宋海濤，姚寧平，姚亞峰,2，韓 健，彭 濤

基于ATO模式的煤礦井下多變幅履帶鉆機模塊化平臺開發(fā)

宋海濤1，姚寧平1，姚亞峰1,2，韓 健1，彭 濤1

(1.中煤科工集團西安研究院有限公司，陜西 西安 710077；2. 煤炭科學研究總院，北京 100013)

隨著煤礦井下履帶鉆機客戶定制化的不斷普及，針對履帶鉆機產品種類及規(guī)格呈現(xiàn)精細化、多樣化、復雜化等特點，成功開發(fā)了多變幅履帶鉆機模塊化平臺。分析了模塊化平臺研制過程中的4個關鍵環(huán)節(jié)：模塊化平臺的建設，模塊化部件合理劃分及開發(fā)，模塊化部件的集成與開發(fā)，面向客戶的模塊化定制模式；提出了基于ATO 模式(訂單裝配模式)的多變幅履帶鉆機產品模塊化定制流程。應用效果表明：多變幅履帶鉆機模塊化平臺的建立，產品研發(fā)周期縮短了75%，降低了新產品開發(fā)成本，提升了快速應對市場需求的能力，方便了產品升級、售后和生產組織管理。

井下鉆探；履帶鉆機；模塊化；個性化定制

近年來，煤礦井下坑道鉆機由分體式逐步發(fā)展到履帶式，再到即將普及的自動化、智能化，裝備技術水平不斷提高，產品更新?lián)Q代提速[1-2]。同時，隨著煤炭開采效率及開采深度的提高，煤礦井下鉆探施工任務量及難度也在逐漸上升[3]，各煤礦企業(yè)面臨著不同的鉆探施工難題，并且鉆孔用途、種類也在不斷豐富，這都促進了鉆探裝備產品種類及規(guī)格的精細化、多樣化、復雜化發(fā)展[4]。目前，個性化定制已成為裝備制造行業(yè)的主流趨勢，隨著互聯(lián)網(wǎng)信息時代的到來，打破了市場壟斷的可能，行業(yè)滲透逐漸加強，整個煤礦井下鉆探裝備制造領域競爭激烈[5-6]。在激烈的市場競爭中，如何降低研發(fā)周期及成本，快速研發(fā)生產出適應于用戶需求的鉆探裝備產品，便成為了贏得市場的關鍵因素[7-8]。

目前，從各個廠家的產品種類構成上可以看出，常規(guī)的煤礦井下鉆機開發(fā)還是停留在一對一的研發(fā)思路，過程中雖然具有模塊化的思想存在，如一種動力頭可在多種型號的鉆機上借用，但由于缺少模塊化、平臺化系統(tǒng)理論的指導，在產品設計之初考慮的不夠充分，導致鉆機整體的模塊化程度不夠、集成性不足，進而造成設計周期較長。

而在工業(yè)加工領域，產品結構和功能的模塊化、通用化和標準化相對較為成熟。開發(fā)模塊化平臺，可通過對部分模塊的更新，從而實現(xiàn)產品具備新的功能或能力，甚至成為新的產品，而其余多數(shù)模塊不需要重新設計[9-10]。常見的模塊化平臺的開發(fā)模式主要分為以下3種[11-12]。

ETO模式(Engineer-to-Order)，即按訂單設計，能最大程度上滿足客戶對于產品的定制化需求。但對于生產流程管理、生產進度管理、生產成本管理要求較高，例如波音公司的達索配置系統(tǒng)。

CTO模式(Configuration-to-Order)，即按訂單配置模式，主要適用于產品多樣少量化的市場，客戶下單后根據(jù)產品的技術組成，再根據(jù)物流狀況確定生產計劃，例如Acumins維生素片的網(wǎng)上配置系統(tǒng)。

ATO模式(Assemble-to-Order)，即按訂單裝配模式，可根據(jù)通用零部件裝配成滿足客戶訂單需求的產品，這些通用部件在訂單發(fā)生之前就已計劃、生產、入庫。該模式通過預投生產，可縮短生產周期，減少總裝計劃時間，加快對客戶需求變化的反應。

經(jīng)過多年的發(fā)展，煤礦井下履帶鉆機結構功能相對成熟，客戶的個性化定制主要集中在整機功率、鉆具規(guī)格、鉆進工藝種類、給進行程等方面，從產品開發(fā)的角度而言，主要開發(fā)內容是將模塊化部件做的更豐富、更全面，需要的全新設計內容相對較少。從產品個性化現(xiàn)狀的角度出發(fā)，煤礦井下履帶鉆機更適合于ATO模式發(fā)展。查閱相關文獻資料，針對工程機械開展系統(tǒng)性的模塊化、平臺化研究并不多，針對煤礦井下履帶鉆機模塊化研究并作出詳細介紹的幾乎沒有。

鑒于此，針對煤礦井下全液壓式履帶鉆機的結構、功能特點，中煤科工集團西安研究院有限公司于2014年開展了基于ATO模式的煤礦井下全液壓式多變幅履帶鉆機產品模塊化平臺相關研究工作，目前已初具規(guī)模，并取得了良好的市場應用效果。筆者歸納整理了模塊化平臺建設過程中的研究工作，主要從模塊化平臺建設、模塊化部件合理劃分及開發(fā)、模塊化集成與開發(fā)、建立面向客戶的模塊化定制模式4個方面闡述了平臺建設中的關鍵技術，為煤礦井下鉆機行業(yè)的模塊化平臺建設提供了思路。

1 模塊化平臺建設

ZDY系列多變幅履帶鉆機模塊化平臺主要面向煤礦瓦斯抽采順層鉆孔、多層鉆孔、底板大角度孔、全斷面鉆孔、探放水孔及其他用途鉆孔的施工。針對目前的市場需求，研發(fā)多變幅履帶鉆機平臺(圖1)，平臺寬1 250 mm、長3 850 mm。

圖1 多變幅系列鉆機模塊化平臺

多變幅履帶鉆機平臺主要由履帶車體和多自由度變幅機構等部件組成。各部件在履帶車體上(圖2)立體式布局，可將不同規(guī)格型號電機泵組放置在兩履帶之間，有效利用了車體立體空間。通過優(yōu)化布局操縱臺和油箱的位置，在履帶車體前端讓出足夠空間放置主機，可方便機身調節(jié)方位角及滿足鉆機跨皮帶施工要求，并實現(xiàn)不同長度規(guī)格的給進裝置模塊在鉆機上的安裝集成。

圖2 履帶車體

多自由度變幅機構(圖3)是多變幅系列模塊化平臺的核心功能部件，該部件用于執(zhí)行施工過程中的孔位調節(jié)。目前，煤礦井下各類型鉆孔由于其功能不同，在開孔參數(shù)要求上也差異較大，在強調“一機多用”的當下，普遍要求鉆機的開孔傾角及方位角能達到全覆蓋。為提升整個系列平臺鉆機的適用性，滿足各個工況的需求，平臺標配的多自由度變幅機構通過兩個油缸配合調節(jié)可實現(xiàn)開孔方位角–90°~ +90°、主軸傾角–90°~+90°、水平開孔高度1 450~ 2 550 mm范圍內的調節(jié)，并且整個調節(jié)過程自動化程度高、操作簡便快捷，可顯著減輕工人的勞動強度[13]。

1—托架；2—轉軸；3—1號調角油缸；4—大臂組件；5—2號調角油缸；6—轉臺

2 模塊化部件合理劃分及開發(fā)

模塊化部件的通用性與差異性是矛盾對立的兩個方面，建立平臺的初衷就是利用通用性的資源來減少差異性的開發(fā)投入。但過度的通用性會影響產品的個性化發(fā)展，不利于滿足客戶的需求，所以要合理地對平臺進行模塊化劃分。

結合不同礦區(qū)鉆孔施工需求，煤礦井下履帶鉆機的主要性能參數(shù)包括：額定轉矩、額定轉速、給進力、起拔力、給進行程、電機功率，其中，額定轉矩、額定轉速是核心參數(shù)。按照核心性能參數(shù)分類，鉆機可分為小功率鉆機、大功率低轉速鉆機、高轉速普通鉆機、高轉速大轉矩鉆機等。

多變幅履帶鉆機平臺主要采用基于部件的功能與結構的模塊化劃分方法，即根據(jù)各個部件的功能進行大類劃分，對同功能不同結構或不同能力的部件進行模塊化開發(fā)，對于重點功能部件，例如：動力頭、給進裝置、夾持器、電機泵組等，要根據(jù)市場需求，盡可能豐富模塊選項范圍。這樣通過對重點部件的選項完善，滿足客戶功能上的大部分需求，可有效降低個性化定制比例，提高開發(fā)效率，發(fā)揮模塊化平臺的優(yōu)勢。

2.1 動力頭

動力頭(圖4)是將鉆機動力傳遞至孔底鉆具的關鍵功能部件，主要由馬達、變速箱、鉆具夾持裝置組成，它直接影響鉆機的額定轉矩和額定轉速。在鉆孔施工過程中，根據(jù)鉆孔類型、鉆孔深度、鉆進工藝等條件，對于動力頭的參數(shù)要求也不盡相同。目前，通過市場需求調研及前期積累，先后開發(fā)了額定轉矩為1 200 N·m、1 900 N·m、3 200 N·m、4 000 N·m、4 500 N·m、6 000 N·m、6 500 N·m共計7種不同規(guī)格的動力頭。此外，針對松軟煤層鉆進工藝的高轉速需求，還開發(fā)了額定轉速可達800 r/min、460 r/min、400 r/min的3種高轉速動力頭，能夠滿足用戶的各類型選用需求。

1—6 500 N·m；2—1 900 N·m；3—3 200 N·m；4—4 000 N·m；5—6 000 N·m

2.2 給進裝置

給進裝置(圖5)是實現(xiàn)動力頭前后運動的功能部件，主要由機身、給進油缸、導軌、拖板等部件組成。在給進油缸的帶動下，與拖板相連的動力頭可沿給進導軌前后滑移，以實現(xiàn)鉆具的起下及給進起拔力的施加。給進裝置的核心性能參數(shù)包括給進行程、給進起拔力。給進行程長可以有效減小動力頭往復的次數(shù)，一定程度上提高了施工效率，但各大煤礦巷道空間條件及施工工藝的差異往往較大，為此開發(fā)了600 mm、650 mm、780 mm、950 mm、1 150 mm、1 250 mm、1 300 mm、1 800 mm等多種行程的給進裝置以滿足客戶需求。并且，根據(jù)施工孔深、事故處理難度等級等要求，給進/起拔力從90 kN至190 kN可選。

1—600 mm；2—1 250 mm；3—1 800 mm

2.3 夾持器

夾持器(圖6)安裝在給進裝置最前端，用于夾持孔內鉆具，防止孔內鉆具的滑移，對于螺紋連接的鉆具還可與動力頭正反轉配合進行鉆桿接頭的擰卸。根據(jù)使用鉆具的要求及鉆進工藝的需要，可集成復合式夾持器、大行程夾持器、窄體大行程夾持器，開口量10~21 mm，可配套1 200~6 500 N·m能力的動力頭，通過更換卡瓦可以滿足夾持?50 mm~ ?153 mm的鉆具。這些配置還可滿足大直徑鉆具下放、定向鉆進等特殊工藝需要。

1—窄體大行程；2—復合式；3—大行程

2.4 電機泵組

電機泵組(圖7)為整機提供動力，主要由防爆電機及液壓泵組成。防爆電機的體積與其功率成正比，一定程度上限制了平臺的最大能力，根據(jù)主流市場需求，多變幅履帶鉆機平臺設計可支持的最大功率為90 kW電機，其中包括的主要規(guī)格有：22 kW、37 kW、45 kW、55kW、75 kW、90 kW。

液壓泵方面，根據(jù)現(xiàn)有鉆機的性能參數(shù)主要選配兩組斜盤式變量串泵：75 kW及90 kW電機配套 145 mL/r排量主泵串聯(lián)28 mL/r排量副泵；55 kW及以下功率電機配套71 mL/r排量主泵串聯(lián)28 mL/r排量副泵，電機泵組組合的外形尺寸均滿足履帶車體平臺的空間要求。

3 模塊化集成與開發(fā)

模塊化設計中，除了模塊自身性能、功能設計外，模塊化接口的設計也尤其重要，它是實現(xiàn)模塊部件的快速集成的基礎。煤礦井下坑道鉆機模塊化集成的主要特點是：各個模塊間或模塊與平臺間的連接主要以剛性連接為主。由于模塊部件的性能參數(shù)跨度較大，致使相同功能的模塊化部件有可能外形差異也較大，故將眾多不同模塊接口進行完全通用性設計難度較大。為此，在設計過程中可將同一類功能的模塊化部件按照其連接屬性進行二次分類(圖8)。這樣可以最大程度降低模塊接口設計的復雜性，并保證了接口的相對通用性。

4 面向客戶的模塊化定制模式

為了保持平臺的適用性、先進性，平臺應順應客戶的實際需求不斷升級，主要是指模塊化部件種類或功能的增加。在面向客戶的定制化個性化設計過程中，客戶需參與鉆機的配置及產品構型，這不但可以讓客戶構造自己需求的產品，更可以幫助設計者理解客戶，以實現(xiàn)鉆機平臺不斷地收集到客戶的有效需求，并將其轉化為平臺的模塊化特征。

圖8 模塊化接口二次分類

4.1 產品定制基本流程

基于ATO模式的產品模塊化定制流程如圖9所示。首先，要根據(jù)不同煤礦的鉆孔用途及巷道條件確定鉆機的產品性能參數(shù)，如功率、額定轉矩、額定轉速、給進裝置外形尺寸等。明確性能參數(shù)后，用戶可在產品的模塊選項庫中選擇相應滿足參數(shù)要求的部件模塊。當選項庫無法滿足或無法完全滿足客戶需求，就需要新增定制選項，定制選項將進行詳細的評審，批準后方可最終定制選項。經(jīng)過客戶選項流程后，往往會有不止一種組合方案，這就需要與客戶一同對方案的可靠性、經(jīng)濟、時效性等方面進行評價與分析，選取最優(yōu)方案進行投產加工或直接進行裝配。

圖9 基于ATO模式的產品模塊化定制流程

4.2 定制需求處理

在定制需求處理的過程中，常常會遇到一些偶然性、全新性的需求。在設計、生產任務繁重的大背景下，必然無法保證所有的定制需求都被接受。雖然這部分定制需求暫時不能被批準，但這的確是客戶需求的一種實際反映，所以這些未被批準的定制需求都要保存起來，等積累到一定程度，例如有發(fā)展為共性問題的趨勢時將會變成被批準需求。

4.3 客戶選項管理

客戶定制會不斷地積累，當相同或相似的客戶定制達到一定程度時，就有必要將其轉變?yōu)榭蛻暨x項。當此定制部件選項內包含的型號參數(shù)越來越豐富時，定制部件選項可升級為可選部件選項。例如，客戶根據(jù)自身的規(guī)章制度、鉆進工藝、技術標準、地層條件等一系列客觀因素提出一些定制化需求：加裝孔口防噴裝置、加裝升降臺設備、加裝油路保護模塊、加裝輔助吊臂等，隨著這些定制需求量的不斷增加，目前已全部轉化為客戶選項。

客戶選型除了不斷豐富以外，那些不經(jīng)常被客戶選擇的部件選項或選項參數(shù)值，將逐漸淘汰出客戶部件選項目錄。這種不斷補充與淘汰的機制，讓選項庫處于合理的容量，并降低了選項種類繁多而造成的生產壓力，更重要的是保障了模塊化平臺的不斷提升，為客戶提供了最新、最優(yōu)的部件選項。

5 模塊化平臺應用效果及分析

多變幅履帶鉆機平臺自2014年開發(fā)成功后，根據(jù)各礦區(qū)的不同需求，快速衍生出了ZDY1900LP、ZDY2200LR、ZDY3000LG、ZDY3500LP、ZDY3500L(Q)、ZDY4000LR、ZDY4000LR(B)、ZDY6500LP、ZDY6500LF、ZDY6000LR等共計10余種型號的鉆機[14-17]，表1中列出了幾種典型鉆機及其主要特點。

表1 多變幅系列鉆機模塊化平臺衍生機型

目前，該系列平臺鉆機已實現(xiàn)功能部件的模塊化，可根據(jù)客戶的需求直接進行選型配置，核心功能部件無需重新開發(fā)，鉆機設計周期由原來的3個月縮短為3周以內。此外，模塊化平臺的建立也促進了生產效率的提升，通過對核心部件、常用部件的提前排產或下單，大大提升了生產響應效率，在該平臺系列鉆機的帶動下，中煤科工集團西安研究院有限公司履帶鉆機的產量已由2013年的73臺增長為2019年的590臺。在配件更換方面，特殊非標部件占比只有5%以內，給常規(guī)的維護保養(yǎng)帶來了便利。

目前，該系列鉆機已在陜西煤業(yè)化工集團、陽泉煤業(yè)集團、淮北礦業(yè)集團、河南煤業(yè)化工集團、兗礦集團等全國各大礦業(yè)單位推廣應用，累計推廣800余臺/套， 2014—2017年，僅該系列鉆機實現(xiàn)銷售收入3.136 8億元。多變幅履帶鉆機模塊化平臺的建立，大大縮短了產品研發(fā)和制造周期，降低了新產品開發(fā)成本，提升了對市場需求的響應速度，方便了產品升級、售后和生產組織管理，實現(xiàn)了客戶廠家的共贏。

6 結語

以模塊化、平臺化系統(tǒng)理論為指導，分析了模塊化平臺的建設，模塊化部件合理劃分及開發(fā)，模塊化部件的集成與開發(fā)，面向客戶的模塊化定制模式等4個關鍵環(huán)節(jié)；提出了基于ATO模式的多變幅履帶鉆機產品模塊化定制流程。多變幅履帶鉆機模塊化平臺的建立，大大縮短產品研發(fā)和制造周期，提升快速應對市場變化的能力，方便了產品升級、售后和組織管理，通過幾年間的運行及推廣，實現(xiàn)了模塊化平臺建立的既定目的。

隨著鉆探裝備技術的不斷發(fā)展，模塊化平臺的更新?lián)Q代是一個必然的過程，這就要求我們在新平臺開發(fā)的過程中具備前瞻意識，首先，要求研發(fā)人員掌握行業(yè)前沿動態(tài)，確保平臺技術的領先；其次，要求研發(fā)人員具備全局意識，避免由于設計局限而造成的重復性設計，浪費研發(fā)投入。只有這樣才能保持平臺的領先性、完善性、適用性，保持自身的市場競爭力，進而更好地服務于用戶。

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ATO mode-based modular platform development of variable luffing crawler drilling rig used in underground coal mine

SONG Haitao1, YAO Ningping1, YAO Yafeng1,2, HAN Jian1, PENG Tao1

(1. Xi’an Research Institute Co. Ltd., China Coal Technology and Engineering Group Corp., Xi’an 710077, China; 2. China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)

With the continuous popularization of customized crawler rigs in coal mines, the variety and specifications of crawler rigs have been further refined, diversified and complicated, and the modular platform of variable luffing crawler rigs has been successfully developed. The four key steps in the development of modular platform were analyzed: the construction of modular platform, the rational division and development of modular components, the integration and development of modular components, the modular customization model for customers based upon the proposed ATO-based model. The application results show that the establishment of the variable luffing crawler rig modular platform shortens the product development cycle by 75%, reduces the development cost of new products, improves the ability to quickly respond to market demands, and facilitates product upgrade, after-sales and production organization management.

underground drilling; crawler drilling rig; modular; customized

TD41

A

10.3969/j.issn.1001-1986.2020.02.002

1001-1986(2020)02-0008-06

2019-11-14；

2020-01-17

國家科技重大專項任務(2016ZX05045-003-002)

National Science and Technology Major Project(2016ZX05045-003-002)

宋海濤，1983年生，男，河南漯河人，碩士，副研究員，從事鉆探裝備的研究與應用工作.E-mail：songhaitao@cctegxian.com

宋海濤，姚寧平，姚亞峰，等. 基于ATO模式的煤礦井下多變幅履帶鉆機模塊化平臺開發(fā)[J]. 煤田地質與勘探，2020，48(2)：8–13.

SONG Haitao，YAO Ningping，YAO Yafeng，et al. ATO mode-based modular platform development of variable luffing crawler drilling rig used in underground coal mine[J]. Coal Geology & Exploration，2020，48(2)：8–13.

(責任編輯 聶愛蘭)