CN104847348B - 矿山智能遥控轮式凿岩机 - Google Patents
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Abstract
一种矿山自动钻孔锤钎的智能遥控轮式凿岩机，尤其适用于大理石、花岗岩等条形切割开采的钻孔、锤裂作业领域。应用中完全按照人工开采的工艺流程，开采面无特殊地形要求。采用自行走轮式独立悬挂四驱结构，适应矿山开采面落差，具备自动调整大地水平功能，并任意设置开采面水平角度，四钻具联动、液压自适应钻压调整、液压马达丝杆副螺旋推进等液压钻孔的机械电子技术组合。采用液压冲击锤进行锤钎破裂工艺，采用2.4G开放频段进行遥控控制，一键式操作模式，完全智能化的模拟控制***，降低操作人员的劳动强度，逐步替代矿山人工开采，提高矿山自动化开采水平，最终实现矿山无人化远程遥控生产。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种矿山凿岩机，特别是一种智能化遥控轮式凿岩机，属于矿山凿岩开采设备领域，尤其适用于大理石、花岗岩条形开放式开采中的钻孔、锤击钢钎破裂作业领域。
背景技术
凿岩机也称钻孔台车，是矿山、隧道及地下工程采用钻爆法施工的一种凿岩设备。它能移动并支持多台凿岩机同时进行钻眼作业，主要由凿岩钻具、钻臂、钢结构的车架、走行机构以及其他必要的附属设备组成。
台车行走机构有轨道、履带及轮胎式三种。国产凿岩台车以轨道及轮胎式较多。可将凿岩钻具运行至工作面上任意位置和方向钻孔，钻孔参数更为准确、钻进效率高、劳动环境大大改善。台车动力分机械式和液压式，后者应用较多，自动化程度高，整个钻孔程序由电脑控制。在发展过程中，起初采用风动凿岩机的梯架式凿岩台车，逐步为用液压凿岩机的门架式凿岩台车所代替。轮胎式和履带式凿岩台车主要由柴油机驱动，安装2～6台高速凿岩钻具，车体转弯半径小,机动灵活，效率高，一般用于矿山平巷掘进,也可用于隧道及地下工程的开挖。
目前，在大理石、花岗岩等条形开放性开采矿山，没有专门用于钻孔破裂的自动化设备，开采作业基本处于人工作业阶段，普遍采用手持式风动凿岩机具，采用人工锤击破裂棒的裂石方式进行开采。劳动强度巨大，生产作业环境恶劣，人员健康状况受影响明显，特别是风动式凿岩钻具的风排尘方式对作业人员的健康影响更大。目前，该行业从业人员逐渐老龄化，高强度、恶劣作业环境已经很难有年轻从业者愿意从事。传统人工作业效率低下，高温季节、梅雨季节人工生产受天气影响严重，年生产总日数不足二百天。特别是人工采用手持式风动凿岩钻具很难进行小倾角钻孔，钻孔斜度过大，造成开采面浪费。
在通过技术检索中发现，针对大理石、花岗岩等条形开采形式的自动化凿岩设备基本是处于空白状态，尤其是智能化可远程遥控控制的凿岩机。
发明内容
为了解决背景技术中涉及的矿山凿岩设备的不足，提高矿山开采利用率，减少矿山从业人员的健康危害，降低劳动强度，提高矿山开采领域的自动化作业程度，本发明提供了一种矿山智能遥控轮式凿岩机。
本发明主要应用于大理石、花岗岩等条形矿山开采凿岩锤击破裂作业。本发明由五个方面组成：一是液压驱动的独立悬挂轮式行走***，通过设置的两路超声波测距传感器对行走线路进行实时监测，监测数据通过控制***进行高速换算，反馈给液压行走控制阀组，通过实时调整液压流量对独立四驱进行驱动转速补偿，实时修正行走路线，保障凿岩机按照开采面移动。二是自动的钻杆个锤头的快速装卸互换，满足凿岩机在完成钻孔作业后，自动快速更换锤头，作业过程实现无人干预。三是高频率高冲击力的高速冲击液压钻具与液压马达驱动机构的电气智能控制，通过实时钻具推进时，液压马达的驱动油压变化，来自动补偿调整进油流量，达到线性调整钻切阻力与钻切进给速度。四是自动适应性调整的大地水平，并可以任意进行的矿山开采面水平角的设置，自动实时修正由于轮胎受地表落差而影响的钻杆水平值，以确保钻杆始终按照最小钻入角进行作业。五是开放的2.4G遥控频段的利用，采用高速10通道的遥控手持发射器来进行远程控制，在简化操作的基础上逐步实现矿山无人化智能作业。
本发明的有益效果：在应用中完全按照人工作业工艺进行钻孔锤裂作业，在不改变工艺流程的前提下实现自动化。应用中利用远程遥控方式进行操作，极大的保护了操作人员的健康不受生产环境影响，遥控操作的利用还降低了安全事故发生时对人员的伤害概率，更大程度上可以夜间、高温季节、梅雨季节无间断性生产，提高了可作业期，有利于矿山快速收回投资。应用中采用大地水平平衡***，对钻具倾角可以有效控制，降低由于人工施钻的大倾角，有利于减少对矿山资源的浪费。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明
图1为本发明的总体结构示意图
图2为本发明的行走***超声波自适应调整控制组成框图
图3为本发明的钻孔锤钎机构结构示意图
图4为本发明的大地水平调整***结构示意图
图5为本发明的钻锤自动互换***机构结构示意图
图6为本发明的顶面钻孔锤钎机构结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明的总体结构示意图，图1中：轮式独立悬挂液压行走机构（1）为四组独立机构，通过连接架板及机构特有的空气弹簧减震臂进行悬挂安装。矿石底侧面液压冲击钻孔锤钎机构（2）为四套组合，安装在钻锤大地平衡调整机构（5）上，通过钻锤大地平衡调整机构的三组独立油缸的伸缩变化，调整X和Y轴方向的水平度。钻具换装机构（6）、锤具换装机构（10）与钻锤大地平衡调整机构（5）均安装在机体调整连接架（9）上，通过机体调整连接架（9）的驱动油缸来实现整体移动，来调整矿石底侧面液压冲击钻孔锤钎机构（2）离矿石壁的距离，满足不同宽度的石料开采。超声波行走***跟踪机构（3）安装在机壳控制箱（11）的侧面，作业中实时的连续对矿石壁进行距离监测，实时通过监测距离数据分析来控制轮式独立悬挂液压行走机构（1），调整运动路线保障行走后与矿石壁的距离不发生影响钻孔的变化。矿石顶面液压冲击钻孔锤钎机构（7）安装在顶部，主要针对条形开采矿石的顶面进行钻孔锤裂，将整体已经钻孔锤裂的矿石条进行长度尺寸分割，满足于运输矿石的需要。
图2为本发明的行走***超声波自适应调整控制组成框图，图2中：安装有二组超声波传感器，即前超声波传感器和后超声波传感器，在行走时传感器的测得距离数据传递的测距采集模块，通过软件分析和数模转化把０－５Ｖ，也可以是０－１０Ｖ模拟电压输出给模拟电压转ＰＷＭ动态输出模块，模拟电压转ＰＷＭ动态输出模块输出的ＰＷＭ脉冲信号来驱动舵机控制模块及该模块包含的舵机本体，舵机安装在液压流量调整模块中，通过改变舵机的转动圈数来对液压流量模块进行流量大小调整，流量的大小决定了输出执行元件的转速，通过调整了液压行走机构中各行走轮的转速，来达到改变行走路线，在行走中超声波传感器与各模块间的实时数据调整，得以控制行走路线的自动补偿修正，实现了自动寻壁运行。
图3为本发明的钻孔锤钎机构结构示意图，图3中：液压冲击缸（40）通过液压冲击缸安装座（47）安装在直线滑轨（43）的滑块上，同时，T型丝杆副（44）也安装在液压冲击缸安装座（47）上，并在一端连接安装有液压马达（45）。直线滑轨（43）安装在钻具架（42）上，又，卸卡锁油缸（46）通过固定卡与液压冲击缸（40）连接，并在卸卡锁油缸（46）的前端安装有快速钢球卡锁机构（41），通过压下快速钢球卡锁机构（41）的外套，可以推动内部钢球移动，实现钻杆的插拔开锁和锁闭。钻杆油压阻力传感器（48）安装在液压冲击缸（40）的尾盖上，实时对钻杆冲击压力进行监测，来调整液压冲击缸（40）的进油压力，同时也调整液压马达（45）的流量，组合控制钻杆的运动进给量和进给速度，满足矿石密度大小对钻孔作业的影响。
图4为本发明的大地水平调整***结构示意图，图4中：倾角姿态传感器（65）安装在水平X轴调整油缸（64）的安装梁上，在行走停止到施钻位置通过倾角姿态传感器（65）的即时对大地水平偏摆Y轴模拟电压输出，实施例中为正负5V，也可以是正负10V，来即时调整水平Y轴调整油缸A（60）和水平Y轴调整油缸B（62），即时调整时倾角姿态传感器（65）同时数据进行变化，达到水平平衡点数值后水平Y轴调整油缸A（60）和水平Y轴调整油缸B（62）同时锁闭，将Y轴保持在水平平衡状态。同时，水平X轴调整油缸（64）也做相同的运动，运动的参考数据是倾角姿态传感器（65）的X轴方向模拟电压输出，实施例中为正负5V，也可以是正负10V。X轴的水平角度同时也受***软件控制，满足人为对钻孔斜度的调整，实施例中涉及到该项功能由于无实际机械结构，从图例中无法给出编号，仅通过文字描述。
图5为本发明的钻锤自动互换***机构结构示意图，图5中：直线滑轨（20）、驱动丝杆副（21）、减速电机（22）、角度旋转电机（23）（部分编号部件由于图例视图阻挡未能实际画出，仅通过文字描述）安装在伸缩箱机构（26）的后部，实施例中该部分的运动机能为通过减速电机（22）带动驱动丝杆副（21）使伸缩箱机构（26）沿直线滑轨（20）进行移动。
伸缩箱机构（26）由伸缩箱壳（35）、分合齿条（24）、钻套夹持卡（25）、钻套推卡液压缸（27）、钻套卸夹座（28）、钻套卸卡座驱动电机（29）、卡伸出位置传感器（30）、卡缩进位置传感器（31）、螺旋齿轮（34）组成（卡伸出位置传感器（30）、卡缩进位置传感器（31）编号部件由于图例视图阻挡未能实际画出，仅通过文字描述），在实施例中，伸缩箱壳（35）内安装有分合齿条（24）、钻套夹持卡（25）、钻套推卡液压缸（27）、钻套卸夹座（28），钻套卸卡座驱动电机（29）安装在伸缩箱机构（26）的外壳上，具体运动机能为钻套卸卡座驱动电机（29）旋转通过螺旋齿轮（34）带动分合齿条（24）移动，又，安装在分合齿条（24）上的钻套卸夹座（28）跟随运动。
实施例中具体的自动换钻杆实现过程为：减速电机（22）正向旋转，驱动伸缩箱机构（26）向外移动，到达与钻具同一平面位置后停止，钻套卸卡座驱动电机（29）开始左向旋转驱动分合齿条（24），同理，钻套卸夹座（28）也就向外伸出。卡伸出位置传感器（30）发出信号，角度旋转电机（23）开始左向旋转，将钻套卸夹座（28）卡进钻杆座卡槽，钻套夹持卡（25）受钻套推卡液压缸（27）的推动锁住钻杆座。减速电机（22）继续正向旋转，驱动伸缩箱机构（26）向外继续移动，将钻杆座与钻具分离拔出。再，角度旋转电机（23）开始右向旋转，卡缩进位置传感器（31）发出信号，钻套卸卡座驱动电机（29）开始右向旋转驱动分合齿条（24），同理，钻套卸夹座（28）也就向内缩进。减速电机（22）反向旋转，驱动伸缩箱机构（26）向内移动。经过实施例中的一个循环过程，完成钻杆换取。
实施例中具体的自动换锤实现过程为：滑台架板（85）安装在直线滑轨上，由油缸驱动，同时也带动安装在滑台架板（85）上的垂直升降机构（87）向外移动，其中有升降油缸（86）上安装有换锤卡机构（88），受换锤卡夹持的锤击头（89），实施例的表现是通过升降油缸（86）的下降，换锤卡机构（88）下降到钻具位置，滑台架板（85）反向移动，将锤击头（89）***钻具。升降油缸（86）、滑台架板（85）复位，完成换锤过程。
图6为本发明的顶面钻孔锤钎机构结构示意图，图6中：矿石顶面液压冲击钻孔锤钎机构（7）由由液压冲击缸（70）、快速钢球卡锁机构（71）、钻具架（72）、直线滑轨（73）、T型丝杆副（74）、液压马达（75）、卸卡锁油缸（76）、液压冲击缸安装座（77）、钻杆油压阻力传感器（78）、垂直挺钻油缸（79）、平行移动滑轨副（80）、平行移动齿条（81）、液压马达（82）、正齿轮（83）组成。实施例的实现过程为：（顶面液压冲击钻孔锤钎机构与侧面液压冲击钻孔锤钎机构功能结构相同，不再描述工作机能）钻具架（72）由顶升油缸驱动，实现钻具的偏转，调整钻杆与机体的垂直方向作业。平行移动滑轨副（80）和平行移动齿条（81）安装在机体梁上，并由液压马达（82）和正齿轮（83）进行驱动，实现向外伸缩。垂直挺钻油缸（79）安装在机顶升立架上，通过垂直挺钻油缸（79）的升降运动，可以调整立钻的高度。
通过以上实施例的具体说明，基本再现了本发明的机械结构，通过设备本体与控制软件的交互配合，可以实现本发明的功能需要，在实际矿山凿岩开采过程中可以有效提高开采的工作效率，降低开采面的石料浪费，避免人为施钻对操作者健康的影响，提高矿山开采的行业自动化水平，有效解决矿山开采受天气、环境等影响不能全天候作业的瓶颈，通过对各环节的***说明，可以完整再现本发明的矿山凿岩开采作业、智能控制等功能。
Claims (5)
1.一种矿山智能遥控轮式凿岩机，其中，矿山智能遥控轮式凿岩机主要由轮式独立悬挂液压行走机构（1）、矿石底侧面液压冲击钻孔锤钎机构（2）、超声波行走***跟踪机构（3）、2.4G遥控控制模块（4）、钻锤大地平衡调整机构（5）、钻具换装机构（6）、锤具换装机构（10）、矿石顶面液压冲击钻孔锤钎机构（7）、液压控制阀组（8）、机体调整连接架（9）、机壳控制箱（11）组成，其特征在于：轮式独立悬挂液压行走机构（1）与矿石顶面液压冲击钻孔锤钎机构（7）通过机体调整连接架（9）组合固定连接，在机体调整连接架（9）上又安装有钻锤大地平衡调整机构（5），矿石底侧面液压冲击钻孔锤钎机构（2）与钻具换装机构（6）及锤具换装机构（10）安装在钻锤大地平衡调整机构（5）上，钻具换装机构（6）由直线滑轨（20）、驱动丝杆副（21）、减速电机（22）、角度旋转电机（23）、伸缩箱机构（26）、垂直位置传感器（32）、水平位置传感器（33）组成，其中，伸缩箱机构（26）由伸缩箱壳（35）、分合齿条（24）、钻套夹持卡（25）、钻套推卡液压缸（27）、钻套卸夹座（28）、钻套卸卡座驱动电机（29）、卡伸出位置传感器（30）、卡缩进位置传感器（31）、螺旋齿轮（34）组成，钻套卸卡座驱动电机（29）安装在伸缩箱壳（35）上，通过安装在钻套卸卡座驱动电机（29）轴端的螺旋齿轮（34）与分合齿条（24）的组合传动，带动钻套卸夹座（28）在伸缩箱壳（35）里伸缩滑动，钻套夹持卡（25）与钻套推卡液压缸（27）安装在钻套卸夹座（28）上，通过液压油对钻套推卡液压缸（27）的驱动来实现对钻套的夹持与放松，结合直线滑轨（20）、驱动丝杆副（21）、减速电机（22）、角度旋转电机（23）的组合运动，实现钻具换装。
2.根据权利要求1所述的矿山智能遥控轮式凿岩机，其特征在于：矿山智能遥控轮式凿岩机的矿石底侧面液压冲击钻孔锤钎机构（2）由液压冲击缸（40）、快速钢球卡锁机构（41）、钻具架（42）、直线滑轨（43）、T型丝杆副（44）、液压马达（45）、卸卡锁油缸（46）、液压冲击缸安装座（47）、钻杆油压阻力传感器（48）组成，其特征在于：钻具架（42）上安装有直线滑轨（43），液压冲击缸（40）通过液压冲击缸安装座（47）与T型丝杆副（44）连接，液压马达（45）驱动T型丝杆副（44）旋转带动液压冲击缸（40）移动，实现钻孔进给，钻杆油压阻力传感器（48）将钻杆进给阻力数据传递给控制***，调整液压马达（45）的供油流量实现对钻孔进给的自动补偿。
3.根据权利要求1所述的矿山智能遥控轮式凿岩机，其特征在于：超声波行走***跟踪机构（3）由前超声波传感器（50）、后超声波传感器（51）、液压溢流调整机构（52）组成，通过前超声波传感器（50）与后超声波传感器（51）的实时对矿石边脊的距离检测，数据传递给控制***，通过输出PWM方式对液压溢流调整机构（52）进行流量调整，实现轮式独立悬挂液压行走机构（1）的速度调整，控制前进与后退的线路。
4.根据权利要求1所述的矿山智能遥控轮式凿岩机，其特征在于：钻锤大地平衡调整机构（5）由水平Y轴调整油缸A（60）、水平Y轴调整油缸B（62）、水平调整缓冲滑轨（63）、水平X轴调整油缸（64）、倾角姿态传感器（65）组成，轮式独立悬挂液压行走机构（1）的各轮在矿山地表有不同的高低落差，通过倾角姿态传感器（65）监测Y路数据，通过控制***进行水平倾角计算，实时控制水平Y轴调整油缸A（60）和水平Y轴调整油缸B（62）的升降位置，实现对Y轴的水平调整，通过倾角姿态传感器（65）的监测X路数据，通过控制***进行水平倾角计算，实时控制水平X轴调整油缸（64）的俯仰位置，实现对X轴的水平调整。
5.根据权利要求2所述的矿山智能遥控轮式凿岩机，其特征在于：矿山智能遥控轮式凿岩机的矿石顶面液压冲击钻孔锤钎机构（7）由由液压冲击缸（70）、快速钢球卡锁机构（71）、钻具架（72）、直线滑轨（73）、T型丝杆副（74）、液压马达（75）、卸卡锁油缸（76）、液压冲击缸安装座（77）、钻杆油压阻力传感器（78）、垂直挺钻油缸（79）、平行移动滑轨副（80）、平行移动齿条（81）、液压马达（82）、正齿轮（83）组成，其特征在于：钻具架（72）上安装有直线滑轨（73），液压冲击缸（70）通过液压冲击缸安装座（77）与T型丝杆副（74）连接，液压马达（75）驱动T型丝杆副（74）旋转带动液压冲击缸（70）移动，实现钻孔进给，钻杆油压阻力传感器（78）将钻杆进给阻力数据传递给控制***，调整液压马达（75）的供油流量实现对钻孔进给的自动补偿，矿石顶面液压冲击钻孔锤钎机构（7）与垂直挺钻油缸（79）及平行移动齿条（81）安装在平行移动滑轨副（80）上，通过安装在液压马达（82）驱动轴上的正齿轮（83）带动平行移动齿条（81），实现矿石顶面液压冲击钻孔锤钎机构（7）的外伸移动，结合升降油缸（84）的组合运动，对矿石顶面进行钻孔锤裂作业。
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