CN115387725A - 一种电驱动智能牙轮钻机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电驱智能牙轮钻机，包括电驱动履带车体、空压机、电缆卷筒和除尘器；还包括电驱动动力头、电驱动给进装置、远程自动控制系统，其中，所述电驱动给进装置、远程自动控制系统、空压机、电缆卷筒和除尘器布置在电驱动履带车体上，所述电驱动力头安装在电驱动给进装置上，在电驱给进装置的作用下上下移动；所述空压机通过高压管路与电驱动动力头连接。本发明解决了现有机械或液压驱动方式存在的操作复杂、自动化程度低的技术问题。该钻机采用纯电驱动，能够自动智能控制钻机动作，且控制精准。

Description

一种电驱动智能牙轮钻机

技术领域

本发明属于露天矿爆破孔钻孔装备领域，具体涉及一种电驱动智能牙轮钻机。

背景技术

牙轮钻机多用于大型露天矿山，其以钻孔孔径大、穿孔效率高等优点成为大、中型露天矿目前普遍使用的穿孔设备，具有钻孔孔径大、钻进压力要求高、整备质量大、钻具重量大等特点。牙轮钻机的作业过程中，普遍存在露天工作环境恶劣、空气钻进扬尘污染、作业噪音大、作业安全风险高等问题。

现有牙轮钻机以机械驱动或液压驱动为主。钻进过程中，需要操作人员根据钻进状态实时调节钻进参数，钻机操作过程复杂，自动化程度较低，对操作人员要求较高。钻机传动部分结构复杂，易损件较多，主要工作机构维修不变，维护及保养费时费力，且使用成本较高。综上，亟需研究一种降低操作复杂性、自动化程度高的智能牙轮钻机。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电驱智能牙轮钻机，以解决现有机械或液压驱动方式存在的操作复杂、自动化程度低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：

一种电驱智能牙轮钻机，包括电驱动履带车体、空压机、电缆卷筒和除尘器；还包括电驱动动力头、电驱动给进装置、远程自动控制系统，其中，所述电驱动给进装置、远程自动控制系统、空压机、电缆卷筒和除尘器布置在电驱动履带车体上，所述电驱动力头安装在电驱动给进装置上，在电驱给进装置的作用下上下移动；所述空压机通过高压管路与电驱动动力头连接；所述电驱动力头在电驱给进装置的作用下带动安装在其下方的钻杆上下移动；所述远程自动控制系统用于实现电驱动履带车体与远程操控中心之间远程通信。

进一步的，所述电驱动动力头包括第一永磁电机、行星减速器、箱体、轴承、主轴、气盒子、进气管、密封圈和减振器；其中，所述行星减速器上壳体与永磁电机壳体、行星减速器下壳体与箱体固定连接；第一永磁电机的主轴连接行星减速器；所述行星减速器输出轴内花键与主轴上端外花键啮合，定位在主轴外侧台阶的两个轴承分别嵌套于箱体内壁的两个台阶；进气管与气盒子连接，气盒子上端与箱体连接，气盒子与主轴之间留有间隙；所述间隙与进气管、主轴进气孔连通；进气管的进气端连接空压机。

进一步的，所述进气管与气盒子通过螺纹连接。

进一步的，所述气盒子上端与箱体通过螺栓连接。

进一步的，所述主轴与减振器通过螺纹连接。

进一步的，所述气盒子与主轴之间的间隙的上、下端各设置有一密封圈。

进一步的，所述气盒子下方安装有减振器，减振器设有中孔，与主轴内通孔相连通。

进一步的，所述电驱动给进装置包括提升系统和桅杆架，所述提升系统包括第二永磁电机、直角减速器、通轴、两个驱动链轮、六对从动链轮和两根驱动链条；其中，所述直角减速器安装在永磁电机输出端，直角减速器输出端与通轴通过花键连接；所述两个驱动链轮安装在通轴两端，所述六对从动链轮安装在桅杆架上，每一对的两个从动链轮高度相等且间距相等；所述两根驱动链条并行，它们分别绕过六对从动链轮和一个驱动链轮；电驱动动力头固定在两根驱动链条上。

进一步的，所述第二永磁电机和直角减速器均安装在电驱动履带车体上。

进一步的，所述远程自动控制系统包括近端控制系统以及与其通过无线通信系统进行远程无线连接的远端操控中心系统。

进一步的，所述近端控制系统包括车载汇聚器、与车载汇聚器连接的用于钻机前方环境检测的第三摄像头、用于钻机后方环境检测的第二摄像头、用于云台监测的第一摄像头和用于钻机信号采集、运算处理及控制信号输出的车载控制器；所述车载控制器与第一变频器和第二变频器连接，所述第一变频器与用于回转驱动的第一电机和用于左履带驱动的第二电机相连接，所述第二变频器与用于给进驱动的第三电机和用于右履带驱动的第四电机相连接；所述车载控制器还与用于电机电流检测的电流传感器、用于电机温度检测的温度传感器、用于机身倾角检测的倾角传感器、用于车体防撞检测的毫米波雷达、用于动力头振动加速度检测的振动传感器、用于钻机方位角检测的陀螺仪和用于钻机定位的GPS相连接；所述第一变频器、第二变频器的输入端分别通过变压器连接外部电网；同时，所述第一变频器通过第一接触器和第二接触器分别连接第一电机和第二电机，第二变频器通过第三接触器和第四接触器分别连接第三电机和第四电机。

进一步的，所述第一电机、第二电机、第三电机和第四电机均采用永磁电机。

进一步的，所述远程操控中心系统包括用于钻机操作指令输入的操控台、操控中心服务器、与操控中心服务器相接的操控中心计算机和数据存储设备以及与操控中心计算机相连接的语音报警器和显示器。

进一步的，所述无线通信系统包括与车载汇聚器相接的第一5G模块、与操控中心服务器及操作台相接的第二5G模块和用于实现第一5G模块和第二5G模块之间数据远程无线传输的5G通信网络。

相较于现有技术，本发明具有如下技术效果：

(1)通过在电驱动动力头下方安装减振器，能够有效吸收钻头工作时产生的钻杆纵向和横向振动，传递钻进过程中钻机所施加轴压和转矩，使钻机工作平稳，提高钻机使用寿命。

(2)电驱动给进装置中驱动电机通过减速器驱动通轴，带动驱动链轮转动，驱动从动链轮带动链条运动，进而带动电驱动动力头上下运动。该通轴结构能够有效保证驱动齿轮运动的同步性，保证链条传动的平稳性和安全性。

(3)电驱动给进装置的桅杆架与履带车体底盘后车架铰接，桅杆架从起立作业下放至运输状态的过程中，电机、减速器等质量较大的动力部件在后车架上不随桅杆运动，能够有效降低牙轮钻机运输状态的重心，增加钻机整体稳定性和安全性。

(4)远程自动控制系统通过无线通信模块实现履带车体的近端控制系统和远端控制中心的状态及控制指令传输，能够实现全过程智能监测牙轮钻机的运行轨迹，并能自动、准确地将数据记录，定位精度及自动化程度高。可大大减少用人并提高工作效率。

(5)本发明中，钻机给进、回转以及履带电机行走均采用永磁电机直驱，适合用于牙轮钻机需要低速、调速、大负载应用。由于永磁电机具有静音、节能、平稳、大扭矩的优点，使得本发明的钻机的可靠性高、便于精确控制。

附图说明

图1、图2为本发明的电驱动智能牙轮钻机的两个不同的角度的总装图；

图3为电驱动力头的结构示意图；

图4为电驱动给进装置的结构示意图；

图5为图4的局部放大图；

图6为远程控制系统原理图；

图7为主动作电力拖动切换原理图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本实施例给出的电驱智能牙轮钻机如图1、图2所示，包括电驱动履带车体1、电驱动动力头2、电驱动给进装置3、远程自动控制系统4、空压机5、电缆卷筒6和除尘器7。其中，所述电驱动给进装置3、远程自动控制系统4、空压机5、电缆卷筒6和除尘器7布置在电驱动履带车体1上，所述电驱动力头2安装在电驱动给进装置3上，在电驱给进装置3的作用下上下移动。所述空压机5通过高压管路与电驱动动力头2连接。所述除尘器7位于电驱动给进装置3一侧。

上述技术方案中，电驱动履带车体1用于实现安装在其上的机载设备的转场运输，电驱动力头2在电驱给进装置3的作用下上下移动，从而带动安装在其下方的钻杆上下移动，实现钻杆的给进和起拔。远程自动控制系统4用于实现电驱动履带车体1与远程操控中心之间钻机状态及操控指令的远程通信。电缆卷筒6在电驱动履带车体1行走过程中自动收放电缆，实现电缆的整齐收放，有效保障电缆不受外力损坏。空压机5通过高压管路与电驱动动力头2连接，为钻孔过程中岩屑清理及钻头冷却提供高压空气。除尘器7用于清除钻孔过程中的扬尘，改善作业环境。

具体的，所述履带车体1采用两个永磁电机驱动，履带行走同步精度高，具有较高的行走效率高。

具体的，所述电驱动给进装置3与电驱动履带车体1铰接，电驱动给进装置3可绕铰接点旋转，实现电驱动给进装置3的工作状态与运输状态的转换。具体的，电驱动给进装置3处于工作状态时起立，处于运输状态时倒伏在电驱动履带车体1上。

如图2所示，电驱动动力头2包括第一永磁电机201、行星减速器202、箱体203、轴承204、主轴205、气盒子206、进气管207、密封圈208和减振器209。其中，行星减速器202上壳体与永磁电机201壳体、行星减速器202下壳体与箱体203均通过螺栓固定连接。第一永磁电机201的主轴连接行星减速器202。行星减速器202输出轴内花键与主轴205上端外花键啮合，定位在主轴205外侧台阶的两个轴承分别嵌套于箱体203内壁的两个台阶。进气管207与气盒子206通过螺纹连接，气盒子206上端与箱体203通过螺栓连接，气盒子206与主轴205之间留有间隙；该间隙与进气管207、主轴进气孔连通，该间隙的上、下端各设置有一密封圈208。进气管207的进气端连接空压机，空压机产生的高压气流从空气管207进入被密封在气盒子206内部，且从主轴205进气孔进入主轴205内通孔(即进入钻柱内通道)。气盒子206下方安装有减振器209，主轴205与减振器209通过螺纹连接，减振器209为中孔设计，其内部通道与主轴205内通孔相连通，减振器209与钻杆通过螺纹固定连接，从而使得高压空气可通过减振器中间空气通道进入钻杆并送入孔底。

上述电驱动动力头2的结构设计中，第一永磁电机201主轴回转并通过行星减速器202减速增扭以后驱动主轴205回转，主轴205与牙轮钻具之间通过螺纹固定连接，主轴205回转驱动与减振器209连接的钻杆回转钻孔。由于采用永磁电机驱动方案，可实现回转速度及转矩的无极调节，以适应钻进工艺参数需要，从而提高钻进效率，由于采用行星减速器202进行减速增扭，具有减速器体积、重量小等优点。并且由于行星减速器202具有结构紧凑、减速比大等优点，本发明进一步优选高转速小扭矩的永磁电机驱动，从而减小钻机回转系统尺寸及重量，进而减小整机重量、降低工作装置重心，提高了钻机作业及行走的稳定性。此外，由于主轴205下端固定安装有减震器209，可有效降低钻进过重中钻具对主轴205的轴向冲击力和横向振动，传递钻进过程中钻机所施加轴压和转矩，使钻机工作平稳，从而有效提高电驱动动力头2的使用寿命。

如图3所示，电驱动给进装置3包括提升系统301、换杆装置302和桅杆架303。其中，所述换杆装置302固定安装于桅杆架303一侧，所述提升系统301固定安装于桅杆架303内侧，所述提升系统301为电驱动力头2以及与电驱动动力头2固定连接的钻具提供给进及起拔力，并完成倒杆作业。所述换杆装置302设置钻杆仓，钻杆仓内用于放置有多个钻杆，在钻进过程自动增加或减少连接于主轴205的钻杆数量，从而实现自动送钻及倒杆作业。

优选的，如图4、图5所示，提升系统301包括第二永磁电机301a、直角减速器301b、通轴301c、两个驱动链轮301d、六对从动链轮301e和两根驱动链条301f。其中，直角减速器301b安装在永磁电机301a输出端，直角减速器301b输出端与通轴301c通过花键连接；两个驱动链轮301d安装在通轴301c两端，六对从动链轮301e安装在桅杆架上，每一对的两个从动链轮301e高度相等且间距相等；两根驱动链条301f并行，它们分别绕过六对从动链轮301e和一个驱动链轮301d；桅杆架303上端和下端各有一个驱动链条301f的端部安装点。电驱动动力头2固定在两根驱动链条301f上。上述提升系统301的结构设计中，第二永磁电机301a通过直角减速器301b减速增扭后驱动通轴301c，带动两个驱动链轮301d转动，驱动链轮301d带动所有驱动链条301f运动，从而实现对电动动力头2的链传动使之上下运动，实现钻具的向下给进和向上起拔。两个驱动链轮301d之间采用通轴301c结构可保证两个驱动链轮301d运动的同步性，保证驱动链条301f传动的平稳性和安全性。

优选的，桅杆303下部与电驱履带车体1后车架铰接，铰接点设置于后车架上，桅杆303从起立作业下放至运输状态的过程中，绕铰接点旋转，这样的设计便于工作和运输。在该情况下，第二永磁电机301a和直角减速器301b等质量较大的动力部件均安装在电驱动履带车体1后车架上，从而在桅杆303举升和下放过程中，不随桅杆303运动。这样的设计能够有效降低本发明的牙轮钻机运输状态的重心，保证整体结构的稳定性和安全性。

如图6所示，远程自动控制系统4包括近端控制系统401以及与其通过无线通信系统402进行远程无线连接的远端操控中心系统403。

所述近端控制系统401包括车载汇聚器401a、与车载汇聚器连接的用于钻机前方环境检测的第三摄像头401b、用于钻机后方环境检测的第二摄像头401c、用于云台监测的第一摄像头401d和用于钻机信号采集、运算处理及控制信号输出的车载控制器401r。所述车载控制器401r与第一变频器401j和第二变频器401e连接，所述第一变频器401j与用于回转驱动的第一电机401i和用于左履带驱动的第二电机401h相连接，所述第二变频器401e与用于给进驱动的第三电机401g和用于右履带驱动的第四电机401f相连接。所述车载控制器401r还与用于电机电流检测的电流传感器401k、用于电机温度检测的温度传感器401l、用于机身倾角检测的倾角传感器401m、用于车体防撞检测的毫米波雷达401n、用于动力头振动加速度检测的振动传感器401o、用于钻机方位角检测的陀螺仪401p和用于钻机定位的GPS 401q相连接。如图7所示，第一变频器401j、第二变频器401e的输入端分别通过变压器连接外部电网；同时，第一变频器401j通过第一接触器和第二接触器分别连接第一电机401i和第二电机401h，第二变频器401e通过第三接触器和第四接触器分别连接第三电机401g和第四电机401f。当需要进行给进和回转工作时，第一接触器和第三接触器接通，第二接触器和第四接触器断开，当电驱动履带车体1行走时，这4个接触器的通断反之。优选的，第一电机401i、第二电机401h、第三电机401g和第四电机401f均采用永磁电机。

所述远程操控中心系统403包括用于钻机操作指令输入的操控台403c、操控中心服务器403d、与操控中心服务器403d相接的操控中心计算机403b和数据存储设备403e以及与操控中心计算机403b相连接的语音报警器403d和显示器403f。

所述无线通信系统402包括与车载汇聚器401a相接的第一5G模块402c、与操控中心服务器403d及操作台403c相接的第二5G模块402a和用于实现第一5G模块402c和第二5G模块402a之间数据远程无线传输的5G通信网络402b。

上述远程自动控制系统4的工作过程：车载控制器401r采集电流传感器401k、温度传感器401l、倾角传感器401m、毫米波雷达401n、振动传感器401o、陀螺仪401p、GPS 401q以及第一变频器401j和第二变频器401e输出的信号；车载控制器401r将采集的信号和第一摄像头401d、第二摄像头401c及第三摄像头401b拍摄的信息同时输入到车载汇聚器401a，并将检测结果及相关参数通过第一5G模块402c、5G网络402b、第二5G模块402a传输到操控中心服务器403d，操控中心服务器403d将数据存到数据存储设备403e中，同时将数据传送给操控中心计算机403b，操控中心计算机403b分析数据通过显示器403g显示，并在故障发生时控制声光报警器403a报警。操作人员根据显示器403g显示的信息，通过操作台403c输入钻机控制指令，控制信息通过第二5G模块402a、5G网络402b、第一5G模块402c传输到车载汇聚器401a，车载汇聚器401a进而将控制信息传输给车载控制器401r，车载控制器401r经过运算处理后将运算结果输入到第一变频器401j和第二变频器401e，第一变频器401j和第二变频器401e根据控制信息驱动相应的电机执行相应动作。

Claims (14)

1.一种电驱智能牙轮钻机，包括电驱动履带车体、空压机、电缆卷筒和除尘器；其特征在于，还包括电驱动动力头、电驱动给进装置、远程自动控制系统，其中，所述电驱动给进装置、远程自动控制系统、空压机、电缆卷筒和除尘器布置在电驱动履带车体上，所述电驱动力头安装在电驱动给进装置上，在电驱给进装置的作用下上下移动；所述空压机通过高压管路与电驱动动力头连接；所述电驱动力头在电驱给进装置的作用下带动安装在其下方的钻杆上下移动；所述远程自动控制系统用于实现电驱动履带车体与远程操控中心之间远程通信。

2.如权利要求1所述的电驱智能牙轮钻机，其特征在于，所述电驱动动力头包括第一永磁电机、行星减速器、箱体、轴承、主轴、气盒子、进气管、密封圈和减振器；其中，所述行星减速器上壳体与永磁电机壳体、行星减速器下壳体与箱体固定连接；第一永磁电机的主轴连接行星减速器；所述行星减速器输出轴内花键与主轴上端外花键啮合，定位在主轴外侧台阶的两个轴承分别嵌套于箱体内壁的两个台阶；进气管与气盒子连接，气盒子上端与箱体连接，气盒子与主轴之间留有间隙；所述间隙与进气管、主轴进气孔连通；进气管的进气端连接空压机。

3.如权利要求1所述的电驱智能牙轮钻机，其特征在于，所述进气管与气盒子通过螺纹连接。

4.如权利要求1所述的电驱智能牙轮钻机，其特征在于，所述气盒子上端与箱体通过螺栓连接。

5.如权利要求1所述的电驱智能牙轮钻机，其特征在于，所述主轴与减振器通过螺纹连接。

6.如权利要求2所述的电驱智能牙轮钻机，其特征在于，所述气盒子与主轴之间的间隙的上、下端各设置有一密封圈。

7.如权利要求2所述的所述的电驱智能牙轮钻机，其特征在于，所述气盒子下方安装有减振器，减振器设有中孔，与主轴内通孔相连通。

8.如权利要求1所述的所述的电驱智能牙轮钻机，其特征在于，所述电驱动给进装置包括提升系统和桅杆架，所述提升系统包括第二永磁电机、直角减速器、通轴、两个驱动链轮、六对从动链轮和两根驱动链条；其中，所述直角减速器安装在永磁电机输出端，直角减速器输出端与通轴通过花键连接；所述两个驱动链轮安装在通轴两端，所述六对从动链轮安装在桅杆架上，每一对的两个从动链轮高度相等且间距相等；所述两根驱动链条并行，它们分别绕过六对从动链轮和一个驱动链轮；电驱动动力头固定在两根驱动链条上。

9.如权利要求8所述的所述的电驱智能牙轮钻机，其特征在于，所述第二永磁电机和直角减速器均安装在电驱动履带车体上。

10.如权利要求1所述的所述的电驱智能牙轮钻机，其特征在于，所述远程自动控制系统包括近端控制系统以及与其通过无线通信系统进行远程无线连接的远端操控中心系统。

11.如权利要求10所述的所述的电驱智能牙轮钻机，其特征在于，所述近端控制系统包括车载汇聚器、与车载汇聚器连接的用于钻机前方环境检测的第三摄像头、用于钻机后方环境检测的第二摄像头、用于云台监测的第一摄像头和用于钻机信号采集、运算处理及控制信号输出的车载控制器；所述车载控制器与第一变频器和第二变频器连接，所述第一变频器与用于回转驱动的第一电机和用于左履带驱动的第二电机相连接，所述第二变频器与用于给进驱动的第三电机和用于右履带驱动的第四电机相连接；所述车载控制器还与用于电机电流检测的电流传感器、用于电机温度检测的温度传感器、用于机身倾角检测的倾角传感器、用于车体防撞检测的毫米波雷达、用于动力头振动加速度检测的振动传感器、用于钻机方位角检测的陀螺仪和用于钻机定位的GPS相连接；所述第一变频器、第二变频器的输入端分别通过变压器连接外部电网；同时，所述第一变频器通过第一接触器和第二接触器分别连接第一电机和第二电机，第二变频器通过第三接触器和第四接触器分别连接第三电机和第四电机。

12.如权利要求11所述的所述的电驱智能牙轮钻机，其特征在于，所述第一电机、第二电机、第三电机和第四电机均采用永磁电机。

13.如权利要求10所述的所述的电驱智能牙轮钻机，其特征在于，所述远程操控中心系统包括用于钻机操作指令输入的操控台、操控中心服务器、与操控中心服务器相接的操控中心计算机和数据存储设备以及与操控中心计算机相连接的语音报警器和显示器。

14.如权利要求10所述的所述的电驱智能牙轮钻机，其特征在于，所述无线通信系统包括与车载汇聚器相接的第一5G模块、与操控中心服务器及操作台相接的第二5G模块和用于实现第一5G模块和第二5G模块之间数据远程无线传输的5G通信网络。

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