（机械制造及其自动化专业论文）液压凿岩机冲头新型换向系统的研究开发.pdf

t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nn e ws t y l ec o n v e r s es y s t e mo f b y a s s o c i a t ed e g r e e ( l u o y a n gi n s t i t u t eo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 2 0 01 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r ea n da u t o m a t i o n i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r a s s o c i a t ep r o f e s s o rs h e n g m e il u o m a y , 2 0 1 1 液压凿岩机冲头新型换向系统的研究开发 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：乏尹喹 日期：幽，年6 月j 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、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电子版，允许论文被查阅和 借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。同 时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据 库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：_ 歹蹙 轹了芝驾 日期：幽j 年6 月，日 日期：奠c f 1 年易月弓日 液压凿岩机冲头新型换向系统的研究开发 口三； i = 1 刊k 摘要i v a b s t r a c t 、， 第1 章绪论1 1 1 国内外液压凿岩机技术的发展概况1 1 1 1 国外液压凿岩机技术的发展概况2 1 1 2 国内液压凿岩机技术的发展概况4 1 2 本课题的提出及研究的主要内容6 1 2 1 本课题的提出6 1 2 2 本课题研究的主要内容7 1 3 本课题的研究意义7 1 4 本章小结7 第2 章凿岩机理9 2 1 岩石的物理性质9 2 1 1 岩石的组织与构造9 2 1 2 岩石的物理性质1 0 2 1 - 3 岩石的机械性质1 0 2 2 岩石的可钻性及岩石分级1 2 2 2 1 岩石的可钻性概念1 2 2 2 2 岩石的坚固性分级1 2 2 2 3 岩石可钻性分级1 3 2 3 岩石的破碎机理1 4 2 4 冲击机构液压缸压力变化分析及最佳换向系统的提出1 5 2 5 本章小结1 6 第3 章液压凿岩机冲头新型换向系统的基本结构及工作原理17 3 1 液压凿岩机冲头新型换向系统的基本结构1 7 3 1 1 冲击机构1 7 3 1 2 回转机构2 0 3 1 3 供水排粉装置2 0 3 1 4 钎尾反弹能量吸收装置2 1 。3 1 5 润滑与防尘系统2 1 3 1 6 其它结构2 1 3 2 液压凿岩机冲头新型换向系统的工作原理2 2 3 2 1 新型配油阀结构及其工作原理2 2 3 2 2 液压凿岩机冲头新型换向系统及工作原理2 4 3 3 本章小结2 7 第4 章新型液压凿岩机冲击机构的理论设计方法2 8 4 1 液压冲击机构的线性模型2 8 4 1 1 活塞运动的二段分析法2 9 4 1 2 活塞运动的三段分析法3 l 硕士学位论文 4 2 液压冲击机构的变加速模型3 2 4 3 液压冲击机构的非线性模型3 4 4 4 液压冲击机构的设计理论研究3 7 4 4 1 设计理论分析3 7 4 4 2 冲击活塞系统的设计3 9 4 4 2 1 活塞系统设计的基本要求3 9 4 4 2 2 冲击活塞零件的设计计算4 0 4 4 2 3 冲击活塞台肩部分的设计计算4 l 4 4 2 4 冲击活塞缓冲油垫区长度设计4 3 4 5 本章小结4 6 第5 章配油阀设计4 8 5 1 凿岩机冲头自适应控制分析4 8 5 2 先导式配油阀控制阀芯换向的静特性分析4 9 5 2 1 传统先导式配油阀静特性分析4 9 5 2 2 新型先导式配油阀静特性分析5 l 5 3 新型液压凿岩机冲击系统压力流量分析5 2 5 3 1 活塞与阀芯速度及系统压力分析5 2 5 3 2 新型液压凿岩机冲击机构压力流量变化趋势5 4 5 3 3 新型先导式配油阀的动态数学模型5 5 5 3 4 独立无级调频调幅的实现5 9 5 4 本章小结6 0 第6 章液压凿岩机冲头新型换向系统最优控制方案研究6 1 6 1 新型液压凿岩机冲击系统设计中的参数6 1 6 2 自适应最优控制目标6 3 6 3 自适应最优控制实现方法6 4 6 4 本章小结6 6 总结与展望6 7 参考文献6 8 致谢7 2 攻读学位期间所发表的学术论文7 3 h i 液压凿岩机冲头新型换向系统的研究开发 摘要 液压凿岩机是新一代的凿岩设备，目前在冶金矿山、能源交通、市政工程中得到广 泛运用。它大幅度提高了凿岩效率，促进了生产发展。而液压冲击机构是该类设备的关 键部件，是液压凿岩机的动力传递机构，它的性能好坏，决定了整机性能的优劣。液压 凿岩机凿岩环境复杂，随着机电液一体化技术的普遍应用，根据不同的工况，使液压凿 岩机和承载机具达到最佳匹配是其良好工作的前提。鉴于目前液压凿岩机换向迟钝，换 向频数低，能耗大，效率低，环境污染严重的状况，本文研究开发设计了液压凿岩机冲 头新型换向系统。该液压凿岩机冲头新型换向系统的成功研制，有望取代传统液压凿岩 机冲头换向系统，成为我国中小矿山和一般工程施工中凿岩机械的主力机型。 本文首先介绍了液压凿岩机国内外发展现状以及岩石凿岩机理，通过分析冲击机构 液压缸压力变化的特性，研究开发适合液压凿岩机冲头的新型换向系统。 本文详细阐述了压力控制换向阀的工作原理，并用压力控制换向阀对目前凿岩机冲 头换向系统进行改进，实现自适应控制，提高凿岩效率。而且，新型液压凿岩机一经应 用，对提高我国凿岩和工程施工的装备技术水平，无疑具有重要意义。 建立了液压冲击机构的常规设计理论，根据冲击活塞运动的三段分析法，得出用特 征系数占表示的一系列运动学参数表达式。在此基础上，本文系统研究了新型液压凿岩 机重要结构参数的设计方法，依此理论方法，导出了新型液压凿岩机重要结构参数的设 计计算公式。 分析对比新型先导式配油阀( 压力控制换向阀) 和传统配油阀的优劣，并建立了新 型先导式配油阀的动态数学模型。针对新型液压凿岩机冲击能、冲击频率、推进力和转 钎速度四个参数的反馈，采用试行登山法进行自寻优控制，使凿岩速度始终处于最优状 态，以提高凿岩效率。 关键词：新型液压凿岩机；压力控制换向阀；冲击机构；数学模型；自适应最优控制 i v 硕士学位论文 a b s t r a c t h y d r a u l i cd r i l lm a c h i n ei san e wt y p eo fd r i l l i n ge q u i p m e n ti t i s w i d e l yu s e di n m e t a l l u r g i c a li n i n e ，e n e r g yt r a n s p o r t , m u n i c i p a le n g i n e e r i n ga tp r e s e n t i ti m p r o v e st h e d r i l l i n ge f f i c i e n c yg r e a t l y ，a n dp r o m o t e st h ed e v e l o p m e n to fp r o d u c t i v i t y b e i n gt h ek e yp a r t o fh y d r a u l i cm i l l i n gm a c h i n e ，h y d r a u l i ci m p a c tm e c h a n i s m , w h o s ep e r f o r m a n c ew i l ld e c i d e t h em a c h i n ep e r f o r m a n c eo ft h ep r o sa n do d n s ，a c t sa st h em e c h a n i s mt ot r a n s f e rt h ep o w e r h y d r a u l i c d r i l lm a c h i n e s d r i l l i n g e n v i r o n m e n ti s c o m p l e x t h e u n i v e r s a l 嘴o f m e c h n i c a l e l e c t r o h y d r a u l i cs y s t e m , a c x o r d i n gt od i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，m a k eh y d r a u l i cd r i l l m a c h i n ea n dl o a dt o o l st oa c h i e v et h eb e s tm a t c h i n g ，t h a ti st h ep r e m i s eo ft h eg o o dw o r k i n g g i v e nt h eh y d r a u l i cd r i l lm a c h i n ei sr e v e r s i n gs l o w , r e v e r s i n gf r e q u e n c yl o w , l a r g ee n e r g y c o n s u m p t i o n , l o we f f i c i e n c y , s e r i o u se n v i r o n m e n tp o l l u t i o ns i t u a t i o n , t h i sa r t i c l e h a s d e v e l o p e dt h en e wh y d r a u l i cd r i l lm a c h i n e a n dt h ea d v e n to ft h en e wh y d r a u l i cd r i l lm a c h i n e i se x p e c t e dt or e p l a c et h et r a d i t i o n a lh y d r a u l i cd r i l lm a c h i n e ，s e r v e sa st h em a i nm o d e l so f m e c h a n i c a la c c e l e r o m e t e r si nt h es m a l la n dm e d i u m - s i z e dm i n i n ga n dg e n e r a le n g i n e e r i n g t h i sp a p e ri n t r o d u c ef i r s t l yh y d r a u l i cd r i l lm a c h i n e sd e v e l o p i n gs t a t u so fd o m e s t i ca n d o v e r s e a sa n dr o c kd r i l l i n gm e c h a n i z a t i o n t h r o u g ht h ea n a l y s i so fh y d r a u l i cc y l i n d e r s p r e s s u r ec h a n g ec h a r a c t e r i s t i c so ft h em e c h a n i s mo fr o c ki m p a c tm e c h a n i s m ，t h i sp a p e r r e s e a r c h e s ，d e v e l o p sa n dd e s i g n st h eb e s tm a t c h i n gh y d r a u l i c - p u n c h - c o n t r o l l e dl i q u i ds y s t e m t h i sp a p e re x p o u n d st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fp r e s s u r e c o n t r o lr e v e r s i n gv a l v e s t h e a p p l i c a t i o no f t h en e wv a l v et oc u r r e n td r i l l i n gm a c h i n e si m p a c tm e c h a n i s mr e a l i z e sa d a p t i v e c o n t r o la n de l e v a t e st h ee f f i c i e n c yo fd r i l l i n g w h a ti sm o r e ，i ti su n d o u b t e d l yo fg r e a t s i g n i f i c a n c et h a tt h en e wh y d r a u l i cd r i l lm a c h i n e sw i d e l yu s et oe n h a n c eo u rc o u n t r y sr o c k d r i l l sa n dc o n s t r u c t i o ne q u i p m e n tt e c h n o l o g yl e v e l h y d r a u l i ci m p a c tm e c h a n i s mt h ec o n v e n t i o n a ld e s i g nt h e o r ye s t a b l i s h e d , a c c o r d i n gt o t h e t h r e es e c t i o n so fi m p a c tp i s t o nm o t i o na n a l y s i s ，t h i sp a p e rc o n c l u d e sas e r i e so f k i n e m a t i c sp a r a m e t e r se x p r e s s i o nb yu s i n gc h a r a c t e r i s t i cc o e f f i c i e n t o nt h a tb a s i s ，t h i s p a p e rs t u d i e st h ei 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 s d e s i g nm e t h o do f t h en e wh y d r a u l i cd r i l l m a c h i n e a c c o r d i n gt ot h i st h e o r y ，t h ed e s i g nc a l c u l a t i o nf o r m u l a so ft h en e wh y d r a u l i cd r i l l m a c h i n e si m p o r t a n ts t r u c t u r ep a r a m e t e r sa r ec o n c l u d e d a n a l y z i n ga n dc o n t r a s t i n g 谢t l ln e wp i l o tt y p eo i ld i s t r i b u t i n gv a l v e ，w h i c hi sa l s oc a l l e d p r e s s u r ec o n t r o lr e v e r s i n gv a l v e s ，a n dt r a d i t i o n a lo i lm s t d b m i n gv a l v eo ft h ep r o sa n dc o n s ， t h i sp a p e re s t a b l i s h e sd y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e lo fn e wp i l o tt y p eo i ld i s t r i b u t i n gv a l v e v 液压凿岩机冲头新型换向系统的研究开发 a c c o r d i n gt on e wh y d r a u l i c sf e e d b a c ko ff o u rp a r a m e t e r s ，t h a ti si m p a c te n e r g y ，i m p a c t f r e q u e n c y ，p r o p e l l i n gf o r c ea n dr o t a t i o n a ls t e e lc h i s e l ，u s i n gt r i a lc l i m b i n gm e t h o dt or e a l i z e t h eo p t i m a lc o n t r o l ，t h ed r i l l i n gs p e e di sa l w a y si nt h eo p t i m a ls t a t et 0i m p r o v et h ed r i l l i n g e f f i c i e n c y k e y w o r d s ：n e wh y d r a u l i c d r i l l m a c h i n e ；p r e s s u r ec o n t r o lr e v e r s i n gv a l v e s ；i m p a c t m e c h a n i s m ：m a t h e m a t i c a lm o d e l ：a d a p t i v eo p t i m a lc o n t r o l v i 硕士学位论文 插图索引 图1 1y y t 3 0 型液压凿岩机冲击机构原理图6 图2 1 内泄式两位四通压力控制换向阀1 6 图2 2 内泄式两位两通压力控制换向阀1 6 图3 1 隔膜式蓄能器结构2 0 图3 2 内泄式两位四通压力控制换向阀结构2 2 图3 3 新型液压凿岩机冲头压控自动换向工作系统2 5 图4 1 冲击活塞运动速度图2 8 图4 2 新型液压凿岩机冲击机构活塞结构简图4 0 图4 3 新型液压凿岩机活塞缓冲油垫区长度设计装置结构示意图4 4 图4 4 活塞位于第二缓冲区结构示意图4 5 图5 1 中南大学先导式配油阀结构示意图4 8 图5 2 传统先导式配油阀启闭特性曲线4 9 图5 3 新型先导式配油阀结构图5 l 图5 4 新型先导式配油阀启闭特性曲线5 1 图5 5 活塞与阀芯速度及系统压力关系5 3 图5 6 新型液压凿岩机冲击机构压力流量变化趋势5 5 图5 7 新型先导式配油阀系统分析模型5 6 图5 8 压力油控制配油阀换向压力图5 9 图6 1 自适应最优控制程序框图6 5 v 液压凿岩机冲头新型换向系统的研究开发 附表索引 表2 1 岩石可钻性分级1 3 表3 1 三种新型配油阀的分析比较1 9 v i n 硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 国内外液压凿岩机技术的发展概况 利用压缩空气作动力，推动活塞往复运动而撞击钎具的凿岩机称为气动凿岩机。这 种机器自1 8 6 1 年开始应用以来，至今已有一百三十多年的历史，它具有安全、可靠、操 作维修简便及耐用等优点，因此发展成为采掘工业中不可缺少的一种钻孔工具，应用领 域广泛，在矿业开发和开挖工程中发挥了巨大的作用。 气动凿岩机按配气机构分为被动阀型、主动阀型、无阀型三种类型，按转钎机构分 为内回转式和外回转式两种类型。随着近代科学技术的进步，合金钎杆、硬质合金片钎 头的发明，热处理、焊接技术的更加完善和提高，气动凿岩机的凿岩速度和台班效率也 得到了较大的提高。最近二十多年来，人们将重型气动凿岩机安装在凿岩台车上使用， 从而扩展了气动凿岩机的使用范围，而且大大的提高了机械效率，减轻了工人的劳动强 度。 但气动凿岩机是以压缩空气为传递能量的介质，因此存在着两个根本性弱点：一是 能耗大，它的能量利用率只略高于1 0 ，二是作业环境恶劣，噪声高，油雾大，特别是 在地下作业，此问题更加突出口儿幻。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。其中主要有： 1 直接用电力来驱动钻机旋转，称高轴压力的旋转式岩石电钻，因需要提供数以吨 计的轴推力，而且钎头磨损严重而未获得成功。 2 通过电动机的旋转，使电动机的旋转运动变换为活塞往复冲击运动，称电动冲击 式凿岩机，因安全、结构以及生产率都存在许多问题而未能推广。 3 采用全断面掘进机代替钻孔爆破作为破碎和挖掘岩石的一种手段。但它只适用于 在软岩或中等以下岩石中作业，对硬岩和地质结构复杂多变的地区还存在很多问题。另 外，这种机器构造复杂，体积大，价格高等一系列问题，应用仍有很大的局限性，还不 能达到取代钻孔爆破法破碎岩石的目的。 液压凿岩机是一种以液压油为动力，在工作原理上与气动凿岩机相类似的一种凿岩 机，是上个世纪七十年代开始生产并得到应用的一种新型凿岩机械。这种凿岩机一出现 就受到各国采矿界的重视，它的研制成功是凿岩技术上的一项重大革新。能量利用率大 大提高，工作平稳、振动小，工作环境得到改善。由于这些优点，液压凿岩机开始被人 液压凿岩机冲头新型换向系统的研究开发 们所重视，越来越多的人开始研制液压型凿岩机。最原始的液体凿岩机可能要算德国人 发明了一台水利驱动的“凿岩机”，严格来说这台机器只能称之为液压钻机，因为它只能 作旋转运动嗍。到了6 0 年代，液压凿岩机就如雨后春笋般发展起来，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。1 9 7 0 年蒙塔贝特( m o n t a b e r t ) 公司首 先制成第一代可用于生产的液压凿岩机。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1 。在7 0 年代研制液压 凿岩机的还有前苏联、波兰、南非和我国等。液压凿岩机一经生产实践，就显示了它的 优越性h 儿刀旧。它与气动凿岩机相比，大幅度降低了能耗( 仅为同量级气动凿岩机的 1 3 - 1 4 ) ，提高了钻孔速度一倍以上；改善了作业环境( 噪声可降低1 0 d a ( a ) - 1 5 d b ( a ) ， 且无油雾) ；主要零部件寿命长，钎具消耗少，为凿岩作业实现自动化创造了有利条件。 7 0 年代初期，投放市场的液压凿岩机虽然显示出巨大的优越性，但也暴露出设计中种种 缺陷，各公司都在改进、完善设计，并向系列化迈进。如蒙塔贝特公司最初推出的h 5 0 ， h 6 0 型液压凿岩机，至u 1 9 7 6 年己被h 4 5 和h 7 0 型代替。一些公司在淘汰旧产品，发展新 产品的同时也在发展系列产品，如阿特拉斯科普柯( a t l a sc o p c o ) 公司7 0 年代市场上由一 个型号到两个型号瑚3 ，n 8 0 年代初己发展到七个型号。但这1 0 年总销售量并不多，据 文献的统计，总共也就2 0 0 0 多台n 1 1 ，8 0 年代是液压凿岩机迅速发展和成熟的阶段。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1 9 8 1 年市场上 销售的约有4 8 个型号，至u 1 9 8 4 年己有7 1 个型号，至1 9 8 9 年初己超过了1 0 0 个型号n 幻。但 有竞争能力的仅有1 2 家公司，销售量也大幅度增加了，仅瑞典阿特拉斯科普柯公司年销 售量己达3 0 0 0 - - - 4 0 0 0 台口礼n 帕。液压凿岩机的发展趋势是：增大冲击功率，以提高钻孔速 度( 如c o p l 4 4 0 型与c o p l8 3 8 型冲击功率提高到2 0 k w ，凿岩速度在2 0 0 m p a 的花岗岩中 钻4 1 m m 的孔径，可达3 m m i n ) ；改进结构设计和钎具质量，提高钻孔经济性和精确 性( 如c o p l8 3 8 液压凿岩机的钻孔速度比c o p l 2 3 8 型提高8 0 ，钎具寿命也相应延长8 0 ，大修时间间隔延长一倍以上) ：深孔凿岩增设反冲装置，提高成孔率；采用智能化 控制等。目前液压凿岩机广泛地用于采矿工业、煤炭工业、水电工程、铁道工程、公路 工程以及军事工程钻凿各种中、小直径的爆破孔等领域。 1 1 1 国外液压凿岩机技术的发展概况 鉴于液压凿岩机在技术、经济以及社会效益方面具有极大的优越性，国外液压凿岩 机自投入市场来竞争一直相当激烈。美国、瑞典、芬兰、德国、日本和英国等数十家单 位参与竞争。其中，国际上液压凿岩设备竞争力较强的有瑞典a t l a sc o p c o 公司和芬兰 2 硕+ 学位论文 t a m r o c k 公司，产品占全世界的6 5 以上。据不完全统计，目前国夕1 2 0 多个国家的几十 家公司相继研制并生产的各种型号液压凿岩机已有上百种，而且大都自成系列。年产量 已从8 0 年代初的2 0 0 0 台发展至u 1 9 8 6 年的1 万台以上。目前的产量己超：也万台，而且还在 继续增加。其中瑞典a t l a sc o p e o 、芬兰t a m r o c k 和法国s e c o m a 等公司生产的液压凿岩机 及其配套钻车的品种型式和技术水平，在当今世界都具有一定的代表性。而且现在液压 凿岩机的种类丰富，无论是井下或露天、掘井或采矿，都有相应的液压凿岩机供选用。 如芬兰t a m r o c k 公司8 0 年代初液压凿岩机只有3 个系列，目前该公司的产品己发展到7 个 系列，从小型手持式到超重型，品种规格齐全。在发展回转一冲击式产品的同时，适用 于软岩上钻孔的纯回转液压凿岩机也得到相应发展。尤其是瑞典a t l a sc o p c o 公司能够灵 活地根据用户的某些特殊要求，在某种机型产品上稍加改进，就可以组装成专用产品， 产品上的配套部件可随不同地区和国家的不同环境而改变，并有很多供选用的辅助设 备，如集尘器、卷扬机、行走和凿岩控制摇臂、低冲击压力机构、机械换钎机构和炮孔 角度测量仪等等n 司。目前各公司推出的产品一般都经历了2 - 3 次更新换代，有的甚至是 第4 代产品。其液压凿岩设备的钻臂、推进器和操纵系统等主要部件都己实现标准化和 系列化，适用范围广，零件通用率高，一般都可根据用户的不同要求组装成各种型式的 钻车，实现品种规格的多样化。同时缩短了产品设计周期，产品更新换代快。1 9 8 6 年a t l a s c o p c o 公司推出第二代c o p l 4 4 0 和c o p l 5 5 0 型等新型高速液压凿岩机，其凿岩效率比 c o p l 2 3 8 提高一倍。最新推出的c o p 4 0 5 0 型重型液压凿岩机，冲击功率高达 4 0 k w ，a t a m r o c k 公司的4 0 0 系列是大功率超重型液压凿岩机，用于露天矿山钻凿直径 1 8 0 - 2 3 0 m m 的炮孔，最大可达2 7 5 m m ，其凿速相当于同级牙轮或潜孔钻机的2 - 4 倍， 而能耗仅为潜孔钻机的1 4 n 明。 近一二十年来是高新技术的飞速发展时代，所以随着液压控制和电子技术的发展和 应用，凿岩设备的自动控制水平大大提高，即自动开孔、防卡钎、自动退钎、钻车和钻 臂自动移位、定位以及遥控操作系统等。这种全自动钻车被称之为凿岩机器人，由于这 类凿岩机器入主要用于隧道的开挖，故又将它称为隧道凿岩机器人，先后有挪威、日本、 法国、美国、英国、德国、芬兰、瑞典及前苏联等国家的许多厂家积极参与了这项工作。 仅挪威就有b e r v e 公司、电子公司、f u r u h o l m e n 公司、a w v 公司和工程合同公司等众 多的公司竞争，其中工程合同公司率先从1 9 7 2 年开始进行这项研究，1 9 7 8 年即拿出基 本可用的隧道凿岩机器人样机。b e r v e r 公司开发的软件最为出色，其全自动数据导向系 统已为多个国家的隧道凿岩机器人生产厂家所采用。日本东洋公司也早在1 9 8 2 年研制 3 液压凿岩机冲头新犁换向系统的研究开发 成a d 系列两臂和四臂凿岩机器人，法国m o n t a b e r t 公司从8 0 年代己推出六种r o b o f o r e 型凿岩机器人，瑞典a t l a sc o p c o 公司和芬兰t a m r o e k 公司生产的液压凿岩设备占全世 界产量的一半以上。尽管它们不是凿岩机器人的率先研制者，但凭借它们在这个领域中 数一数二的实力，也先后在19 8 5 年和19 8 7 年研制成功r o b o t b o o m 系列和d a t a m a t i 系 列凿岩机器人。这类凿岩机器人装备有两级分布式计算机管理和控制系统，可完成离线 编制炮孔布置程序，编制炮孔表、钻孔顺序表、其信息可存储、打印以及传输到钻臂控 制系统，分别控制每个钻臂动作，以保证钻臂定位准确、控制炮孔布置及炮孔精度。显 示器可显示钻臂方向、炮孔布置状况、凿岩进度和进尺等。控制方式一般有两种，一是 自动控制，二是遥控操作控制。 1 1 2 国内液压凿岩机技术的发展概况 由于液压凿岩机设备在能源、交通运输和矿山工业等各工程建设部门中有着重大作 用，而且为了跟踪国际水平，我国在液压凿岩机的研究和制造上也投入了大量的人力和 物力。八十年代初，第一代液压凿岩设备在湘东钨矿开始研制，主要类型有y y g 8 0 型 液压凿岩机、c g j 2 y 型全液压钻车。随后国家和相关企业投入大量资金，在全国各高校 和科研院所进行研究。目前进行液压凿岩设备有北京科技大学、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、沈阳风动工具厂、天水风动工具厂和瞿洲 凿岩机厂等1 0 多个单位，已经研制出来的大概有2 0 多种型号。我国8 0 - 9 0 年代研制并 通过国家鉴定的液压凿岩机型号共1 2 种，它们是：y y g s 0 、t y y g 2 0 、y y g j l 4 5 ( 仿 c o p l 0 3 8 h ) 、y y t 3 0 、y y g 3 0 、c - g t 7 0 、y y g s o a 、y y g 9 0 、y y g 2 5 0 a 、c y y 2 0 ( 仿法 国r p h 2 0 0 ) 、y y g 9 0 a 和d z y g 3 8 b ( 仿c o p l 2 3 8 m e ) 。其中冲击能在1 5 0 j 以下的5 种， 其余的7 种冲击能均在1 5 0 - 2 5 0 j 之间。可钻孔径大部分在4 0 - 5 0 m m 之间，只有 y y g 2 5 0 a 、y y g j l 4 5 、t y y g 2 0 和d z y g 3 8 b 型液压凿岩机可钻孔径大于5 0 m m ，最大 可达1 2 0 m m 。初步估计，这些凿岩机在国内加工制造和销售超过4 0 0 余台，其中销售 最多的是y y g 8 0 、y y t 3 0 和y y g 9 0 a 型三种7 1 。1 2 种型号中除3 种为测绘仿制国外 当时市场销售的机型外，其余都是我国自行研制的。它们在结构上一般采用独立转钎机 构，活塞运动行程可调，有防空打缓冲装置；其配流机构普遍采用有阀式，芯阀及套阀 均有。不论采用何种配流阀，按配流方式又有双面回油和单面回油两种，它们各有特点， 根据各研制单位的传统决定。由于它们利用高压液体驱动，采用与钎尾直径接近的细长 活塞，冲击能高，且改善了活塞对钎杆的能量传递，可获得较同级别气动凿岩机高1 - 2 倍的凿岩速度，钎具寿命也相应延长5 0 - 1 0 0 ，操作工人的作业条件也明显改善n 羽。 4 硕士学位论文 瑞曲和法国等国早在7 0 年代末就对使用液压凿岩设备与气动凿岩设备的能耗和每米炮 孔的成本作过对比，它们的比值分别为l ：3 8 5 和l ：1 3 。近几年，我国在铁道、水电 及矿山部门使用的统计资料和对比数字也证实了这一点。 从上述可以看出，我国的液压凿岩已达到了一定水平。但大多数厂家生产的液压凿 岩机稳定性指标均在5 0 0 m 左右( 不拆机检修) ，而世界先进水平的瑞典产品则规定为 6 0 0 0 m 。国内只有中国地质大学生产的d z y g 3 8 b 型液压凿岩机样机的工业性试验才达 到这一世界水平的指标。因此，国内的液压凿岩机与国际先进水平尚存在很大差距，且 引进产品现在尚未完全国产化，其关键零部件仍依赖进口。究其原因主要有如下几个问 题总是没有完全解决好：一是高速、高压下的密封结构和支承活塞运动的前、后导向套 的结构；二是活塞、钎尾、导向套和密封材料的选择与应用，以及材料热处理和高精度 加工；三是蓄能器隔膜的材料及寿命等。从而导致零件寿命低，密封不可靠，内外泄漏 严重，以及活塞研缸和导向套咬合等故障，造成国产液压凿岩机可靠性指标下降。 尽管我国己进行了多种型号的液压凿岩设备的技术引进，但品种不齐，规格不齐， 且大都停留在仿制的水平，远远不能满足我国工程部门的需求。近1 0 年来，购进a t l a s c o p e o ，t a m r o c k , s e c o m a 公司等五个国家七家公司的全液压凿岩设备近3 0 个型号5 0 0 多 台套，液压凿岩机1 2 0 0 余台。这些设备在各工程建设部门发挥重大作用，促进了能源、 交通运输和矿山工业的发展。不过我国的经济实力也不宜大量购买进口设备。因而，必 须进一步加快消化吸收国外技术，如沈阳风动工具厂、天水风动工具厂、宣化风动工具 厂、南京工程机械厂和沈阳有色冶金设备总厂5 家工厂先后同瑞典a t l a sc o p c o 公司和法 国s e e o m a 公司签定了5 个技术引进合同，这些对推动我国液压凿岩设备的研制都有着很 大的作用。特别要指出的是，我国有大量中小矿山，为了改变传统生产方式带来的效率 低下、采矿成本高、体力劳动繁重、作业不安全的落后状况，开发小型凿岩设备，对中、 小矿山全面实现采掘凿岩机械化，促进生产力发展，解决中、小矿山的迫切需要都具有 十分重要的意义。另外，我国西部省份矿产资源丰富，但地形复杂、多山，而开发西部 必须优先发展的交通、能源产业、铁路、高速公路和水电建设又将进入空前发展阶段， 目前急需适应性强、品种全的各类凿岩设备，这必将推动我国凿岩设备制造业的蓬勃发 展。所以，就我国来说研制满足工程需要的性能先进和工作可靠的新型液压凿岩设备， 对提高国民经济有着巨大的作用。 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。而且，对传统液压 5 液压凿岩机冲头新型换向系统的研究开发 凿岩机来说，现有技术中两位换向阀的换向控制以电磁力、机械力、液动力推动阀芯实 现换向。而在需要压力换向的场合，需要压力传感元件及换向阀共同组合实现，使液压 系统及控制系统复杂。如图1 1 所示是y y t 3 0 型液压凿岩机冲击机构原理图n 引，在冲击 过程中，不能根据不同的工况条件实现自适应控制，比如说，当冲击岩石时，由于岩石 反弹，这种液压凿岩机就不能借助反弹力量及时将冲击活塞抬起；当冲击沙石混和物时， 冲击活塞既不反弹回程又不能向前冲击，即冲击活塞出现“卡死 现象。而且矾汀3 0 型液压凿岩机换向迟钝，换向频数低，能耗大，效率低。 图1 1y y t 3 0 型液压凿岩机冲击机构原理图 1 2 本课题的提出及研究的主要内容 1 2 1 本课题的提出 我国经过多年的改革开放，充分吸收了国外的先进技术，液压凿岩机的设计水平有 了大幅度的提高，液压凿岩机的制造技术基本成熟，本课题针对现有凿岩机冲击工作机 理进行分析研究，结果发现液压凿岩机工作过程是一种典型的压力冲击过程，液缸中的 液压力变化过程反映了冲头的动作姿态。由此可知，根据液压凿岩机的工矿条件( 岩石、 沙石、粘土) ，利用这种压力变化特性对冲头换向系统进行直接控制有利于工作效率提 高，改善凿岩机工作性能。根据冲击过程中压力变化特性，利用能识别压力并及时切换 油路的压力控制换向阀及控制系统对冲头实现自适应控制，正是在这样的背景下，本文 提出液压凿岩机冲头新型换向系统的总体结构方案。 6 硕士学位论文 1 2 2 本课题研究的主要内容 本文的主要研究内容如下： 1 以压控换向阀为核心，研究开发设计适合凿岩机液压冲头换向控制的液压系统。 2 建立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的运动学参数表 达式。 3 根据活塞运动的三段分析法对新型液压凿岩机冲击机构的设计理论进行研究。导 出活塞系统设计计算公式。 4 建立新型液压凿岩机冲击机构各个运动阶段的数学模型，得出了部分结构设计参 数的设计计算公式。 一 5 对本文提出的新型液压凿岩机所采用的压控换向阀进行了理论模型研究。通过对 新型配油阀和传统配油阀静特性分析，得出了新型配油阀的优点，建立了新型配油阀的 动态数学模型。 6 建立了以推进速度最大为目标的自寻优控制数学模型，采用逐个变量试行登山法 实现自适应最优控制。 1 3 本课题的研究意义 液压凿岩机是2 0 世纪7 0 年代发展起来的一种新型工程机械，目前在冶金矿山、能源 交通、市政工程中得到广泛的运用。液压凿岩机和承载机具的匹配是其良好工作的前提， 随着机电液一体化技术的普遍应用，根据不同的工况，如何有效的控制这类设备，是当 前工程技术人员所急需解决的技术问题。 因此，研制开发液压凿