临界温度等。全部系统均 能在司机室内显示屏上显示出来，实现 自动 钻进 、自动找平和自动润滑。 I n g e r s o l l R a n d公司于 8 0年代初推 出 DM H 型钻 机 ，孔 径 2 2 9 ～3 1 1 r m a 、轴 压 4 5 ． 4 t 。于 1 9 8 9年开发 出 DM M2型钻 机 ， 孔径 2 2 9 ～2 7 9 m m、轴压 3 4 t ，推进 和回程 速度均为2 5 ． 6 m／ rain。该机无塔顶滑轮 和 塔顶结构 ；改变了气缸活塞杆材质结构，从 而降低钻机总重；减少天轮数量提高了机械 效率，减少了 电缆总长度。1 9 9 2年又推 出 DM M3型钻机 ．孔径 2 2 0 --2 7 0 mm、轴压 4 1 t 、最 大钻 孔深 度 6 0 m。该 公 司开发 的 I R D MS 钻机监测系统能监测穿孔速度 、 钻进深度 、总进尺以及关键件的温度、压力 和过滤器状况，并能诊断出与机械功能有关 的故 障。 Dr e s s e r 公 司 Ma r i o n分 部 生 产 的 M 一 3 B和 M一4 B新 型 钻 机，孔 径 分 别 为 229 -- 3 1 l mm 和 2 5 1 ～3 8 1 mm，轴 压4 5 3 6 t和 5 8 ． 9 7 t 。回转机构采用 2台直流电机驱动 ， 加压 、提升和行走机构均用液压马达单独驱 动。自动控制系统能监测控制钻进参数，在 通向二十一世纪的美国矿用牙轮钻机剖昱东 邮编 2 4 3 0 0 4 维普资讯 设备的机械极限范围内提供恒定钻进力。当 排渣气流受阻时 ，能 自动将钻头从孔底提 起 ，以防卡钻 。 加 拿 大 A QUI L A 采 矿 公 司在 As h t e c h 公司的高精度、实时、动态 G P S接收器 的 基础上开发了钻机实时定位和生产导航的控 制系统。钻机在采场台阶上精确定位 ，能使 9 5 ％以上的炮孔 在三 维方 向上具有误差小于 3 0 e m的精度定位 ，它优于司机靠 肉眼所能 达到的精度，能改善爆破效率、降低成本 ， 从而减少超钻和欠钻，提高了钻机作业率和 生产率。它由 R T K接收机和 A MP监控平 台组 成 ，能 够对 钻机 进行 实 时 的跟 踪 和定 位。 当炮孔的位置 出现在移动的地图显 示屏 上时，司机能导航钻机使其定位在设计位置 上，钻机调平开始钻孔时，控制系统将 自动 确定孔口标高和提供校正了的钻孔深度，以 得到相 同的台阶高度。1 9 9 3年 5月于新不 伦瑞克煤矿 ，在 Ma r i o n M5钻机上安装了 这套控制系统投入使用。改善了装药结构 ， 降低 7 ％的炸药消耗 ，到 1 9 9 5年 5月共节 约 1 0 0万加元。到 1 9 9 5 年末 已在加拿大 1 2 个露天矿使用，取得 显著效果。1 9 9 5年 9 月 B E公司在 4 9 一R钻机上安装了这套系 统在福 丁河矿投入使用 。 3 矿用牙轮钻机发展趋势 3 ． 1 从局部 自动化 向全 自动化 、 智能化方 向 发展 2 1世纪是 自动化 、智能化大发展的时 代 ，为迎接时代的挑战，美国把牙轮钻机 自 动化推向一个崭新的阶段。以微机为基础的 屏幕显示监视器取代了仪表盘，除监视设备 作业状态外还有多种监测和故障诊 断功能 ， 通过各种传感器可随时向司机提供作业参数 和各种信息 ，保证钻机无故障作业；钻机 自 动化由局部 自动化开始如自动定位、找平 ， 自动化安卸钻杆等逐步向全 自动化发展。能 在最小作业成本的基础上使钻进参数最佳 化；为露天矿现代化管理提供信息 矿石品 位的精确分布、矿岩可钻性、可爆性和可挖 性等 ，钻孔时能识别矿岩特性 ；接杆钻进 时 自动控制和更换钻杆 ；钻机 自动调平 、炮 孔定位、导航及障碍探测 ；可进行设备完好 状态 的监视 ，如故障诊断、检测、趋势分析 和预防性维修等。具有这些功能的牙轮钻机 司机不用全部时间在钻机上 ，仅在 自动化系 统出现故障时再进行操作 。已经趋向于智能 化 ，实现包括物质流、产品信息流在内的控 制过程中体力和脑力劳动的自动化 ，这样就 把人从繁重的、危险的劳动中解放出来 ，并 带来巨大的社会与经济效益。近年美国各制 造公司竞相研制具有智能化的牙轮钻机 ，可 以预计跨入 2 1 世 纪将 有突破性 进展。 3 2 新结构不断涌现 ， 可靠性不断提高 牙轮钻机回转和提升加压系统用静态直 流电机驱动可控硅调速代替 了电动发 电机 组，扩大了调速范 围，增加了提升加压力。 新型直流电机具有抗冲击振动能力，整流子 有较大导电表面，电流密度低 ，实现无火花 换向，电机寿命长。采用数字式控制 ，改善 了电机控制特性，扩大了保护功能。但直流 电机价格较高，维修复杂，因而发展趋势是 静态交流电机驱动变频 调整速 ，可在宽范围 内实现无级调整。由于无换向器和电刷维护 比较方便，并能适应较差的矿山电网 封闭式齿轮箱齿轮、齿条加压提升系统 和无链液压推进等新结构 ，不 仅简化 了结 构，提高了传动效率 ， 并且使钻头负荷趋于 平稳 ，提高了钻头寿命 ，减少维修和停机次 数，具有较高的作业率。 由液压马达独立驱动两条履带的行走装 置可实现原地转弯，机动性好 ，缩短辅助作 业时间，提高穿孔效率和可靠性。 可控的螺杆式空压机排渣装置 ，根据不 同作业条件提供合适的风量，两次大修间隔 可达 2 5 0 0 0 --3 0 0 0 0 小时，从而提高了寿命。 下转第 4 7页 有色矿 山l 9 9 9 2 维普资讯 返回，这时，控制室操作员可以隔一段时间 后 ，再单独向该工段发一联系信号 ，如该设 备异常解除，则可发一应答信号。当 P L C 接收到所有的应答信号后，操作员还需按一 个启动按钮 ，系统才能真正启 动。当 P L C 发出联系信号，长时间得不到应答 ，则 自动 解除联系信号，操作员要想重新启动系统 ， 必须重新按信号联系按钮发送联系信号。 5 结论 本系统采用 P L C对矿 山破碎过程进行 全方位的自动控制，主要有以下优点 1 用 P L C代 替传 统的继 电器控制 ， 减少了大量的继电器元件和相互问接线，不 仅降低了投资成本，而且大大减少了系统维 护的工作量。 2 P L C控制系统为 以后的系统扩充 和控制方案变更提供了方便 ，只要修改有关 程序，而不必修 改大 量的接线即可满足要 求。 3 实时检测各种设备的运行故障，可 大大减少由此产生的额外工作量。比如 在 自动状态下，某 台圆锥破碎机发生故障急 停 ，而前一工序的设备不能及时得到信息 ， 还在继续供料，很可能将圆锥破 碎机堵死 ， 工人们需要 花很长时间去清除；而用 P L C 控制 ，在任何设备发生故障致使电动机配电 回路断电的瞬问都能及时发现 ，及时将其它 设备停机 ，从而避免了堵料的发生。 4 最大限度地提高工作效率。本系统 共包括 1 3台设备 ，如果将这些设备同时启 动，则瞬间的启动电流将使供电系统不堪重 负，因而必须错开启动时间。在手动操作状 态下 ，启动顺 序全靠操作 员之间的相互配 合，可能后面的设备还投有启动 ，前面的设 备就启动了，造成堵料 ；或者是后面的设备 已启动很长时间了，前面的设备还未启动 ， 造成能源浪费。而用 P L C实现联锁控制 ， 各个设备的启停顺序及问隔时间都 由 P L C 程序精确控制，使得每台设备都得到最佳的 控制。 上接第 4 4页 3 ． 3 在 发展大 型牙轮钻 机的 同时注意 中小 型钻机的发展 为适应大型鼹天矿生产建设的需要 ，美 国开 发 了大型 牙轮 钻 机，炮 孔 直径 达 到 5 5 9 m m、轴压 为 7 0 t 。提高 了延米爆破 量 ， 降低作业成本 ，提高钻机生产能力和钻头寿 命。实践表明增加孔径是改善鼹天矿穿爆作 业有效途径。同时．美国也注意中小型牙轮 钻机的发展 ，多用交流电机变频调速。轮胎 式行走机构 ，提高机动灵活性。I n g e r s o l l R a n d 公司的 C M 一3 4 5型牙轮钻机孔径 为 6 4 ～ 1 4 0 ra m，设 备 行驶 平 稳 ，爬坡 能 力 3 O 。 ，行走装置有 永 久 密封 的履 带辊 、易 于 调节履带的张紧轮和液压摆动油缸，可在任 何地形条件下行驶作业。从而增强与潜孔钻 机的竞争能力。 3 4 向安全性、 舒适性和易维修性方向发展 用人机工程学设计司机室，符合防倾翻 保护系统标准 R O P S ，不但安全 ，而且舒 适、防尘、减振、降低噪音和有利于空调设 施 ，使室内色彩协调 、温度 适宜、视 野开 阔、空气新鲜。并在外观和功能方面给司机 良好感觉。坐在可调的气垫座椅上心情舒 畅，能发挥最大能动性，提高生产效率。钻 机结构不断简化、集中润滑等增加了设备易 维修性。 计算机自动控制系统在鸡笼山矿破碎过程中的应用廖乐光 邮编 1 0 3 8 维普资讯