（机械制造及其自动化专业论文）轻型独立回转液压凿岩机的研究.pdf

东北大学博士学位论文 摘要 轻型独立回转液压凿岩机的研究 摘要 在综合分析各类液压凿岩机冲击工作原理和轻型液压凿岩机各种结构的基础 上，创新提出了轻型独立回转液压凿岩机的新构型，研制了y y t 一3 0 型轻型独立 回转液压凿岩机。该机型的问世，有望取代传统的支腿式气动凿岩机，成为我国 中小矿山和一股工程施工中凿岩机械的主力机型。 液压凿岩机冲击机构的运动规律十分复杂，很难用数学模型精确描述。根据 不同的假设条件，提出了描述液压冲击机构运动的三种数学模型。推导了双面回 油型液压冲击机构线性模型和变加速模型的冲击活塞运动学参数表达式，建立了 一般液压冲击机构通用的非线性数学模型。 建立了双面回油型液压冲击机构的常规设计理论。根据活塞运动的三段分析 法导出了用抽象设计变量n 表示的运动学参数表达式，并以此为基础，系统研究 了液压冲击机构各个组成部分的设计方法，导出了所有重要结构参数的设计计算 公式。 根据双面回油型液压冲击机构的结构简化模型，对冲击机构的工作过程进行 了分析，以通用的非线性模型为基础，建立了液压冲击机构各个工作状态的数学 模型，用v b 语言编制了仿真程序，对双面回油型液压冲击机构进行了动态仿真研 究，深入地研究了液压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，从中获得了一些有关液压冲击机构运动的规律性认识。 介绍了几种常用的液压凿岩机性能参数测试方法，并分析了它们的特点。采 用应力波法对y y t 一3 0 型液压凿岩机的冲击性能进行了测试，采用了背压平衡的 方式对样机回转性能进行了动念测量，并对测试结果进行了分析。对研制的样机 进行了工业试验，并将试验结果与y t 2 7 型支腿式气动凿岩机进行了对比。 总之，轻型独立回转液压凿岩机的研制成功，验证了本文分析和设计理论的 正确性。本文形成的针对双面回油型液压凿岩机的设计方法，对我国目前液压凿 岩机的研制具有重要的理论价值和应用意义。 关键词液压凿岩机液压冲击机构双面回油型动态仿真冲击性能 回转性能 东北大学博士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho np o r t a b l ei n d e p e n d e n tr o t a r y h y d r a u l i cr o c k d r i l l a b s t r a c t a f t e ra n a l y z i n gt h ei m p a c t i n gp r i n c i p l eo fa l lk i n d so fh y d r a u l i cr o c kd r i l l sa n d v a r i o u ss t r u c t u r e so fp o r t a b l eh y d r a u l i cr o c kd r i l l ，an e ws t r u c t u r eo fp o r t a b l e i n d e p e n d e n tr o t a r yh y d r a u l i cr o c kd r i l l ，y y t - 3 0p o r t a b l ei n d e p e n d e n tr o t a r yh y d r a u l i c r o c kd r i l l ，i sp u tf o r w a r di nt h ed i s s e r t a t i o n ，a n dm a d ei nr e a l i t y i tw i l lb e c o m em a i n s t y l ei nm e d i u ma n ds m a l l - s c a l em i n e sa n dg e n e r a le n g i n e e r i n gm a c h i n e si no u rc o u n t r y , w h i c hw i l lr e p l a c et r a d i t i o n a ll e g g e dp n e u m a t i cr o c kd r i l lh o p e f u l l y 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 y d 【r a u l i cr o c kd r i l li sv e r yc o m p l i c a t e d ， w h i c hi sv e r yd i m 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 t i c a lm o d e l a c c o r d i n g t 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 r ep u tf o r w a r d t od e s c r i b et h em o t i o nl a wo ft h eh y d r a u l i ci m p a c tm e c h a n i s m as e r i e so ff o r m u l a e d e s c r i b i n gt h ep i s t o n sk i n e m a t i cp a r a m e t e re x p r e s s i o no fl i n e a rm o d e la n dv a r i a t i o n a l a c c e l e r a t i o nm o d e lb a s e do i lt h e h y d r a u l i ci m p a c t m e c h a n i s mw i t hn o c o n s t a n t - p r e s s u r i z e dc h a m b e ra r ed e r i v e d ，a n dt h en o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e lo f g e n e r a lh y d r a u l i ci m p a c tm e c h a n i s mi se s t a b l i s h e d t h er o u t i n e d e s i g nt h e o r y o ft h eh y d r a u l i c i m p a c t m e c h a m i s mw i t hn o c o n s t a n t - p r e s s u r i z e dc h a m b e ri se s t a b l i s h e d as e r i e so ff o r m u l a e ，w h i c hd e n o t et h e k 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 ，a r ed e r i v e da c c o r d i n gt ot h e t 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 e do ni t ，t h ed e s i g nm e t h o d a b o u tt h eh y d r a u l i ci m p a c tm e c h a m i s mi ss t u d i e ds y s t e m a t i c a l l y ，a n dt h ef o r m u l a eo fa l l i m p o r t a n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r ed e r i v e d a c c o r d i n gt ot h es i m p l i f i e ds t r u c t u r a lm o d e lo ft h eh y d r a u l i ci m p a c tm e c h a m i s m w i t hn oc o n s t a n t p r e s s u r i z e dc h a m b e r ，t h ew o r k i n gc o u r s eo f t h ei m p a c tm e c h a m i s mi s a n a l y z e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so ft h ei m p a c tm e c h a m i s mi ne v e r yw o r k i n gs t a t e a r ee s t a b l i s h e do nb a s i so fg e n e r a ln o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e l t h ed y n a m i c a l s 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 dw i t hs o f t w a r ew h i c hi s p 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 sp a r t i a lp a r a m e t e r st o i t sw o r k i n gp e r f o r m a n c ei ss t u d i e d t h o r o u g h l y ，a n ds o m er e g u l a r i t ya b o u tt h e 东北走学博士学位论文 a b s t r a c t m 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 s o m e m e a s u r i n gm e t h o d so ft h ep e r f o r m a n c ep a r a m e t e r so fh y d r a u l i cr o c kd r i l la r e i n t r o d u c e d ，a n dt h e i rc h a r a c t e r i s t i c sa r ea n a l y z e d t h em e a s u r i n gr e s u l t so fy y t - 3 0 h y d r a u l i cr o c kd r i l la r ea n a l y z e da f t e rm e a s u r i n gi t si m p a c tp e r f o r m a n c eb ys t r e s sw a v e m e t h o da n di t sr o t a r yp e r f o r m a n c eb yb a c k p r e s s u r eb a l a n c em e t h o d a f t e rp e r f o r m i n g t h ei n d u s t r i a ll e s tt ot h ep r o t o t y p e ，t h et e s t i n gr e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t hy t - 2 7l e g g e d p n e u m a t i cr o c kd r i l l s i naw o r d ，i tp r o v e dt h ec o r r e c t n e s so ft h ed e s i g nt h e o r yo ft h ed i s s e r t a t i o nt h a t p o r t a b l ei n d e p e n d e n tr o t a r yh y d r a u l i cr o c kd r i l lw a sm a d es u c c e s s f u l l y t h ed e s i g n m e t h o d s ，w h i c ha r eb a s e do nh y d r a u l i cr o c kd r i l lw i t hn oc o n s t a n t - p r e s s u r i z e dc h a m b e r ， a r eo fa c a d e m i cv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et od e v e l o ph y d r a u l i cr o c kd r i l li no u r c o u n t r y k e yw o r d sh y d r a u l i cr o c kd r i l l ，h y d r a u l i ci m p a c tm e c h a n i s m ， n oc o n s t a n t p r e s s u r i z e dc h a m b e r ，d y n a m i c a ls i m u l a t i o n ， i m p a c tp e r f o r m a n c e ，r o t a r yp e r f o r m a n c e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的论文中取 得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或 撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料与 我_ 1 同一l ：作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的 说明并表示谢意 学位论文作者签名“习丈幻 日 期：脚r 罗 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留使用学位 论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复 印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人同意东北大学可以将学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索交流 学位论文作者签名：l 句之j 乙 日 期：乃厂了 同意 另外，如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为 学位论文作者签名： 签_ 宁= 日期： 导师签名： 签字门期： 东北足学博士学位论文第一章绪论 第一章绪论帚一早珀v 匕 1 1 国内外液压凿岩机发展概况 1 1 1 国外液压凿岩机发展概况 自1 8 6 1 年气动凿岩机开始应用以来，经过不断改进、完善，各类气动 凿岩机在矿山、铁路、公路、水电、煤炭和建筑工程施工中发挥了巨大的作 用。进入2 0 世纪以来，随着各类工程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，气动凿岩机的钻凿能力与生产发展需要之间的矛盾 日益加剧。生产的发展迫切要求用效率高、生产能力大的新型凿岩机来取代 气动凿岩机。 2 0 世纪2 0 年代，英国人多尔曼在斯塔福德制造出第一台液压凿岩机。 大约4 0 年之后，另一位英国人萨特立夫也制成了一台液压凿岩机。不久， 美国g a r d n e r - - d e n v e r 公司根据尤布科斯专利制成了m p i i i 型液压凿岩机 c 1 - 4 1 。以上几种液压凿岩机都因一些关键的技术问题没能很好地解决，所以 未能在生产中得到推广应用。 1 9 7 0 年，法国蒙塔贝特( m o n t a b e r t ) 公司首先研制成功第一代可用于 生产的h 5 0 型液压凿岩机，开始在世界范围内应用液压凿岩设备。由于液 压凿岩机和气动凿岩机相比具有明显的优越性【5 0 1 ( 表1 1 ) ，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，使液压凿岩机技术和生产在3 0 多年间有了很大发展1 5 1 1 8 - 2 6 1 ( 表1 2 ) 。 目f j 仃在国外，液压凿岩机已经成为导轨式凿岩机产品的主流。9 0 年代先进 国家的岩石开挖工程采用的液压凿岩设备占凿岩设备总量的8 0 以上。其中 瑞典a t l a sc o p c o 、芬兰t a m r o c k 、法国s e e o m a 等公司的液压凿岩机及配 套产品在世界上具有代表性。前两者的液压凿岩设备销售量占世界销售总量 的一半以上 1 6 j 2 4 】【2 7 1 。 目前国外的液压凿岩机正向重型、大功率和自动化方向发展1 2 6j 【2 8 q 。 超重型大功率液压凿岩机已能钻凿直径1 8 0 2 7 5 毫米的炮孔，凿岩速度是牙 轮或潜孑l 钻机的2 4 倍，而能耗仅为潜孔钻机的1 4 。它可以完成自动移位 东北大学博士学位论文第一章绪论 表11液压和气动凿岩机的比较 t a b l e t 1 c o m p a r i s o no fp n e u m a t i ca n dh y d r a u l i cr o c kd r i l l 比较性能气动凿岩机液压凿岩机 能量利川率 1 0 3 0 4 0 噪声液压凿岩机比气动凿岩机降低1 0 1 5d b ( a ) 排气油雾有无 凿岩效率液压凿岩机比气动凿岩机提高1 倍以上 主要零部什寿命 短长 钎具消耗 多少 工作介质压缩空气液压油、乳化液 介质压力，m p a0 4 0 5 1 4 2 0 每米炮孔成本 1 ：0 7 7 实现自动化的难易程度斟难容易 使用维护方便较困难 表1 2液压凿岩机的发展进步 t a b l e l 2 d e v e l o p m e n to f h y d r a u l i cr o c kd r i l l 2 0 世纪7 0 年代2 0 世纪8 0 年代2 0 世纪9 0 年代 凿岩机型号近4 0 个近1 0 0 个超过t 0 0 个 年产量接近2 0 0 0 台1 0 0 0 0 台以上 2 0 0 0 0 台以上 凿岩机冲击功率，k w l o2 04 0 和定位、自动开孔、自动防卡钎、自动凿岩、自动退钎等凿岩循环，并可遥 控的全自动液压凿岩机械已较多应用于隧道开挖。液压凿岩机器人技术和产 品也在2 0 世纪8 0 年代开始开发。日本东洋公司的a d 系列、法国m o n t a b e r t 公司的r o b o f o r e 系列、瑞典a t l a sc o p c o 公司的系列以及芬兰t a m r o c k 公司 的d a t a m a t i c 系列凿岩机器人都已问世 3 3 】。 1 1 2 国内液压凿岩机发展概况 我国从上世纪7 0 年代开始研制液压凿岩机。1 9 7 3 年1 1 月制造出第一 台y y g 一8 0 型液压凿岩机样机，后几经改进，于1 9 8 0 年9 月在湘东钨矿 2 东北大学博士学位论文第一章绪论 通过了部级鉴定2 5 】f 3 2 瑚】。目前我国已有北京科技大学、中南工业大学、长 沙矿冶研究院、煤炭科学研究院北京建井研究所、沈阳风动工具，一、天水风 动工具厂和衢州煤矿机械厂等1 0 多个单位研制的2 0 多种型号的液压凿岩机 通过了省部级鉴定0 3 2 l 。 为发展我国的液压凿岩机技术和产品，近十多年来，莲花山冶金机械厂、 沈阳风动工具厂、天水风动工具厂、宣化风动工具厂、南京工程机械厂先后 耗资1 0 0 0 万美圆从a t l a sc o p c o 和s e c o m a 公司引进4 种重型导轨式液压凿 岩机制造技术。但由于各方面原因，除莲花山冶金机械厂的h y d 2 0 0 和 h y d 3 0 0 型液压凿岩机产品产量和质量比较稳定外，其余的产品均未形成批 量能力，质量也有很大差距。这远远不能满足我国工程部门需求。近1 0 年 来，我国大型矿山及大型工程均采用了引进的大型液压钻车。共从5 个国家 7 个公司购进全液压凿岩设备近3 0 个型号5 0 0 多台套，重型液压凿岩机1 2 0 0 余台，耗资几十亿人民币2 9 1 f 3 2 1 【33 1 。 我国一些单位也看到具体国情对轻型液压凿岩机的大量需求。长沙矿冶 研究院等十多家科研单位和企业曾经研制过多个型号的支腿式液压凿岩机， 但大都没有成功。其主要原因是：1 ) 这些产品大多不合理地采用了内回转 结构，从结构设计上就不满足液压凿岩机高频率、大扭矩的需要：2 ) 在材 料选择和制造工艺方面仍受气动凿岩机的影响，达不到液压凿岩机的性能要 求。 1 2 液压冲击机构设计理论研究体系概况 液压冲击机构是液压凿岩机的关键部件，它主要由缸体、活塞、换向阀、 蓄能器等主要部件和导向与密封装置等组成。它的研究水平直接影响着液压 凿岩机的设计制造和使用。几十年来，人们对液压冲击机构的运动规律及控 制理论作了不懈的探索和研究，对它的认识也逐步由低级阶段向高级阶段发 展。 1 2 1 数学模型 按照人们在研究冲击机构时所采用的数学模型不同，可以把研究液压冲 击机构的方法分为线性模型法和非线性模型法两种。 线性模型法抓住液压冲击机构运动的主要因素，忽略次要因素，对冲击 机构作一些必要的假设，将活塞受力状态进行简化，得出用线性数学模型表 3 东北大学博士学位论文第一章绪论 示的冲击机构运动规律。这种模型揭示液压冲击机构的运动规律直接明了， 有确切的数学表达式，可方便地求得解析解。但由于这种方法忽略了一些实 际存在的因素，故只是粗略地描述了冲击机构的运动规律。 非线性模型较多地考虑液压冲击机构的影响因素，较全面地分析了冲击 机构的受力状态，用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机构的物理现象，但方程求解困难，描述不直观，只能 通过计算机求得数值解。但必须指出，由于液压冲击机构运动的复杂性，非 线性模型也是建立在一些假设基础上的，所以也只能是近似地描述冲击机构 的运动规律【32 1 。 1 2 1 1 线性模型研究 线性模型研究中提出的基本假设是“液压油压力恒定不变”，并忽略某 些影响因素，从而在此基础上建立液压冲击机构的数学模型。 国内外许多学者在线性数学模型的基础上对液压冲击机构的设计变量 进行了优化研究。 前苏联学者o aj 1 hmob 和c a 6ae ob 认为“在保证 冲击末速度为给定值的情况下，油压完全均等的压力控制是效率最高的最佳 控制”，由此提出了峰值推力最小的最佳设计方案【3 5 】。 北京科技大学李大诒教授指出“满足蓄能器容积变化最小时，能量利用 率最高，瞬时流量接近最小值”，进而提出了最优行程的设计思想3 6 1 。 中南大学杨襄璧教授以冲程时间比： c l = t 1 t( 1 1 ) 作为抽象设计变量( 其中t 1 为冲程时间，t 为活塞工作周期) ，推导了液压 冲击机构结构和工作参数的全套设计公式，并得出了不同优化目标的n 值 3 7 1 3 8 1 。 最大峰值流量最小：a = o 3 3 3 ； 蓄能器容积变化最小：a = o 3 8 2 ； 蓄能器隔膜振动次数最少：n = o 3 3 3 。 中南大学胡均平、朱建新教授以液压凿岩机内部压力损失能耗最小为优 化目标3 9 1 ，得出a = 0 2 9 。 北京科技大学陈定远教授以行程比c = s s 。( s 为计算行程，s 。为最大 行程) 作为设计变量，对等加速数学模型的液压凿岩机进行了无量纲分析， 推导出最佳效率区为：c = 0 7 5 o 8 5 t 4 0 ”9 1 。 。4 查! ! 垄生壁主至堡垒查星二主竺笙 中南大7 声何清华教授提出了液压冲击机构活塞运动的“三段分析法”， 它引入了两个无因次变量回冲加速比和冲减加速比，推导了活塞运动的各种 关系式，并刈能量损失与效率、蓄能器的充排油量等几个重要问题进行了全 面的研究分析4 2 1 。 1 2 1 2 非线性模型研究 上世纪7 0 年代，国外就有人将计算机和仿真技术用于气动凿岩机的研 究，并指出这种方法能获得较为精确的结果。1 9 7 6 年，日本学者槌口正雄 提出了液压冲击试验装置的一种非线性数学模型，用逐次计算法求得冲锤的 速度和频率，并与实测值进行了比较【4 。这是较早的一篇液压冲击机构非线 性模型研究的论文。 1 9 8 0 年，原北京钢铁学院矿机教研室发表了题为液压凿岩机的电子计 算机模拟研究的论文，提出了一个以蓄能器压力为工作压力的数学模型： 活塞动力平衡方程为： m p + 匕= f ( p ) ( 1 2 ) 流量平衡方程为： q l q 2 0 _ 3 = 爿匕+ v ( 1 3 ) 蓄能器气态方程为： p 2 ( 南) 1 4 p 。 ( 1 t 4 ) 这是一个非线性数学模型，作者将活塞的运动分为回程加速、回程制动 和冲程加速三个阶段，并考虑反弹速度和换向瞬时冲击压力等因素的影响， 得到了一个较全面的仿真模型，并在计算机上进行了仿真计算，求得了稳定 解【4 。 中南大学何清华教授在其论文液压凿岩机冲击器数字仿真研究中， 使用状态切换法建立了全面的数学模型，提出了“准匀加速度计算法”( p u a 法) ，并对各状态切换之间的误差进行了修正，以减少累积误差，从而提高 了仿真计算的精度4 5 1 。 中南大学的刘少军教授把冲击机构的运动分成四种工作状态，认为各状 态的不同主要是因为阀芯和活塞受力状态不同，反映在数学模型上，只是少 数几个方程的不同。在仿真算法方面，他提出了一种新的数值计算方法一一 哈明算法4 。 北京科技大学陈孝忠、陈定远教授建立了液压碎石冲击机构的非线性数 5 查i ! 垄茎壁兰堡垒查笙二主鲨堡 学模型，并用b a s i c 语言编写了仂真程序，取得了与实测结果较为一致的 仿真数据1 4 ”。 中南大学丁建中教授、大连理 。大学田树军教授等把功率键合图应用到 液压凿岩机的动态仿真巾，创造了液压凿岩机理论研究的一种新方法【4 弘”】。 1 2 2 蓄能器的研究 蓄能器是液压凿岩机的重要部件，它的设计品质直接关系到冲击机构能 否按设计要求运动。因此，人们对蓄能器进行了大量的研究工作。 北京科技大学段晓宏等老师以集中参数为基础，建立了高压隔膜式蓄能 器的动态模型，并用实验和计算两种方法分析了蓄能器的频率特性，在此基 础上，进一步分析了蓄能器与液压凿岩机冲击机构的耦合特性，提出了在冲 击机构结构和尺寸确定的情况下，蓄能器容积尺寸的选择计算方法和冲击机 构工作时最优工作参数的计算方法 5 卜”1 。 中南大学何清华教授对液压冲击机构的回油和回油蓄能器进行全面研 究，他指出：液压凿岩机的工作油压主要取决于本身运动体的惯性力，这是 它有别于工作油压主要取决于外部负载的一般液压机械的显著特点；液压凿 岩机的回油背压主要是由于活塞或阀的控制腔向回油管排油时，随它们加速 运动的油液所形成的惯性油压。并指出由于冲击机构的排油流量与回油管中 油液流动的流量变化步调不一致，当进入回油管的流量小于回油管中油液流 动的流量时，就会产生空隙现象，为减小惯性回油压和消除回油空隙，在液 压凿岩机上应设置回油蓄能器，并由此推出了回油蓄能器参数设计计算公式 【4 2 1 5 5 1 。 天津工程机械研究所冯建华高级工程师通过理论与实验研究，证明了在 液压锤中设置蓄能器的必要性，介绍了一种设计蓄能器的简捷方法胪“。中南 大学朱建新教授通过实验测定了液k 碎石机的蓄能器实际工况，研究了蓄能 器充气腔容积和充气压力的变化对液压碎石机性能的影响f 5 ”。 1 2 3 配流阀( 换向阀) 的研究 有阀型液压凿岩机冲击机构是一个具有位置反馈的阀控活塞随动系统。 配流阀对活塞的控制属于开关型控制，阀换向过程中的时间、位移、耗油量 等都是影响冲击机构性能的重要因素2 7 3 4 】。北京科技大学刘万灵教授等在 液压凿岩机换向阀的动特性分析一文中，通过理论分析和实测的手段， 6 东北大学博士学仁论文第一覃绪论 对换向阀进行厂研究，得出了阀的实际运动轨逊，揭示了换向阀的运动规律， 确定了换向阀影响液压凿岩机的主要参数【”】。中南大学齐任贤、刘世勋教授 对换向阀控制过程进行了理论分析，同时对换向阀的造型设计和参数优化进 行了研究，得出了一些有益的规律性结论：如换向阀作高速运动时，由于回 油阻力的影响，可能出现速度饱和现象。解决该问题的有效方法是减小阀芯 重量和行程，同时适当加大油道直径等1 5 9 j 。 1 2 4 防空打和钎尾反弹理论的研究 液压凿岩机在工作时不可避免地会出现“空打”和钎尾反弹现象，因此， 钎尾反弹能量吸收装置和防空打缓冲装置的工作性能对液压凿岩机的使用 寿命有着很大影响。我国学者对此进行了卓有成效的研究。 葛洲坝水电工程学院孟遂民老师在理想线性模型的基础上，运用无量纲 分析法，研究了活塞反弹速度对液压凿岩机冲击机构工作参数的影响【6 0 】。 湘潭工学院刘德顺教授应用波动力学理论，在分析冲击式凿岩原理的基 础上，提出了凿岩机活塞回弹判据和回弹速度计算公式，并得出了如下结论： 活塞的回弹状态和回弹速度与活塞、钎杆及岩石的特性有关，它们的影响不 是独立的，而是相互关联的；岩石的卸载刚度系数a 越小，表征凿岩机具和 岩石加载特性的系数y 越小，回弹速度越大；为获得较理想的凿岩效率，在 设计凿岩机时，应将特征系数y 控制在l y 2 范围内 6 1 - 6 3 1 。 武汉化工学院廖义德老师把液压凿岩机防空打缓冲过程分为三个阶段， 考虑了液压油的可压缩性、油液惯性、液压油粘度的变化以及活塞与缸体之 问的偏心等因素，建立了各阶段的数学模型，依此编写了仿真程序，得到了 与实验数据相一致的仿真结果 6 4 “5 1 。 中南大学液压工程机械研究所于8 0 年代推出了二级防空打缓冲装置， 该装置充分利用了钎尾反弹能量吸收装置的能力。该校廖建勇博士对该装置 进行了分析计算，指出二级防空打缓冲装置的设计问题实质上是两级吸收能 量的分配问题，并提出了两级能量分配原则和二级防空打缓冲装置的设计方 法f 6 6 6 ”。 1 2 5 冲击机构的计算机辅助设计 随着计算机技术和信息技术的飞速发展，计算机辅助设计已广泛应用于 机械、电子、建筑等工程设计领域，极大地提高了工程设计人员的工作效率。 7 查些叁堂堡堂堡笙查苎二主堕堡 1 9 8 8 年，北京科技大学陈定远、高澜庆等教授发表了题为液压凿岩机冲 击机构的计算机辅助设讣( c a d ) 的论文，以设计工作程式为线索，将参 数优化、结构尺寸计算和仿真验算统一起来，开发了液压冲击机构c a d 系 统软件。这套软件只要输入冲击机构的性能参数，就可得到一组优化的结构 参数结果；再输入优化结构参数，就能计算出具有优化参数的冲击机构主要 零件尺寸；再将冲击机构的结构尺寸输入，就能模拟冲击机构的工作过程， 经运算达到稳定后，可得到实际可能的性能指标，以检查设计的产品是否满 足设计性能的要求【68 1 。该软件的参数优化是以液压冲击机构的理想线性模型 为基础，而仿真验算是以冲击机构的非线性模型为基础，这套软件的开发， 大大加快了液压冲击机构的设计速度，极大地提高了设计质量。 1 9 9 4 年，中南大学廖建勇博士在其学位论文多档液压凿岩机设计理论 与计算机辅助设计中，深入系统地研究了多档液压凿岩机冲击器的设计理 论，编制了y y g 系列液压凿岩机设计通用软件，实现了y y g 系列液压凿 岩机全套图纸的计算机自动绘制【6 “。 计算机辅助设计应用于液压凿岩机的设计中，极大地提高了设计质量， 为这种机械产品的理论设计研究及产业化提供了坚实的计算保证。 1 3 本课题的意义与研究内容 凿岩机械是采掘、建筑、工程建设等领域应用广泛的工程机械。尽管世 界凿岩机，尤其是液压凿岩机技术有很大发展，但在我国其主导产品几十年 来没有大的变化。我国大量的中小矿山及一般工程施工中仍普遍使用能耗 高、破岩效率低、易损零件多、寿命低、噪声高、环境污染严重的支腿式气 动凿岩机。研制开发轻型独立回转液压凿岩机就是在这样的背景下提出的。 用轻型独立回转液压凿岩机替代传统的气动凿岩机能明显提高凿岩作业效 率、显著降低能耗、减少噪声污染和空气污染，迅速提高我国凿岩和工程施 工的装备技术水平。 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 介绍液压凿岩机的基本结构和冲击工作原理，分析各种类型的冲 击机构的特点，提 n 轻型液压凿岩机的几种结构并分析其优缺点，然后确定 轻型独立回转液压凿岩机的总体结构方案。 ( 2 ) 介绍液压冲击机构的各种理论模型，推导线性模型和变加速模型 8 东北大学博士学位论文第一章绪论 的运动学参数表达式。 ( 3 ) 根据活塞运动的三段分析法对轻型独立凹转液压凿岩机冲击机构 的设计理论进行研究。导出活塞系统、配流阀系统、蓄能器、防空打装置以 及配流阀换向信号孔位置的设计计算公式。 ( 4 ) 建立轻型独立回转液压凿岩机冲击机构各个运动阶段的数学模型， 利用计算机仿真方法对液压冲击机构进行动态仿真，对仿真结果进行分析研 究。 ( 5 ) 介绍液压凿岩机的性能测试方法，对轻型独立回转液压凿岩机样 机进行冲击性能和回转性能的实验室测试以及工业试验研究。 9 东北大学博士学位论文第二章轻型独立回转液压凿岩机的总体结构研究 第二章轻型独立回转液压凿岩机的总体 结构研究 2 1 液压凿岩机的基本结构 液压凿岩机主要由冲击机构、回转机构、供水排粉装置及防尘系统等部分组 成，其凿岩作业是冲击、回转、推进与岩孔冲洗功能的综合2 】【2 7 1 。 目前各生产厂家的液压凿岩机结构都不尽相同，各有自己的特点。如有带行 程调节装置的，也有无此装置的；有采用中心供水的，也有采用旁侧供水的；缸 体内有带缸套的也有无缸套的：为了防止深孔凿岩时钎杆卡在岩孔内拔不出来， 国外有几种新型液压凿岩机在供水装置前面还设有反冲装置。下面介绍液压凿岩 机的一些基本结构旧【6 9 l ： ( 1 ) 冲击机构 液压冲击机构由缸体、活塞、配流阀、蓄能器及前后支撑套与密封装置等组 成，它是冲击作功的关键部件，它的性能直接决定了液压凿岩机整机的性能。 1 ) 活塞 活塞是传递冲击能量的主要零件，其形状对破岩效果有较大影响。由波动力 学理论可知，活塞直径与钎尾直径越接近越好，且在总长度上直径变化越小越好。 通过对气动和液压凿岩机两种活塞的效果比较发现，液压凿岩机的活塞只比气动 凿岩机的活塞重1 9 ，可是输出功率却提高了一倍，而钎杆内的应力峰值则减小 了2 0 。因此，双面回油型液压凿岩机的活塞断面变化最小，且细长，是最理想 的活塞形状。 2 ) 配流阀 液压凿岩机的配流阀有多种形式，概括起来有套阀和芯阀两大类，芯阀按形 状又可分为柱状阀和筒状阀。套阀只有一个零件，结构简单，其结构受活塞的制 约，只能制成三通阀。而芯阀是一个部件，由多个零件组成，结构较为复杂，可 制成三通或四通阀。三通阀适用于单面回油的机型，而双面回油型液压凿岩机则 必须采用四通阀。 3 ) 蓄能器 液压冲击机构的活塞只在冲程时刁对钎尾作功，而回程时不对外作功，为了 充分利用回程能量，需配备高压蓄能器储存回程能量，并利用它提供冲程时所需 1 0 东北大学博士学位论文第二章轻型独立回转液压凿岩机的总体结构研究 的峰值流量，以减小液压泵的排量。此外，由于阀芯高频换向引起压力冲丑i 和流 量脉动，也需配置蓄能器，以保证机器j = 作的可靠性，提高各部件的寿命。h 前， 国内外各种有阀型液压凿岩机部配有一个或二个高压蓄能器，有的液压凿岩机为 了减少回油的脉动，还设有回油蓄能器。因液压凿岩机的冲击频率高，故都采用 反应灵敏、动作快的隔膜式蓄能器。 4 ) 缸体 缸体是液压凿岩机的主要零件，体积和重量都较大，结构复杂，孔道和油槽 多，要求加工精度高。为解决此问题，各型液压凿岩机采取了不同的办法。有的 加前后缸套，以利于油路和沉割槽的加工，且维修时便于更换；有的不加衬套， 为便于加工，把缸体分为几段；而轻型液压凿岩机大多采用整体式缸体。 5 ) 活塞导向套 活塞的前后两端都有导向套支承，其结构有整体式和复合式两种。前者加工 简单，后者性能优良。目前国内多采用整体式，少数采用复合式。 ( 2 ) 回转机构 回转机构主要用于转动钎具和接卸钎杆。在液压凿岩机中，因输出扭矩较大， 所以主要采用独立外回转机构，该机构由液压马达驱动一套齿轮装置并带动钎尾 作独立的回转运动。因摆线液压马达体积小、扭矩大、效率高，故液压凿岩机回 转机构普遍采用这种马达。 ( 3 ) 供水装置 液压凿岩机大都采用压力水作为冲洗介质，其供水装置的作用就是供给冲洗 水以排除岩孔内的岩碴，它有中心供水式和旁侧供水式两种。 中心供水式装置与一般气动凿岩机中心供水方式相同，压力水从凿岩机后部 的注水孔通过水针从活塞中间孔穿过，进入前部钎尾来冲洗钻孔。这种供水方式 的优点是结构紧凑，机头部分体积小，但密封比较困难。 旁侧供水装置是液压凿岩机广泛采用的结构。冲洗水通过凿岩机前部的供水 套进入钎尾的进水孔去冲洗钻孔。这种供水方式由于水路短，易于实现密封，且 即使发生漏水也不会影响凿岩机内部的正常润滑，其缺点是机头部分增加了长度。 2 2 液压凿岩机冲击机构的结构类型分析 2 2 1 液压凿岩机的基本结构类型2 7 1 1 6 9 - 7 0 1 液压凿岩机按其冲击机构配油方式的不同可分为两大类：有阀型和无阀型。 前者按阀的结构可分为套阀式和芯阀式；按回油方式又有单面回油和双面刚油两 l l 东北大学博士学位论文第二章轻型独立回转液压凿岩机的总体结构研究 种：单面回油又分为前腔回油和后腔回油两种。其分类关系及相应代表型号见表 2 1 。 表2 ，1 液压凿岩机分类 类型有阀型无阀型 单面回油 回油方式双面回油双面回油 后腔回油前腔回油 活塞运动三通阀控差动三通阀控差动四通阀控活塞自配油 阀的结构套阀芯阀套阀芯阀芯阀无 i n g e r s o l l - t a m n ) c k 公司s e c o m a 公司 r a n d 公司的 国的h e 、h l 系的h y d r a s t a r h a r d i i i 、 列、m o n t a b e r t 系列、a l z g i t t e a t l a s a l i m a ks e c o m a j o y 公司的 典公司的h 系公司的h h 系c o p c o 公 公司的公司的 j h - 2 、 型 外 列、古河株式 列、g d 公司司的c o p a d 系列r p h 3 5c a n n o n 公司 产 会社的h d 系的h p r 系列、系列 的c h 品列、s i g 公司t e n s i o n 公司 2 5 、c h 3 2 、 的h m b 系列的r d 系列 c h 3 8 国y y g 一2 5 0 by y g - 8 0 t r y y g 2 0 内y y g 9 0 a系列 2 2 2 液压凿岩机的冲击工作原理i 玎1 1 6 9 i 液压凿岩机以液压流体作为传递能量的介质，其冲击工作原理主要是由冲击 机构的配油方式决定的。 ( 1 ) 前腔回油后腔常压型液压凿岩机冲击工作原理 此型液压凿岩机是通过改变前腔的供油和回油来实现活塞的往复运动的，有 套阀式和芯阀式两种。图2 1 所示位套阀式的冲击工作原理。当套阀处于左端位置 时，高压油进入活塞前腔a ，由于活塞前腔受压面积大于后腔受压面积，活塞前 端作用力远大于后端作用力，故活塞开始作回程运动( 图2 1 a ) 。当活塞回程到一 定位置时，使推阀腔c 与后腔b 切断，与回油腔d 连通，推阀腔b 的油压急剧下 降，于是套阀作回程换向并向右快速运动，关闭活塞前腔的压油口，开启回油口， 1 2 东北大学博士学位论文第二章轻型独立回转液压凿岩机的总体结构研究 活塞前端作用力急剧减小使活塞处于制动运行状态( 图2 1 b ) 。当活塞回程速度为 零即到达回程终点时，活塞在后端作用力的作用下开始作冲程运动( 图2 1 c ) 。当 活塞在冲程中离冲击点还有一定距离时，推阀腔c 与压油腔b 相通，套阀进行冲 程换向，在此过程中，活塞高速冲击钎尾( 图2 ，l d ) 。与此同时，冲程换向完毕， 活塞前腔进入高压油，又开始作下一次循环的回程运动。 a bcd a ) i pf 。 b 1 图2 1 前腔回油后腔常压型液压凿岩机型冲击t 作原理 f i g 2 1i m p a c t i n g p r i n c i p l eo f h y d r a u l i cr o c kd r i l lw i 血c o n s t a n t - p r e s s u r i z e dr e a r - c h a m b e r a ) 回程 b ) 回程换向c ) 冲程d ) 冲程换向 l 缸体2 话塞3 套阀4 蓄能器 a 前腔b 后腔c 推阀腔n 一回油腔 ( 2 ) 后腔回油前腔常压型液压凿岩机冲击工作原理 此型液压凿岩机是通过改变后腔的供油和回油来实现活塞的冲击往复运动 的，也有套阀式和芯阀式两种，其套阀式液压凿岩机冲击工作原理如图2 2 所示。 当套阀4 处于右端位置时，缸体后腔与回油相通，于是活塞2 在缸体前腔高压油 的作用下，向右作回程加速运动( 图2 2 a ) 。当活塞超过回程换向信号孔位a 时， 配流阀右端推阀面与高压油相通，因该面积大于阀左端的面积，所以配流阀向左 运动进行回程换向，高压油通过机体内部孔道与活塞后腔相通，活塞向右作减速 1 3 东北大学博士学位论文第二章轻型独立回转液压凿岩机的总体结构研究 运动，后腔的油一部分进入蓄能器3