中深孔液壓鑿巖裝備設計方法研究

劉　忠，鄒　宇，張　凱

（常熟理工學院 機械工程學院，江蘇 常熟 215500）

中深孔液壓鑿巖裝備設計方法研究

劉忠，鄒宇，張凱

（常熟理工學院 機械工程學院，江蘇 常熟 215500）

目前，隧（巷）道掘進普遍采用了中深孔掘進爆破技術，該技術對液壓鑿巖設備的技術進步提出了新的要求.本文對中深孔液壓鑿巖裝備設計理論進行了探討，提出了基于效率最優的無閥控液壓鑿巖機構設計方法，對于中深孔液壓鑿巖設備的設計與制造有積極意義.

中深孔掘進；無閥控液壓鑿巖機；設計

1　引言

隨著國民經濟的飛速發展，我國的隧（巷）道掘進技術取得了重大進步.在國家重點工程，如鐵路隧道、高速公路、水電涵洞的開挖和金屬礦山的開采等，普遍采用中深孔掘進爆破技術.該技術是目前國內外廣泛采用的用于礦山剝離、采礦、水利工程及鐵路開挖等工程的主要爆破方式.將中深孔掘進技術、開采爆破技術和液壓鑿巖鉆孔裝備應用于大中型礦山，可以有效改善其安全生產條件，減少生產事故，提高生產效率.

國內外的研究實踐表明，中深孔掘進采用先進的液壓鑿巖設備提高其技術指標，是鑿巖掘進技術的發展方向.如增加平巷掘進的一次鑿孔深度，是減少輔助作業時間、提高工效和加快掘進速度的有力措施.通過對掘進工藝和中深孔掘進設備進行優化試驗，一次鑿孔深度可達5～8米，技術經濟效益十分顯著；中深孔掘進工藝除要求鉆鑿小直徑的爆破孔外，還必須鉆鑿掏槽大直徑孔.目前，國內外的中深孔液壓鑿巖設備尚不能完全滿足上述工藝要求.隨著對中深孔掘進工藝的安全、高效和低成本要求的日益緊迫，相應對中深孔液壓鑿巖裝備的理論及技術研究提出了更高的要求［1-3］.

2　中深孔液壓鑿巖裝備設計理論分析

2.1設計理論概述

中深孔液壓鑿巖裝備是掘進鉆鑿施工中常用的液壓沖擊振動設備.它以油液為介質，將壓力能轉換為動能，通過往復運動的活塞沖擊釬桿進行能量傳遞，使工作對象（巖石等）發生位移、變形或破壞，最終達到沖擊、破碎的工作目的［4-5］.以液壓鑿巖機為例，其主要由沖擊活塞、配流控制閥和蓄能器三個主要部件組成，是以液壓力驅動活塞往復高速運動，對外輸出沖擊能來進行工作的；此外，還有推進系統、回轉系統和高壓沖洗系統.

長期以來，液壓沖擊振動系統運動規律的研究與探索一直是人們關注的焦點，描述其運動規律的數學模型，可分為線性模型和非線性模型兩種.線性模型研究中的基本假設條件是“液體油壓力恒定不變”，并忽略某些影響因素，由此建立起液壓振動系統的線性模型，將其運動規律用明確的線性數學模型表示，可方便地求得解析解.中南大學楊襄璧教授提出了抽象設計變量理論：以α=T1/T（T1為振動活塞沖程時間，T為振動活塞運動周期）作為抽象設計變量，由此推導出了液壓振動系統結構與性能參數的全套設計公式，并得出不同優化目標的α值［6］.在非線性研究方面，Adriana Potts運用液壓控制系統的動態建模理論建立了液壓振動器的非線性數學模型，以提高能量利用率為目標，對液壓振動系統進行了優化設計，并根據優化結構參數設計了一臺應用于生產的液壓振動破碎錘［7］.何清華教授使用狀態切換法建立了液壓鑿巖機振動系統全面的數學模型，提出了“準勻加速計算法”，并對各狀態切換間的誤差進行了修正，提高了仿真精度［8］.

目前液壓鑿巖設備的振動系統研究主要是基于閥控缸系統的理論模型，其輸出是以振動沖擊能和振動頻率的形式，液壓鑿巖設備的效率大約為40%～50%左右，其能量損失是較大的.國內外學者研究表明［9-13］：閥控式液壓振動系統，其主要能量損失是在控制閥部分和活塞缸體振動沖擊運動部分，振動沖擊部分的能量損失主要是由泄漏、粘性阻力和密封阻力等原因造成的；控制閥部分的能量損失主要來自于泄漏、閥口壓力損失以及閥芯的高速運動，這部分能量損失占液壓振動系統總能量損失的50%以上.因此，為提高液壓振動系統的工作效率，振動活塞與控制閥的互動控制規律，得到了學者們的研究和重視.楊國平教授等人分析了控制閥的最優閥芯行程和優化設計方法，提出必須在保證閥芯動作快速性的前提下使控制閥的能量損失最小，以達到驅動振動活塞快速往復運動的目的［14］.但由于閥控缸液壓振動系統固有的局限性，沖擊活塞在缸體內的高速往復運動必須靠控制閥的高速換向實現工作液流的前后腔交替供給，不可避免地引起換向液流能量損失和液流波動，液壓鑿巖設備的能量利用率普遍不高.因此，為提高能量利用率，研究新結構原理的液壓鑿巖設備是人們研究的重要課題.

2.2設計理論研究

2.2.1基于液壓鑿巖變頻調能機理的理論分析

采用中深孔鑿巖爆破工藝，其作業效率高、成本低，作業安全，在我國大中型金屬礦山中應用非常普遍. Melamed、楊襄璧等學者通過分析中深孔鑿巖工藝發現，根據中深孔爆破工藝要求，必須鉆鑿兩種不同直徑的炮孔，即掏槽的大孔和爆破的小孔，鉆鑿大孔時，要求鑿巖機輸出大沖擊能，鉆鑿小孔時，輸出小沖擊能，以實現鑿巖功率的最佳輸出和提高能量利用率.由此建立了按大沖擊能鉆大孔，小沖擊能鉆小孔，且滿負荷鉆小孔，短時過負荷鉆大孔的設計理論和方法，提出了中深孔液壓鑿巖機自動換檔機理與技術方案.該理論的創新點在于將系統工作流量和鑿巖沖擊振動系統活塞行程聯系起來，一個是系統的輸入量，一個是系統的內在結構參數，工作流量是液壓鑿巖機“加載器”，而活塞行程是液壓鑿巖機頻率、壓力和輸出功率的“調節器”，深化了液壓鑿巖設備內在規律的認識［3］.對于研究和分析中深孔液壓鑿巖裝備的輸出能量控制有重要的指導意義.

中深孔鑿巖掘進工藝的要求和液壓鑿巖設備的工程實踐表明，為適應鉆鑿不同物理性質的巖石，要求鑿巖設備的輸出工作參數可以調節，以適應多種情況的巖石，提高其適應范圍和工作效率.目前主要有行程調節、流量調節和壓力反饋調節三種方式，這三種調節方式都是基于閥控缸基本結構，分別存在調節范圍小、調節功率與主機不匹配和調節不精確等缺陷.為此，將液壓鑿巖設備、液壓動力源（泵）及驅動主電機綜合研究，研究分析液壓泵驅動的液壓鑿巖設備參數調節和耦合特性.通過驅動電機的變頻控制，再進一步控制液壓泵的輸出流量或壓力，從而控制液壓鑿巖設備振動系統的沖擊能和沖擊頻率等參數，即液壓鑿巖設備的變頻調能理論.

2.2.2基于效率最優的無閥控液壓振動系統設計

無閥控液壓振動系統是區別于傳統的有閥控液壓鑿巖設備提出的新原理，它是通過活塞在缸體中自配流機理，并設置氮氣做功機構，完成活塞回程、沖程的循環往復高頻沖擊振動，以達到輸出沖擊能量和頻率的目的.

圖1　無閥控自液壓鑿巖振動系統

其結構原理如下（見圖1）：無閥控液壓鑿巖振動系統是依靠活塞3運動來給工作腔配油的，前腔進油蓄能器4、后腔回油蓄能器5和氮氣室7充有一定初始壓力的氮氣.根據后腔油液狀態的變化，可將活塞運動行程分為排油、壓縮（或膨脹）和進油三個階段.沖擊活塞%缸體上的控制有孔配合自激勵完成回程、沖程的循環往復高頻運動下工作，以達到輸出振動能量和頻率的目的.由于簡化了系統結構，不需控制閥的高速頻繁換向動作，減少了系統流量泄漏和發熱損失，大大提高了液壓振動系統的效率.

無閥控液壓振動系統要實現提高能量利用率，就要使缸體流道中峰值流量最小.要使液壓振動系統的峰值流量最小，可以通過選取氣液做功比Ф（氮氣受壓膨脹做功與后腔壓力油及后腔蓄能器排油做功之比），確定設計變量α（振動活塞沖程時間與振動活塞運動周期時間之比），從而設計出合理的液壓振動系統結構來實現.設計變量的最優值α與氣液做功比Ф有著唯一的函數關系，在設計過程中只要導出氣液做功比Ф，就可以確定最優設計變量α.由α能確定液壓振動系統的所有運動特征和結構特征，即可實現基于效率最優的新型液壓振動系統的設計［15］.

在國家自然科學基金的資助下，劉忠教授領銜的研究團隊完成了無閥控液壓鑿巖機的整體設計，并對其各部分結構進行了優化；針對氮氣做功機構在無閥控液壓鑿巖機中的作用，通過液壓沖擊器的計算公式與理想氣體的狀態方程的聯立，推導計算出在確定氣液做功比下的無閥控液壓鑿巖機的氮氣做功機構的初始壓力與初始體積的公式，并運用計算機仿真分析，求得了氮氣做功機構的最高壓力與最低壓力之比λ的最優解，從而確定氮氣做功機構的最優取值范圍.

3　結語

針對中深孔液壓鑿巖工藝特點，以無閥控液壓鑿巖沖擊振動系統為研究對象，對中深孔液壓鑿巖裝備變頻調能機理及基于效率最優的液壓鑿巖沖擊振動新方案設計問題進行研究和探討，課題研究對于中深孔掘進液壓鑿巖設備的主要理論和技術方案的形成、完善和發展，推動中深孔液壓鑿巖掘進爆破技術的進步具有重要的理論和現實意義.

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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

國家自然科學基金項目“中深孔液壓鑿巖設備設計理論與若干關鍵技術研究”（NSFE51275060）；蘇州市科技計劃項目“自激勵液壓鑿巖機系統關鍵技術研究”（SYG201325）

通訊聯系人：劉忠，教授，博士，研究方向：現代工程裝備設計，E-mail:liuzhong678@sina.com.