1、昆明理工大學畢業設計（論文）調 研 報 告題 目： 學 院： 專 業： 學生姓名： 指導教師： 日 期： 旋轉鉆機調研報告摘要：畢業設計之前，對課題即旋轉鉆機I的機電液系統設計及數控加工編程進行相關調研，以便更好的完成畢業設計。調研內容主要國內外是旋轉鉆機的情況和發展趨勢，國內旋轉鉆機的發展和使用情況，本次畢業設計鉆機的選型和機電液控制系統相關理論知識、技術實現以及本課題的分析討論。本論文研究的鉆機用于露天煤礦爆破前的鉆孔施工，鉆孔設計深度為12m，設計孔徑為120mm。鉆機鉆孔時，回轉機構和加壓機構通過鉆桿向多刃切削鉆頭施加作用力。鉆頭在軸壓力作用下侵入煤層，又在回轉扭矩的作用下切削破碎煤層

2、。該鉆機采用螺旋鉆桿排碴方式，鉆桿在孔中轉動時與孔壁構成一個螺旋輸送器，孔底煤碴在離心力、擦力等各種阻力作用下沿鉆桿上的螺旋葉片逐步向上輸送，從而使鉆具不斷向下移動，完成鉆進過程。關鍵詞：機電液系統 旋轉鉆機 鉆機分類 發展趨勢 應用0前言旋轉鉆機是用切削式鉆頭破碎巖石的鉆孔機械，也稱旋轉切削式鉆機。在采礦工程中應用旋轉鉆機已有多年的歷史，但多數是應用在井下煤礦且鉆孔直徑很小，如煤礦電鉆等。隨著國內外煤炭工業的大量開發，旋轉鉆機的使用范圍在逐步的發展和擴大。六十年代以，我國煤炭、化工等露天礦山使用的是鋼繩沖擊式鉆機和少量陳舊的旋轉鉆機；六十年代初期，我國研制成功了適合于煤礦使用的ZX-150型

3、旋轉鉆機；七十年代以后，更多的煤炭系統單位和礦機制造廠進行了旋轉鉆機的研制，試制出了多種機型，通過鑒定定型的有ZX-150A、YQ-160、KX-150型等旋轉鉆機。旋轉鉆機適于中硬以下、磨蝕性較小的巖石中鉆孔，實踐證明，在巖石堅固性系數f6的巖石中鉆孔時，與牙輪鉆相比，效率高、能耗小、軸壓力小、成孔質量好，而且切削式鉆頭制造修復方便。1旋轉鉆機相關知識1.1鉆機分類1）回轉式鉆機可分為三類：立軸式回轉鉆機：手把給進式鉆機、螺旋差動式、液壓給進式鉆機；轉盤式回轉鉆機：鋼繩加減壓式鉆機、液壓缸加減壓式鉆機；移動回轉器式鉆機：全液壓動力頭式鉆機、機械動力頭式鉆機。該回轉式鉆機主要是依靠鉆具的回轉運

4、動破碎層而成孔。作業時，動力機通過傳動裝置驅動轉盤，由主動鉆桿帶動鉆頭旋轉破碎巖層。該回轉式鉆機能適應各種不同地質情況，特別是卵石層中鉆孔，成孔后，孔壁四周形成一層密室的土層，對穩定孔壁，提高樁基承載能力，均有一定的作用。本次課題所涉及的旋轉鉆機即為回轉式鉆機。2）沖擊式鉆機可分為兩類：鋼絲繩沖擊式鉆機；鉆桿沖擊式鉆機。該沖擊式鉆機主要由鉆具的垂直往復運動，使鉆頭沖擊井底以破碎巖層。該沖擊式鉆機的功效較低，鉆井深度在250m以內，偶爾也可達到500-600米。該機運行鉆孔是利用鉆機的曲柄連桿機構，將動力的回轉運動改變為往復運動，通過鋼絲繩帶動錘上下運動。沖擊式鉆機是將巖石破碎成粉粒狀鉆渣，由于

5、其功率消耗大，效率低，所以除了硬質卵石層鉆孔外，一般采用其他種類鉆機。3） 復合式鉆機：該機主要是由振動、沖擊、回轉、靜壓等功能以不同組合方式復合在一起的鉆機。柴油錘打樁機就是其中的一種。1.2回轉鉆機工作方式回轉鉆機是由動力裝置帶動鉆機回轉裝置轉動，從而帶動有鉆頭的鉆桿轉動，由鉆頭切削土壤。回轉鉆機用于泥漿護壁成孔的灌注樁，成孔方式為旋轉成孔。根據泥漿循環方式不同，分為正循環回轉鉆機和反循環回轉鉆機。1）正循環回轉鉆進是以鉆機的回轉裝置帶動鉆具旋轉切削巖土，同時利用泥漿泵向鉆桿輸送泥漿（或清水）沖洗孔底，攜帶巖屑的沖洗液沿鉆桿與孔壁之間的環狀空間上升，從孔口流向沉淀池，凈化后再供使用，反復運

6、行，由此形成正循環排渣系統；隨著鉆渣的不斷排出，鉆孔不斷地向下延伸，直至達到預定的孔深。由于這種排渣方式與地質勘探鉆孔的排渣方式相同，故稱之為正循環，以區別于后來出現的反循環排渣方式。2）反循環回轉鉆機成孔是由鉆機回轉裝置帶動鉆桿和鉆頭回轉切削破碎巖土，利用泵吸、氣舉、噴射等措施抽吸循環護壁泥漿，挾帶鉆渣從鉆桿內腔吸出孔外的成孔方法。根據抽吸原理不同可分為泵吸反循環、氣舉反循環和噴射（射流）反循環三種施工工藝。泵吸反循環是直接利用砂石泵的抽吸作用使鉆桿內的水流上升而形成反循環；噴射反循環是利用射流泵射出的高速水流產生負壓使鉆桿內的水流上升而形成反循環；氣舉反循環是利用送入壓縮空氣使水循環，鉆桿

7、內水流上升速度與鉆桿內外液體重度差有關，隨孔深增大效率增加。當孔深小于50m時，宜選用泵吸或射流反循環；當孔深大于50m時，宜采用氣舉反循環。1.3旋轉鉆機工作原理旋轉鉆孔機種類很多，其外觀形狀也不完全相同，但根據鉆孔工作的需要，它們的總體構造基本上相同，其通常由鉆進系統和底盤樁架兩部分組成。底盤樁架主要由立柱、起架裝置、底盤、行走機構、液壓系統及電氣系統組成。鉆進系統主要由動力頭、鉆桿、鉆頭、滑動支架、加壓提升機構等組成。鉆具的驅動動力可用電動機、內燃機或液壓馬達，底盤樁架有汽車式、履帶式和步履式。底盤樁架主要起固定鉆孔執行裝置、鉆進導向及行走等作用。鉆進系統主要起到切削、輸送、成孔等作用。

8、鉆進時由動力頭原動機經過減速器驅動輸出軸旋轉，帶動鉆具旋轉切削巖石，加壓機構通過動滑輪組提供向下的軸壓力，鉆頭在兩者的共同作用下，最終完成鉆孔作業。鉆機鉆孔時，回轉機構和加壓機構通過鉆桿向多刃切削鉆頭施加作用力，鉆頭在軸壓力作用下侵入巖石，在回轉扭矩的作用下切削破碎巖石。可用壓氣排碴，也可用螺旋鉆桿排碴，壓氣排碴除塵裝置與牙輪鉆機的相同。當用螺旋鉆桿排碴時，鉆桿在孔中轉動與孔壁構成一個螺旋輸送器，孔底巖碴在離心力和摩擦力等各種阻力作用下沿鉆桿上的螺旋葉片逐步向上輸送，從而使鉆具不斷向下移動，完成鉆進過程。旋轉切削鉆進原理如圖1.1所示。圖1：旋轉切削鉆進原理3旋轉鉆機發展現狀及研究概況3.1目

9、前國內外生產及研究現狀利勃海爾公司LB系列的研發來源于利勃海爾機器幾十年來在特殊土木工程中的應用經驗，并考慮到了現在旋轉鉆機作業艱苦的情況。LB系列鉆機的設計采用連續螺旋鉆和雙旋轉頭。新型LB28旋轉鉆機設計鉆孔直徑最大可達2.5米,最大深度70米，扭矩為28噸米。它的繩索降落系統具有40噸提升力，在艱苦的地況和作業條件下，能提供最大的動力和可靠性。為增強對硬巖鉆進能力，Robbins公司研制了小型鉆進器具SBU(Small Boring Unit)，SBU可以在24-27英寸的直徑范圍內鉆進硬巖，它由硬巖切削刀盤和裝在刀盤上的高效推力軸承上的微型盤狀切削具組成，通過全斷面螺旋使切削刀盤旋轉，

10、用頂進裝置使其推進。SBU通過一個標準六方柱與螺旋連接器連接，適合于所有的水平全斷面螺旋鉆機。云南楚雄呂合煤業有限公司根據露天礦山生產建設的需要，從1974開始，經過20多年的不斷努力，于1997年研制和開發成功KZXL-30型垂直旋轉鉆機，該鉆機為電力驅動、輪胎行走,螺旋鉆桿自行引導排碴。該機適應的煤巖硬度為f6，鉆孔直徑為130mm，鉆進轉速為每分鐘198轉。煤炭科學研究總院重慶分院進行了松軟凸出煤層順層螺旋鉆進裝備研制與配套工藝開發項目，2006年研制出ZY-1250型全液壓鉆機，鉆機用于松軟凸出煤層鉆進,最大孔深150m，并且在巧150m型鉆機的基礎上，對鉆機結構和關鍵參數進行了進一步

11、優化，完成了200m型鉆機的設計。煤炭科學研究總院西安分院研制了高強度必420mm插接式密封型螺旋鉆桿(如圖1.2)，可采用干式和濕式兩種排碴方式，用于在煤層中鉆進水平大直徑孔，尤其在當煤礦發生瓦斯爆炸，頂板冒落等事故時建立與被因人員的聯絡通道。2003年用ZDY400OS型全液壓鉆機配套該螺旋鉆桿在陽泉新景礦成功進行了深度為50.6m的大直徑鉆孔試驗。圖1.2 420mm插接式密封型螺旋鉆桿3.2旋轉鉆機的技術發展趨勢旋轉鉆機的技術發展趨勢主要體現在以下幾個方面：l)鉆機動力頭主要有三種方式：柴油機、電動機和液壓馬達驅動。用柴油機作動力，可以擴大鉆機的使用范圍，特別有利于開發邊遠和缺乏電力的

12、地區。如美國Drilteeh公司的D40K，Igersoll-Rand公司的T4型和德國Sazlgitter公司的LB6l0型就是用柴油機驅動的；電機驅動動力頭轉速調節不便、啟動扭矩小，與電動機驅動相比液壓裝置在同等體積下能產生更大的動力，液壓裝置體積小、重量輕、結構緊湊，且液壓裝置工作比較平穩，易于實現快速啟動、制動，能在較大范圍內實現無級調速。由于液壓傳動的突出優點，目前在旋轉鉆機上得到了更廣泛的應用；2)大型鉆機多用履帶式行走機構，小型鉆機多用輪胎式，礦用鉆機采用履帶式的居多。輪胎式鉆機用于開采分散的小礦體時更能發揮作用，履帶式鉆機多用于作業時間長、工作面比較固定的場所；3)采用全液壓系

13、統：國外中、小型旋轉鉆機的工作機構幾乎全部采用液壓馬達作為回轉動力。加壓、提升系統一般采用液壓缸或液壓馬達，通過鏈條或鋼絲繩傳動，可以對軸壓力和進給速度進行無級調節；4)可以鉆斜孔、平臺可回轉360度：鉆機具有用于調整鉆架傾角的專門裝置；上、下車獨特的水平調節系統的應用，可進行上下車傾斜調節，確保上車駕駛室為水平，此功能既保證了鉆孔時的垂直度，又可使操作手在舒適的位置長時間工作而不會感到疲倦；5)控制技術的智能化，；自動垂直調平、發動機的監控、鉆孔深度測量及顯示、車身工作狀態動畫顯示及虛擬儀表顯示、故障檢測、報警及信息顯示等方面逐步實現智能化控制；6)一機多用；有些鉆機可以選用不同的鑿巖方式，

14、根據巖石的不同硬度情況，選擇不同的鉆頭。如鉆軟巖使用切削鉆頭，鉆堅硬巖石使用牙輪鉆頭或沖擊器等；7)電子、電液技術的應用增加，采用軸壓、轉速自動調節系統，使鉆機能在最優狀況下工作。4旋轉鉆機在我國露天礦山中的應用據初步統計,我國60年代起自行發展的小型旋轉鉆機有KX-150、KX-150A旋轉鉆機，KY-150、KY-200、YZ-12牙輪鉆機和仿制的YKH-120炮孔鉆機,KQX120鉆機等等,其主要技術參數見附表。這些鉆機都是冶金、煤炭、化工、建材等中、小型露天礦理想的穿孔設備,也是大型露天礦進行清底打邊坡的必要輔助設備。下面我們以KX-150為例介紹旋轉鉆機在露天礦山中的應用。KX-15

15、0旋轉鉆機是結合我國露天礦山具體情況自行發展的新產品, 它具有主要性能參數合理、效率高、成孔質量好、結構比較緊湊、體積小、重量輕、行走靈活方便, 工作和行走時穩定性好、操作方便、勞動強度小、自帶空壓機排渣、不需用水、便于礦山管理、除塵裝置效果良好, 是適合我國露天煤獷及其它露天礦山使用的新型穿孔設備。4.1KX-150旋轉鉆機在我國露夭礦山的使用情況及效果KX-150旋轉鉆機從1981年3月開始到同年7月末工業試驗性試驗中( 巖層硬度f為3-11之間) 總進尺15574米, 平均作業班效率為109米, 最高臺班效率為194米, 平均臺時穿孔效率為29-39米, 每米穿孔成本為1.02元, 工業

16、性試驗期間的無外因作業率為62.68%-80.7%。從1981年9月到1982年12月的生產使用中, 1*鉆機鉆進進尺57218米, 出動臺班數551個, 平均臺班效率為103.84米。2*鉆機鉆進進尺58002米, 出動臺班數576個, 平均臺班效率為100.69米。1983年1* , 鉆機鉆進進尺61240米, 2*鉆機鉆進進尺59276米。其間1983年9月份有一臺鉆機在參加全國煤炭系統鉆機鉆孔競賽中,該月進尺達16775米, 該月工作90個臺班, 孔深為6-20米不等, 其中以12米、8米、16米為最多, 巖層硬度f在3-11之間。平均臺班效率為186.38米, 最高臺班效率為345米

17、。當月每米穿孔成本為0.41元。從1983年3月工業性試驗開始( 其中1981年8月未統計在內)到1983年年底總計進尺251310米, 臺班效率為沖擊式穿孔機效率的4.5倍。每爆破1米3巖石穿孔成本比沖擊穿孔機約低10% ,節電約19.4%。該礦已基本上用KX-150旋轉鉆機代替了BY20-2鋼繩沖擊式穿孔機。與我國進口的幾種旋轉鉆機比, 本機價格只為其三分之一到六分之一。而且本鉆機的鉆進效率高, 故障小、維護比較容易, 穿孔成本也比較低。因此,KX-150旋轉鉆機的應用和推廣必將促使我國露天煤礦使用數十年的沖擊式穿孔機的最終被淘汰。用新鉆機武裝后, 將會大大改變我國露天礦山( 特別是露天煤

18、礦) 的技術落后狀況, 顯著地提高其經濟效益。5課題研究來源露天煤礦生產、建筑、水利、電力、鐵路工程的土石方工程施工中，開挖前需對露天挖掘場地進行穿孔爆破，以達到松動巖層，提高工作效率，降低生產成本的目的。目前采用機械破碎巖石鉆孔的方法，主要有三種類型，分別是，；沖擊-轉動破碎巖石鉆孔，是采用沖擊載荷和轉動釬具一定角度，并施加合理的推力來破碎巖石。適合在中硬、堅硬的巖石中鉆孔，鉆孔設備有潛孔鉆和鑿巖機等；旋轉破碎巖石鉆孔，是采用旋轉式多刃釬具切割巖石，同時施加較大的推力破碎巖石。適應于磨蝕性小及中硬以下的巖石中鉆孔，此類鉆孔設備有電鉆和旋轉鉆機；旋轉沖擊破碎鉆孔是施加很大的軸壓，使鉆頭旋轉滾齒

19、傳遞沖擊和壓入力，滾齒壓入巖石的作用比沖擊作用大，通過旋轉-沖擊破碎巖石，典型設備為牙輪鉆機。根據露天開采礦巖量對用各種不同方法鉆孔的數據的分析表明，大部分礦巖的堅固性系數f在16以下(f6的占23%30%,f=616的占65%70%)，即大部分礦巖處在能夠合理使用沖擊一轉動式和牙輪式鉆機的范圍內。國內大型露天礦所用的鉆機發展比較迅速，型號規格也比較齊全，但是在中硬以下軟巖進行爆破鉆孔方面，還沒有一種更加適宜的鉆機。水力成孔是以水作為循環介質，通過泵送高壓水排出巖碴，在松軟煤層中鉆進時，循環水對孔壁的沖刷、浸泡等破壞作用相當嚴重，炮孔極易坍塌，成孔困難；風力排碴對孔壁破壞小，但鉆進過程中孔口粉

20、塵大、現場施工條件惡劣；螺旋鉆進屬于干式鉆進，它利用螺旋鉆桿排碴，與水力、風力成孔工藝相比較，螺旋鉆進有以下優點：鉆進過程中不需要沖洗設備，減少了孔壁破壞率，成孔率高；鉆進輔助設備少，減少了勞動強度,提高鉆進效率；鉆進中振動小、噪音低等優點。本課題來源于云南省小龍潭礦務局。小龍潭礦務局始建于1953年，屬國有大型露天煤礦，現為部級標準化礦務局、國家二級企業，是云南省重要的煤炭生產基地，區內主要可采煤層厚4.37-222.96米，為巨厚復雜結構褐煤。旋轉鉆機用于露天開采爆破作業前鉆孔施工，鉆孔孔徑為120mm，最大孔深為12m，采用電動機作為動力，螺旋鉆桿排碴。近年來由于用電量大幅度提高，煤炭需求量增大，導致小龍潭煤礦供不應求，需擴大開采量。應原鉆機滿足不了鉆孔要求，且回轉機構減速器潤滑差，易壞，需改進。但應原鉆機設計落后，現今缺失大量資料，改進難度大。只能設計一款新型鉆機進行