一种可调频共振式液压凿岩机的改进设计

易 飚

(苏州市职业大学 机电工程学院，江苏 苏州 215104)

在现有技术中，凿岩机是用来直接开采石料的机械，广泛应用于水电、矿山等岩石工程领域。目前凿岩机主要有气动、 液压两大类，其中气动凿岩机具有操作方便、维修方便等优点，但是钻速较低，无法钻凿较硬的岩石；而液压凿岩机是一种节能、高效凿岩设备，近年来迅速发展，大有取代气动凿岩设备的趋势。

1 液压凿岩机的工作原理与存在问题

液压凿岩机主要由推进机构、冲击机构和回转机构组成，它的工作原理如图1所示。先通过电动机(3、6)分别带动单向泵(2、5)向系统供油，采用先导式溢流阀(1、4)调节系统进口压力，图中推进机构12的前进与后退由调节电磁换向阀8来实现，冲击机构13的往复运动由控制开关阀9来实现，回转机构11的正反转由调节电磁换向阀7来实现。其中推进机构使凿岩机的钎杆15充分与岩石16接触，然后冲击机构带动冲击活塞14往复运动撞击钎杆的钎尾，钎杆的头部将岩石冲击破碎，最后通过回转机构连接的刀具将破碎的岩石切削脱落。在整个凿岩的过程中，该液压凿岩机存在以下问题：1)对高硬度的岩石钻孔时，冲击机构往复运动中，受冲击频率的限制，一般凿岩钻孔的效率普遍较低，并且会导致凿岩机钻头损坏的现象；2)缺少高效的防止向后撞击的装置；3)钎尾和与之碰撞的冲击活塞端面容易损坏；4)钎体座和冲击体座在运行中易受到相互的撞击而损坏等问题。

图1 液压凿岩机工作原理

2 一种可调频共振式凿岩机的改进设计

2.1 共振式凿岩机的改进设计原理

目前市场的凿岩机主要有气动、液压凿岩机两大类，但这两大类凿岩机的振动频率往往不会与岩石固有频率相同，因而也就无法在共振状态下工作。因此，需改进现有液压凿岩机的设计，能让机器具有快速测量施工位置不同硬度岩石的固有频率，然后让凿岩机在该固有频率下工作，就能提高凿岩打孔的效率[1]。

2.2 可调频共振式凿岩机的原理图和机械结构图

设计改进的原理图如图2所示，图2中9为双喷嘴档板电反馈式电液伺服阀，16为高压蓄能器。核心的改进是将图1中的二位二通电磁阀9改为图2中的双喷嘴档板电反馈式电液伺服阀9。电液伺服阀是电液伺服控制中的关键元件，是一种接受模拟电信号后，相应输出调制的流量和压力的液压控制阀，具有动态响应快、控制精度高、使用寿命长等优点。通过该阀的操作就可以较为快捷地调整冲击部件的冲击频率。由于岩石的共振频率除了和岩石本身的固有频率有关，还和岩石的质量、形状都有关系，寻找岩石固有频率的做法如下：先将电反馈式电液伺服阀的扫描频率的范围设定在10～200 Hz，间隔10 Hz，观察凿岩的工作效果，缩小查找岩石共振频率的范围数值，例如20～40 Hz，然后再将电反馈式电液伺服阀的扫描频率的间隔设置在2 Hz，再观察凿岩的工作效果，只需冲击频率处于岩石的共振频率附近，凿岩的效率就能大幅度提升。整个扫描与调频的过程只需要2～3分钟，最后凿岩机采用接近共振频率的实际工作振动频率进行凿岩，利用钻头与岩石产生的共振使岩石破碎，大大提高了传统凿岩机凿岩效率，尤其是提高了凿岩机在硬岩地质条件下的钻孔效率。

图2 凿岩机冲击部分改进后的原理

3 共振状态下凿岩机工作时存有问题以及改进办法

3.1 改进高效的防后撞的装置

液压装置中的防后撞是指防止活塞行程中，由于反弹的惯性冲击，会碰撞液压凿岩机的零件造成机件损坏。各种液压凿岩机均设计有缓冲装置，其中蓄能器就是液压凿岩机防后撞的部件之一，主要作用是：吸收活塞冲程开始和回程阶段油泵供给的多余流量，提供冲程后期活塞运动所需的峰值流量；吸收压力冲击，以降低压力峰值以及延长其使用寿命[2]。

但是活塞如果在共振状态下工作的时候，由于其前后腔的压力始终是变化的，加上控制阀的频繁切换，油流不断改向而形成的压力脉动，使活塞运动状况十分复杂，反弹的惯性冲击也会加剧[3]。凿岩机冲击部分改进后的机械结构如图3所示(在图3中，1为双喷嘴档板电反馈式电液伺服阀，2为高压蓄能器，3为蓄能器盖，4为隔膜)。所以采用高压蓄能器来进行改进，其结构由内、外下两部分腔体组成，中间用隔膜进行分割，其容积大致相等，外腔体输入高压的氮气，内腔体的压力油是从进回油管通过蓄能器盖进出。正常工作时，采用如图3隔膜的结构，能让隔膜的振动频率与冲击器振动频率接近，并且使得隔膜振动时偏离中间位置的距离也基本相等，这样就能有效地防止后撞。

图3 凿岩机冲击部分改进后的机械结构

3.2 防止钎尾和与之碰撞的冲击活塞端面的损坏

实际使用中，钎尾和活塞冲击端面快速撞击，会发生局部变形。其原因冲击活塞与钎尾高频撞击，久而久之，钎尾和活塞冲击端面就发生塑性变形，甚至材料破裂，掉落小金属块等现象，如图4所示[4]。分析原因：大致有钎尾材质或热处理硬度不合适、凿岩机长时间空打等因素，特别是在共振频率下工作，振幅变大，更容易产生钎尾和冲击活塞端面的损坏。可以采用措施如下：选用凿岩机生产厂或正规配套商生产的钎尾；操作过程中要尽量避免长时间空打，定期保养，确保钎尾与冲击活塞同轴；可以在钎尾和活塞冲击的端面各增设撞击块，如图5的1所示，用沉头螺钉固定在钎尾和活塞冲击的端面上[5]。

3.3 防钎体座和冲击体座的相互撞击损坏

由于凿岩机在共振频率下工作，振幅加大，撞击的幅度也会加大，特别是对于钎体座和冲击体座的连接处会有明显的影响，需要在连接的位置增设隔振密封垫，不但可以保护钎体座和冲击体座不产生裂纹等，而且可以防止压力油的渗漏。

图4 冲击活塞端面

图5 防碰撞结构

4 结论

本研究设计了一种可调频共振式液压凿岩机。在保留了传统凿岩机冲击钻凿岩石功能的基础上，利用凿岩机在共振频率下工作时，振幅增加的特性，有效地叠加共振动力进行凿岩。实际使用表明，新型的凿岩机有钻孔速度快、使用寿命长和噪声低等优点，该装置将会有广泛的应用前景。