山河智能SWDW165高性能航道疏浚钻机的开发

SUNWARDIntelligentMachineryCo.,LtdADD：湖南省长沙市星沙山河智能产业(ZIP410100)URL：：[e-mail]第1页共6页山河智能装备股份有限公司Tel：13397489930SWDW165高性能航道疏浚钻机的开发林宏武1程建新2徐本举2周在友2陆岳军11湖南山河智能机械股份有限公司，湖南长沙星沙开发区4101002长江重庆航道工程局重庆渝中区长滨路4000121项目开发背景近年来，随着长江下游航运的快速发展，航行船舶密度迅速增大，每天过往太子矶水道的船只达1500艘（次）以上，太子矶水道重大海损事故几乎每年都有发生，成为长江航运的重大安全隐患。前太子矶是长江航运武汉以下水道的“拦路虎”，太子矶水道是长江中下游著名的浅险水道，因礁石众多，航道复杂，素有“瓶颈”、长江“魔鬼大三角”之称。自20世纪80年代以来，仅有记载事故90余起。2003年发生触礁2件，其中1件船毁人亡，4名船员死亡、失踪，损失达160余万元。按照《长江干线航道发展规划》及《长江三峡水利枢纽初步设计》的要求，万吨级船队需直达重庆九龙坡港区。也为了充分发挥三峡工程的航运效益，确保三峡工程175m蓄水运行后万吨级船队的安全通航，国家《“十一五”期间长江黄金水道建设总体推进方案》，长江太子矶炸礁工程被列入重点工程之一。2006年初，交通部批准投资3600多万元启动太子矶炸礁工程。太子矶航段炸礁工程是交通部长江航道治理的重点所在，并作为“十一五”期间长江航道整治的首要任务和重点工程。据安庆海事局有关工作人员介绍，国家“十一五规划”长江干线航道治理思路是“深上游，畅中游，延下游”，太子矶工程是“畅中游”的重要部分之一。整个太子矶礁石爆破工程完成后，太子矶航道的最小宽度将从120米扩大到200米，水深也在6米以上，枯水期保证5000吨位的船舶正常航行，在中、洪水期，一万吨位的船只也可畅行无阻。内河航道整治施工中，为消除险滩礁石，拓宽挖深航道，要进行水下钻孔爆破作业，船用钻机作为钻爆船的主要装备，要适应各种不同的岩土特性、钻孔孔径和孔深以及疏浚方式。为适应市场的需要山河智能与重庆长航局在广泛调研、对比分析国外产品的的基础上，立项开发SWDW165高性能液压航道钻机。SUNWARDIntelligentMachineryCo.,LtdADD：湖南省长沙市星沙山河智能产业(ZIP410100)URL：：[e-mail]第2页共6页山河智能装备股份有限公司Tel：13397489930图1SWDW165潜孔钻机施工照片2航道船用钻机的发展方向2.1当前国外钻机的研制和发展方向广泛采用液压技术以提高产品性能是当前地面钻机发展的特点之一。当前国外钻机的研制和发展方向是积极发展全液压钻机，提高钻机的自动化程度。由于钻机主要传动和辅助操作都采用了液压控制，提高了潜孔钻机的可控性和精确控制性能。各执行元件的动作相互独立，互不干扰，驾驶员轻松实现复合动作，减轻工作强度，这样不仅显著提高作业效率，也提高了钻机作业时的适应性、工作稳定性及安全可靠性，同时也为钻机智能化打下良好的基础，进一步可实现远程遥控及无人自动操作。2.2目前国内航道船用潜孔钻机的现状在过去的航道整治中，使用的航道船用钻机类型较多，一般是由陆用潜孔钻机改造为船用钻机，安装在航道钻爆船上进行水下钻孔作业，现有的航道船用潜孔钻机的基本类型有XY-2、KSZ-100、CHG-100、MGJ-50、CHG-100B、CQ-150等6种钻机机型。3航道船用液压潜孔钻机的开发研制湖南山河智能机械股份有限公司与中南大学智能机械研究所有着长期合作的基础，在矿山机械研究方面有着深厚的技术底蕴。顺应市场的需要，公司立项研究并组织团队对潜孔钻机的凿岩机理进行理论论证，2003年，湖南山河智能机械股份有限公司在广泛调研、对比分析国外产品的的基础上，立项成功开发了SWDA165高性能一体化液压潜孔钻机。SUNWARDIntelligentMachineryCo.,LtdADD：湖南省长沙市星沙山河智能产业(ZIP410100)URL：：[e-mail]第3页共6页山河智能装备股份有限公司Tel：13397489930为提高SWD系列潜孔钻机的市场上竞争力，其产品开发第重点放在高可靠性及高性价比上，在设计中采用“标准化模块”的概念，这样可将有限的可以互换的部件用很多不同的方法组合，扩充设备的更改。这些可以采用的组合件，使我们可以轻而易举地为特殊工程而特制机器，根据不同矿山的特殊工况，采用同风压－风量－钻孔直径的不同组合，达到节能高效的目的。为求得高性价比采用中高风压的1.4MPa空压机，虽纯凿岩速度较2.4MPa低，但采用专利技术的长钻杆高钻架结构，大大提高了穿孔效率，且使操作更为简易。在台段高度小于12m时采用单钻杆其效果尤为显著。而钻杆库上简易可靠的牙嵌盘配以特殊设计的钻杆头，不用其他活动单元简单地实现钻杆的自动接卸杆，此两项专利技术的最大限度地减少辅助作业时间、大大提高综合作业效率。SWD系列一体化液压潜孔钻机电力驱动的系统采用多台功率不同的电动机，而内燃机驱动的系统采用一大一小两台柴油机驱动，多台动力按工况不同，可同时驱动或单台驱动，系统按工作时间及辅助工作时间1:1计算，能耗将为单台动力驱动的60%，大大降低整机能耗。SWD系列一体化液压潜孔钻机采用全新的设计理念，运用人性化模块化设计、机电液一体化设计、人机与自然相融合的原则，将产品的性能与可靠性、灵便性、舒适性、安全性、保障维护性等人机工程有机结合起来，设计并生产出一流的产品。在整体和关键零部件设计时采用先进的CAD技术进行三维立体造型，辅以有限元应力应变分析，对整机和零部件进行优化,在保证了结构件的强度的基础上优化外形结构，同时参考国外先进的同类各种机型，对各机型的优缺点进行取舍。利用计算机，对钻架、底盘、平台加以优化，在整体设计时进行三维立体造型，外形更加自然流畅，而人机工程学的运用，加上人机和自然亲和的油漆配置，真正做到了人机与自然相融合。湖南山河智能机械股份有限公司成功推出露天矿山一体化潜孔钻机的经验，为航道钻机的开发垫定了良好基础。3.1钻机生产能力的选择现有钻爆船上的船用潜孔钻机单月（双机）钻爆方量为1.5万方,以前在一个枯水期航道整治中承担的水下钻爆作业量不超过10万方，现在一个枯水期间已经远远高于10万方，所以，必须开发研制单月（双机）钻爆方量为2～3万方的船用液压潜孔钻机，才能适应航道整治施工的的需要。3.2钻机的主要参数外形尺寸：考虑到重庆长航局现有钻爆船钻探3号的钻机行走轨道和甲板设施布局，外形尺寸（长×宽×高）设计为5600×2950×12500mm。钻孔直径：Φ105～Φ165mm。钻孔深度：考虑到水工工程的深水作业的需要，最大钻孔（深度）设计为50m。最大扭矩：根据钻具回转扭矩与钻孔直径的关系，可按下列经验公式计算：SUNWARDIntelligentMachineryCo.,LtdADD：湖南省长沙市星沙山河智能产业(ZIP410100)URL：：[e-mail]第4页共6页山河智能装备股份有限公司Tel：13397489930式中M—钻具的回转扭矩，N•m；D—钻孔直径，mm；KＭ—力矩系数，KＭ=0.8～1.2，一般取KＭ=1。回转扭矩的大小与孔径的大小、岩石性质、钻头形状、轴推力和回转速度的大小等因素有关，考虑到钻孔深度50m，如有卡钻现象产生，要克服的扭矩较大，故钻机回转动力头设计的最大扭矩M=4000N·m。钻具回转速度：可用经验公式计算：式中n—钻具的合理转数，r/min；D—钻孔直径，mm。和回转扭矩一样，钻具的回转速度与钻具以及钻孔工况的诸多因素有关，转速过高，钻头磨损加剧，转速过低，可能产生岩石的重复破碎现象，通常根据实际经验确定，故设计转速n=35～70r/min。一次推进行程：9.5m。工作气压：2.46MPa。整机重量：12t。3.3钻机的结构为实现左右岸钻爆施工，在钻爆船的两舷分别铺设有两根平行钢轨。钻机采用可移动式结构，钻机平台可在船的一舷的钢轨上作纵向移动，移动的距离可根据钻孔孔间距的大小进行调整。图2SWDW165潜孔钻机爆破现场回转机构：回转机构由液压马达，减速齿轮，接头、滑板及中心供气机构组成。推进机构的链条通过销轴与弹簧减震机构固定在滑板上。回转是由两台液压马达做动力，可输出10～70转/分钟的连续可调转速。（回转动力头采用（电机—）液压马达（—减速机方式）驱动，其电源由船舶电站提供。）液压马达驱动钻杆旋转，不仅体积小、重量轻、SUNWARDIntelligentMachineryCo.,LtdADD：湖南省长沙市星沙山河智能产业(ZIP410100)URL：：[e-mail]第5页共6页山河智能装备股份有限公司Tel：13397489930变速范围大，且装设有液压减震机构，延长回转机构使用寿命，并根据钻孔内负荷变化情况及时进行10～70r/min内的无级调速，容易实现钻头的自动进给。推进机构：由推进液压马达，链轮组，链条及张紧与缓冲弹簧组成。链条的一端绕过主动链轮通过销轴固定在滑板的上部，另一端绕过从动链轮通过销轴固定在张紧与缓冲弹簧的一端，张紧与缓冲弹簧的另一端连接在滑板的下部，推进与提升通过控制液压马达的正反转来实现。推进液压马达自身由于控制系统的作用具有缓冲作用。采用此种（电机—液压马达—减速机—链条）推进方式，推进平稳可靠，还可根据钻孔时孔底反作用力的大小调整轴推力，潜孔钻机合理的轴推力PH可用经验公式计算：PH=（30～50）Df式中D—钻孔直径，cm；f—岩石普氏硬度系数，考虑到钻机适用于高风压冲击器，设计轴推力为5000～20000N。自动防卡机构：在钻孔发生意外时，自动提升钻具以达到保护设备的目的，能尽量避免卡钻和堵钻现象，由此大降低了钻头、钻杆和冲击器的损耗。提升卷扬机构：主要由液压马达、减速器和制动器的卷扬滚筒机构、卷扬用钢丝绳和滑轮组构成。采用（电机—液压马达—减速机—钢丝绳提升方式）转动式吊臂方便钻具、套管同时起吊，两台卷扬最大提升能力均设计为3t。钻杆自动拆卸机构：采用两对液压缸的夹持装置，确保了开孔和钻进过程中钻杆的有效导向，保证了钻杆与冲击器自动可靠的拆装。套管夹持机构：采用两对液压缸的套管夹持装置，下夹持装置可上下移动，可保证套管导向和定位可靠。行走机构：采用液压马达—减速机—链条—轨轮传动方式，使钻机平台能够沿钢轨移动，移动的距离可根据钻孔孔间距的大小进行调整。钻架补偿机构：可使钻架相对平台提升1.8m，在钻深孔时方便套管的装卸和提升。液压系统：潜孔钻机的作业动力源(30KW)电动机采用Y－△启动，带动1个最大流量可调的恒压变量液压泵A10VO45DFR泵，其工作的特点是：泵不但有恒压变量，且其最大排量是可以调节的，使钻具回转的最大速度可调，用泵出口的节流阀调整泵的最大排量，使钻具转速控制在10~70rpm。液压潜孔钻机的各个动作，都用液压比例先导操纵，可以无级调节工作机构的运动速度双主泵采用德国力士乐恒功率变量泵，液压马达选用国外品牌产品，液压管、阀件选用国外著名品牌产品，液压系统工作压力可达25Mpa，系统工作稳定可靠。4结论SWDW165系列船用液压钻机，是湖南山河智能机械股份有限公司在成功开发露天矿山使用的SWD系列一体化液压潜孔钻机的基础上，根据用户要求专门设计、创新自主研制开发的水下凿岩穿孔机械。钻机与工程船只或水上平台结合，适用于航道疏通、消除暗礁、险滩以及近海浅水水下石方工程码头建设施工中钻凿炮孔作业。