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1、1 前言冲击凿岩是破碎中硬以上岩石的主要工序，在采掘与开挖岩石工程中广泛应用。在冲击凿岩系统中， 凿岩机是完成能量转换的动力机构，钎杆是动力传递机构，钎头是破碎岩石的工作机构。 凿岩机输出的能量借助钎杆和钎头 （凿岩钎具）传递给岩石， 达到破碎岩石形成炮孔的目的。凿岩机的性能好坏是影响凿岩生产率和成本最关键的设备。液压凿岩机与气动凿岩机相比， 因具有节能、高效、作业条件好等显著优点，近十几年来，在国外得到迅速发展，在国内一些矿山也逐步扩大使用。液压凿岩机的理论研究在国内外都取得很大进展，但系统论述液压凿岩机的理论、设计和应用方面的书籍非常少。本次设计是针对液压凿岩机机构和液压系统设计，在设计中
2、选择合理的结构和液压系统会使液压凿岩机的工作性能有很大的改善，效率高等优点。参数：冲击功率： 5.5 kw 冲击频率： 50 Hz 回转速度： 350（r/min ）最大转矩： 175 N.m 冲击压力： 17 Mpa YM系列液压隔膜计量泵，最大流量hL4000，供油压力 25-32Mpa。XHM11-700摆线马达，理论排量682ml/r, 额定压力 25 Mpa，最高压力 35 Mpa，额定转矩 2667N.m,单位理论转矩114（N.m/ Mpa）, 最大功率 175Kw ，最高可连续转速 240r/min, 马达重量 94kg。完整的全套200 联系 QQ59978093 2 1绪论
3、液压凿岩机是以高压液体作动力的一种新型高效凿岩设备。它与气动凿岩机相比具有能量消耗少、凿岩速度快、效率高、噪音小、易于控制、卡钻事故少、钻具寿命长等许多有点，在近十几年获得了迅速发展。自 1861 年气动凿岩机开始应用以来，经过不断改进、完善，各类气动凿岩机在矿业开发和开挖工程中发挥了巨大的作用。但气动凿岩机是以压缩空气作为传递能量的介质，因此存在着两个根本性弱点：一是能耗大， 它的能量利用总效率只略高于 10% ；二是作业环境恶劣，噪声高、油雾大，特别是在地下作业，此问题更加突出。为了解决这些问题，人们一直在进行新的传递能量介质的探索。本世纪 20 年代，英国多尔曼在斯塔福德制成一台液压凿岩
4、机。由于当时工业水平还不高，液压技术也不够完善，故未能用于生产。60 年代国外出现了多种液压凿岩机专利，并有多家公司开始研制液压凿岩机。1970 年蒙塔贝特公司首先制成第一代可用于生产的野鸭凿岩机。随后，瑞典、英国、美国、德国、芬兰、奥地利、瑞士和日本等国陆续研制出各种型号的液压凿岩机投放市场。70 年代研制液压凿岩机的还有前苏联、波兰、南非和我国等。一经生产实践，就显示出了液压凿岩机的优越性。它与气动凿岩机相比，大幅度降低了能耗 （仅为同两级气动凿岩机的 1/3-1/4 ）；提高了纯钻孔速度一倍以上；改善了作业环境（噪音可降低10dB(A)-15dB(A), 无油雾）；主要零件寿命长，钎具消
5、耗少；为凿岩作业实现自动化创造了有利条件。70 年代初期，投放市场的野鸭凿岩机虽然显示出巨大优越性，但也暴露出设计中的种种缺陷，各公司都在改进、完善设计，并向系列化迈进。 80 年代是液压凿岩机迅速发展和成熟阶段。各国公司为了加强竞争，都加快了产品的更新换代，并向多品种方面发展，如1981 年市场上销售的约有 48个型号，到 1984年已有 71 个型号，至 1989年初已超过 100个型号。但有竞争能力的仅有12 家公司， 50 多个型号，销售量也大幅度增加了。液压凿岩机在发展趋势是： 增大冲击功率，以提高钻孔速度； 改进结构设计和钎具质量，提高钻孔经济性和精确性；深孔凿岩增设反冲装置，提高
6、成孔率；采用智能化控制等。为了提高劳动生产率和节能降耗、降低成本，采矿向深孔大直径发展，要求3 凿岩的深度和直径增大， 而液压凿岩机钻孔机深度超过35m后，钻孔精度不易保证，故 90年代又出现了水力潜孔冲击器，它是液压凿岩技术的新发展。我国从 70 年代初开始研制液压凿岩机。1973 年 11 月制出第一台样机。几经改进，定名为YYG-80型液压凿岩机，于1976 年 8 月装于 CGJ-2Y型全液压掘进钻车上，开始进行工业试验，1980 年 9 月通过部级鉴定。这是我国最早用于生产的第一台液压凿岩机，为芯阀式双面回油型。1975 年开始研制采矿型液压凿岩机， 1976年研制出第一台样机，经试
7、验后，又做改进设计，定名为TYYG-20型，1980 年配制凿岩台架和液压泵站，于1981 年进行工业试验， 1983 年通过部级鉴定。这是我国最早的套阀式后腔回油型液压凿岩机。1976 年开始研制芯阀式前腔回油型液压凿岩机，1977 年试制出样机，定名为FYYG-20型。经试验，改进为芯阀式后腔回油型YYG-250A 型液压凿岩机，1986年通过省级鉴定。 同时，70 年代以来还研制出YYG-65型液压凿岩机，经多次改进，定名为YYG-90型液压凿岩机。 80 年代又研制出 YYG-30和 YYT-30型手持式和支腿式液压凿岩机，芯阀式后腔回油型YYG-90A型液压凿岩机， CYY-20型液
8、压凿岩机， YYGJ-145型液压凿岩机。 80 年代中期我国又引进了4 种液压凿岩机制造技术。据不完全统计，我国已有 16 家工厂制造并鉴定了近30种各类轻、中、重型的液压凿岩机。属于引进技术的5 种，属于消化的 4 种，国内自行设计的近20种。完整的全套200 联系 QQ59978093 4 2液压凿岩机的基本机构液压凿岩机主要由冲击机构、回转机构、钎尾反弹吸收装置组成。2.1 冲击机构冲击机构是冲击作功的关键部件，它由缸体、活塞、换向阀、蓄能器等主要部件和导向与封闭装置等组成。在设计冲击机构前， 首先应根据各方面的制造水平和外购件的质量水平等情况，确定采用单面回油前腔常压油型，还是采用双
9、面回油型液压凿岩机。双面回油型的主要优点是：活塞形状最为合理，有利于提高活塞与钎具的寿命，增强破岩效果；排油时间长，回油管中峰值流量较小，减少了回油阻力和压力脉动；采用较高的压力油，供油流量较小，可使各方面的尺寸小一些。缺点是：阀和缸体结构复杂、工艺性差、要求加工精度高；回程制动阶段前腔可能有吸空现象；采用高压油需要加强密封。 故只有加工设备与技术等个方面能够保证，此方案才可行。前腔常压油型的优点是：结构简单、工艺性好、制造成本低、回程制动阶段无吸空现象。缺点是：活塞形状不如双面回油型好、排油时间较短、回油管中峰值流量大、回油阻力和压力波动较大（此缺点可用回油蓄能器来减少其影响）。以上分析可知
10、采用单面回油前腔常压油型较好。具体设计如下。2.1.1 活塞这是冲击机构的主体。 设计的已知参数是冲击能E=90J和冲击频率 f=50Hz,由用户或生产需要而定。 需要设定的参数是冲击末速度mv 和供油压力p。根据我国目前钎尾允许应力计算，mv 一般不大于10m/s, 国外也不大于12m/s。供油压力各厂家根据自己的情况， 选择是不同的。有的采用较高压力，这样容易在小流量下得到较高的冲击能，使机器、管路和泵等尺寸小些， 但对加工精度和密封要求高。有的采用较低压力，虽然供油流量大些，但加工与密封要求较低，维修性好。我国目前自己研制的液压凿岩机多选择较低压力，一般在（10-15）Mpa 。本5 次
11、设计中选用mv =9 m/s，P=14Mpa 。因为岩石的破碎是靠应力波传递的能量来完成的，故需研究入射波形对凿入效果的影响。 国内外学者在这方面进行了大量的研究，由于活塞的形状和撞击面接触条件不同，所产生的入射波形也各异。一般来说，细长的活塞，入射波幅低而作用时间长；短粗的活塞，入射波幅高而作用时间短。活塞形状与入射波的关系见图 2-1。图中所示的活塞重量基本相同，而活塞长度L 和活塞直径1d 不同，钎头直径2d 相同。根据理论分析和试验研究， 缓和的入射波形比陡起的有较高的凿入效率。因此，细长活塞比短粗活塞凿入效率要高。这也是液压凿岩机优于气动凿岩机的理论根据。图 2-1 活塞形状与入射波
12、形的关系Figure 2-1 piston shape and the relationship between the incident wave 完整的全套200 联系 QQ59978093 6 活塞是主要传递冲击能量的零件，由图 2-1 可知，其形状对传递能量的破岩效果有较大的影响。从波动力学理论可知，活塞直径越接近钎尾的直径越好，且在总长度上直径变化越小越好。 表 2-1 为气动和液压凿岩机两种活塞直径的效果比较。由图可知，活塞重量只差19% ，可是输出功率则相差一倍，而钎杆内的应力峰值则减少了20% 。只从这点出发，可知液压凿岩机的活塞断面变化越小，且细长，是最理想的活塞形状。具体设
13、计时应遵守以下原则： 1. 活塞应为细长形，并减少不必要的断面变化，以利于提高能量传递效率和提高钎具寿命；2. 活塞冲击头的面积应尽量与钎尾端部的面积相等或接近，并要有一定的锥部长度，以利于冲击波的传递； 3. 要保证活塞全程及超行程时不致损伤两端密封结构；4. 设计好防空打油垫尺寸及活塞各段的封油长度； 5. 一般货代与缸体的配合间隙为0.05-0.08 ；活塞与支承套的配表 2-1 两种活塞直径效果的比较Table 2-1 Piston diameter, the effect of two types of Comparative 项目气动活塞液压活塞差值百分比 活塞重量 /kg 冲击末
14、速度 /(m/s) 冲击能 /N.m 冲击频率 /bpm 输出功率 /kw 钎杆中的应力峰值 /Mpa 7.9 9.8 379 1648 10 344 9.4 10.0 470 2600 20 278 +19% - +24% +58% +100% -20% 合间隙为 0.03-0.05.在加工质量和过滤精度能保证的情况下，间隙可选小一些。7 根据以上原则本次设计的活塞形状如图2-2；图 2-2 活塞 Figure 2-2 Pistons 2.1.2 活塞行程调节装置为了适应钻凿不同性质的岩石，许多液压凿岩机的性能参数都是可以调节的。现在主要应用活塞行程调节装置来改变活塞的行程，以得到不同的冲击
15、能和冲击频率。 这样一台液压凿岩机可适应多种情况的岩石，大大提高了液压凿岩机的使用范围。各型液压凿岩机的行程调节装置的具体结构是不同的，但原理基本上是一样的。行程调节装置的工作原理见图2-3。在行程调节杆上沿轴向铣有3 个长度不等的油槽，沿圆周它们互差120 度。当调节杆处于图2-3b 所示位置时，反馈孔A通过油道与配留阀阀芯的左端面相通，一旦活塞回程左凸肩越过反馈孔A，活塞前腔高压油就通过阀芯的左端面，同时，活塞右侧封油面也刚好封闭了阀芯右端面与高压油相通的油道， 并使其与系统的回油相通， 这样阀芯在左端面高压油的作用下，迅速由左位移到右位，于是活塞前腔与回油相通， 而后腔与高压油相通， 活
16、塞由回程加速度转为回程制动。 由于反馈孔 A是三个反馈孔最左端的一个，所以这种情况下活塞运动的行程最短，输出冲击能最小而频率最高。 当调节杆处于图 2-3c 所示位置时，反馈孔A被封闭，活塞行程越过反馈孔A并不能将系统完整的全套200 联系 QQ59978093 8 的高压油引到阀芯左端面，因而不会引起换向阀换向，只有当活塞越过反馈孔B时，阀芯左端面才与高压油相通，使阀芯换向，动作同前。此时活塞行程较前者为长，因此冲击能较高而频率则较低。当调节杆处于图2-3d 所示的位置时，反馈孔 A和 B都被封闭，只有当活塞回程越过反馈孔C时才能引起阀芯换向。 在这种情况下，活塞行程最长，冲击能最大，冲击频率最低。1-调节杆 2-缸体 3- 活塞 4- 阀芯 5- 蓄能器图 2-3 液压凿岩机行程调节原理Figure 2-3 The principle of Hydraulic rock drill stroke adjustment 9 2.1.3 活塞轴向推力的计算表 2-2 液压凿岩机参数Table 2
