专利名称：一种环形天井钻机的制作方法
技术领域：
本发明属于矿山机械领域，涉及一种环形天井钻机。
背景技术：
矿山采用天井钻机法作业天井无疑是矿山天井作业道路上的一座里程碑，通过多年的开发，现有天井钻机已经发展成熟，但是还是存在一些问题由于采用刀盘滚刀切割滚刮天井范围之内的岩石，造成天井钻机的体积大、功耗高，天井作业速度缓慢而且需要人工更换杆件，进一步降低速度；同时现有钻机采用长导杆结构传输动力，天井作业角度控制能力较差。基于现代矿山对天井钻机提出标准化模块设计，力求降低粉尘，提高天井工程准确度。现代矿山技术趋向于液压、高智能化钻机，因此需要采用全新的理念去开发一种高智能的设备代替现有天井钻机。
发明内容
本发明的目的是克服现有环形天井钻机天井掘进作业方案工作环境差、劳动强度大等技术之不足，而提供一种采用减小挖掘量和降低工人劳动强度，并能够降低矿山天井作业中的能量消耗，符合节能减排要求的一种环形天井钻机。一种环形天井钻机，包括钻头系统，推进系统，断裂器系统，钻架，所述钻架的横截面为圆环；所述钻头系统安装在所述钻架的底部，所述钻头系统包括钻头底座，所述钻头底座分为完全隔开的两个腔体包括环形上腔和环形下腔，所述环形上腔为密封的腔体，所述环形下腔通过圆锥滚子轴承与所述环形上腔连接，所述环形下腔的外端面上设有多个钻头牙轮，所述环形下腔内部设有钻头腔体，所述环形下腔内设有环形齿轮，所述环形上腔内设有多个相互同步协调控制的钻头液压马达和齿轮减速机构，所述钻头液压马达与所述齿轮减速机构连接，所述齿轮减速机构上的动力输出齿轮与所述环形齿轮啮合；所述钻架的四个侧面上均安装有多个通过所述液压油管道控制的液压缸，所述推进系统垂直通过安装在所述钻架上的导向装置安装在所述液压缸的活塞端，所述推进系统包括推进器机座和安装在所述推进器机座上的减速器、推进液压马达，所述减速器的输出轴上安装有主动带轮，所述推进器机座的两端还设有履带轴和安装在履带轴上的从动带轮，所述主动带轮和所述从动带轮上安装有履带；所述断裂器系统安装在所述钻架的顶端，所述断裂器系统包括断裂器底座、弧形刀具、两双出式液压缸，两所述双出式液压缸安装在断裂器底座上，两所述所述双出式液压缸之间通过轴承安装有弧形刀具；本发明中，所述钻架上还安装有冷却水管道和排粉管道，所述冷却水管道的进水端与水源连接，出水端设置在所述钻头腔体内，所述排粉管道的一端与抽取泵连接，抽取端也设置在所述钻头腔体内。本发明中，所述推进系统中的减速器采用蜗轮蜗杆减速器。
本发明中，所述钻头液压马达、液压缸、推进液压马达和双出式液压缸均由所述液压油管道供油，所述液压油管道与地面泵站连接，所述地面泵站通过井外控制台控制。本发明中，所述推进系统上安装有多个角度传感器。本发明中，所述钻头底座通过液压减震器安装在所述钻架上。本发明的环形天井钻机的优点在于(1)由于环形天井钻机采用断裂器系统进行环断面作业方式(即采用断裂器系统实现对岩芯的剪切和挤压作用切断岩芯，对于岩芯部分采用井外破碎的方式)代替现有钻机的全断面作业方式，废石在井外可以不加处理，天井作业的能量消耗可以很大程度的减少并提高了能量的利用效率，符合节能减排要求。(2) 由于采用四个推进系统同步推进，通过传感器得出特定基准上的角度，采用三角法测量并计算出钻机偏移角度，反馈角度偏差给控制单元，能够实时监控角度偏差并通过推进系统对钻机进行角度修正，能提高钻机的作业天井的角度修正能力。(3)由于采用环断面作业并且采用设备自行机构自动推进，可少减小人为因素的干扰，对天井作业速度有很大的提高。 (4)由于采用钻机设有冷却水管道和排粉管道，冷却废水完全混合环断面岩屑，大幅减少天井作业过程中的粉尘，改善井下环境。(5)由于钻机采用井外控制台直接控制，钻机内置智能液压控制系统能够很大程度的提高设备的人工智能程度。(6)由于工人不需要进入天井作业工作作业面，能够保证工人的人生安全，提高天井作业安全。
图1是本发明的结构示意图；图2(1)是本发明的钻头俯视图；图2(2)是本发明的钻头仰视图；图3是本发明的钻头传动减速器系统示意图；图4是本发明的推进器结构示意图；图5是本发明的断裂器系统结构示意图；图6是本发明的钻机机架简图；图7是本发明的排尘及动力输送管道系统；图8是本发明推进系统支撑用液压缸工作原理图；图9是本发明推进系统驱动用推进液压马达工作原理图；图10是本发明钻头系统液压原理图；图11是本发明断裂器系统液压原理图；图12是本发明的钻头驱动控制原理图；图13是本发明的角度偏差校正控制原理图；附图1至13中，1.钻头系统 2.钻头传动减速器系统 3.推进系统 4.断裂器系统5.钻架 6.工作面 7.牙轮顶盖 8.钻头牙轮 9.钻头底座 10.钻头腔体11.环形齿轮12.轴承13.键14.减速器下底座15.钻头液压马达16.减速器上盖17.齿轮减速机构 18.动力输出齿轮 19.推进器机座 20.履带轴 21.轴承22.减速器23.液压缸24.推进液压马达25.角度传感器26.履带27.断裂器底座28.弧形刀具29.双出式液压缸30.冷却水管道31.液压油管道32.排粉管道33.三位四通换向阀34.地面泵站35比例伺服换向阀36传感器37伺服阀控制
4器38偏差耦合控制器39交叉耦合控制器40信号处理器41控制器。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作详细的说明本发明是环形天井钻机，整体结构包括钻头系统1，钻头传动减速器系统2，推进系统3，断裂器系统4，钻架5，排尘及动力输送管道系统以及控制和辅助系统等，各系统均安装在钻架5上。各个系统由地面泵站提供源动力，通过液压油管道输送至环形天井钻机，以实现钻头系统1旋转掘进、推进系统3推进以及断裂器系统4切割。工作时，首先由地面泵站34 供油，在控制系统对比例伺服换向阀35的控制下，钻头液压马达15开始旋转，通过齿轮减速机构17将动力传递给钻头系统1，带动钻头牙轮8旋转，通过牙轮对矿石的压碎、剪切和滚刮复合作用破碎矿石。与此同时，钻机的推进系统3由推进液压马达24驱动履带26将钻机竖直向下推进，一方面实现钻机运动，另一方面为钻头提供部分正压力，环形钻机掘进至设定距离后余下的岩芯由断裂器系统4切断，然后通过井外的岩芯抓取设备将岩芯抓取出来，在井外进行破碎。此发明极大地节省了切削时间，提高了工作效率，正是此发明的优势。在钻机钻进的同时，其管道系统的工作主要也分为两部分，一路为液压油管道31输送压力油，一路管道为冷却水管道30输送冷却水，在工作面与岩屑混合后，通过排粉管道32 排出。所述的钻头系统1由牙轮顶盖7，钻头牙轮8，钻头底座9，钻头腔体10，环形齿轮 11，圆锥滚子轴承12、键13等构成，动力由齿轮减速机构17通过键13连接输送到环形齿轮 11，带动钻头系统1旋转工作，钻头牙轮8自转并公转切割岩石。钻头系统主要由钻头底座 9构成，钻头底座9分为完全隔开的两个腔体-环形上腔和环形下腔。在钻头底座9的环形下腔端面上，根据环形断面沿不同的倾角布置了若干牙轮钻头，钻头底座9的环形下腔内部设有钻头腔体10，其空间主要用来供钻头运动、冷却钻头及抽取泥浆。环形上腔内安装有齿轮减速机构17和圆锥滚子轴承12，圆锥滚子轴承12保证了钻头独立的回转运动。密封的环形上腔还可以为轴承和环形齿轮提供润滑和保护作用。钻头系统1与钻架5之间用液压减震器连接。所述的钻头传动减速器系统2由，钻头液压马达15，减速器上盖16，动力输出齿轮 18等构成。它给钻头系统输送动力，四个钻头液压马达15通过同步协调控制由齿轮减速机构17传递动力到钻头系统1，由于是同步协调控制，可以使得每个驱动单元负载均衡，减少运动过程中的振动，保证钻机工作过程中的定位准确性和运动平稳性。为了增大钻机的扭矩，以及使钻机在圆周方向受力平衡，设计采用四个钻头液压马达15同步驱动钻头。为了使钻头液压马达15的驱动能够完全同步，采用棘轮机构同步协调控制。所述的推进系统2由推进器机座19，履带轴20，轴承21，减速器22，所述减速器22 为蜗轮蜗杆减速器，液压缸23，推进液压马达24，角度传感器25，履带26等构成，钻机工作时，先由液压缸23伸出带动推进器机座19，与岩壁挤压向履带26提供压力，再由推进液压马达24旋转，通过蜗轮蜗杆减速器22带动履带26旋转，推动钻机掘进，并提供钻头破碎岩石所需的正压力。角度偏差校正是通过安装在推进器机座19上的角度传感器25传回的信号采用三角法测量出钻机偏移角度并通过信号处理器40计算，得出设备偏移角度，反馈给控制系统修正推进液压马达24转速，调整钻机倾角。断裂器系统1由断裂器底座27、弧形刀具28、双出式油缸29等构成，当钻机工作至岩芯设置长度时，双出式油缸29收缩，减小弧形刀具28的所在半径，实现对岩芯的剪切和挤压作用切断岩芯。伺服阀控制器37、偏差耦合控制器38、交叉耦合控制器39、信号处理器40全部位于控制器41内，所述控制器41设置在减速器上盖上。
权利要求
1.一种环形天井钻机，其特征在于包括钻头系统(1)，推进系统(3)，断裂器系统(4)， 钻架(5)；所述钻头系统(1)安装在所述钻架(5)的底部，所述钻头系统(1)包括钻头底座(9)， 所述钻头底座(9)分为完全隔开的两个腔体包括环形上腔和环形下腔，所述环形上腔为密封的腔体，所述环形下腔通过圆锥滚子轴承(12)与所述环形上腔连接，所述环形下腔的外端面上设有多个钻头牙轮(8)，所述环形下腔内部设有钻头腔体(10)，所述环形下腔内设有环形齿轮(11)，所述环形上腔内设有多个相互同步协调控制的钻头液压马达(15)和齿轮减速机构(17)，所述钻头液压马达(15)与所述齿轮减速机构(17)连接，所述齿轮减速机构(17)上的动力输出齿轮(18)与所述环形齿轮(11)啮合；所述钻架(5)的四个侧面上均安装有多个液压缸(23)，所述推进系统(3)通过安装在所述钻架(5)上的导向装置安装在所述液压缸(23)的活塞端上，所述推进系统(3)包括推进器机座(19)和安装在所述推进器机座(19)上的减速器(22)、推进液压马达(24)，所述减速器(22)的输出轴上安装有主动带轮，所述推进器机座(19)的两端还设有履带轴(20) 和安装在履带轴(20)上的从动带轮，所述主动带轮和所述从动带轮上安装有履带(26)；所述断裂器系统(4)安装在所述钻架(5)的顶端，所述断裂器系统(4)包括断裂器底座(27)、弧形刀具(28)、两双出式液压缸(29)，两所述双出式液压缸(29)安装在断裂器底座(27)上，两所述所述双出式液压缸(29)之间通过轴承安装有弧形刀具(28)；
2.根据权利要求1所述的环形天井钻机，其特征在于所述钻架(5)上还安装有冷却水管道(30)和排粉管道(32)，所述冷却水管道(30)的进水端与水源连接，出水端设置在所述钻头腔体(10)内，所述排粉管道(32)的一端与抽取泵连接，抽取端也设置在所述钻头腔体(10)内。
3.根据权利要求1所述的环形天井钻机，其特征在于所述推进系统(3)中的减速器(22)采用蜗轮蜗杆减速器。
4.根据权利要求1所述的环形天井钻机，其特征在于所述钻头液压马达(15)、液压缸(23)、推进液压马达(24)和双出式液压缸(29)均由所述液压油管道(31)供油，所述液压油管道(31)与地面泵站连接，所述地面泵站(34)通过井外控制台控制。
5.根据权利要求1或4所述的环形天井钻机，其特征在于所述推进系统(3)上安装有多个角度传感器(25)。
6.根据权利要求1所述的环形天井钻机，其特征在于所述钻头底座(9)通过液压减震器安装在所述钻架(5)上。
全文摘要
本发明涉及一种环形天井钻机，其特征在于钻机由钻头系统，钻头传动减速器系统，推进系统，断裂器系统，钻架，以及排尘及动力输送管道系统等组成；断裂器系统安装在钻架尾部，推进系统均布安装在钻架的侧面，钻头传动减速器系统安装在钻架头部，钻头系统安装在钻头传动减速器系统上，排尘及动力输送管道系统从钻头系统至断裂器系统贯穿安装。环式天井钻机是一种全新的掘进方案，其优点在于利用机器自重大幅降低天井作业的能量消耗，提高天井掘进速度，提高天井作业的角度控制能力；在同直径的天井中使得掘进断面减小，减少能耗，提高天井掘进效率；采用自带行进机构，能够完成高天井作业，提高天井作业速度；采用电力与液压驱动，能够改善巷道空气环境，降低天井作业粉尘污染，提高天井作业安全；能够完全自动推进掘进天井，采用无导孔步进式作业方式，实现天井作业的完全智能化。
文档编号E21B15/00GK102251744SQ20111016369
公开日2011年11月23日 申请日期2011年6月17日 优先权日2011年6月17日
发明者刘浪, 周智勇, 杨珊, 陈建宏, 马天义 申请人:中南大学