基于ATO模式的煤矿井下多变幅履带钻机模块化平台开发.pdf

第 48 卷 第 2 期 煤田地质与勘探 Vol. 48 No.2 2020 年 4 月 COAL GEOLOGY 2. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China Abstract With the continuous popularization of customized crawler rigs in coal mines, the variety and specifications of crawler rigs have been further refined, diversified and complicated, and the modular plat of variable luffing crawler rigs has been successfully developed. The four key steps in the development of modular plat were analyzed the con- struction of modular plat, the rational division and development of modular components, the integration and devel- opment of modular components, the modular customization model for customers based upon the proposed ATO-based model. The application results show that the establishment of the variable luffing crawler rig modular plat shortens the product development cycle by 75, reduces the development cost of new products, improves the ability to quickly respond to market demands, and facilitates product upgrade, after-sales and production organization management. Keywords underground drilling; crawler drilling rig; modular; customized 近年来，煤矿井下坑道钻机由分体式逐步发展 到履带式，再到即将普及的自动化、智能化，装备 技术水平不断提高，产品更新换代提速[1-2]。同时， 随着煤炭开采效率及开采深度的提高，煤矿井下钻 探施工任务量及难度也在逐渐上升[3]，各煤矿企业 面临着不同的钻探施工难题，并且钻孔用途、种类 也在不断丰富，这都促进了钻探装备产品种类及规 格的精细化、多样化、复杂化发展[4]。目前，个性 化定制已成为装备制造行业的主流趋势，随着互联 网信息时代的到来，打破了市场垄断的可能，行业 渗透逐渐加强，整个煤矿井下钻探装备制造领域竞 争激烈[5-6]。在激烈的市场竞争中，如何降低研发周 期及成本，快速研发生产出适应于用户需求的钻探 装备产品，便成为了赢得市场的关键因素[7-8]。 万方数据 第 2 期 宋海涛等 基于 ATO 模式的煤矿井下多变幅履带钻机模块化平台开发 9 目前， 从各个厂家的产品种类构成上可以看出， 常规的煤矿井下钻机开发还是停留在一对一的研发 思路，过程中虽然具有模块化的思想存在，如一种 动力头可在多种型号的钻机上借用，但由于缺少模 块化、平台化系统理论的指导，在产品设计之初考 虑的不够充分，导致钻机整体的模块化程度不够、 集成性不足，进而造成设计周期较长。 而在工业加工领域， 产品结构和功能的模块化、 通用化和标准化相对较为成熟。开发模块化平台， 可通过对部分模块的更新，从而实现产品具备新的 功能或能力，甚至成为新的产品，而其余多数模块 不需要重新设计[9-10]。常见的模块化平台的开发模 式主要分为以下 3 种[11-12]。 ETO 模式Engineer-to-Order，即按订单设计， 能最大程度上满足客户对于产品的定制化需求。但 对于生产流程管理、生产进度管理、生产成本管理 要求较高，例如波音公司的达索配置系统。 CTO 模式Configuration-to-Order，即按订单配 置模式，主要适用于产品多样少量化的市场，客户 下单后根据产品的技术组成，再根据物流状况确定 生产计划， 例如 Acumins 维生素片的网上配置系统。 ATO 模式Assemble-to-Order， 即按订单装配模 式，可根据通用零部件装配成满足客户订单需求的 产品，这些通用部件在订单发生之前就已计划、生 产、入库。该模式通过预投生产，可缩短生产周期， 减少总装计划时间，加快对客户需求变化的反应。 经过多年的发展，煤矿井下履带钻机结构功能 相对成熟， 客户的个性化定制主要集中在整机功率、 钻具规格、钻进工艺种类、给进行程等方面，从产 品开发的角度而言，主要开发内容是将模块化部件 做的更丰富、更全面，需要的全新设计内容相对较 少。从产品个性化现状的角度出发，煤矿井下履带 钻机更适合于 ATO 模式发展。查阅相关文献资料， 针对工程机械开展系统性的模块化、平台化研究并 不多，针对煤矿井下履带钻机模块化研究并作出详 细介绍的几乎没有。 鉴于此，针对煤矿井下全液压式履带钻机的结 构、功能特点，中煤科工集团西安研究院有限公司 于 2014 年开展了基于 ATO 模式的煤矿井下全液压 式多变幅履带钻机产品模块化平台相关研究工作， 目前已初具规模，并取得了良好的市场应用效果。 笔者归纳整理了模块化平台建设过程中的研究工 作，主要从模块化平台建设、模块化部件合理划分 及开发、模块化集成与开发、建立面向客户的模块 化定制模式 4 个方面阐述了平台建设中的关键技 术，为煤矿井下钻机行业的模块化平台建设提供了 思路。 1 模块化平台建设 ZDY 系列多变幅履带钻机模块化平台主要面向 煤矿瓦斯抽采顺层钻孔、多层钻孔、底板大角度孔、 全断面钻孔、探放水孔及其他用途钻孔的施工。针对 目前的市场需求， 研发多变幅履带钻机平台图 1， 平 台宽 1 250 mm、长 3 850 mm。 图 1 多变幅系列钻机模块化平台 Fig.1 Modular plat of variable luffing serial crawler drilling rig 多变幅履带钻机平台主要由履带车体和多自由 度变幅机构等部件组成。 各部件在履带车体上图 2 立体式布局，可将不同规格型号电机泵组放置在两 履带之间，有效利用了车体立体空间。通过优化布 局操纵台和油箱的位置，在履带车体前端让出足够 空间放置主机，可方便机身调节方位角及满足钻机 跨皮带施工要求，并实现不同长度规格的给进装置 模块在钻机上的安装集成。 图 2 履带车体 Fig.2 Crawler drilling rig body 多自由度变幅机构图 3是多变幅系列模块化 平台的核心功能部件，该部件用于执行施工过程中 的孔位调节。目前，煤矿井下各类型钻孔由于其功 能不同，在开孔参数要求上也差异较大，在强调“一 机多用”的当下， 普遍要求钻机的开孔倾角及方位角 能达到全覆盖。 为提升整个系列平台钻机的适用性， 满足各个工况的需求，平台标配的多自由度变幅机 万方数据 10 煤田地质与勘探 第 48 卷 构通过两个油缸配合调节可实现开孔方位角–90 90、主轴倾角–9090、水平开孔高度 1 450 2 550 mm 范围内的调节，并且整个调节过程自动化 程度高、操作简便快捷，可显著减轻工人的劳动强 度[13]。 1托架；2转轴；31 号调角油缸；4大臂组件； 52 号调角油缸；6转台 图 3 多自由度变幅机构 Fig.3 Luffing mechanism with multi-degree of freedom 2 模块化部件合理划分及开发 模块化部件的通用性与差异性是矛盾对立的两 个方面，建立平台的初衷就是利用通用性的资源来 减少差异性的开发投入。但过度的通用性会影响产 品的个性化发展，不利于满足客户的需求，所以要 合理地对平台进行模块化划分。 结合不同矿区钻孔施工需求，煤矿井下履带钻 机的主要性能参数包括额定转矩、额定转速、给 进力、起拔力、给进行程、电机功率，其中，额定 转矩、额定转速是核心参数。按照核心性能参数分 类，钻机可分为小功率钻机、大功率低转速钻机、 高转速普通钻机、高转速大转矩钻机等。 多变幅履带钻机平台主要采用基于部件的功能 与结构的模块化划分方法，即根据各个部件的功能 进行大类划分，对同功能不同结构或不同能力的部 件进行模块化开发，对于重点功能部件，例如动 力头、给进装置、夹持器、电机泵组等，要根据市 场需求，尽可能丰富模块选项范围。这样通过对重 点部件的选项完善， 满足客户功能上的大部分需求， 可有效降低个性化定制比例，提高开发效率，发挥 模块化平台的优势。 2.1 动力头 动力头图 4是将钻机动力传递至孔底钻具的 关键功能部件，主要由马达、变速箱、钻具夹持装 置组成，它直接影响钻机的额定转矩和额定转速。 在钻孔施工过程中，根据钻孔类型、钻孔深度、钻 进工艺等条件， 对于动力头的参数要求也不尽相同。 目前，通过市场需求调研及前期积累，先后开发 了额定转矩为 1 200 Nm、1 900 Nm、3 200 Nm、 4 000 Nm、4 500 Nm、6 000 Nm、6 500 Nm 共计 7 种不同规格的动力头。此外，针对松软煤层钻 进工艺的高转速需求，还开发了额定转速可达 800 r/min、460 r/min、400 r/min 的 3 种高转速动力 头，能够满足用户的各类型选用需求。 16 500 Nm；21 900 Nm；33 200 Nm；44 000 Nm； 56 000 Nm 图 4 不同型号动力头 Fig.4 Different models of power head 2.2 给进装置 给进装置图 5是实现动力头前后运动的功能 部件，主要由机身、给进油缸、导轨、拖板等部件 组成。在给进油缸的带动下，与拖板相连的动力头 可沿给进导轨前后滑移，以实现钻具的起下及给进 起拔力的施加。给进装置的核心性能参数包括给进 行程、给进起拔力。给进行程长可以有效减小动力 头往复的次数，一定程度上提高了施工效率，但各 大煤矿巷道空间条件及施工工艺的差异往往较大， 为此开发了 600 mm、650 mm、780 mm、950 mm、 1 150 mm、1 250 mm、1 300 mm、1 800 mm 等多种 行程的给进装置以满足客户需求。并且，根据施工 孔深、事故处理难度等级等要求，给进/起拔力从 90 kN 至 190 kN 可选。 1600 mm；21 250 mm；31 800 mm 图 5 不同行程给进装置 Fig.5 Different strokes of feeding device 2.3 夹持器 夹持器图 6安装在给进装置最前端， 用于夹持 孔内钻具，防止孔内钻具的滑移，对于螺纹连接的 钻具还可与动力头正反转配合进行钻杆接头的拧 卸。根据使用钻具的要求及钻进工艺的需要，可集 成复合式夹持器、大行程夹持器、窄体大行程夹持 器，开口量 1021 mm，可配套 1 2006 500 Nm 能 万方数据 第 2 期 宋海涛等 基于 ATO 模式的煤矿井下多变幅履带钻机模块化平台开发 11 力的动力头，通过更换卡瓦可以满足夹持 50 mm 153 mm 的钻具。这些配置还可满足大直径钻具下 放、定向钻进等特殊工艺需要。 1窄体大行程；2复合式；3大行程 图 6 不同型号夹持器 Fig.6 Different models of holder 2.4 电机泵组 电机泵组图 7为整机提供动力， 主要由防爆电 机及液压泵组成。 防爆电机的体积与其功率成正比， 一定程度上限制了平台的最大能力，根据主流市场 需求，多变幅履带钻机平台设计可支持的最大功率 为 90 kW 电机，其中包括的主要规格有22 kW、 37 kW、45 kW、55kW、75 kW、90 kW。 液压泵方面，根据现有钻机的性能参数主要选 配两组斜盘式变量串泵75 kW 及 90 kW 电机配套 145 mL/r 排量主泵串联 28 mL/r 排量副泵； 55 kW 及 以下功率电机配套 71 mL/r 排量主泵串联 28 mL/r 排量副泵，电机泵组组合的外形尺寸均满足履带车 体平台的空间要求。 190 kW；255 kW 图 7 不同功率电机泵组 Fig.7 Different powers of electrical motor pump set 3 模块化集成与开发 模块化设计中，除了模块自身性能、功能设计 外，模块化接口的设计也尤其重要，它是实现模块 部件的快速集成的基础。煤矿井下坑道钻机模块化 集成的主要特点是各个模块间或模块与平台间的 连接主要以刚性连接为主。由于模块部件的性能参 数跨度较大，致使相同功能的模块化部件有可能外 形差异也较大，故将众多不同模块接口进行完全通 用性设计难度较大。为此，在设计过程中可将同一 类功能的模块化部件按照其连接属性进行二次分 类图 8。 这样可以最大程度降低模块接口设计的复 杂性，并保证了接口的相对通用性。 4 面向客户的模块化定制模式 为了保持平台的适用性、先进性，平台应顺应 图 8 模块化接口二次分类 Fig.8 Secondary classification of modular interface 客户的实际需求不断升级，主要是指模块化部件种 类或功能的增加。在面向客户的定制化个性化设计 过程中，客户需参与钻机的配置及产品构型，这不 但可以让客户构造自己需求的产品，更可以帮助设 计者理解客户，以实现钻机平台不断地收集到客户 的有效需求，并将其转化为平台的模块化特征。 4.1 产品定制基本流程 基于 ATO 模式的产品模块化定制流程如图 9 所 示。首先，要根据不同煤矿的钻孔用途及巷道条件确 定钻机的产品性能参数，如功率、额定转矩、额定转 速、给进装置外形尺寸等。明确性能参数后，用户可 在产品的模块选项库中选择相应满足参数要求的部件 模块。当选项库无法满足或无法完全满足客户需求， 就需要新增定制选项，定制选项将进行详细的评审， 批准后方可最终定制选项。经过客户选项流程后，往 往会有不止一种组合方案，这就需要与客户一同对方 案的可靠性、经济、时效性等方面进行评价与分析， 选取最优方案进行投产加工或直接进行装配。 图 9 基于 ATO 模式的产品模块化定制流程 Fig.9 Product modularization process based on ATO mode 万方数据 12 煤田地质与勘探 第 48 卷 4.2 定制需求处理 在定制需求处理的过程中，常常会遇到一些偶 然性、全新性的需求。在设计、生产任务繁重的大 背景下，必然无法保证所有的定制需求都被接受。 虽然这部分定制需求暂时不能被批准，但这的确是 客户需求的一种实际反映，所以这些未被批准的定 制需求都要保存起来，等积累到一定程度，例如有 发展为共性问题的趋势时将会变成被批准需求。 4.3 客户选项管理 客户定制会不断地积累，当相同或相似的客户 定制达到一定程度时，就有必要将其转变为客户选 项。当此定制部件选项内包含的型号参数越来越丰 富时，定制部件选项可升级为可选部件选项。例如， 客户根据自身的规章制度、钻进工艺、技术标准、 地层条件等一系列客观因素提出一些定制化需求 加装孔口防喷装置、加装升降台设备、加装油路保 护模块、加装辅助吊臂等，随着这些定制需求量的 不断增加，目前已全部转化为客户选项。 客户选型除了不断丰富以外，那些不经常被 客户选择的部件选项或选项参数值，将逐渐淘汰 出客户部件选项目录。这种不断补充与淘汰的机 制，让选项库处于合理的容量，并降低了选项种 类繁多而造成的生产压力，更重要的是保障了模 块化平台的不断提升，为客户提供了最新、最优 的部件选项。 5 模块化平台应用效果及分析 多变幅履带钻机平台自 2014 年开发成功后， 根 据各矿区的不同需求，快速衍生出了 ZDY1900LP、 ZDY2200LR、 ZDY3000LG、 ZDY3500LP、 ZDY3500LQ、 ZDY4000LR、 ZDY4000LRB、 ZDY6500LP、 ZDY6500LF、ZDY6000LR 等共计 10 余种型号的钻 机[14-17]， 表 1 中列出了几种典型钻机及其主要特点。 表 1 多变幅系列钻机模块化平台衍生机型 Table 1 Drilling rig models derived from modular plat of variable luffing serial drilling rigs 序号 钻机型号 关键参数 适用范围 实物图片 开发时间及周期 1 ZDY3500LP 额定转矩/Nm3 500 额定转速/rmin–160190 电机功率/kW45 给进行程/mm600 本煤层瓦斯抽采钻 孔，穿层钻孔，前 探钻孔及探放水孔 等施工 开发时间2013年 开发周期52 d 2 ZDY3000LG 额定转矩/Nm3 000 额定转速/rmin–1 160800 电机功率/kW90 给进行程/mm1 800 松软煤层本煤层瓦 斯抽采钻孔施工， 高转速螺旋排渣钻 进施工 开发时间2014年 开发周期25 d 3 ZDY6500LP 额定转矩/Nm6 500 额定转速/rmin–160200 电机功率/kW90 给进行程/mm1 300 碎软煤层的本煤 层、穿层钻孔施工 开发时间2015年 开发周期14 d 4 ZDY3500LQ 额定转矩/Nm3 500 额定转速/rmin–160190 电机功率/kW45 给进行程/mm950 底抽巷中全断面穿 层瓦斯抽采钻孔施 工 开发时间2016年 开发周期15 d 5 ZDY6000LR 额定转矩/Nm6 000 额定转速/rmin–180400 电机功率/kW90 给进行程/mm1 800 碎软煤层的本煤层 瓦斯抽采钻孔施工 开发时间2017年 开发周期12 d 目前，该系列平台钻机已实现功能部件的模块 化，可根据客户的需求直接进行选型配置，核心功 能部件无需重新开发，钻机设计周期由原来的 3 个 月缩短为 3 周以内。此外，模块化平台的建立也促 进了生产效率的提升，通过对核心部件、常用部件 的提前排产或下单，大大提升了生产响应效率，在 该平台系列钻机的带动下，中煤科工集团西安研究院 有限公司履带钻机的产量已由 2013 年的 73 台增长为 2019 年的 590 台。在配件更换方面，特殊非标部件占 比只有 5以内，给常规的维护保养带来了便利。 目前，该系列钻机已在陕西煤业化工集团、阳 泉煤业集团、淮北矿业集团、河南煤业化工集团、 万方数据 第 2 期 宋海涛等 基于 ATO 模式的煤矿井下多变幅履带钻机模块化平台开发 13 兖矿集团等全国各大矿业单位推广应用，累计推广 800 余台/套， 20142017 年，仅该系列钻机实现 销售收入 3.136 8 亿元。 多变幅履带钻机模块化平台 的建立，大大缩短了产品研发和制造周期，降低了 新产品开发成本，提升了对市场需求的响应速度， 方便了产品升级、售后和生产组织管理，实现了客 户厂家的共赢。 6 结 语 以模块化、平台化系统理论为指导，分析了模 块化平台的建设，模块化部件合理划分及开发，模 块化部件的集成与开发，面向客户的模块化定制模 式等 4 个关键环节； 提出了基于 ATO 模式的多变幅 履带钻机产品模块化定制流程。多变幅履带钻机模 块化平台的建立，大大缩短产品研发和制造周期， 提升快速应对市场变化的能力，方便了产品升级、 售后和组织管理，通过几年间的运行及推广，实现 了模块化平台建立的既定目的。 随着钻探装备技术的不断发展，模块化平台的 更新换代是一个必然的过程，这就要求我们在新平 台开发的过程中具备前瞻意识，首先，要求研发人 员掌握行业前沿动态，确保平台技术的领先；其次， 要求研发人员具备全局意识，避免由于设计局限而 造成的重复性设计，浪费研发投入。只有这样才能 保持平台的领先性、完善性、适用性，保持自身的 市场竞争力，进而更好地服务于用户。 请听作者语音介绍创新技术成果 等信息，欢迎与作者进行交流 参考文献References OSID 码 [1] 陈晓晶， 何敏. 智慧矿山建设架构体系及其关键技术[J]. 煤炭 科学技术，2018，462208–212. 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