中深孔液压凿岩装备设计方法研究

刘　忠，邹　宇，张　凯

（常熟理工学院 机械工程学院，江苏 常熟 215500）

中深孔液压凿岩装备设计方法研究

刘忠，邹宇，张凯

（常熟理工学院 机械工程学院，江苏 常熟 215500）

目前，隧（巷）道掘进普遍采用了中深孔掘进爆破技术，该技术对液压凿岩设备的技术进步提出了新的要求.本文对中深孔液压凿岩装备设计理论进行了探讨，提出了基于效率最优的无阀控液压凿岩机构设计方法，对于中深孔液压凿岩设备的设计与制造有积极意义.

中深孔掘进；无阀控液压凿岩机；设计

1　引言

随着国民经济的飞速发展，我国的隧（巷）道掘进技术取得了重大进步.在国家重点工程，如铁路隧道、高速公路、水电涵洞的开挖和金属矿山的开采等，普遍采用中深孔掘进爆破技术.该技术是目前国内外广泛采用的用于矿山剥离、采矿、水利工程及铁路开挖等工程的主要爆破方式.将中深孔掘进技术、开采爆破技术和液压凿岩钻孔装备应用于大中型矿山，可以有效改善其安全生产条件，减少生产事故，提高生产效率.

国内外的研究实践表明，中深孔掘进采用先进的液压凿岩设备提高其技术指标，是凿岩掘进技术的发展方向.如增加平巷掘进的一次凿孔深度，是减少辅助作业时间、提高工效和加快掘进速度的有力措施.通过对掘进工艺和中深孔掘进设备进行优化试验，一次凿孔深度可达5～8米，技术经济效益十分显著；中深孔掘进工艺除要求钻凿小直径的爆破孔外，还必须钻凿掏槽大直径孔.目前，国内外的中深孔液压凿岩设备尚不能完全满足上述工艺要求.随着对中深孔掘进工艺的安全、高效和低成本要求的日益紧迫，相应对中深孔液压凿岩装备的理论及技术研究提出了更高的要求［1-3］.

2　中深孔液压凿岩装备设计理论分析

2.1设计理论概述

中深孔液压凿岩装备是掘进钻凿施工中常用的液压冲击振动设备.它以油液为介质，将压力能转换为动能，通过往复运动的活塞冲击钎杆进行能量传递，使工作对象（岩石等）发生位移、变形或破坏，最终达到冲击、破碎的工作目的［4-5］.以液压凿岩机为例，其主要由冲击活塞、配流控制阀和蓄能器三个主要部件组成，是以液压力驱动活塞往复高速运动，对外输出冲击能来进行工作的；此外，还有推进系统、回转系统和高压冲洗系统.

长期以来，液压冲击振动系统运动规律的研究与探索一直是人们关注的焦点，描述其运动规律的数学模型，可分为线性模型和非线性模型两种.线性模型研究中的基本假设条件是“液体油压力恒定不变”，并忽略某些影响因素，由此建立起液压振动系统的线性模型，将其运动规律用明确的线性数学模型表示，可方便地求得解析解.中南大学杨襄璧教授提出了抽象设计变量理论：以α=T1/T（T1为振动活塞冲程时间，T为振动活塞运动周期）作为抽象设计变量，由此推导出了液压振动系统结构与性能参数的全套设计公式，并得出不同优化目标的α值［6］.在非线性研究方面，Adriana Potts运用液压控制系统的动态建模理论建立了液压振动器的非线性数学模型，以提高能量利用率为目标，对液压振动系统进行了优化设计，并根据优化结构参数设计了一台应用于生产的液压振动破碎锤［7］.何清华教授使用状态切换法建立了液压凿岩机振动系统全面的数学模型，提出了“准匀加速计算法”，并对各状态切换间的误差进行了修正，提高了仿真精度［8］.

目前液压凿岩设备的振动系统研究主要是基于阀控缸系统的理论模型，其输出是以振动冲击能和振动频率的形式，液压凿岩设备的效率大约为40%～50%左右，其能量损失是较大的.国内外学者研究表明［9-13］：阀控式液压振动系统，其主要能量损失是在控制阀部分和活塞缸体振动冲击运动部分，振动冲击部分的能量损失主要是由泄漏、粘性阻力和密封阻力等原因造成的；控制阀部分的能量损失主要来自于泄漏、阀口压力损失以及阀芯的高速运动，这部分能量损失占液压振动系统总能量损失的50%以上.因此，为提高液压振动系统的工作效率，振动活塞与控制阀的互动控制规律，得到了学者们的研究和重视.杨国平教授等人分析了控制阀的最优阀芯行程和优化设计方法，提出必须在保证阀芯动作快速性的前提下使控制阀的能量损失最小，以达到驱动振动活塞快速往复运动的目的［14］.但由于阀控缸液压振动系统固有的局限性，冲击活塞在缸体内的高速往复运动必须靠控制阀的高速换向实现工作液流的前后腔交替供给，不可避免地引起换向液流能量损失和液流波动，液压凿岩设备的能量利用率普遍不高.因此，为提高能量利用率，研究新结构原理的液压凿岩设备是人们研究的重要课题.

2.2设计理论研究

2.2.1基于液压凿岩变频调能机理的理论分析

采用中深孔凿岩爆破工艺，其作业效率高、成本低，作业安全，在我国大中型金属矿山中应用非常普遍. Melamed、杨襄璧等学者通过分析中深孔凿岩工艺发现，根据中深孔爆破工艺要求，必须钻凿两种不同直径的炮孔，即掏槽的大孔和爆破的小孔，钻凿大孔时，要求凿岩机输出大冲击能，钻凿小孔时，输出小冲击能，以实现凿岩功率的最佳输出和提高能量利用率.由此建立了按大冲击能钻大孔，小冲击能钻小孔，且满负荷钻小孔，短时过负荷钻大孔的设计理论和方法，提出了中深孔液压凿岩机自动换档机理与技术方案.该理论的创新点在于将系统工作流量和凿岩冲击振动系统活塞行程联系起来，一个是系统的输入量，一个是系统的内在结构参数，工作流量是液压凿岩机“加载器”，而活塞行程是液压凿岩机频率、压力和输出功率的“调节器”，深化了液压凿岩设备内在规律的认识［3］.对于研究和分析中深孔液压凿岩装备的输出能量控制有重要的指导意义.

中深孔凿岩掘进工艺的要求和液压凿岩设备的工程实践表明，为适应钻凿不同物理性质的岩石，要求凿岩设备的输出工作参数可以调节，以适应多种情况的岩石，提高其适应范围和工作效率.目前主要有行程调节、流量调节和压力反馈调节三种方式，这三种调节方式都是基于阀控缸基本结构，分别存在调节范围小、调节功率与主机不匹配和调节不精确等缺陷.为此，将液压凿岩设备、液压动力源（泵）及驱动主电机综合研究，研究分析液压泵驱动的液压凿岩设备参数调节和耦合特性.通过驱动电机的变频控制，再进一步控制液压泵的输出流量或压力，从而控制液压凿岩设备振动系统的冲击能和冲击频率等参数，即液压凿岩设备的变频调能理论.

2.2.2基于效率最优的无阀控液压振动系统设计

无阀控液压振动系统是区别于传统的有阀控液压凿岩设备提出的新原理，它是通过活塞在缸体中自配流机理，并设置氮气做功机构，完成活塞回程、冲程的循环往复高频冲击振动，以达到输出冲击能量和频率的目的.

图1　无阀控自液压凿岩振动系统

其结构原理如下（见图1）：无阀控液压凿岩振动系统是依靠活塞3运动来给工作腔配油的，前腔进油蓄能器4、后腔回油蓄能器5和氮气室7充有一定初始压力的氮气.根据后腔油液状态的变化，可将活塞运动行程分为排油、压缩（或膨胀）和进油三个阶段.冲击活塞%缸体上的控制有孔配合自激励完成回程、冲程的循环往复高频运动下工作，以达到输出振动能量和频率的目的.由于简化了系统结构，不需控制阀的高速频繁换向动作，减少了系统流量泄漏和发热损失，大大提高了液压振动系统的效率.

无阀控液压振动系统要实现提高能量利用率，就要使缸体流道中峰值流量最小.要使液压振动系统的峰值流量最小，可以通过选取气液做功比Ф（氮气受压膨胀做功与后腔压力油及后腔蓄能器排油做功之比），确定设计变量α（振动活塞冲程时间与振动活塞运动周期时间之比），从而设计出合理的液压振动系统结构来实现.设计变量的最优值α与气液做功比Ф有着唯一的函数关系，在设计过程中只要导出气液做功比Ф，就可以确定最优设计变量α.由α能确定液压振动系统的所有运动特征和结构特征，即可实现基于效率最优的新型液压振动系统的设计［15］.

在国家自然科学基金的资助下，刘忠教授领衔的研究团队完成了无阀控液压凿岩机的整体设计，并对其各部分结构进行了优化；针对氮气做功机构在无阀控液压凿岩机中的作用，通过液压冲击器的计算公式与理想气体的状态方程的联立，推导计算出在确定气液做功比下的无阀控液压凿岩机的氮气做功机构的初始压力与初始体积的公式，并运用计算机仿真分析，求得了氮气做功机构的最高压力与最低压力之比λ的最优解，从而确定氮气做功机构的最优取值范围.

3　结语

针对中深孔液压凿岩工艺特点，以无阀控液压凿岩冲击振动系统为研究对象，对中深孔液压凿岩装备变频调能机理及基于效率最优的液压凿岩冲击振动新方案设计问题进行研究和探讨，课题研究对于中深孔掘进液压凿岩设备的主要理论和技术方案的形成、完善和发展，推动中深孔液压凿岩掘进爆破技术的进步具有重要的理论和现实意义.

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A Research on Design Method of Hydraulic Rock Drilling Equipment for Medium-deep Hole

LIU Zhong，ZOU Yu，ZHANG Kai
（School of Mechanical Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China）

Tunnel（Lane）Road excavation technology has made significant progress in China,such as railway tunnels,hydro-power culvert excavation,and metal mines mining,in which medium-hole blasting technology is commonly used.This paper puts forward new requirements of the technical progress of the hydraulic rock drill⁃ing equipment that the blasting technology of rock excavation is increasingly spread at home and abroad.The pa⁃per conducts an in-depth research on the basic theory of the medium-hole hydraulic rock drilling equipment, and proposes a design theory of non-valve controlled hydraulic vibration system based on the optimal efficiency. The research will be able to effectively solve the difficulties in design theory for the medium-hole hydraulic drilling equipment.The scientific design of the equipment has the highest energy efficiency and the optimal effi⁃ciency has been realized,which has the great significance for developing and improving the design theory and manufacture of the rock drilling equipment.

medium-hole rock driving；valveless hydraulic drilling；design

TP391.9

A

1008-2794（2015）02-0001-04

2014-09-07

国家自然科学基金项目“中深孔液压凿岩设备设计理论与若干关键技术研究”（NSFE51275060）；苏州市科技计划项目“自激励液压凿岩机系统关键技术研究”（SYG201325）

通讯联系人：刘忠，教授，博士，研究方向：现代工程装备设计，E-mail:liuzhong678@sina.com.