CN110500033A - 一种多头露天钻机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多头露天钻机，包括钻机车体、工作装置和动力系统，所述工作装置设置于所述钻机车体的前端，所述动力系统用于驱动所述钻机车体和工作装置工作；所述工作装置设有至少2套，每套工作装置均包括变幅机构、推进系统和防干涉机构，所述变幅机构的两端分别与钻机车体和推进系统连接，所述防干涉机构用于控制相邻两套工作装置之间的间隔距离。本发明的多头露天钻机可以在一次定位完成大面积的作业范围，实现快速定位、多角度高效钻进，而且保证移机转场灵活，节能高效。
Description
技术领域
本发明涉及凿岩设备，特别是一种多头露天钻机。
背景技术
露天钻机广泛应用于中小型露天矿山、采石场、水电站、高速公路、国防施工及土石方等工程爆破孔钻凿作业中。传统的露天钻机采用内燃驱动，钻机和空压机为一体，上车固定，单臂作业，机器作业范围小，尾气污染，振动、噪声大，针对立井施工等特定工况，机器移动频繁，效率低。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提供一种机动灵活性好、一次定位作业范围大的多头露天钻机，其效率高、能耗低，能实现多角度钻爆孔、锚杆孔钻进。
为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种多头露天钻机，包括钻机车体、工作装置和动力系统，所述工作装置设置于所述钻机车体的前端，所述动力系统用于驱动所述钻机车体和工作装置工作；所述工作装置设有至少2套，每套工作装置均包括变幅机构、推进系统和防干涉机构；所述变幅机构包括钻臂和折叠臂，所述钻臂的前端与所述钻机车体之间铰轴连接，钻臂的末端与折叠臂的前端连接，所述的推进系统布置在折叠臂的末端外侧面；所述防干涉机构用于控制相邻两套工作装置之间的间隔距离。
进一步地，还包括电控系统；
所述防干涉机构包括设置于变幅机构的3个传感器，分别为用于测量变幅机构的钻臂与折叠臂之间关节角的第一角度传感器、用于测量钻臂回转角度的第二传感器、用于测量钻臂与水平面之间夹角的第三角度传感器；
所述电控系统，用于根据相邻两套工作装置的防干涉机构分别所测量得到的钻臂与折叠臂之间关节角、钻臂回转角度和钻臂与水平面之间夹角，计算相邻两套工作装置的变幅机构末端之间的当前间隔距离；还用于根据计算得到的当前间隔距离控制变幅机构末端的最大运行速度Vmax；
其中变幅机构末端的最大运行速度的控制式为：
L1＝Lm*cosσ1+Ln*sin(θ1+σ1-90°)，
L2＝Lm*cosσ2+Ln*sin(θ2+σ2-90°)；
式中，l表示相邻两套工作装置的变幅机构末端之间的当前间隔距离，c表示相邻两套工作装置的变幅机构末端之间的限制间距，L表示相邻两套工作装置的变幅机构前端之间的间距，L1表示第一套工作装置的钻臂与折叠臂在水平面伸展的投影长度，θ1表示第一套工作装置的钻臂与折叠臂之间关节角，α表示第一套工作装置的钻臂回转角度，σ1表示第一套工作装置的钻臂与水平面之间夹角，L2表示第二套工作装置的钻臂与折叠臂在水平面伸展的投影长度，θ2表示第二套工作装置的钻臂与折叠臂之间关节角，β表示第二套工作装置的钻臂回转角度，σ2表示第二套工作装置的钻臂与水平面之间夹角，Lm、Ln分别表示钻臂长度和折叠臂长度，v表示变幅机构末端的初始运行速度。
进一步地，所述动力系统包括柴油发动机动力系统和电动机动力系统；
所述柴油机发动机动力系统，用于驱动所述钻机车体在工作面外移机、转场；
所述电动机动力系统，用于驱动所述推进机构进行钻机作业。
进一步地，还包括电控系统，所述电控系统包括动力互锁装置，所述动力互锁装置用于控制仅允许启动柴油发动机动力系统和电动机动力系统中的一个提供驱动动力。
进一步地，所述动力互锁装置包括负极开关-SA7、柴电切换钥匙开关S10、24V稳压电源-G1、供电继电器KA10、蓄电池组BAT、电源继电器KA11、切换继电器KA12、起动继电器KA13和急停模块S1；
所述24V稳压电源-G1的输入端与380V动力电源连接，负极输出端经负极开关-SA7接地，正极输出端经供电继电器KA10的常开触点开关与24V控制电源输出端VC_OUT连接；
柴电切换钥匙开关S10的常开触点开关两端，分别与24V稳压电源的正极输出端和急停模块的第一通道第一端连接；
急停模块的第一通道第二端串联供电继电器KA10的线圈后经负极开关-SA7接地；
所述蓄电池组的负极端经负极开关-SA7接地，正极端经电源继电器KA11的常开触点开关与启动马达的第二端连接，正极端还经切换继电器KA12的常开触点开关与24V控制电源输出端VC_OUT连接；
所述柴电切换钥匙开关的常闭触点开关两端，分别与蓄电池组的正极端和柴油发动机点火锁的电源端连接；
所述柴油发动机点火锁的第二端与急停模块S1的第二通道第一端连接，所述电源继电器KA11和切换继电器KA12的线圈并接在急停模块的第二通道第二端与负极开关-SA7之间。
有益效果
1、本发明提供的多头露天钻机，通过设置多套工作装置，可以在多头露天钻机的一次定位完成大面积的作业范围，实现快速定位、多角度高效钻进，而且保证移机转场灵活，节能高效；
2、通过设置设置防干涉机构，可以避免相邻工作装置的钻臂相互干扰，安全性高，保障2套工作装置相互独立作业，提高钻机工作效率；
3、本发明设置两套动力系统，电动机动力系统和柴油发动机动力系统，使本发明的多头露天钻机的动力系统选择更灵活；
4、动力系统通过设置动力互锁装置，使本发明的多头露天钻机只能使用其中一种动力系统，从而防止电动机动力系统和柴油发动机动力系统两者的油路互相干扰。
附图说明
图1为本发明实施例所述双臂露天钻机的结构示意图一；
图2为本发明实施例所述双臂露天钻机的结构示意图二；
图3为本发明实施例所述双臂露天钻机的防干涉机构测量示意图；
图4为本发明实施例所述双臂露天钻机的动力互锁装置的电路原理图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明的技术方案为依据开展，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，对本发明的技术方案作进一步解释说明。
本发明以双臂露天钻机为实施例进行解释说明。
如图1、2所示，本实施例的双臂露天钻机由行走底盘6、支腿4、上车平台8、上车回转机构9、动力系统、工作装置、液压凿岩机或回转动力头、液压系统14、电控系统17、除尘系统7、司机室11、操作台10、覆盖件12等部分组成。
其中，上车平台8安装于行走底盘6上，动力系统、工作装置、液压系统14、电控系统17、除尘系统7、司机室11、操作系统、维修平台等安装于上车平台8上。双臂露天钻机设有2套工作装置，第一套工作装置包括变幅机构2、推进系统1和第一防干涉机构，第二套工作装置包括变幅机构5、推进系统3和第二防干涉机构，该2套工作装置同时独立作业，且防干涉机构防止2套工作装置之间相互干扰。
如图1所示，行走底盘6上设有4个支腿4，驱动油缸支腿可左右伸开，上下升降，作业时液压支腿伸开支撑在作业面上，保证上车水平，机器稳定。行走底盘平上车平台之间回转支承连接，驱动液压马达使上车平台可相对于行走底盘360°全回转。上车平台8上安装有动力系统，本实施例采用柴油发动机与电动机结合的柴电双动力系统：进行钻进作业时，采用电动机工作，实现钻机移位、变幅、凿岩钻进、除尘等所有动作；在工作面外移机、转场时，采用柴油机工作，实现行走、钻臂变幅、钻架补偿等动作。
两套变幅机构并列安装在上车平台的前端，与上车平台8用铰轴连接，每套变幅机构均由钻臂、折叠臂、连杆翻转机构、驱动油缸等部件组成。每套推进系统，均由滑架、钻架、补偿油缸、马达-链式推进机构、导向器、凿岩机、卷管装置等组成，推进系统的滑架与变幅机构的连杆翻转机构通过销定位，螺栓连接，布置在变幅机构的外侧面，如图2所示，用于实现推进机构大幅度翻转打水平孔。变幅机构的驱动油缸，实现钻臂俯仰、折叠、偏转、推进器翻转、补偿等动作，适应崎岖不平的作业面。由于该双臂露天钻机设置两套可同时工作的工作装置，可以在双臂露天钻机的一次定位完成大面积的作业范围，实现快速定位、多角度高效钻进，而且保证移机转场灵活，节能高效。
每套工作装置均设有防干涉机构，具体的防干涉机构包括设置于变幅机构的3个传感器，分别为用于测量钻臂与折叠臂之间关节角的第一角度传感器、用于测量钻臂回转角度的第二传感器、用于测量钻臂与水平面之间夹角的第三角度传感器。其中，如图3所示，第一套工作装置的变幅机构上的第一传感器21、第二传感器22和第三传感器23，分别测量第一套工作装置的钻臂与折叠臂之间关节角θ1、钻臂回转角度α和钻臂与水平面之间夹角σ1；第二套工作装置的钻臂上的第一传感器51、第二传感器52和第三传感器53，分别测量第二套工作装置的钻臂与折叠臂之间关节角θ2、钻臂回转角度β和钻臂与水平面之间夹角σ2；且两套工作装置的变幅机构在上车平台铰轴连接处之间的间距为L。另外，防干涉机构设置相邻两套工作装置的推进系统之间的限制间距为c，即相邻两套工作装置的推进系统之间的间距不能小于c，在本实施例中设置c的取值为100mm。
在双臂露天钻机在执行钻机作业时，两套设置于变幅机构上的3个传感器，周期性地采集钻臂与折叠臂之间关节角θ1、θ2、钻臂回转角度α、β和钻臂与水平面之间夹角σ1、σ2，并发送至电控系统；电控系统利用接收到的两套防干涉装置所实时采集的角度参数，并根据机器人学MDH模型和空间几何关系，将两套工作装置的变幅机构所在三维工作空间投影到二维水平面上，计算钻臂与工作臂在水平面伸展的投影长度：
L1＝Lm*cosσ1+Ln*sin(θ1+σ1-90°)，
L2＝Lm*cosσ2+Ln*sin(θ2+σ2-90°)；
式中，L1和L2分别为第一套和第二套工作装置的钻臂与折叠臂在水平面伸展的投影长度，Lm、Ln分别表示钻臂长度和折叠臂长度。
然后根据得到的两套工作装置的钻臂与折叠臂在水平面伸展的投影长度L1、L2，计算该相邻2个钻臂末端之间的当前空间距离l，计算公式为：l＝L-sin(α-90)*L1-sin(β-90)*L2；
设置相邻2个变幅机构末端之间的运动速度相对于当前空间距离的控制因子ξ为：则电控系统再根据当前的控制因子控制2个变幅机构末端之间在任意工作空间下运行的最大运行速度Vmax：当2个变幅机构末端之间的当前间隔距离l减小到限制间距c时，该2个钻臂均停止运动，Vmax＝0。
本实施例利用传感器与电控系统，并结合机器人运动学和运动空间的分析，将复杂的三维问题简化为二维平面问题，再通过钻臂速度控制施加控制率于液压阀组，避免相邻两个钻臂相互干扰，安全性高，保障2套工作装置相互独立作业，提高钻机工作效率。
本实施例的双臂露天钻机，其动力系统包括柴油机16、柴动泵组、电动机、电动泵组13、控制模块、阀组14、执行机构和动力互锁装置等，具体可组成电动机动力系统和柴油发动机动力系统。其中，电动机动力系统由外线提供380V动力电源，经380v/24v变压器变压，为整车提供24V控制电源；柴油发动机动力系统，通过串联2个12V免维护电池，为整车提供24V控制电源。另外，动力系统通过动力互锁装置，使本实施例的双臂露天钻机使用电动机动力系统或者柴油发动机动力系统，且仅能使用其中一种动力系统，从而防止电动机动力系统和柴油发动机动力系统两者的油路互相干扰。
在确定负极开关-SA7打开后，即负极开关-SA7两端的线路接通，四个紧急停止按钮(平台左右各一个，操作台两个)处于工作位置，即紧急停止开关的两端线路接通。模式选择开关处于“0”位时，操作者可以根据工作环境选择柴油发动机动力系统工作模式和电动机动力系统工作模式。两种工作模式是以电动机动力系统工作模式为优先工作模式，只有接入足够容量的三相电源，电动机工作模式才能使用。
其中，动力互锁装置如图4所示，具体分析如下所述：
当需要选择电动机动力系统工作模式时，顺时针旋转柴电切换钥匙开关S10，使柴电切换钥匙开关S10的常开触点闭合，供电继电器KA10的线圈所在支路通电，电源灯L1点亮，此供电继电器KA10吸合，即常开触点闭合。稳压电源-G1(即380v/24v变压器)通过供电继电器KA10闭合的常开触点与主电源输出端VC_OUT连通，可为整车提供24V控制电源。此时，若操作员按下相应的电动机启动开关，即可启动电动机，整车进入电动机动力系统工作模式。
柴电切换钥匙开关S10在常开触点闭合时，其常闭触点处于断开状态，发动机点火锁IL失电，电源继电器KA11和切换继电器KA12断开，蓄电池组BAT断开与整车电路的连接，实现电动机动力系统工作模式时，无法进入柴油发动机动力系统工作模式。
当需要选择柴油机动力系统工作模式时，关闭柴电切换钥匙开关S10，此时柴电切换钥匙S10的常闭触点闭合，发动机点火锁可由蓄电池组BAT供电。然后打开发点机点火锁IL到1档，电源继电器KA11和切换继电器KA12的线圈所在支路通电从而其常开触点吸合，此时蓄电池组BAT通过闭合的切换继电器KA12的常开触点端与主电源输出端VC_OUT连接，可为整车提供24V控制电源。同时，电源继电器KA11的常开触点吸合，为发动机提供启动电源。
当发动机正在工作时，打开柴电切换钥匙开关S10，发动机点火锁IL将失电，电源继电器KA11和切换继电器KA12将失电断开连接，发动机将直接熄火停止工作。
以上实施例为本申请的优选实施例，本领域的普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本申请总的构思的前提下，这些变换或改进都应当属于本申请要求保护的范围之内。
Claims (5)
1.一种多头露天钻机，包括钻机车体、工作装置和动力系统，所述工作装置设置于所述钻机车体的前端，所述动力系统用于驱动所述钻机车体和工作装置工作；其特征在于，所述工作装置设有至少2套，每套工作装置均包括变幅机构、推进系统和防干涉机构；所述变幅机构包括钻臂和折叠臂，所述钻臂的前端与所述钻机车体之间铰轴连接，钻臂的末端与折叠臂的前端连接，所述的推进系统布置在折叠臂的末端外侧面；所述防干涉机构用于控制相邻两套工作装置之间的间隔距离。
2.根据权利要求1所述的多头露天钻机，其特征在于，还包括电控系统；
所述防干涉机构包括设置于变幅机构的3个传感器，分别为用于测量变幅机构的钻臂与折叠臂之间关节角的第一角度传感器、用于测量钻臂回转角度的第二传感器、用于测量钻臂与水平面之间夹角的第三角度传感器；
所述电控系统，用于根据相邻两套工作装置的防干涉机构分别所测量得到的钻臂与折叠臂之间关节角、钻臂回转角度和钻臂与水平面之间夹角，计算相邻两套工作装置的变幅机构末端之间的当前间隔距离；还用于根据计算得到的当前间隔距离控制变幅机构末端的最大运行速度Vmax；
其中变幅机构末端的最大运行速度的控制式为：
L1＝Lm*cosσ1+Ln*sin(θ1+σ1-90°)，
L2＝Lm*cosσ2+Ln*sin(θ2+σ2-90°)；
式中，l表示相邻两套工作装置的变幅机构末端之间的当前间隔距离，c表示相邻两套工作装置的变幅机构末端之间的限制间距，L表示相邻两套工作装置的变幅机构前端之间的间距，L1表示第一套工作装置的钻臂与折叠臂在水平面伸展的投影长度，θ1表示第一套工作装置的钻臂与折叠臂之间关节角，α表示第一套工作装置的钻臂回转角度，σ1表示第一套工作装置的钻臂与水平面之间夹角，L2表示第二套工作装置的钻臂与折叠臂在水平面伸展的投影长度，θ2表示第二套工作装置的钻臂与折叠臂之间关节角，β表示第二套工作装置的钻臂回转角度，σ2表示第二套工作装置的钻臂与水平面之间夹角，Lm、Ln分别表示钻臂长度和折叠臂长度，v表示变幅机构末端的初始运行速度。
3.根据权利要求1所述的多头露天钻机，其特征在于，所述动力系统包括柴油发动机动力系统和电动机动力系统；
所述柴油机发动机动力系统，用于驱动所述钻机车体在工作面外移机、转场；
所述电动机动力系统，用于驱动所述推进机构进行钻机作业。
4.根据权利要求3所述的多头露天钻机，其特征在于，还包括电控系统，所述电控系统包括动力互锁装置，所述动力互锁装置用于控制仅允许启动柴油发动机动力系统和电动机动力系统中的一个提供驱动动力。
5.根据权利要求4所述的多头露天钻机，其特征在于，所述动力互锁装置包括负极开关-SA7、柴电切换钥匙开关S10、24V稳压电源-G1、供电继电器KA10、蓄电池组BAT、电源继电器KA11、切换继电器KA12、起动继电器KA13和急停模块S1；
所述24V稳压电源-G1的输入端与380V动力电源连接，负极输出端经负极开关-SA7接地，正极输出端经供电继电器KA10的常开触点开关与24V控制电源输出端VC_OUT连接；
柴电切换钥匙开关S10的常开触点开关两端，分别与24V稳压电源的正极输出端和急停模块的第一通道第一端连接；
急停模块的第一通道第二端串联供电继电器KA10的线圈后经负极开关-SA7接地；
所述蓄电池组的负极端经负极开关-SA7接地，正极端经电源继电器KA11的常开触点开关与启动马达的第二端连接，正极端还经切换继电器KA12的常开触点开关与24V控制电源输出端VC_OUT连接；
所述柴电切换钥匙开关的常闭触点开关两端，分别与蓄电池组的正极端和柴油发动机点火锁的电源端连接；
所述柴油发动机点火锁的第二端与急停模块S1的第二通道第一端连接，所述电源继电器KA11和切换继电器KA12的线圈并接在急停模块的第二通道第二端与负极开关-SA7之间。
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