露天礦牙輪轉(zhuǎn)機(jī)選型設(shè)計(jì)(王俊龍)

1、1已知條件1、某煤礦東采場(chǎng)礦石硬度612，鑿巖量588萬(wàn)t，體積163.52萬(wàn)m3；巖石鑿巖量4165萬(wàn)t，體積1340.95萬(wàn)m3；某煤礦西采場(chǎng)礦石硬度510，鑿巖量882萬(wàn)t，體積245.27萬(wàn)m3；巖石鑿巖量5390萬(wàn)t，體積1735.35萬(wàn)m3；2、作業(yè)時(shí)間一年360天，三八工作制；2要求 1.確定鉆機(jī)的型號(hào)； 2計(jì)算各采場(chǎng)所需要設(shè)備數(shù)量及總數(shù)量；3.繪制表格礦山深孔爆破參數(shù)和鉆機(jī)總數(shù)表格；3參考文獻(xiàn)1、李曉豁.露天采礦學(xué)機(jī)械M. 北京：冶金工業(yè)出版社，2010.92、吳順川.露天采礦學(xué)M. 長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2010.113、孟愛(ài)國(guó)老師經(jīng)典課堂筆記4設(shè)備選型計(jì)算 4.1確定型號(hào)

2、（一）、設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中礦山采剝量和礦山規(guī)模與鉆孔直徑有如表41關(guān)系： 采剝總量與鉆孔直徑關(guān)系 表41 采剝總量/萬(wàn)t. 40050060010001500200030004000鉆孔直徑/mm200250250310310380380450經(jīng)上述查表則確定該煤礦鉆孔直徑選250310mm；（二）、牙輪鉆機(jī)選擇與爆破總量、巖石性質(zhì)、裝運(yùn)設(shè)備等因素相關(guān)，見(jiàn)表42： 牙輪鉆機(jī)選擇 表42炮孔直徑/mm巖石硬度中硬堅(jiān)硬極硬250KY250YZ3545RKY250YZ3545RYZ35 310YZ5560R（）KY31060R（）YZ5560R（）經(jīng)上述（一）和（二）查證所得，此煤礦東西采場(chǎng)鉆孔機(jī)械選擇K

3、Y250和KY310牙輪鉆機(jī)。 4.2牙輪鉆機(jī)的生產(chǎn)能力衡量牙輪鉆機(jī)的生產(chǎn)能力的主要指標(biāo)，是牙輪鉆機(jī)的臺(tái)班生產(chǎn)能力與臺(tái)年綜合市場(chǎng)效率。4.2.1 主要參數(shù)計(jì)算 （一）、鉆機(jī)轉(zhuǎn)速的確定 目前，國(guó)內(nèi)外牙輪鉆機(jī)的鉆具轉(zhuǎn)速為0150r/min,低轉(zhuǎn)速用于接卸鉆桿，大孔徑和硬巖的鉆孔，高轉(zhuǎn)速則用于小孔徑和軟巖鉆孔。 則:選KY250牙輪鉆機(jī)轉(zhuǎn)速90r/min，選KY310牙輪鉆機(jī)轉(zhuǎn)速80r/min （二）、軸壓力的確定 合理的軸壓力可根據(jù)下式計(jì)算： 則 =0.0710250=175kN =0.078310=173.6kN 式中 P軸壓力，kN； f巖石的堅(jiān)固性系數(shù)； D鉆頭的直徑，mm； （三）、鉆機(jī)鉆

4、進(jìn)速度的確定 牙輪鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度可按公式估算： 則 KY250牙輪鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度為 KY310牙輪鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度為 式中 P軸壓，kN； n鉆具的轉(zhuǎn)速，r/min； D鉆頭的直徑，mm； f礦巖的硬度系數(shù)； 4.2.2 確定牙輪的生產(chǎn)能力衡量牙輪鉆機(jī)的生產(chǎn)能力的指標(biāo)是牙輪鉆機(jī)的臺(tái)班生產(chǎn)能力與臺(tái)年綜合生產(chǎn)率。 （一）牙輪鉆機(jī)的臺(tái)班生產(chǎn)能力 牙輪鉆進(jìn)的臺(tái)班生產(chǎn)能力即是每臺(tái)鉆機(jī)每一班在工作日內(nèi)鉆進(jìn)的米數(shù)，計(jì)算如下： KY250牙輪鉆機(jī)的臺(tái)班生產(chǎn)能力為 KY310牙輪鉆機(jī)的臺(tái)班生產(chǎn)能力為 式中 Vb 牙輪鉆機(jī)臺(tái)班生產(chǎn)能力，m/(臺(tái).班)； v牙輪鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度，cm/min; Tb每班工作時(shí)間，h；

5、b鉆機(jī)臺(tái)班時(shí)間利用系數(shù)，取0.40.5；（二）牙輪鉆機(jī)的臺(tái)年綜合效率 KY250牙輪鉆機(jī)的臺(tái)年綜合效率為 KY310牙輪鉆機(jī)的臺(tái)年綜合效率為 式中 牙輪鉆機(jī)的臺(tái)年鉆機(jī)效率，萬(wàn)m/臺(tái)年； 牙輪鉆機(jī)的年工作利用率，一般取，0.8； N 一年所有的工作日，取360； 4.3確定需求的設(shè)備數(shù)量 露天礦牙輪鉆機(jī)的數(shù)量取決與礦山設(shè)計(jì)年剝采總量，所選定鉆機(jī)的設(shè)計(jì)年穿孔效率與每米炮孔的爆破量有關(guān)，可按下式計(jì)算； KY250牙輪鉆機(jī)在東西采場(chǎng)各所需量是，則 取整=1 取整=2KY310牙輪鉆機(jī)在東西采場(chǎng)各所需量是，則 取整=8 取整 取整=11那么東西各采場(chǎng)所需設(shè)備是，則東采場(chǎng) =+=1+8=9臺(tái)西采場(chǎng) =+=

6、2+11=13臺(tái)整個(gè)煤礦 M=+=9+13=22臺(tái)式中 ，東采場(chǎng)各種型號(hào)牙輪鉆機(jī)所需數(shù)量，臺(tái)； ，西采場(chǎng)各種型號(hào)牙輪鉆機(jī)所需數(shù)量，臺(tái)； Q設(shè)計(jì)的礦山年采剝總量，t； Q1每臺(tái)牙輪鉆機(jī)的年穿孔效率，m/a； q每米炮孔的爆破量，t/m； e費(fèi)孔率，一般取5%；計(jì)算鉆機(jī)設(shè)備數(shù)量時(shí)，每米炮孔爆破的礦量，按下表43參照選??； 米孔網(wǎng)爆破量參考指標(biāo) 表41炮孔直徑/mm礦巖種類每米孔爆破量/mm250礦巖100140巖石90130310礦巖120150巖石1001305.礦山深孔爆破參數(shù)及鉆機(jī)數(shù)量計(jì)算表礦山深孔爆破參數(shù)及鉆機(jī)數(shù)量計(jì)算表 表51單位東采場(chǎng)西采場(chǎng)備注礦石巖石礦石巖石礦石硬度F=126鑿巖量萬(wàn)

7、t58841658825390巖石的硬度F=105萬(wàn)m3163.521340.95245.271735.35段高m12121212孔徑mm250 310 250 310孔距m7.587.58排距m5.565.56孔深m14141414超深2m延米爆量m3/m35.3641.1435.3641.14t/m125.42127.68125.42127.68年穿孔米數(shù)萬(wàn)m4.8734.317.344.45%廢孔率萬(wàn)m39.1851.7年穿孔個(gè)數(shù)個(gè)3477245065216317132798336929鉆機(jī)效率萬(wàn)m/臺(tái)年4.94.354.94.35計(jì)算臺(tái)數(shù)臺(tái)18211合計(jì)臺(tái)數(shù)臺(tái)913總臺(tái)數(shù)臺(tái)22一種全液

8、壓露天鉆機(jī)的鑿巖保護(hù)功能介紹摘要 ：本文重點(diǎn)介紹了目前世界上一種較為先進(jìn)的全液壓露天鉆機(jī)的鑿巖保護(hù)功能，該鉆機(jī)在控制系統(tǒng)中配備了回轉(zhuǎn)壓力控制推進(jìn)、自動(dòng)防卡鉆系統(tǒng)、沖渣壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)、緩沖壓力控制沖擊等幾種保護(hù)功能，使該鉆機(jī)在使用中具有鉆具損耗小，卡鉆、丟失鉆具的風(fēng)險(xiǎn)小，勞動(dòng)強(qiáng)度低，生產(chǎn)效率高，節(jié)省鑿巖成本等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：回轉(zhuǎn)壓力；緩沖壓力；沖擊；防卡釬；沖渣壓力1、引言露天鉆機(jī)的鉆孔基本原理是：由鑿巖機(jī)產(chǎn)生沖擊和回轉(zhuǎn)兩種運(yùn)動(dòng)，通過(guò)鉆桿、連接套等組成的鉆具鏈將這兩種運(yùn)動(dòng)傳遞給鉆頭；沖擊動(dòng)作使巖石破碎，而回轉(zhuǎn)作用將破碎巖石磨成更小的顆粒；同時(shí)通過(guò)高壓空氣將巖石顆粒快速吹出而成孔。用戶對(duì)鉆機(jī)的要求一般

9、體現(xiàn)在下面幾個(gè)方面：(1)盡可能高的鑿巖速度和成孔要求；(2)排渣充分及時(shí)，保證鉆孔過(guò)程平滑順暢不卡鉆；(3)節(jié)省鉆具和較高的整機(jī)耐用度。瑞典Atlas Copco公司生產(chǎn)的ROC D7 是目前世界上較為先進(jìn)的一種全液壓露天鉆機(jī)，適用于露天礦山生產(chǎn)、建筑工程中的土石方開(kāi)挖、采石場(chǎng)取料及邊坡處理等各項(xiàng)工作，其鉆孔孔徑范圍64115mm 。1因其具有復(fù)雜地層的安全鉆進(jìn)性能而深受用戶歡迎。ROC D7鉆機(jī)的控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了回轉(zhuǎn)壓力控制推進(jìn)、自動(dòng)防卡鉆系統(tǒng)、沖渣壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)、緩沖壓力控制沖擊、低壓開(kāi)孔等各種保護(hù)功能。2這樣就可以確保該機(jī)在遇到鉆進(jìn)困難時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)根據(jù)回轉(zhuǎn)壓力、推進(jìn)壓力和緩沖壓力等的變

10、化，自動(dòng)調(diào)整推進(jìn)壓力及沖擊壓力，進(jìn)行低壓沖擊，甚至推進(jìn)返回，這樣就大大提高了鉆具使用壽命，降低了卡鉆、丟失鉆具的風(fēng)險(xiǎn)，節(jié)省鉆具，提高成孔率，降低了鑿巖成本。2、鑿巖保護(hù)功能介紹2.1回轉(zhuǎn)壓力控制推進(jìn)（RPC-F）由于巖層內(nèi)部構(gòu)造復(fù)雜，在鉆進(jìn)過(guò)程中，當(dāng)巖層變化使鉆機(jī)的回轉(zhuǎn)阻力增大，導(dǎo)致回轉(zhuǎn)速度大幅度下降而回轉(zhuǎn)壓力升高，使鑿速下降，反之，當(dāng)推進(jìn)壓力變小時(shí)，鉆頭頂緊巖石的壓力不足，沖擊能量不能完全傳遞到巖石，使得鑿速變慢，鉆具損耗加大。而ROC D7控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)RPC-F功能，使推進(jìn)壓力和回轉(zhuǎn)速度根據(jù)巖層軟硬自動(dòng)調(diào)節(jié)，提高了鉆機(jī)在不同巖層中的鑿速，延長(zhǎng)鉆具的使用壽命，并有初步防止卡鉆的發(fā)生的功能。

11、RPC-F(Rotation Pressure Controlled Feed) 的意思是回轉(zhuǎn)壓力控制推進(jìn)動(dòng)作（見(jiàn)圖 4），在鉆孔過(guò)程中，由于巖層的變化，如果回轉(zhuǎn)壓力升高，超過(guò)RPC-F先導(dǎo)閥的設(shè)定值（約5 MPa），該閥閥芯將被推動(dòng)，控制推進(jìn)壓力的先導(dǎo)油就會(huì)部分通過(guò) RPC-F 閥的節(jié)流腔從低推進(jìn)壓力溢流閥流出，推進(jìn)壓力和推進(jìn)速度相應(yīng)降低。根據(jù)回轉(zhuǎn)壓力超過(guò)RPC-F 閥設(shè)定值的程度不同，RPC-F 閥的閥芯在關(guān)閉和全開(kāi)位置之間變動(dòng)，使推進(jìn)壓力在高推進(jìn)壓力（約7MPa）和低推進(jìn)壓力（約4 MPa）之間平滑過(guò)渡，使回轉(zhuǎn)壓力保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的數(shù)值，從而提高了鉆機(jī)適應(yīng)復(fù)雜巖層的能力。2.2自動(dòng)防卡

12、鉆系統(tǒng)在鉆進(jìn)過(guò)程中，如果因巖層構(gòu)造復(fù)雜而使回轉(zhuǎn)壓力升高，RPC-F功能不能解決則回轉(zhuǎn)壓力繼續(xù)升高，可能導(dǎo)致回轉(zhuǎn)停止，鉆具卡在巖層中進(jìn)退不得，便形成卡鉆?？赡軐?dǎo)致卡鉆的因素有以下幾種：巖層有裂縫或空隙，導(dǎo)致鉆頭順縫隙鑿入，使鉆孔偏斜；空壓機(jī)氣壓和排氣量不夠，巖粉不能正常排出；巖層太破碎夾帶大量沙土，巖渣掉落回填鉆具周圍；潮濕的巖層，巖粉粘結(jié)導(dǎo)致排粉不暢；推進(jìn)壓力設(shè)定過(guò)高或回轉(zhuǎn)速度設(shè)定過(guò)快與沖擊功率不匹配等?？ㄣ@嚴(yán)重妨害的鉆孔工作的進(jìn)行，也易導(dǎo)致鉆具丟失等損失。鑒于實(shí)際鉆進(jìn)過(guò)程中可能發(fā)生的上述情況，ROC D7控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了自動(dòng)防卡鉆保護(hù)系統(tǒng)。如果RPC-F功能啟動(dòng)后，回轉(zhuǎn)的情況沒(méi)有改善，回轉(zhuǎn)壓

13、力繼續(xù)升高，自動(dòng)防卡鉆系統(tǒng)就會(huì)啟動(dòng)，來(lái)防止卡鉆情況的發(fā)生，該部分功能由液壓系統(tǒng)和氣動(dòng)系統(tǒng)雙重控制。圖 1 中當(dāng)回轉(zhuǎn)壓力高過(guò)另外一個(gè)防卡鉆控制閥的設(shè)定壓力（約8 MPa）后，該閥將先導(dǎo)壓力油供給B134壓力開(kāi)關(guān)，B134壓力開(kāi)關(guān)觸發(fā)，通過(guò)PLC控制Y109防卡電磁閥換向，使推進(jìn)油缸縮回，回轉(zhuǎn)阻力減小，回轉(zhuǎn)壓力降低，低于防卡鉆控制閥設(shè)定值（約8 MPa）后推進(jìn)可以繼續(xù)向前推進(jìn)，這樣卡鉆現(xiàn)象將不會(huì)繼續(xù)發(fā)展，如此多次循環(huán)使鉆具逐漸通過(guò)易卡鉆巖層。防卡鉆的另一重功能在氣動(dòng)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)：圖 2 中如果鉆孔時(shí)沖渣排氣不暢，節(jié)流閥前后的壓力差就會(huì)下降，下降超過(guò)壓力開(kāi)關(guān)B142的額定值時(shí)，B142觸發(fā)，B142通

14、過(guò)PLC控制Y109防卡電磁閥換向，使推進(jìn)油缸倒退，等沖渣排氣暢通后推進(jìn)油缸繼續(xù)向前推進(jìn)，這樣多次循環(huán)而避免卡鉆。圖 2沖渣壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)圖 1回轉(zhuǎn)壓力控制推進(jìn)2.3（鑿巖機(jī)）緩沖壓力控制沖擊壓力。在鉆進(jìn)過(guò)程中，沖擊能量通過(guò)釬尾、鉆桿傳遞給鉆頭來(lái)破碎巖石，鑿巖機(jī)緩沖機(jī)構(gòu)的作用是將反沖能量通過(guò)蓄能器柔化轉(zhuǎn)換成液壓能被吸收，也可將吸收能量存貯用于下一次沖擊，而避免對(duì)鉆具產(chǎn)生剛性的沖擊。因?yàn)镽OC D7鉆機(jī)所配的COP1838鑿巖機(jī)的獨(dú)特設(shè)計(jì)，緩沖壓力直接反映了鉆頭的頂緊程度,鉆頭頂緊巖石，緩沖壓力增大，沖擊能量能夠很好地傳遞到巖石，破碎效果好；鉆頭沒(méi)有頂緊巖石，緩沖壓力較小，沖擊能量不能完全傳遞到巖

15、石，破碎效果差，沖擊能量被鉆具吸收，鉆具損耗大。因此該鉆機(jī)控制系統(tǒng)中設(shè)計(jì)緩沖壓力控制沖擊壓力功能。 緩沖系統(tǒng)由1 號(hào)泵通過(guò)一個(gè)節(jié)流閥供油。緩沖壓力是由鑿巖機(jī)里的一個(gè)減振活塞的節(jié)流腔產(chǎn)生的，鉆頭頂緊力越大，減振活塞往內(nèi)壓得越多，節(jié)流腔減小，緩沖壓力增大，反之緩沖壓力減小。也就是說(shuō)在鉆孔時(shí)，緩沖壓力的大小直接反映了鉆頭的頂緊程度。在釬尾不受力處于浮動(dòng)位置時(shí)，調(diào)整節(jié)流閥使得鑿巖機(jī)緩沖壓力略大于3.5 MPa。 在沖擊回路里（見(jiàn)圖 3），當(dāng)緩沖壓力低于3.5 MPa 或高于12 MPa時(shí)，邏輯閥I或邏輯閥J 動(dòng)作，沖擊先導(dǎo)油路切斷，沖擊停止。這種狀況表明緩沖回路不正常需要檢查，此時(shí)不允許沖擊而起到保護(hù)

16、鑿巖機(jī)的作用。需要說(shuō)明的是，在不鉆孔時(shí)由于緩沖壓力的設(shè)定大于3.5 MPa，所以此時(shí)鑿巖機(jī)可以打空錘包括重錘，會(huì)對(duì)鑿巖機(jī)釬尾造成傷害，這種操作主要用于卸鉆桿，應(yīng)當(dāng)盡量避免。圖 3緩沖壓力控制沖擊在正常鉆進(jìn)過(guò)程中，根據(jù)緩沖壓力的大小實(shí)現(xiàn)低壓沖擊和高壓沖擊的自由轉(zhuǎn)換（轉(zhuǎn)換值初步設(shè)定為5 MPa），這樣降低了能量損耗并延長(zhǎng)鑿巖機(jī)和鉆具的壽命。圖 4 中控制正向回轉(zhuǎn)的先導(dǎo)油將邏輯閥D 打開(kāi)，而此時(shí)邏輯閥C 不動(dòng)作。高低壓沖擊取決于邏輯閥A 是否動(dòng)作。當(dāng)巖石較硬，鉆頭頂緊力大，緩沖壓力高于5 MPa，邏輯閥A關(guān)閉，進(jìn)行高壓沖擊，當(dāng)巖石很軟或有空洞時(shí)，推進(jìn)壓力和鉆頭頂緊程度下降，于是緩沖壓力也下降，低于5

17、MPa時(shí)，邏輯閥A打開(kāi)，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為低壓沖擊。這也是ROC D7鉆機(jī)相對(duì)于以前機(jī)型的“推進(jìn)壓力控制沖擊”功能3改進(jìn)的一個(gè)方面，由于推進(jìn)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的原因，推進(jìn)壓力并不能很直接地反映鉆頭的頂緊程度，比如說(shuō)由于某種原因?qū)е峦七M(jìn)不暢時(shí)，實(shí)際鉆頭對(duì)巖石的頂緊力很小，此時(shí)推進(jìn)壓力卻可能比較高，因而不能減小沖擊壓力起到保護(hù)鑿巖機(jī)和鉆具的作用。而緩沖壓力直接反映了鉆頭的頂緊程度，因此“緩沖壓力控制沖擊壓力”相對(duì)“推進(jìn)壓力控制沖擊壓力”有更直接更可靠的保護(hù)能力。另外該部分液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)還具備了這樣一個(gè)功能：在鉆孔開(kāi)始時(shí)，打開(kāi)低壓沖擊開(kāi)關(guān)，邏輯閥C和邏輯閥E同時(shí)動(dòng)作，邏輯閥A此時(shí)不能被觸發(fā)，沖擊壓力必然為低壓，推進(jìn)壓力油通過(guò)邏輯閥E打開(kāi)低壓溢流閥，所以推進(jìn)壓力也為低壓。該功能主要用于開(kāi)孔，為鉆鑿深孔打下良好的基礎(chǔ)，避免鉆鑿深孔時(shí)出現(xiàn)偏斜，提高了深孔成孔率。綜上所述由于緩沖壓力控制沖擊壓力的功能，使該鉆機(jī)具備了以下特點(diǎn)：能量損耗小，鑿巖機(jī)和鉆具使用壽命長(zhǎng)，對(duì)于釬尾的保護(hù)作用尤其明顯；沖擊和推進(jìn)兩個(gè)動(dòng)作能夠根據(jù)巖石狀況較好的自動(dòng)匹配，較高的鑿巖效率；良好的深孔成孔率。圖 4旋轉(zhuǎn)壓力控制推進(jìn)和緩沖壓力控制高低沖擊三、國(guó)內(nèi)用戶使用情況通過(guò)對(duì)向家壩、溪洛渡、官地等水電站建設(shè)工地，神華寧煤露天煤礦生產(chǎn)工地鉆孔設(shè)備的