（机械制造及其自动化专业论文）高水基支腿式液压凿岩机的研究.pdf

中北大学学位论文 高水基支腿式液压凿岩机的研究 摘要 我国是世界采矿大国，气动或液压凿岩机是传统的凿岩方式。但由于气动凿岩机振 动大、噪声高、油雾污染严重、能耗大等问题，已面临着被淘汰的趋势；液压凿岩机虽 然高效但也存在着废油排放和环境污染等问题，这就使得人们迫切想寻找一种更为绿色 化的凿岩工具。高水基液压凿岩机是以清洁的水源作为动力，同时有具备了高效、节能、 清洁等一系列的特点，因此本课题的研究具有重要的意义。 本论文首先对高水基支腿式液压凿岩机进行了总体设计。高水基支腿式液压凿岩机 包括机头部分、冲击机构和支腿部分等三大部分，其中冲击机构是将高压液体产生的压 力能转换为冲击破碎岩石所需的高频冲击能的机构，是高水基液压凿岩机的核心部分。 高水基支腿式液压凿岩机冲击机构的运动规律比较复杂，很难用数学模型精确描 述。本文根据不同的假设条件，提出了描述冲击机构的三种数学模型。根据冲击活塞运 动的三段分析法导出了用抽象设计变量口表示的运动学参数表达式，并以此为依据，研 究了冲击机构各个组成部分的设计方法。通过用v b 语言编制的仿真程序，深入地研究 了冲击机构部分工作参数对凿岩机工作性能的影响，并对仿真结果进行了分析，从中得 出了一些有关冲击机构运动的规律性认识。 关键词：高水基，凿岩机，冲击机构，动态仿真 中北大学学位论文 a b s t r a c t c h i n ai st h el a r g e s tm i n i n gc o u n t r yi nt h ew o r l d ，a n dp n e u m a t i co rh y d r a u l i cr o c kd r i l li s at r a d i t i o n a lw a yo fr o c kd r i l l i n g h o w e v e r , d u et ov i b r a t i o n ，h i g h - n o i s ea n df u e l a i rp o l l u t i o n a n ds oo n ，p n e u m a t i cr o c kd r i l lh a sb e e nf a c e dw i t ht h et r e n do fb e i n ge l i m i n a t e d a l t h o u g h h y d r a u l i cr o c kd r i l li sh i g h l ye f f i c i e n t ，t h eq u e s t i o n so ft h ee x i s t e n c eo fh y d r a u l i cr o c kd r i l l a r ee m i s s i o n so fw a s t eo i la n de n v i r o n m e n tp o l l u t i o n , w h i c hm a k e si tu r g e n tt of i n dag r e e n e r r o c k d r i l l i n gt 0 0 1 h y d r a u l i cr o c kd r i l lb a s e dh i g hw a t e ru s e sd e a nw a t e r 懿t h ed r i v i n gf o r c e a tt h es a n l et i m ei th a sas e r i e so ft h ec h a r a c t e r i s t i c s ，s u c ha sh i g he f f i c i e n c y , e n e r g y c o n s e r v a t i o n ，c l e a n i n g s ot h er e s e a r c ho ft h i st o p i ci so fg r e a ts i g n i f i c a n c e t h eh i l g h w a t e r - b a s e dh y d r a u l i cr o c kd r i l l ，w h i c hi n c l u d et h ep a r to fh e a d ，t h ei m p a c t o r a n dt h el e g ，i sd e s i g n e di nt h i sp a p e r a n dt h ei m p a c t o ro ft h eh i g h w a t e r - b a s e dh y d r a u l i c r o c kd r i l lw a st h ec o r ec o n t e n to ft h es t u d y i ti sam e c h a n i s mw h i c ht r a n s f o r m st h ep r e s s u r e e n e r g yp r o d u c e db yh i g h - p r e s s u r el i q u i dt ot h ei m p a c te n e r g yw i t hh i g h - f r e q u e n c y , w h i c hi s r e q u i r e dt ob r e a kr o c k a n di ti st h ec o r eo ft h eh i g h - w a t e r - b a s e dh y d r a u l i cr o c kd r i l l t h em o t i o nl a wo fi m p a c tm e c h a n i s mi nh i g h - w a t e r - b a s e dh y d r a u l i cr o c kd r i l li sv e r y c o m p l i c a t e d ，w h i c hi sv e r yd i f f i c u l tt ob ed e s c r i b e dw i t hap r e c i s em a t h e m a i c a lm o d e l a c c o r d i n gt od i f f e r e n th y p o t h e s i sc o n d i t i o n s ，t h r e es o r t so fm a t h e m a t i c a lm o d e l sa l ep u t f o r w a r dt od e s c i b et h em o t i o nl a wo ft h eh i 曲- w a t e r - b a s e dh y d r a u l i ci m p a c tm e c h a n i s m a s e r i e so ff o r m u l a e , w h i c hd e n o t et h ek i n e m a t i cp a r a m e t e r sw i t ht h ea b s t r a c td e s i g nv a r i a b l e 口，a r ed e r i v e da c c o r d i n gt ot h et h r e e - s t a g e da n a l y s i sm e t h o do ft h ep i s t o nm o t i o n b a s eo ni t , t h ed e s i g nm e t h o da b o u tt h eh i g h w a t e r - b a s e dh y d r a u l i c i m p a c tm e c h a m i s mi ss t u d i e d s y s t e m a t i c a l l y t h ed y n a m i c a ls i m u l a t i o no ft h eh y d r a u l i ci m p a c tm e c h a m i s mi sp e r f o r m e d w i t hs o f t w a r ew h i c hi sp r o g r a m m e dw i t hv i s u a lb a s i c t h ei n f l u e n c eo ft h em e c h a n i s m s p a r t i a lp a r a m e t e r st oi t sw o r k i n gp e r f o r m a n c ei ss t u d i e dt h o r o u g h l y , a n ds o m er e g u l a r i t y a b o u tt h em e c h a n i s mm o t i o ni sf o u n do u ta f t e ra n a l y z i n gt h es i m u l a t i v er e s u l t s k e yw o r d s ：h i g hw a t e rb a s e d ，r o c kd r i l l ，i m p a c t o r ，d y n a m i c a ls i m u l a t i o n i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名： 熟旦盛筚 e ti ： 兰翌：量兰 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解中北大学有关保管、使用学位论文的规定，其中包括： 学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可 以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学 位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位 论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内容( 保密学位论文在解密 后遵守此规定) 。 签 名：迷塑焦 日期： 兰里旦：! ：三兰 导师签名： 中北大学学位论文 1 1 前言 1 绪论 采矿工业是全球经济发展的支柱，我国是世界采矿大国之一，金属矿石产量居世界 前首。目前我国已发现矿种1 7 1 个，可分为能源矿产( 如煤、石油、地热) 、金属矿产( 如 铁、锰、铜) 、非金属矿产( 如金刚石、石灰岩、粘土) 和水气矿产( 如地下水、矿泉水、 二氧化碳气) 四大类，其中地下矿山占有较大比例。以金属矿山为例，按矿石产量所占 比例为：有色金属9 0 ；黄金8 5 ；核工业及化工原料6 0 ：铁矿1 0 n 1 。随着露天开采 深度的增加，将由露天开采转为地下开采的矿山也逐渐增加，地下矿山开采的比例有继 续增长的趋势。采矿工业的进步主要取决于采矿装备的发展。新中国成立以来，通过几 个五年计划对重大采矿装备的技术攻关和对国外先进技术装备的引进消化，我国采矿装 备得到了很大发展，具备了一定的规模和水准，我国已能制造各种主要采矿设备，可成 套装备年产1 0 0 0 万吨露天矿及1 0 0 万吨地下矿。近年来，随着西部大开发进程的不断 推进，在发展矿业、修筑铁路、水电建设等地下岩土工程中也要掘进大量隧道、涵洞和 地下工程。这些矿山隧道的掘进和洞室的开挖，在相当长的时期内仍以钻爆法施工为主， 它是目前最经济有效的方法乜1 。因此，地下凿岩设备在矿山生产建设、隧道施工中占有 重要地位。但是，凿岩设备仍大量使用气动凿岩机和部分液压凿岩机，凿岩台车多为人 工操纵，已不适应生产建设发展的需要。发达国家的地下凿岩设备已基本淘汰了气动凿 岩机，在普遍使用液压凿岩机和凿岩台车的基础上，目前正在向着智能化、绿色化的方 向发展1 。 1 2 凿岩机的发展历程及现状 1 2 1 凿岩机的发展历程 自1 8 4 4 年第一台气动凿岩机研制成功并试用于隧道工程算起，凿岩机至今已近1 6 0 年的历史，是地下矿山传统的凿岩设备h 3 。随着科学技术的不断进步与发展，1 8 8 7 年制 中北大学学位论文 造出了第一台轻型气动凿岩机，1 9 3 8 年发明了气腿式凿岩机和碳化钨钎头。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。2 0 世纪6 0 年代初开发了独 立回转凿岩机，随后又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，人们注意到随着孔深的增加，深孔凿岩接杆钎具连接处的能量损失较大，因此提出 了将凿岩机送入孔底的设想，继而发明了潜孔冲击器。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等缺点，于是在上世纪7 0 年代初，液压凿岩机开始投 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到实际生产工作中使用啼1 。 1 2 2 国内外的发展现状 1 2 2 1 液压凿岩机 目前我国大部分矿山仍在使用气动凿岩机。虽然气动凿岩机在结构性能上不断地改 进，产品不断地更新换代，凿岩速度不断地提高，但受能源、结构上的限制，致使气动 凿岩效率低，能耗大，噪声、粉尘污染严重等问题始终难以解决。目前在一些发达国家 已不再使用气动凿岩机，取而代之的是液压凿岩设备。随着液压控制系统的不断完善及 其性能参数的进一步优化，液压凿岩机的自动化水平也在不断地提高。在发展重型液压 凿岩机械的同时，国内外的众多企业也在努力研制开发轻型支腿式液压凿岩机，如芬兰 t a m r o c k 公司的h h 5 0 、英国b o a r t 公司的h s 3 0 0 。中国浙江乐清采矿机械厂在北京科技 大学的协助下研制成功y y t 2 6 c 型液压支腿式凿岩机，它由液压泵站、液压凿岩机和液 压支腿组成，具有冲击、回转和推进三大功能，可同步自动协调，克服了液压支腿的刚 性，实现了柔性推进。y y t 2 6 c 型液压支腿式凿岩机操纵简单省力、噪声低、无油雾，很 好地改善了作业环境，到目前已完成各种隧道掘进长度累计达5 0 0 0 米之多，使用效果 显著1 。由于液压凿岩机具有输出功率大、钻孔速度快、能量消耗低、零件和钎具寿命 长、凿孔精度高、液压控制完善等优点，因此液压凿岩机的研制开发成功和推广应用是 地下凿岩设备发展史上一个重要的技术突破，但也存在一定的问题，诸如废油排放、环 境污染、泄漏和清洁、易燃和安全、资源枯竭和成本等，这些都将困扰液压凿岩机的进 一步发展口3 。 2 中北大学学位论文 1 2 2 2 水压凿岩机 水压凿岩机的核心部件是水压冲击机构。类似于水压冲击机构的水下作业工具( 如 冲击破碎锤等) 的研究工作最早始于美国与英国的海军部门。1 9 9 1 年美国海军土木工程 实验室研制成功了水压冲击钻和圆盘锯，组成水下作业工具系统，交付海军工程队使用。 英国海军工程部门与研究单位合作也于2 0 世纪9 0 年代初研制成类似的水下作业工具阳1 ， 但文献中只见到简单的报道，实际使用效果如何不得而知。南非矿山联合会研究中心 ( c o m r 0 ) n 2 0 世纪7 0 年代后期开始致力于高压水( 乳化液) 驱动的凿岩机及其它采矿装 备。1 9 8 8 年i n g e r s o l l 公司南非分公司研制出了w f - 0 3 5 型水基凿岩机，使用9 8 的水和 2 的添加剂，工作压力为1 4 - 1 8 m p a ，冲击部分输出功率为3 5 一- - 6 k w ，在南t k l 0 0 f 矿使用，取得了很好的效果。每米炮孔能耗只有气动凿岩机1 2 0 ( 利用深井自然水压差) ， 凿岩速度为气动凿岩机的2 倍。为克服乳化液中添加剂二次污染环境、使用成本增加的 缺点，1 9 9 2 年南非又开发了两种纯水压凿岩机，取得了和水基凿岩机相似的钻进效率一1 。 加拿大采矿研究与开发协会( c a n m e t ) 矿山实验室将南非生产的水压凿岩机与3 种型号 的气动凿岩机进行了对比试验，在工作压力为1 5 m p a ，冲击频率为5 0 - - - 6 0 h z ，耗水量 为4 2 - - - 5 4 l m i n 条件下，平均凿速为7 2 8 m m m i n ，比气动凿岩机提高1 0 1 5 ，而噪 声比气动凿岩机能1 3 d b ( a ) n 们，对比试验结果见表1 1 和表1 2 。后来加拿大对南非生 产的凿岩机进行了改进，并使循环水量达到总水量的8 0 ，配置5 lk 形电机的动力泵站 驱动2 台凿岩机。试验表明凿速提高5 0 ，噪声降低值为2 0 d b ( a ) ，振动、粉尘、油雾都 比气动凿岩机大为降低，能耗仅相当于同类规格气动凿岩机的1 4 。但近几年的研究进 展及关键技术解决方案、推广使用情况等未见报道。 表1 1不同类型凿岩机对比试验结果 总进尺 供给压力m p a钻进速度( t i m m m 一1 ) 凿岩机 实际 m 实际值推荐值按推荐压力的评估值 值 水力型4 6 1 1 51 57 2 8 气动型a 4 9 90 5 40 6 26 5 5 8 4 2 气动型b 4 9 50 5 2o 6 26 7 49 3 3 气动型c 2 5 20 5 2o 6 25 8 98 1 5 3 中北大学学位论文 表1 2不同类型凿岩机噪声比较 凿岩机噪声水平d b ( a )水平振动( m s - 2 )油雾( m l m _ 1 ) 气动型a1 2 8 53 33 6 气动型b 1 2 5 1 3 15 2 气动型c1 2 2 38 6 水力型 1 0 3 82 0o 近年来我国也相继开展了水压凿岩机的研究，中国地质大学( 北京) 于2 0 世纪9 0 年代 初研制了无阀式水压凿岩机原理机。在0 3 一- 1 4 m p a 工作压力，5 - - 一l o l m i n 流量范围 内进行了试验，测得冲击频率为3 3 3 - - - 2 5 h z ，振幅为5 - - 7 m m 。湘潭凿岩设备研究所于 2 0 世纪9 0 年代前期开始研制支腿式水压凿岩机，1 9 9 3 年试制成功了2 台型号为y s t 2 3 的样 机，机重2 3 5 k g 。1 9 9 3 年、1 9 9 4 年分别在湖南涟邵矿务局斗笠山煤矿的2 个工区进行试 用，试验过程取得了一些成绩与经验，充分验证了水压凿岩机工作原理的可行性，但仍 然存在许多问题。 1 2 2 3 凿岩台车 1 9 7 0 年，在液压凿岩机出现的同时，液压凿岩台车也就诞生了。它不仅提高了凿岩 速度，减轻了工人劳动强度，改善了工作环境，同时也为凿岩自动化控制奠定了基础。 1 9 8 0 年，第一台自动化凿岩台车凿岩速度为1 8 0 m h ；1 9 9 0 年，第二代全液压自动化 凿岩台车凿岩速度提高到2 5 0 m h ；到了1 9 9 4 年出现的智能化凿岩台车( 凿岩机器人) 的凿岩速度为3 0 0 m h 。凿岩机器人除了凿岩速度提高外，其工作钻臂按最短移动路线 变换孔位，时间只有l o 一- - 3 0 s ，同时减少了钎头、钎杆的磨损，确保了巷道断面质量， 超挖和欠挖量控制在5 以内，大大提高了人员和设备的安全，改善了操作人员的作业条 件。尽管液压凿岩台车具备一定程度的自动化( 诸如自动停机、自动返回以及钻臂自动 调平等) ，但其凿岩效率受操作人员技术熟练程度的影响可相差很大；另外难以控制如 孔数、孔位、掏槽和单位装药量等影响巷道最终轮廓尺寸和循环进尺的有关因素n 。 1 2 2 4 凿岩机器人 随着液压控制和微电子技术的发展，凿岩循环已经实现了自动化、智能化。智能化 凿岩台车被称为凿岩机器人，机器人的优势在于它能完成常人不能从事的工作，工作效 率和质量高，因此备受人们的青睐。地下凿岩设备机器人化是给液压凿岩台车引入机器 4 中北大学学位论文 人控制技术，具有自动开孔、自动定位与移位以及实现遥控操作等功能，使其控制能力、 工作适应能力以及整体性能得到进一步提高。目前已先后有挪威、日本、法国、美国、 英国、瑞典、芬兰和中国等一些国家竞相研制和开发，并已推广应用n 引3 1 。凿岩机器人 大多装备两级分布式计算机管理和控制系统，可完全离线编制炮孔布置程序、编制炮孔 凿岩顺序表。其信息可存储、打印及传输到钻臂控制系统以保证钻臂定位和控制凿岩参 数优化，准确控制炮孔布置及炮孔精度。其显示器可显示钻臂方向、炮孔布置状况、凿 岩速度等运行参数，有部分凿岩机器人可实现地面的遥控操作n2 1 3 1 。 中国中南工业大学于1 9 8 6 年开展了再现式凿岩机器人的实验室研究工作n 钔，现已 列入国家“8 6 3 计划。凿岩机器人的控制部分包括钻臂定位控制和凿岩过程控制两部 分。前者采用三角钻臂，它由一对支臂缸和一个俯仰缸组成钻臂变幅机构和平移机构。 凿岩过程控制是指一个炮孔从开始到钻凿完毕的整个凿岩过程控制，包括轻推、轻冲击、 自动开孔、重推、重冲击、自动凿岩、自动防卡钎，推进到位自动停止冲击并返回，返 回到位自动停退及凿岩过程自寻优化等一整套过程控制，以达到凿岩速度或效率的最大 化。2 0 0 0 年，在建立凿岩机器人运动学及动力学模型、孔序规划、车体控制的基础上完 成了本体和s u n w a r d 控制系统的整机调试，现已进入实用化、产业化的开发阶段n 引。 哈尔滨工业大学和中国矿业大学研制的机器人钻机是以m y z 2 1 5 0 型手动液压钻机 为基础，增设了自动钻杆箱、自动装卸钻杆机构，并配以液压自动系统，计算机控制系 统、工业电视监视系统和各种功能传感器实现远程控制钻进工作，已在淮北矿务局井下 煤矿试用，解决了钻孔操作人员安全，实现远程自动控制钻孔，提高了钻孔效率，降低 了钻孔成本。北京科技大学凿岩机器人研究也取得了较快的进展，已完成了钻孔过程计 算机控制寻优的实验室研究。我国凿岩机器人的高技术产品预计不久将会在地下矿山和 隧道工程中应用。 1 3 课题研究的意义 1 3 1 开展高水基液压凿岩机研究的意义 气动凿岩机已有1 5 0 多年的发展与应用历史，但除机具结构、材质及其它一些改进 5 中北大学学位论文 外，能量利用率一直得不到实质性提高，振动大、噪声高、油雾污染严重、能耗大等问 题也始终无法解决。2 0 世纪7 0 年代投入市场的液压凿岩机以中、高压液压油作为能量 传递介质，设备输出功率大、破岩效率高、能耗低、寿命长、工作环境好、易于自动控 制，在世界范围内获得了迅速推广普及，然而由于机型重、推力大，必须安放在相应的 液压钻车上才能发挥其效率，因此，液压凿岩机主要应用于大断面的巷( 隧) 道掘进中。 其次，液压凿岩机及台车造价高、使用成本高，也限制了它在发展中国家矿业开采中的 应用。另外传统的气动式凿岩机对矿工健康( 耳聋、手发颤) 危害大，且凿岩成本高，影 响矿山经济效益，已不适应地下矿山生产建设和环境保护的要求，因此针对地下凿岩设 备绿色产品的开发与研究既是矿山产业发展的当务之急，也是国家建设节约型社会的必 由之路。 绿色制造是一个综合考虑了环境影响和资源消耗的现代制造模式，它是以节约能 源、合理利用资源、减少环境污染、适合人类生存和环境保护为主的各种现代技术的集 成n 町。其目标是使得产品从设计、制造、包装、运输、使用到报废处理的整个生命周期 中，对环境的负面影响最小，资源利用率最高，并使企业经济效益和社会效益协调优化。 绿色制造实质上是人类社会可持续发展战略在现代制造业中的体现n7 1 。 地下凿岩设备的绿色产品是从产品设计、制造、使用和回收各阶段应用现代绿色技 术，最大限度地采用廉价、清洁能源，合理利用资源，减少环境污染和废弃物的产生， 设备功能与外观造型相结合，使造型美观，色彩和谐悦目，营造绿色环境。随着人们对 资源和环境认识的提高，绿色化已成为技术进步和发展的潮流。绿色产品是2 1 世纪发 展的必然趋势，也是我国矿山实施可持续发展战略的最佳途径。尤其是大力发展效率高、 能耗低、环保好、移动方便的支腿式高水基液压凿岩机，会给我国地下矿山的开采带来 巨大的经济效益和社会效益。 6 中北大学学位论文 表1 3高水基支腿式液压凿岩机与国外其他凿岩机技术参数对比n 7 1 机重冲击功冲击频率钎杆转速最大扭矩冲击压力钎杆 机型 k g 率k wh zr m i nn m m p a 规格 高水基支腿 式凿岩机 2 3 533 5 5 0o 3 0 05 01 2h 2 2 c o p l 0 2 2 h d 5 15 55 0o 3 0 01 2 01 4h 2 2 1 1 5 r 2 8 r 3 h y d 3 5 01 4 03 3 6 0o 3 0 03 6 0 5 5 01 6 2 0 2 18 r d 5 0 03 358 30 3 0 06 51 7 2 2 5 2 8 h h 5 0 2 726 32 0 0 3 0 05 01 0 1 21 9 2 2 h e l l 93 936 40 3 0 07 01 0 1 21 9 h l 3 0 09 685 0o 3 0 02 4 51 0 - 一1 62 8 3 2 t 3 8 t 4 x 2 l f 1 6 61 5 2 l 5 3 5 91 3 5 2 4 03 9 0 4 7 01 4 , - - - 1 7 5 5 3 8 4 5 h l 6 0 01 8 0 1 7 55 30 2 0 09 6 0 1 0 1 7 5 l 1 3 2 高水基支腿式液压凿岩机的优点n 7 1 ( 1 ) 可利用矿井下的水位落差，减小水泵的功率，或完全利用自然水头。 ( 2 ) 凿岩速度快，较气动凿岩机凿岩速度提高1 5 - 6 0 。 ( 3 ) 消除油的泄漏污染，环境好。 ( 4 ) 消除油的火灾隐患，阻燃、安全性能好。 ( 5 ) 水介质的价格便宜。 ( 6 ) 传动介质与冲洗介质统一，简化了设备。 ( 7 ) 冲洗水压高，炮孔冲洗干净。 ( 8 ) 能减少重复破碎与钎具之间的磨损。 ( 9 ) 消除了油雾，噪声比气动凿岩机低1 9 2 5 d b ( a ) ，降低了振动，有利于工人健康。 ( 1 0 ) 水的粘度小，远距离传送的损失小，水的流速可以比油的流速大。 7 中北大学学位论文 1 3 3 高水基支腿式液压凿岩机的缺点 ( 1 ) 水对机器零件有锈蚀作用。 ( 2 ) 水易滋长微生物，容易产生水垢，气温低时又容易结冰。 ( 3 ) 水的润滑性能差，润滑膜厚度只有油的1 2 0 1 3 ，粘压系数为0 7 5 g p a ，只有 液压油的1 3 0 ，运动部件很容易磨损。 ( 4 ) 泄漏量大，在5 0 时水的运动粘度为0 5 6 咖2 s ，约为液压油的l 1 2 0 1 3 0 ， 在同等压力、同等间隙量的情况下，水的泄漏量是油的3 0 - 1 2 0 倍。 ( 5 ) 水的饱和蒸汽压高于油，更容易产生气蚀，天然水的汽化压力在5 0 时为 0 0 1 2 m p a ，比液压油高1 0 7 倍。 ( 6 ) 水的弹性模量为2 4 g p a ，是液压油的1 5 2 4 倍，密度为l 1 0 2 5 9 c m 3 ，比 液压油高出1 0 1 5 ，水中声速为1 5 5 0 m s ，比油高1 0 ，更容易产生水锤现 象与冲蚀问题。 8 中北大学学位论文 2 1 冲击凿岩原理 2 冲击凿岩理论基础 冲击力有别于静力，其明显的特征是：在很短的时间内其作用力会发生急剧的变化。 物体在急剧变化的载荷作用下，它的应变就不是整体均匀的应变，支点的运动也不是整 体一致的速度。应变和速度都有一个传播过程，因此就需要用波动理论来研究其能量的 传递。钎杆( 钎尾) 端部受到活塞的冲击时，该处的压力突然升高，与周围介质间产生 压力差，导致周围介质质点微动，处于微动质点微团的前进，又进一步把能量传递给后 面的质点微团，并使后者变形，由近及远，不断扩展，这种扰动的传播现象就是应力波。 固体中的应立波通常分为纵波和横波两大类。钎杆内压力波的传播属于纵波，它包括压 缩波( 压应力波) 和拉伸波( 拉应力波) 。钎杆端部受到冲击后，它以压应力波( 称入 射波) 的形式向钎头方向传播。当压应力波达到钎头与炮眼底部的接触表面时，将随着 接触面状况出现不同的过程。如钎头和眼底间在应力波达到时没有接触，压应力波将全 部从钎头端面反射回来( 称为自由端反射) ，并以拉应力波形式迅速向钎尾方向返回。 当它返抵钎尾端面时，又反射成为第二次入射的压应力波。如果界面情况不变，这种压 缩拉伸的交替将继续下去，将能量完全消耗在钎杆的波阻上，钎杆承受这种反复载 荷而疲劳断裂，活塞的能量也不能传给岩石。如果钎头与眼底之间在压力波达到时已接 触良好，那么首次压应力波在到达钎头端面时，仅有一部分作为拉应力波反射回去：另 一部分则以压应力波形式进入岩石，使凿入区的应力状态迅速提高，完成钎头进入岩石 的过程n 引。 2 2 入射波形对凿入效果的影响 因为岩石的破碎是靠应力波传递的能力来完成的，故需要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，所以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； 9 中北大学学位论文 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 活塞总量基本相同，而活塞长度l 和活塞的直径盔不同，钎头直径畋相同。 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。这也就是液压凿岩机优于气动凿岩机的理论根据。 活塞形状入射波形lmd l 哪 d 2 咖 造 专目q 腿 一一一 口c r - - - l 口一 2 3 轴向推力的计算 图2 1活塞形状与入射波形的关系n 9 1 3 2 53 0 2 5 1 8 54 02 5 由凿岩原理可知，为了取得极高的凿入效率，钎头必须与孔底岩石有良好的接触。 因此，必须对凿岩机施加轴向推力。钻孔时，如推力过大，势必压迫钎杆使它转动困难， 这既增加了回转阻力，又增加了钎头的磨损；推力过小，则钎头跳离眼底，凿碎效率就 低。因此，国内外许多学者对最优轴向推力问题进行过许多研究。图2 2 是用高速摄影 机揭示的活塞、机体和钎具三者运动的轨迹。 1 0 中北大学学位论文 y 势参参毒7 童围 y - - 活塞冲击钎尾 m - - 机体撞击钎肩7 7 一钎刃凿入岩石 图2 2凿岩时机体、活塞、钎具的相关运动轨迹 由图2 2 可知，随着活塞的运动，机体和钎具都在运动，为使活塞冲程时，钎头始 终与岩石接触，应用动量定理可得最小轴向推力f ( n ) ： ，：型业些 ( 式2 1 ) 乙 式中：m 活塞质量( k g ) ； 活塞冲程最大速度( m s ) ； 占反弹系数； m 机体质量( k g ) ； 吃钎具一次冲击的前进末速度( m s ) ； 乃活塞冲程时间( s ) 。 最优轴向推力( ) 还应包括克服摩擦力f f ( n ) 和凿岩机自重力等。 = ，+ v f _ + g s i n a ( 式2 2 ) 式中：g 凿岩机自重力( n ) ； 口炮孔倾角，向上倾斜取正值，向下倾斜取负值。 式( 1 ) 中屹、s 是与岩石性质、活塞形状、钎头结构等多种因素相关，故不宜确 定，最容易确定的是凿岩机的冲击频率厂( f = i t ，t v = q z ，q 运动学特征系数， 中北大学学位论文 丁活塞运动一个周期的时间) 和聊( ：堡，形凿岩机的冲击能) ，故一 ym 般可将式( 2 ) 写为2 ： f = 磁厂2 砌 ( 式2 3 ) 式中： 凿岩机冲击频率( h z ) 5 形凿岩机的冲击能( j ) ； 硌计算最优轴向推力的修正系数。 2 4 凿岩过程参数对凿岩速度的影响 影响凿岩机纯凿岩速度的因素很多，如岩石性质、钎头形状与直径、炮孔深度、冲 击能、冲击频率、回转速度、轴推力、冲洗水量大小等。但从凿岩机设计和现场使用的 角度看，最主要的还是冲击能、冲击频率、回转速度和轴推力。北京科技大学曾做过三 因素三水平的正交试验，三个因素选择的是冲击功率( 冲击能冲击频率) 、回转速度 和轴推力。每个因素各选三个水平。分别在花岗岩( 凿碎比功为4 0 2 , c m 3 ，硬度为 级) 和矽化石灰岩( 凿碎比功为5 8 8 j c m 3 ，硬度为级) 上做凿岩试验乜。 试验结果表明：冲击功率增大总能使凿岩速度增加( 只是增长率不同) ；推进力是 有最佳值的，过大过小都不利；回转速度在定范围内影响不明显，或影响较小；但推 进力与回转速度的交互作用对凿岩速度有一定影响。从测试的有关数据计算中可以看 出，推进力只起到克服各种反力和摩擦力使钎头在冲击时与孔底保持良好的接触作用 ( 包括使机体随钎头前进) ，并不起扭切破岩作用。应根据不同岩石调节推进力大小， 以使其达到最佳值，并注意与回转速度的配合。 2 5 高水基液压应用基础理论 高水基液压技术应用基础知识至少应包含三个方面的内容，如图2 3 所示： 1 2 中北大学学位论文 2 5 1 基本原理 图2 3高水基液压技术应用基础知识 液压技术主要是利用液体的静压能实现能的转换、传递和控制，属静液传动或容积 式传动，介质在元件和系统中的行为规律遵循流体力学的基本规律。p a s c a l 原理是液压 技术的一个基石，同样适用于高水基液压技术事实上。因此，高水基液压技术遵循液压 技术的基本原理，包括p a s c a l 原理、流连续性方程和能守恒定律等等，其元件、系统 及传动控制方式在总体上( 或原理上) 应该与油压的相同或相似，这在一定程度上能够减 少高水基液压元件及系统研发的工作量，缩短现代高水基液压技术的研发应用进程。 2 5 2 基础技术 尽管是基本原理一致，但现在普遍使用的基于液压油的液压元件不能直接或改进后 用于天然水，这已成为定论。其原因是在理化特性上高水基液体与液压油存在着巨大差 异，主要表现在胁1 ：天然水中含有许多腐蚀因子，腐蚀性强。2 5 c 时，淡水的电导率 约为1 o x1 0 3q c m ，海水的为5 3 1 0 之倍。天然水的粘度低。5 0 c 时，其运动粘度 约为0 5 6 r a m 2 s ，只有典型液压油的l 1 2 0 1 3 0 。天然水汽化压力高。5 0 c 时，其 汽化压力为0 0 1 2 m p a ，比液压油的高出约1 0 7 倍。另外，天然水常温下的粘压系数为 0 7 5 g p a ，只有液压油的约1 3 0 ；弹性模约为2 4 g p a ，是液压油1 5 2 4 倍；密度为 1 1 0 2 5 9 c m 3 ， 比液压油的高出约1 0 ；水中的声速约为1 5 5 0 m s ，比液压油中的 1 3 中北大学学位论文 高出约1 0 。因此，作为液压介质，它将使液压元件及系统面临一系列技术难题，如： 引起材料化学和电化学腐蚀、微生物腐蚀等，并大大降低材料强度；使润滑膜厚度 大为减小，引起边界控制或干摩擦，导致严重的粘着磨损、疲劳磨损、磨粒磨损及腐蚀 磨损；导致高速水流，引起冲蚀磨损；使元件内部泄漏损失大大增加；产生严重 气蚀；产生水击，引起严重振动和噪声等等。所以，必须重新研制与高水基液体相适 应的水液压元件和系统。水液压技术的基础技术研究应有很强的针对性，必须有效解决 上述一系列技术难题，以便为高水基液压元件及系统的研发提供强有力的基础技术支 撑。 图2 4 2 a 分析出了高水基液压技术赖以发展的三大关键基础技术，包括材料、设计 和加工制造等。 图2 4 高水基液压传动关键基础技术分析 材料几乎涉及到所有需要解决的技术难题，特别是腐蚀、摩擦磨损、泄漏、气蚀、 冲蚀等关键技术难题，因此使用合适的材料是研发出高性能水基液压元件及系统的先决 条件。选用材料应遵循的原则是：耐水腐蚀，包括化学及电化学腐蚀；具有良好的 自润滑性能，在高速重载工况下摩擦磨损性能良好，即磨损率低、摩擦系数小，并具有 1 4 中北大学学位论文 良好的抗粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损及疲劳磨损性能；良好的机械性能及腐蚀疲 劳特性；良好的抗冲蚀磨损、气蚀性能；热温定性好；热膨胀系数小、吸水率低， 尺寸稳定性好；成型、加工工艺性良好；无毒；容易购买且费用合适等。目前， 可供选用的材料主要有耐蚀合金、工程陶瓷、高分子复合材料及表面工程材料等四大类， 必须结合具体的应用场合、受力状况、运动条件、结构型式、偶件条件、润油状况以及 工程背景等来选择材料。工程背景主要要考虑费用、设计和加工制造的难度等，要有工 程化前景。现代材料科学的发展日新月异，工程陶瓷和高分子复合材料的普遍使用已经 成为现代水液压技术的一个显著特征，也许在不久的将来人们可以依据水基液压元件的 需要来设计专用的材料。 设计包括设计理论、设计方法和结构设计等多方面，涉及到高水基液压技术所有需 要解决的技术难题，是高水基液压技术研究的核心。设计理论和设计方法依赖于流体力 学、材料力学、润滑理论、摩擦学以及控制理论等相关学科的综合知识，高水基液压元 件中摩擦副的润滑设计理论、方法将有别于油压元件；工程陶瓷和高分子复合材料等的 强度及可靠性设计理论、方法与金属材料也截然不同；还有高水基液压元件及系统中的 气蚀机理、污染机理、水击发生机制等都需要进行深入研究，并通过合理的设计来减轻 或消除其危害。结构设计要求与使用材料、元件或系统功能配合，避免高速水液、气蚀、 水击等现象发生，合理解决泄漏、密封、污染控制等技术难题，提高合理且可以实现的 设计精度，以满足元件强度、综合技术性能、可靠性及使用寿命等的要求。天然水导电， 要求解决高水击液压元件的防水设计、漏电保护设计和防电击措施等系列问题。现代计 算机及数字仿真技术的发展，为高水基液压基础技术的研究提供了先进的设计手段，特 别在元件及系统的动、静态特性研究方面有很大优势，与必要的试验研究相结合，可以 大大缩短各类高水基液压元件及系统的研发进程。 加工制造是基础技术中不可或缺的一个重要方面，是高水基液压技术工程化的重要 保证。高水基液压元件中关键摩擦力偶副的加工制造精度至少要比相应的油压元件高 1 - - - 2 级，工程陶瓷用高分子复合材料等新型工程材料的成型、加工工艺等与金属材料有 很大区别，加工难度很大，现有的基于油压元件和系统的加工制造设备、工艺路线不完 全适用水液压元件和系统，需要重新探索。 总之，材料、设计和加工制造是高水基液压技术赖以发展的三大关键基础技术，三 1 5 中北大学学位论文 者相互联系、相互支持，协同解决水液压技术面临的诸多技术难题。因此，必须要重视 基础技术的研究，有了扎实、完善的技术基础，就可以研发出各种型式、各种规格、各 种功能的元件和系统，适应各种领域千变万化的应用需求。 2 5 3 元件与系统 元件是构成系统的基本单元，是系统设计和工程应用的基础，是液压系统设计( 研 究) 和应用工程技术人员系统设计的基本依据。品种、规格齐全的元件能够为不同应用 领域、各类不同功能的应用系统设计提供广泛的选择空间。水液压元件也可按功能分为 动力元件、执行元件、控制元件以及辅助元件等四大类，并包括比例、伺服元件，应能 够根据不同的应用需要，可组成手动、机动、电动或比例、伺服( 操作) 控制系统囱1 。 2 6 小结 本章作为高水基液压凿岩机设计的准备性章节，主要介绍了冲击凿岩原理、入射波 对凿岩效果的影响、轴向推力计算、凿岩过程参数对凿岩速度的影响和高水基液压应用 基础理论等知识。由于高水基液压特性与传统的液压传动特性既有相同性，更有不同性， 所以本章重点介绍了高水基液压的相关知识。高水基介质与液压油在理化特性上存在着 的巨大差异，是在后续的高水基液压凿岩机的设计过程中必须重点考虑的问题。 1 6 中北大学学位论文 3 高水基支腿式液压凿岩机的整机设计 3 1 凿岩系统工作原理 凿岩系统的工作原理见图3 1 。 h 岩石 图3 1高水基支腿式液压凿岩系统工作原理图 1 、4 输液管道；2 一流量及压力控制装置；3 一高压水泵机组；5 一高水基液压凿岩机 根据流体力学理论，流量及压力控制装置中水的压强p 为： p = p g h ( 式3 1 ) 式中p 为水的密度；h 为地面与井巷作业面的高度差，m ；g 为重力加速度。 从式( 3 1 ) 可知，不计管道中水的流动损失，当h = 1 0 0 0 m 时，井巷作业面水的压强 为i o m p a ，若将水压凿岩机工作压强设计为8 - 1 2 m p a ，当井深大于8 0 0 m 时，则可全 部利用落差产生的压强直接驱动水压凿岩机工作；当井深小于8 0 0 m 时，则可通过高压 水泵将压强提高到8 m p a 以上，部分利用落差产生的压强驱动水压凿岩机工作。 3 2 高水基液压凿岩机工作原理 高水基液压凿岩机是在比较充分地吸收了气动凿岩机和液压凿岩机的优点，并克服 1 7 中北大学学位论文 其缺点的基础上而开发出来的绿色产品。因此，在结构型式上与气动凿岩机基本相似。 它由机头部分、冲击部分和支腿部分组成。 根据动作协调性好、能量转换效率高、使用轻便及操作简单的设计要求，我们首先 对高水基液压凿岩机整机的液压原理进行总体设计，其设计如图3 2 所示。高压液体p o 首先经过减压阀，得到驱动活塞的高液体p l ，再通过二位四通液动换向阀右位进入活塞 前腔，驱动活塞回程，活塞后腔的回水，通过阀的右位排出。由于进入活塞前后腔的高 压液体都要通过配流阀，所以在活塞冲程时，后腔进压力液体，在活塞冲击钎杆之前通 过配流阀进行压力切换。在活塞回程时，后腔回液，在活塞回程终点之前进行压力切换， 因此应设置活塞往复运动的压力控制流道。 回程控制边冲程控制边 图3 2高水基液压凿岩机液压原理图 图3 2 中k l 、k 2 、k 3 均为控制信号孔，当活塞回程控制边到达k 1 控制