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1、第一章第一章 绪论绪论1.1 课题的研究背景和意义课题的研究背景和意义凿岩机是用来直接开采石料的工具，如图 1 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 1 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。1、风动凿岩机。如图 2 所示，风动式以压缩空气驱使活塞在气缸中向前冲击，使钢钎凿击岩石，应用最广。电动式 由电动机通过曲柄连杆机构带动锤头冲击钢钎，凿击岩石。并利用排粉机构排出石屑，内燃式利用内燃机原理，通过汽油的燃爆力驱使活塞冲击钢钎，凿击岩石。适用于
2、无电源、无气源的施工场地。液压式依靠液压通过惰性气体和冲击体冲击钢钎，凿击岩石。这些凿岩机的冲击机构在回程时，由转钎机构强迫钢钎转动角度，使钎头改变位置继续凿击岩石。通过柴油的燃爆力驱使活塞冲击钢钎，如此不断地冲击和旋转，并利用排粉机构排出石屑，即可凿成炮孔。图 2 风动凿岩机2、内燃凿岩机。如图 3 所示，内燃凿岩机不用更换机头内部零件，只需按要求搬动手柄，即可作业。具有操作方便，更加省时，省力，具有凿速快、效率高等特点。在岩石上凿孔，可垂直向下、水平向上小于 45垂直向下最深钻孔达六米。无论在高山、平地，无论在 40的酷热或零下 40的严寒地区均可进行工作，本机具有广泛的适应性。 内燃凿岩
3、机具有矿山开采凿孔、建筑施工、水泥路面、柏油路面等各种劈裂、破碎、捣实、铲凿等功能，广泛用于矿山、建筑，消防，地质勘探，筑路，采石，建筑，国防工程等。图 3 内燃凿岩机3、电动凿岩机。如图 4 所示，电动凿岩机具有能产生较大冲击能量的锤击机构和连续或间隙转动的转钎机构，用于石方施工中钻凿炮眼的电动工具。图 4 电动凿岩机4、液压凿岩机。如图 5 所示，用高压油作为动力推动活塞冲击钎子,，附有独立回转机构的一种凿岩机械。由阀控制(也有无阀的)活塞往复运动。由于油压比气压力高得多，达 10 兆帕以上。虽与风动凿岩机近似，但其活塞直径较小、长度较大、波形较好。在活塞运动改变方向而产生高峰压力时，机上
4、装有蓄能器。其优点：钻速快(比风动凿岩机高两倍以上)，冲击功高、扭矩大、频率亦高；具有可调性、能耗低(为风动凿岩机的 1/3 左右)；效率高；便于自动化和电脑控制，卡钻事故少，钻具寿命长，使工作环境大为改善。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
5、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。图 5 液压凿岩机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。液压凿岩机的前身是气动凿岩机,与气动凿岩机相比,液压凿岩机有如下优势:1、能量利用率高。一般可达 40%以上,据相关统计数据显示:液压凿岩机与气动凿岩机的能耗比为 1: 3.8；2.凿岩效率高。液压凿岩机以液
6、压油为介质,工作压力是气动凿岩机的2040 倍,冲击能高,从而使液压凿岩机的凿岩效率高出气动凿岩机 1 倍有余;3.适用范围广。液压凿岩机以液压作为动力,便于根据不同的工况调整冲击能、冲击频率和转钎速度,使其处于最佳工作状态;4.无排气,消除了排气噪声和油雾,改善工作面的环境;5.活塞等关键运动件润滑条件好,寿命长;6.液压凿岩机工作效率不受海拔高度的影响,克服了气动凿岩机随海拔高度升高而降低工作效率的缺陷,适用范围广。迄今为止，凿岩爆破是实施岩石破碎的主要方法，破碎岩石首先需要在岩 (矿) 石中钻凿按爆破要求设计的炮孔。目前采用机械破碎岩石钻孔的方法主要有以下三种类型：(1) 冲击-旋转破碎
7、岩石钻孔。采用冲击载荷和转动钎具一定角度，并施加合理的推力来破碎岩石，适应在中硬、坚硬的岩石中钻孔。此类钻孔设备有潜孔钻机和凿岩机等；(2) 旋转破碎岩石钻孔采用旋转式多刃钎具切割岩石，同时施加较大的推力破碎岩石。适应在磨蚀性小及中硬以下的岩石中钻孔。此类钻孔设备有电钻和旋转钻机；(3) 旋转-冲击破碎岩石钻孔，又称为碾压破碎钻孔。它是施加很大的轴压 (一般大于 300 kN) 给钻头，同时旋转滚齿传递冲击和压入力，滚齿压入岩石的作用比冲击作用大，通过旋转-冲击破碎岩石。此类穿孔设备最典型的是牙轮钻机。1.2 国内外液压技术的发展国内外液压技术的发展液压传动具有易于实现直线运动、功率质量之比大
8、、动态响应快等优点，在工程机械、冶金、农林、试验设备、航空航天、仿真运动平台和武器装备等领域得到了广泛应用。液压传动作为动力传动与控制技术的重要组成部分，对工业和国防领域的技术进步和发展起到了很大的推动作用，是现代机械工程的基本要素和工程控制的关键技术之一。提高效率是液压技术必需解决的重要问题,也是提高其竞争力的有效措施。为此,需要采取的节能技术如下：(1)液压泵的变量调节装置采用压力补偿、负载传感系统，使它具有流量适应控制和负载压力自动补偿功能，这样，效率可提高 30%以上；(2)通常,液压泵和马达在小排量的使用工况下，其容积效率比较低,这限制了其排量工作范围。(3)采用先进的设计理念以尽量
9、减少能量传输过程中功率损失。(4)提高效率的一个重要发展方向是采用容积调速代替节流调速。(5)利用现有的先进技术,如采用交流变频调速电机驱动定量液压泵,达到系统节能的目的。计算机控制技术和集成传感技术发展得越来越完善，这为微电子技术和液压技术的结合创造了良好的条件。近几年来，随着计算机的日益普及，数控技术在国民经济各部门的广泛应用，液压技术和微电子技术的结合已成为一种必然趋势。数字式控制系统按信号的处理方式来分，可分为数模混合式数字控制和脉冲调制式控制，脉冲调制式又可分为脉宽调制 (PMW) 、脉幅调制 (PAM)、脉频调制 (PFM)、脉码调制 (PCM) 和脉数调制 (PNM) 等。按控制
10、方式可分为间接式数字控制和直接式数字控制。由于液压技术广泛应用了高科技成果，如：自控技术、计算机技术、微电子技术、可靠性及新工艺新材料等，使传统技术有了新的发展，也使产品的质量、水平有一定的提高。尽管如此，21 世纪的液压技术不可能有惊人的技术突破，应当主要靠现有技术的改进和扩展，不断扩大其应用领域以满足未来的要求。其主要的发展趋势将集中在以下几个方面。1、减少损耗，充分利用能量。2、泄漏控制。3、污染控制。4、主动维护。5、机电一体化。6、液压 CAD 技术。7、新材料、新工艺的应用。1.3 凿岩机的工作原理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
11、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国外液压凿岩机研究现状随着液压技术发展和机械加工技术的进步，20 世纪 60、70 年代，液压凿岩机迎来了发展的春天。1970 年,第一台实用化液压凿岩机于法国 Montabert 公司诞生,并得到推广。这一技术
12、的突破,促使世界其他国家对液压凿岩机的重视,美国、瑞典、德国、芬兰、苏联、英国等国都组织力量竞相研制。目前国外生产液压凿岩机的公司主要有:美国 Gardner-Denver 公司、Ingersoll-Rand 公司、瑞典 Atlas Copco 公司、Linden-Alimak 公司、芬兰 Tamrock 公司、法国 Eimco-Secoma 公司、Montabert 公司、德国 Krupp 公司和 R 本古河(FURU KAWA)公司等。瑞典 Atlas Copco、芬兰 Tamrock 和法国 Montabert 等公司生产的液压凿岩机在当今世界上具有一定的代表性。作为第一台实用化液压凿岩
13、机的生产厂家,法国 Montabert 公司在液压凿岩机的研究有其独到之处:为了提高凿岩机破碎效率,采用顶端粗大的活塞结构;配流阀与活塞同心布置,并与活塞一起输出冲击功;工作压力相对较低,一般在 15MPa 左右;与 Atlas Copco 和 Tamrock 同级别的液压凿岩机相比,Montabert的凿岩机的流量较大,工作频率更高，图 7 为 Atlas Copco 的 Cop3060 液压凿岩机。图 7 Cop3060 液压凿岩机芬兰 Tamrock 公司的液压凿岩机在世界上享有盛誉。在结构及性能方面具有如下特点:采用前腔常高压、后腔高低压交替的后控式配流原理;配流阀采用套阀形式;设置钎
14、尾反弹力缓冲及吸收装置,提高钎具的寿命;工作压力有增高的趋势,达到了 Atlas 液压凿岩机相近的程度;冲击频率、冲击功率、钻孔速度也有增高的趋势,如 HFX5T 在花岗岩中的钻孔速度达到了 4.5m/s，如图 8所示。 图 8 HFX5T 凿岩机1.4 国内液压凿岩机研究现状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、YYG9
15、0、YYG90A、YYG250A、SWHD90、SWHD220、YYT30、GGT70、CYY20、YYGJ145 (仿 Copl038H)、和 DZYG38B(仿 Copl238ME)。这些凿岩机的冲击能多在 150-250J 之间,钻孔直径一般为 40?50mm,只有SWHD90、SWHD220、YYG250A、YYGJ145, TYYG20 和 DZYG38B 型液压凿岩机钻孔直径孔径大于 50mm,最大可达 120nim。据统计,这些液压凿岩机在市场销售了 400 多台,除两款仿造市场销售的机型外,其余的都是我国自主研发的。其中由中南工业大学研究设计的 YG90 型液压凿岩机,1988
16、 年在汝城鹤矿使用时,创造了在 2.4 mX2.6 m 的断面中月进尺 250m,掘进工效稳步超过 1 m /工班的好成绩,1991 年在桓仁铜锌矿创造过单台单班进尺 5.4?6 m 的好成绩。由莲花山凿岩钎具有限公司引进法国 Eimco-Secoma 公司技术生产的 HYD300 液压凿岩机,国产化率达 95%,冲击活塞寿命可达 2000ni 左右,各项性能不亚于国外同类机型水平,并已批量生产，如图 9 所示。图 9 HYD300 凿岩机虽然我国在液压凿岩机方面取得了一定的成绩,但是与国外先进技术尚有较大的距离。国内产品的稳定性指标(不拆机检修)均在 500m 左右,而 Atlas Copco3 的产品一般都在 6000m 左右。究其原因主要有:缺乏适用于局频、尚速、局压的密封件技术;缺乏活塞、钎尾、配流阀等关键零部件的材料、热处理、加工工艺等方面的研究;蓄能器隔膜的寿命短;缺乏系统、完善的理论指导凿岩机的设计和生产。这些因素严重限制了我国液压凿岩机的发展。1.5 虚拟样机与运动仿真虚拟样机与运动仿真产品设计
