煤矿井下自动化钻机研发关键技术

煤矿井下自动化钻机研发关键技术

摘要：为顺应煤矿井下钻探装备自动化、智能化发展方向，而钻机行业竞争日

益激烈，钻机作业环境也日趋复杂，针对效串高、性能可章、安全风险小的自动

化钻机研发已迫在届睫。对于自动化程度的提升，可减少人工操作，从本质上防

范和遏制重特大事故，对于煤矿安全发展起积极推动作用。本文分析了煤矿井下

自动化钻机研发关键技术。

关键词:自动化钻进;机械手;电液控制

根据不同的使用环境，自动化钻机需要不同的总体结构设计，而决定自动化

钻机总体结构的主要因素是钻机的关键零部件和整个钻井工艺。钻机关键零部件

的设计取决于钻机上下游产业的技术支持力度；钻井工艺需要对整个钻井工艺进

行综合分析和优化。

一、自动化钻机总体概念设计

自动化钻机总体概念设计，排除市场和生产的干扰，作为研发和储备技术的

一种手段，这个设计过程牵涉到几个学科和专业，需要在钻机设计行业或者在钻

机使用方面经验丰富，大机械和自动化控制专业性强的团队。自动化钻机研发核

心内容包括钻机安装，设备操作和控制，钻机井口工具及钻具排放，钻机泥浆循

环和净化系统，钻机动力源系统，井控和固控系统、钻机动力驱动和控制以及各

个系统、设备、工具、环境检测等部分。自动化钻机总体概念设计主要有以下几点：首先依据钻井工艺提出常规钻机从开钻到完井所有的工序、步骤、人力、工具、设备结构和环境地质参数等，然后列出整个钻井到完井所用到的钻井设备、

工具、各个系统等。根据所有钻井设备、工具、各个系统使用性能统一或者分类

设备动力源以及控制，其次优化钻井工艺和整合各个钻井设备，进行一体化设计，模拟、建模数个自动化钻机方案，最后对每个方案，从自动化钻机的自身性能、

自动化程度、模块化和标准化等几个方面进行裁量，取舍和优化。

二、自动化钻机总体结构

钻机整体布局设计是根据使用要求合理地布置钻机结构件、传感器、数据信

号采集处理器、配套电源等。整体布局设计应最大可能地利用空间，在减小钻机

整体尺寸的同时便于钻机各系统的维护。钻机结构件的设计需在保证实现功能的

基础上尽量结构紧凑，并给控制系统的硬件部分留出合适的安装位置，便于钻机

各部件的布置。自动化钻机整体布局如图1所示，采用整体式履带结构，主机作

为钻机的执行机构，为了方便检修设置在履带车体的前方;操纵台设置在履带车体的后方，便于采用液动控制时观察孔口;防爆控制箱和电磁启动器分别布置在车体平台的两列，便于接电和检修;电动机泵组安装在车体中间凹槽结构中，便于胶管连接;同时设计遥控操纵台，解决钻机关键执行部件的无线遥控操作需要，操作者视线不受现场环境的影响。

图1自动化钻机整体结构

1.回转器设计。煤矿井下一般采用回转器后方加卸钻杆方式，即钻机回转器

采用中间通孔式结构，将钻杆从回转器中间穿入，在回转器上的卡盘与钻机前方

的夹持器作用下实现钻杆装卸。自动化钻机应具备自动加卸钻杆功能。为实现自

动加卸钻杆，应保证施工完一根钻杆后，安装另外一根钻杆时，钻杆丝扣处于同

一固定位置。由于从回转器后方安装钻杆的方式，无法保证每根钻杆施工完成后

钻杆的丝扣处于同一固定位置，因此自动化钻机设计采用中间加杆方式进行钻杆

装卸。其回转器设计采用主动钻杆式结构，无卡盘和配油套，钻机回转时无泄漏，效率高。回转器采用两级齿轮减速结构，液压马达为A6V160型液控变量斜轴式

柱塞马达，通过液压控制调节马达排量，实现回转器的无极变速。主动钻杆通过

销轴和螺钉与主轴前端连接在一起，将主轴的转矩传递给钻杆。主动钻杆前端为73 mm外平钻杆公螺纹锥扣，可与机械手、夹持器互相配合，实现长度750 mm，外径73 mm的外平钻杆的自动加卸，从而降低工人的劳动强度，提高钻

进效率。为了实现自动加卸钻杆，在回转器主轴后方安装有光栅传感器，用于测

量回转器的速度。

2．夹持卸扣装置设计。采用中间加杆方式进行钻杆装卸时，需要同时拧紧或拆卸钻杆两端的2个丝扣，现有钻机单夹持器设计无法满足双丝扣同时拧紧或拆

卸的需要，因此开发了夹持卸扣装置。夹持器固定在给进装置机身的前端，用于

夹持孔内钻具，还可配合卸扣器实现机械拧卸钻杆。夹持器为剪刀增力式结构，

采用油缸控制夹紧松开工作方式。夹持器侧面开口，可使机械手将钻杆通过开口

放入夹持中心，夹紧钻杆，配合回转器回转与给进，可完成回转器前端主动钻杆

与夹持器内钻杆的上扣连接。

3.给进装置设计。给进装置应能精准控制开孔姿态和钻进状态，主要由给进

油缸、倾角传感器、机身、托板、连接架、接近开关组件、后顶装置等部分组成。给进油缸选用单根单杆双作用油缸，油缸内装有位移传感器，可精确读取油缸位置。给进油缸活塞杆与托板固定，缸体上的耳环与机身固定，油缸往复运动即可

带动拖板沿机身导轨移动，从而带动回转器移动。机身与连接架通过螺栓固定连接，连接架与左右调角装置回转支撑相连，通过液驱回转支撑转动，可控制给进

装置进行调角。机身下方安装有倾角传感器，可实时显示机身角度。机身左侧安

装有接近开关组件，用于判定机械手位置是否与机身水平，从而进行加卸钻杆操作。机身后方装有后顶装置，用于机身姿态调整好后与巷道侧帮进行稳固，提升

钻机钻进过程中机身的稳定性。

4.自动上下钻杆装置设计。自动上下钻杆装置是实现钻杆自动加卸的执行机构，由钻杆托架、机械手总成、回转支撑等部分组成。钻杆托板是用来存放钻杆的，配套用73 mm外平钻杆单次最大存放容量为7根。通过调节托板两侧连杆

位置，可实现托板向下倾斜，在自动卸钻时，可使钻杆自由下落［13－14］。机

械手总成通过右侧回转支撑与左调角装置相连，该机械手由四联电磁手动换向阀

控制，可实现钻杆的连续加卸。

5.多功能电液控制系统设计。钻机电液控制系统设计用于控制钻机钻进动作、其他辅助动作以及伺服系统动作，以实现钻机正常钻进功能以及其他必要的辅助

功能，如自动上杆等。电液控制系统根据其作用又可分为主液压控制系统和伺服

电液控制系统2个部分。主液压控制系统用于控制钻机完成移动、稳固、回转、

钻进等主要钻进动作，以及自动上下钻杆装置等辅助装备的正常动作，以保证钻

机基本钻进等功能的实现。伺服电液控制系统则用于接收钻机电控系统的实时信号，辅助完成钻机状态调整，伺服液压控制系统应尽量整合在主液压控制系统中，通过增加小型液压回路的方式完成伺服功能的实现，以降低钻机液压控制系统的

复杂度，提高可靠性。

6.钻机控制系统设计。钻机控制系统设计包括钻机状态参数实时显示软件、

钻孔轨迹实时显示软件和钻机实时控制系统设计。钻机状态参数实时软件从数据

采集器接收钻机状态数据，通过计算实时显示钻机状态，如钻机回转压力、转速、钻机方位角、倾角等。钻孔轨迹实时显示软件接收钻头处信号发生器传回的信息，