第一章 绪论1.1 课题的研究背景和意义本世纪以来，采矿工业、铁道工程、煤炭工业、军事工程中，在岩石断面上掘进的工作量日益增加，生产效率要求越来越高，老式的气动凿岩机的钻凿能力与生产发展的需要之间的矛盾日益加剧。生产的发展要求用效率高、生产能力大的新型凿岩机来代替气动凿岩机,液压凿岩机正是在这种情况下诞生的。液压凿岩机如图1所示。图1 液压凿岩机早在1920年，英国人多尔曼就制成了液压凿岩机。大约40年之后，英国人萨特利夫制成了另一种液压凿岩机。不久，美国Gardne Denvr公司根据尤布科斯专利，制造了MP-l型液压凿岩机，其冲击能为l0J，冲击频率为20Hz，但因钎具寿命太短，未得到推广使用。液压凿岩机的研制与发展有悠久的历史，自70年代以来大量投人市场，至今世界上已有约20个国家，30家公司(厂家)进行研制。到目前为止，多数液压凿岩机经历了产品更新，完善结构，提高效率等过程。由于液压凿岩机具有工效高、噪声低、易控制、寿命长等优点，其发展速度异常迅速，各国研制的液压凿岩机投入市场销售的型号已有上百种。随着社会的不断发展，手锤打眼已不能满足生产要求。通过前人的努力，1887 年制造出第一台轻型气动凿岩机，1938 年发明了气腿和碳化钨钎头。气腿式凿岩机和钎头的不断完善，对凿岩机的效率又提出了新的要求，20 世纪 60 年代初，开发了独立回转凿岩机，随后发展和完善了架柱式凿岩机和凿岩钻车。在凿岩机不断发展的同时，注意到随着孔深的增加，深孔凿岩接杆钎具联接处能量损失较大，提出了将凿岩机送入孔底的设想，因而发明了潜孔冲击器。以上几种液板凿者机都因一些技术关键问题没能很好地解决，所以没有能在生产中得到应用。1970年，法国Montabrt公司推出了世界上第一台实用的液压凿岩机，并且很快成批生产，推广使用。与气动凿岩机相比，液压凿岩机有以下特点:纯凿孔速度比同量级气动凿岩机快12倍；能量消耗低，约为同量级气动凿岩机的1/31/4;主要零部件使用寿命长，钎具消耗少，凿孔成本低;工作面环境有较大改善，噪声可降低10-15dB，且无油雾，可见度好;机器性能好，可根据岩石条件调节冲击能，以取得最佳凿孔效果;便于实现凿孔作业自动化。正是由于这些独特的优点，世界各国刘液压凿岩机都十分重视，经过短短20几年的发展，目前，已有10多个国家能生产上百个品种的液压凿岩机，并已广泛应用于铁进、冶金、煤炭、地质、水电、建材、军事部门。按液压冲击器的控制原理，可以把液压凿岩机分为两大类:一类是有阀型液压凿岩机，如图2所示。按回油方式又可以把这一类液压凿岩机分为双面回油式、前腔常压后腔回油式和后腔常压前腔回油式等三种类型。 图2 有阀型液压凿岩机另一类是无阀型的，如图3所示，工作原理是利用液压油的微压缩性。液压油受压时储存能量，膨胀时则释放能量。由于液压油的可压缩性很小，故无阀型液压凿岩机一般具有冲击频率高、冲击能小、外型尺寸大、效率低等特点，所以无阀型液压凿岩机在国际市场上的竞争力低，使用不多。目前，在国际上比较流行的机型是双面回油型(如瑞典Atlasepc公司的COP凿岩机械气动工具系列)凿岩机和前腔常压后腔回油型(如中南工业大学设计的YYG系列)凿岩机。图3 无阀型液压凿岩机液压凿岩机主要是由冲击器、蓄能器、转钎装置和供水排粉装置等几大部分组成。其中冲击器起着举足轻重的作用，它的性能直接决定了液压凿岩机整机的性能。正因为如此，在过去20多年时间里，各国学者一直把液压凿岩机研究的重点放在对液压冲击器的研究上。按照人们在研究冲击器时所采用的数学模型不同，可以把研究液压冲击器的方法分为线性模型方法和非线性模型方法两大类。线性模型法抓住液压冲击器运动的主要因素，忽略次要因素，对冲击器作一些必要的假设，将活塞受力状态进行简化，得出用线性数学模型表示的冲击器运动规律。这种模型揭示液压冲击器的运动规律直接明了，有确切的代数表达式，可方便地求得解析解。但由于这类方法忽略了一些实际存在的因素，故只是粗线条地描述冲击器的运动规律。非线性模型较多地考虑液压冲击器的影响因素，较全面地分析了冲击器的受力状态，得到高阶非线性微分方程组描述其运动规律。这种模型能较精确地揭示液压冲击器的物理现象，但方程求解困难，描述不直观，只能通过计算机求得数值解。近年来，随着计算机科学技术的发展和微型计算机的普及，非线性模型越来越受到人们的重视。但必须指出，由于液压冲击器运动的复杂性，非线性模型也都建立在一些假设的基础上，所以也只能是近似地描述冲击器的运动规律。要想得到更准确的描述方法，尚有待计算流体力学的发展。液压凿岩机以压力液体为动力破岩，按破岩方式不同，凿岩机械有回转式、冲击式和回转冲击式三种。回转式液压凿岩机常称为液压回转钻，冲击式液压凿岩机做为岩石破碎设备，称为液压破碎冲击器或液压镜，回转冲击式液压凿岩机具有冲击机构与回转机构，即通常所说的液压凿岩机。一、液压凿岩机的甚本功能，通常，液压凿岩机真着冲击机构，回转机构，其凿岩作业是冲击、回转、推进与岩孔冲洗功能的综合。液压凿岩机冲击机构由压力液体的作用产生冲击能量，通过钎具(钎尾、连接套、钎杆)以应力波形式传递给岩石，从而达到破碎岩石的目的，液压冲击机构冲击能量以冲击功能(KW)表示，它包含冲击能(J)与冲击频率(Hz)两个参数。一般说来，液压冲击机构输出的冲击功率越大，凿岩能力越强，即凿孔速度越高或破岩效果越好。液压冲击机构冲击能由冲击活塞运动速度与质量决定，冲击活塞运动速度值应超过岩石破碎的临界速度(一般为4.8m/s)，而因目前钢材性能影响，冲击活塞运动速度不超过12m/s。液压凿岩机的回转机构由转钎数与转钎扭矩决定其性能。转钎数与岩石类型钎具型式与液压凿岩机冲击性能参数有关。液压凿岩机转钎扭矩用于克服凿岩过程中的破岩阻力，钎杆与孔壁间摩擦阻力，钎杆与岩粉间的阻力等，为使液压凿岩机保证有最佳凿孔速度，国外液压凿岩机有加大转钎扭矩的趋势。液压凿岩机凿岩推进功能使凿岩机冲击能以最佳应力波形式传递给钎具与岩石，最佳推进力随岩石性质、冲击性能参数、回转性能参数，钎具形式等变化。凿岩推进力过小时，液压凿岩机冲击能不会全部传递给岩石；能量传递不良，波形螺纹连接套容易松动，能量损失过大;回转性能不能充分发挥作用，钎具在岩石上不易形成回转阻力，钎头易在岩石表面摩擦发热，凿孔速度下降；钎头因阻力小打滑而产生过度磨损。凿岩推进力过大时，钎杆与钎尾形成不必要的弯曲和磨损，岩粉冲洗困难；合金片迅速磨损，凿孔速度下降。因此，寻找液压凿岩机最佳推进力是必要的。液压凿岩机凿孔过程的岩粉冲洗有多种方式，可采用水、空气、雾、泡沫等冲洗介质。冲洗介质有清除岩孔内已破碎岩粉或小碎块、冷却钎头与“润滑”钎具等作用。当采用水为岩孔冲洗介质时，冲洗水压力常在0.6mPa以上。液压凿岩机按其工作原理可分为以下类型，如图4所示：图4 液压凿岩机的分类凿岩机是用来直接开采石料的工具，如图5所示。它在岩层上钻凿出炮眼，以便放入炸药去炸开岩石，从而完成开采石料或其它石方工程，此外，凿岩机也可改作破坏器，用来破碎混凝土之类的坚硬层。图5 凿岩机凿岩机按其动力来源可分为风动凿岩机、内燃凿岩机、电动凿岩机和液压凿岩机等四类。液压凿岩机是近几年来出现的一种新型凿岩机，基本可以分为二种类型：一种是小型手持式，其冲击能量较小，主要是用来代替传统的风镐，大多数与小型挖掘装载机、液压工程车等配套使用；另一种是大型机载式，这类液压凿岩机大多是以液压挖掘机的反铲作业装置为基础，将反铲斗换装成凿岩机行工作，由挖掘机驾驶员在驾驶室内进行操作。此类凿岩机的能量较大，一般在16kNm范围内。气动凿岩机虽然具备很多优点，但存在着能耗大和作业环境恶劣的缺点，1946 年研制成功矿用牙轮钻机，20 世纪 70 年代初期液压凿岩机投入市场。近年来，国外一些先进矿山实现了掘进、采矿凿岩钻车遥控和机器人化，并将支腿式水力凿岩机和水压潜孔冲击器投入使用。液压凿岩机作为重要的旋转冲击式钻孔设备,广泛应用于中小型露天矿、岩土工程、铁路、公路、水电等领域,进行基础施工、隧道开挖、勘探、采石、采矿作业爆破孔的钻凿。1.2 凿岩机的工作原理凿岩机是按冲击破碎原理进行工作的，如图6所示。工作时活塞做高频往复运动，不断地冲击钎尾。在冲击力的作用下，呈尖楔状的钎头将岩石压碎并凿入一定的深度，形成一道凹痕。活塞退回后，钎子转过一定角度，活塞向前运动，再次冲击钎尾时，又形成一道新的凹痕。两道凹痕之间的扇形岩块被由钎头上产生的水平分力剪碎。活塞不断地冲击钎尾，并从钎子的中心孔连续地输入压缩空气或压力水，将岩渣排出孔外，即形成一定深度的圆形钻孔。图6 凿岩机工作原理1.3 国外液压凿岩机研究现状目前，国际液压凿岩机市场有竞争能力的是瑞典的Adas-Copco公司和芬兰的Tamrock公司，其销售量占世界总销售量的65%以上。法国Secomen及其它公司，也积极发展特色产品，力争占领市场。1、瑞典Adas-Copco公司的液压凿岩机Atlas-eopeo公司液压凿岩机的结构原理：Cop系列液压凿岩机系列产品冲击机构基本工作原理Cop系列液压凿岩机系列产品冲击机构基本工作原理相同，即为外阀式结构，采用前后腔交替回油、用换向伐控制活塞的运动。在冲程阶段(图7- a)换回阀芯及活塞均位于末端，高压油径高压进油路1到后腔通道3，进入冲击缸体后腔，振动活塞A向前做等加速运动；在冲程换向阶段(图7-b)，冲击活塞A向前移动至预定位置，打开右推阀通道口，高压油径后推阀通道5，作用在换向阅B的右端后，推动滑阀B换向，阁左端腔室中的油径前推阀通道4、换向阀排油通道7及回油通道6回油箱，为回程运动做好准备;在回程阶段(图7-C)，当活塞已打击钎尾C、滑阀B换向，在完成冲程运动的瞬间，即刻进人回程运动，高压油从进油路1到前腔通道2，进人冲击缸前腔，推动活塞A向后运动;在回程换向阶段(图7-d)，活塞A向后移动打开前推阎通道4时，高压油经前推阀通道4，作用在滑阀5、回油通道6流回油箱。滑阀移到右端，则下一个冲程运动开始。活塞与换向阀如此连续反复运动，使冲击活塞连续冲击钎尾做功。图7 Adas-Copco凿岩机工作流程2、芬兰Tamrock公司的液压凿岩机Tamrock公司液压凿岩机的冲击工作原理及其特点，Tamrock公司液压凿岩机采用前腔常高压，后腔压力交变，利用套阀配流而实现括塞往复冲击运动，其动作原理见图示。图8 Tamrock凿岩机工作原理回程换向阶段(图示8-a)活塞与运行到前端打击位置，活塞5中部与配油阀9形成的推阀腔10进高压油，分别作用在阀前小端面2和阀前大端面n上，此时配油阀9前端面的面积之和大于阀后端面7的面积，使配油阀9向后移动至末端，将活塞5后腔室8的压力油并接回油蓄能器3以后回油，活塞5的前腔室1中的压力油推动活塞5向后运动。冲程换向阶段(图8-b)活塞5向后运动，使推阀腔10与高压油路断开，接通回油，压力油分别作用在配油阀9的前、后端面上(此时后端面7的面积大于前小端面2的面积)，配油阀9向前移动，活塞5的后腔室8进高压油，活塞向前做等加速运动。如此循环，现实冲击动作。该公司液压凿岩机采用套阀结构，控制油路段，换向引起的能量损失小，有利于冲击运动的准确实现。此外，液压系统是低压大流量，可靠性也容易得到保证。1.4 国内液压凿岩机研究现状目前我国参与凿岩机研制的单位主要有煤炭研究院北京建井研究所、北京科技大学、中南大学、山河智能装备集团、长沙矿冶研究院、天水风动工具厂、沈阳风动工具厂、瞿州凿岩机厂、莲花山凿岩钎具有限公司等10多个单位,成功研制了 20多种型号的凿岩机。他们分别是:YYG30、YYG80、YYG80A、YYG90、YYG90A、YYG250A、SWHD90