氣動鑿巖機研發中“無閥”的繼承、改進與創新

歲月無情人有情。今年是我服從需要參與籌辦湘潭風動機械廠，肩負氣動鑿巖機上馬重任50周年，感慨萬千，茲賦小詩一首為念：

奔南闖北雖殊榮，不識其間有深功。五十年來如一日，只緣心系此機中。

我雖已退休多年，但仍把研究氣動鑿巖機技術作為終身的理想和樂趣。由于老伴身體原因，我只能邊照料邊學習、工作，還想利用晚年的余熱回報社會。我對鑿巖機的感情頗深，正因如此，我既未打回老家（廣東）去，亦未返回原高校工作。沒有想到，我自當年受命研發“無閥”，一干就是五十年，至今仍未停歇。其間，在八、九十年代交替時節，前后約有五年時間，還擔當完成了國家 “八五” 科技重點攻關課題——導軌式液壓鑿巖機，促進“氣動鑿巖機-液壓鑿巖機”互動，加上后來“有閥-無閥”、“氣動鑿巖機-水壓鑿巖機”互動，對我設計理念的轉變與技術攻關都有所幫助。

1969年前后，正是文革期間，氣動鑿巖機產品規格雜、質量差，國家采取了一系列措施。1972年3月到7月我參加國家計委與一機部組織的全國鑿巖機質量調查組赴全國19 省（市）50多個礦山單位進行調訪，緊接著便舉行行業第一次質量集中檢查，8月至10月參加北京大安山礦舉行的全國氣腿式鑿巖機（簡稱氣動鑿巖機）集中工業性試驗（俗稱“行業大比武”），12月工程機械行業會議在湘潭市召開，宣布氣動鑿巖機產品定型的決定。1975年推出了第一個部標準:《氣腿式鑿巖機型式、基本參數與技術條件》（JB1674-1675-75），此后開始標準的貫徹、落實與開展產品創優、經驗交流等一系列行業活動。這些活動我都有幸親歷了。這些活動對行業產品質量有較大的促進與提高，我個人也得到了鍛練和充實。我還記得當年受訪的遼寧華銅銅礦的代表提出了鑿巖機產品技術上深層次的問題（如潤滑、油霧和斷釬等）。“無閥”在國內起步較晚，產品定型后，經過第一個十年全廠職工的共同努力，受到用戶的歡迎。同行業龍頭廠一樣，1983年YTP26 榮獲其中一塊國優產品“銀質獎”（俗稱“銀牌”）。在銀牌之后數十年，我把經典力學與現代波動力學相結合應用于氣動鑿巖機研發中，致力于無閥配氣的深化、挖潛，并作了一些大膽的嘗試。在市高新區6年完成了其中一部分，如YT26A、YT26W 等。有些成功了，有的暫未成功，但有希望。2006年后，我先后獲得兩個產品的發明專利，2010年經國家 “雙創”中心評定列為國家重點扶植推廣項目，并榮獲國家首批創新基金70萬元。但由于種種復雜原因，致使國家扶植未落到實處。項目雖好，轉化成生產力卻難！難在哪？關鍵在于合作雙方思想認識差距大、目標不一致。經多年積淀后，我仍有技術自信，反思當年的方案是可行的。接著又與北方某公司合作，比較順利地完成了新產品樣機試制和工業試驗任務，得到用戶好評與喜愛。初步完成了產品的升級、轉型。

為了補短，重新復核和計算壓氣在氣室內的流動與狀態變化等，在髦耋之年，我又重新學習多種計算機算法語言與編程，終于把我歷經數十年來研發的氣動無閥鑿巖機的電算摸擬程序在原來基礎上完善了。我的電算摸擬是在吸取國內外前輩精華[1，2，3，4]的基礎上博采眾長的思想指導下完成的。氣腿式鑿巖系統電算模擬主要包含七個方面：應用活塞運動方程；應用理想氣體狀態方程；應用氣體流動質量流量方程；應用能量平衡方程；應用非完全彈性體機械碰撞，引入回彈、接觸、瞬停等理念；應用波動力學原理，通過活塞（幾何形狀）設計調控輸出沖擊應力波形；摸擬計算中采用新的國家標準。例如耗氣量：（1）按新國標，20℃時標準大氣壓下氣體重度為1.205 kg/m3（舊標準中該數值為1.293 kg/m3）；（2）耗氣量是指排出到大氣中的氣量，不宜以進氣量代替，兩者有較大差別。尤其值得注意的是，國家標準規定：氣腿式鑿巖機的沖擊能是在無扭矩條件下用應力波法測定的，而其它技術參數（如沖擊頻率、耗氣量等）則是在鑿巖條件下測定的。也就是說，兩種工況是完全不同的。對氣腿式鑿巖機，這點很特殊，很容易被忽視，應分開處理。采用什么方法去摸擬兩種工況？經過多年探索，似已找到一點途徑，現正在作更多的驗證。

上述電算模擬主要內容后面幾點是筆者結合實際補充、完善的。

當無閥鑿巖系統電算摸擬框架基本確定，本著繼承與改進、創新相結合的理念，針對實踐中提出的問題改進、豐富，主要體現在無閥配氣、擴大功能與基礎件攻關、改進等方面。為搞好產品研發，數十年如一日，在理論與實踐結合上獲得了初步成效。筆者的主要工作與收獲可概括為一句話，即三調控、一改型、三改進、一創新。

1 “三調控”理念

第一控，是精心設計活塞的幾何形狀，調控輸出沖擊應力波（入射）波形與控制最大應力值。第二控，是調控鑿巖機“內排氣”與“外排氣”的相對合理位置。第三控，是應用波動力學原理，降低沖擊背壓，釋放沖擊能。由波動力學基本原理可知，細長桿具有優化的波形，或者說：無閥活塞具有類似細長桿的效應。應力波具有的能量W 可由下式確定

式中 σ——應力波振幅

τ——應力波持續時間

A——釬桿截面積

C——應力波在釬桿中的傳播速度

E——釬桿的彈性模量

由上式可見，應力波的能量取決于應力波振幅σ與持續時間τ，即取決于應力波圖形。

無閥活塞，由于其尾桿直徑小，且中圓柱長度（LH）也較短，其入射應力波形與雙圓柱活塞相似，也是一階梯波，由計算分析和實測可知，一般情況二階應力波具有最大值σR2。且有

τ=2Ls/C

Ls——活塞柄桿長

C——波速

最大應力值

q2、q1——雙圓柱（三圓柱）活塞柄部-頭部界面、活塞柄部-釬桿界面的反射系數

Up——活塞對釬桿撞擊速度q1、q2大小與對應的活塞柄部、頭部截面積A1、A2相關。

按理說無閥的頭部（中圓）較大，為何σR2反而小？問題的關鍵是由于活塞頭部具有特殊的結構與幾何形狀(呈“薄殼”形)。由于無閥活塞柄桿長、頭部空槽大（波阻小），則τ↑、σR2↓，因此無閥活塞可以通過精心設計獲得較好的應力波形。上世紀80年代中南工大賴教授曾委托我設計制造了12 件無閥鑿巖機的活塞，并在實驗室做過模擬實驗，驗證了活塞的不同幾何形狀會影響輸出沖擊應力波能量[5]。1972年全國氣腿式鑿巖機行業集中在北京大安山礦進行工業性對比試驗，目標是累計進尺2000 米，結果湘潭風動廠（首先完成2504.07 m）、天水風動（2395.35 m）、沈風風動（2257 m），分獲1、2、3名。從當時公布的一些記錄數據[9]看，其中斷釬數：湘潭（無閥）7根、衢機（無閥）5根、天水66根、沈風73根。無閥鑿巖機的斷釬數是有閥鑿巖機的1/10。何解？我認為與活塞輸出沖擊應力波有一定關系。又如，在2007年2月，我們在湖南新龍礦業公司作新產品YT26W試驗，操作工人反映比YT28（天水產品）快一點，而且不易斷釬。這點在實際使用中與用戶的普遍反映是一致的。釬具損耗少是無閥鑿巖機具有的顯著優勢之一，應得到繼承和發揚！

氣動鑿巖機產品應力波最大應力值（天水所測試）情況，見表1。

一般“內排”比“外排”要超前些，這對鑿巖機排除機內雜質、改善潤滑、降溫散熱等是有利的，但若超前過多則有礙壓氣膨脹，削弱了沖擊能。我對YTP26 作了改進，提高鑿速（平均）約14%。我在某公司研發的YT26A 等就是應用“二控”理念設計的。據用戶反映，改進設計很成功。它比YTP26 好，主要特點是勁大、鑿速快。

由電算模擬計算可知在0.5 MPa時由 “三控”理念可提高沖擊能約10.4%。

由于在“三控”理念下實施改進，設計出的新型樣機不但缸徑小(φ90)、振動小而且沖擊能提高的幅度卻比較大。例如，在P=0.5 MPa時，原YTP26 沖擊能E=66.37（模擬值），實測68.40 J；現YT28W 沖擊能E=84.57 J（摸擬值）。τ=72微秒，σR2=262.83 MPa。

YT28W 在鑿巖工況下技術參數見表2，YT28W 用應力波法測定的技術參數見表3。

由上可見“三控”的調控目標實質是在一定的頻率范圍內實現沖擊能最優（波形峰值低）。

2 “一轉型”、“三改進”是對主要技術參數與基礎件攻關方面的改進，已取得初步成效

2.1 “一轉型”是對產品型式改進轉型，經歷了三個過程

YTP26→YT25DY→YT28W。由“高頻”轉為“中頻”，再升級轉型為“節能、無油霧、低耗”型。YTP26是高頻機，其特點是：（A）高效，鑿速快、扭矩大；（B）節能、省氣，利用壓氣膨脹作功，鑿巖經濟性優化；（C）結構簡單，使用、維修方便。在二十世紀中后期，YTP26 等“無閥”機在煤礦基建（特別是“快速掘進”）中具有較大影響，但頻率偏高、振動大是主要缺點，且對某些零件（如青銅件）材質、工藝要求較高。在取得“銀牌”之后，我們首先針對YTP26 頻率偏高、振動大等問題，采取了綜合整改措施，并與長沙礦冶研究院合作研發出YT25DY 鑿巖機，降頻減振效果顯著，工人可操作性明顯改善。我們與長沙礦冶院、北京航天工業部702所對四種鑿巖機主機手把加速度作了測定，結果見表4。

表1

YT25DY（中頻）機用戶使用結果反饋與測試情況是相符的，得到好評與歡迎，但還有一些不足之處，如“轉動套與釬套合一”的結構設計，用戶不樂于接受。

隨著社會的發展與進步，特別是國家提出建設“兩型”社會的要求，產品要與時俱進。同時我們對鑿巖機技術的認識亦不斷深入，于是對原有無閥鑿巖機已不滿足。我們先后以兩個產品（YTP26-高頻、YT25DY-中頻）為抓手進行改進。缸徑φ95：YTP26→YT26A→YT26W；缸徑φ90：YT25DY→YT28W。首先以YTP26 為基礎，改進分兩步進行：（一）以“降頻”和優化配氣為手段，達到更節能、增效，提高鑿速，研發出的YT26A 深受用戶歡迎，使用人員一致認為改進很成功，主要特點是勁大了，鑿速快了。每個班下來鑿孔進尺都高于YTP26。（二）在此基礎上，進一步擴大功能，如改變潤滑方式，把油氣分開，實現排氣無油霧，研發出節能、無油霧的YT26W 氣動鑿巖機，獲得了第一個發明專利的授權。對于氣動鑿巖機，這是國內外前所未有的。工人第一次使用，感覺很新鮮：環境清爽、從頭到腳都很干凈；耗油少，每班作業不需再加油，加上“無閥”原本具有鑿速快、斷釬少的優點，工人都爭搶著用。不過這里有個前提，就是開始要有人稍加指導。但后來一擴大，結果就不圓滿了。主要缺失是新產品開發太急于求成，只有銷售卻無售后服務。首次一大批產品出來，用戶不會用。幸好，我們在設計上采取了“可逆式兩用”的方案。為了推廣，經認真反思，吸取教訓，后來在此基礎上又與另一家合作，繼續研發節能、無油霧、低耗型產品。其特點是：（1）目標函數：在F=35-40 Hz 條件下Ep→max，且波形好；（2）缸徑減小；（3）前、后油室獨設（不連通），分別加油；（4）油量調控，可調與定量或兩相結合。YT28W 在工業試驗中深受礦工歡迎與喜愛。至此“無閥”氣動鑿巖機的優點在鑿速快，節能、省氣，結構簡單、維修方便的基礎上又增加了幾點：沖擊應力波形好，最大沖擊應力值較小，對釬具耗損較少；活塞后支承摩擦副可轉移（尾桿），使中圓懸空，實現排氣無油霧。

表2

表3

表4

2.2 “三改進”主要是對基礎件的攻關改進

2.2.1 活塞

活塞是氣動鑿巖機的關鍵件。

改進要點：（1）在配氣上進行三項優化。（2）對低碳合金鋼活塞使用壽命進行攻關。在熱處理上重點提高心部強度，適當調整表面硬度，重視控制碳濃度；同時針對類似細長桿的特點在熱處理過程中，尤其在滲碳工序中控制其彎曲變形（全長跳動≤0.3mm）。材質有普通與高精兩種。用普通材質，比較經濟實惠，質量穩定，平均使用壽命為四千多鉆米。（3）“液壓鑿巖機-氣動鑿巖機”互動，實施“八五”技術攻關“類移植”。九十年代初，我們在完成國家“八五”重點科技攻關項目(液壓鑿巖機)中，選取CrNiMo 系低碳高合金鋼制造沖擊活塞，雖然熱處理工藝技術要點大致同上，但有些工序難于達到預期目標。在參閱國內外有關技術資料的基礎上，多次摸索試驗后終于確定了較優的工藝方案。把沖擊活塞的試制件與國外樣品作了全面剖析對比，除心部硬度梯度一項（受設備條件所限）不如國外樣品外，其余皆達到同等水平。在裝機試驗中使用壽命達到2.5萬多鉆米（仍比較完好），得到專家的好評。后來，我們在氣動鑿巖機上也作過攻關技術“類移植”試驗。考慮到原材料供應和經濟成本，尚未推廣。

2.2.2 導套

國內外氣動鑿巖機、液壓鑿巖機都有這個基礎零件。其主要功能是支承、導向與密封，對于氣動鑿巖機還有控制“內排氣”合理位置的作用。導套的結構形狀雖比較簡單，而它的內徑、外徑尺寸精度、形位公差卻要求較高。特別是壓裝到導向體后內孔變形、與活塞作相對摩擦運動熱脹變形難于掌控，因此，對摩擦副的間隙難調控：既要保證性能，具有一定的氣密作用，又要保持其相對運動，不發生咬合。這不只單純取決于內徑、外徑尺寸問題，還涉及到選材問題。國內外的氣動鑿巖機、液壓鑿巖機的導套材質主要有兩種：一種是鋼制的，另一種是青銅件（國外大都是高錫青銅）。八十年代中期在中南大學舉行的一次中外專家技術交流會上，一位美國專家說過，整體青銅套對于鑿巖機來說并不是很理想的，理由是青銅的熱脹系數大，預留初始間隙大。青銅易損件，我認為最難之處還在于用戶使用更換后間隙更難掌控，對性能影響大。為了解決此問題，人們一直在追求、探索著。數十年來我曾先后對不同材質和多種結構型式的導套作過試驗，結果各有利弊，不盡人意。后來，我提出“鋼套+復合處理（減摩層深度0.08～0.12mm）”的技術新方案。經過工業試驗驗證，使用成效比較顯著。特點是：（1）磨損極小，經過兩千多鉆米后還不易檢測出磨損來；（2）內孔表面潤滑充分（實現混合雙潤滑）；（3）內孔表面光滑照人，無研傷、咬合痕跡；（4）由有關青銅與滲碳鋼孔相對活塞摩擦副對比試驗得知，其徑向磨損量約為5:1，因此，本件不再是易損件了，而且使用壽命可以實現以1 頂4。既節約資源又降低經濟成本，還有效提高了產品質量。初步看來，本方案較為圓滿，有可取之處，對鑿巖機行業具有一些現實意義。

2.2.3 青銅件

螺旋母（花鍵套）。之所以把兩件列為同一類，是因為經過幾十年的實際觀測，它們的磨損與失效情況差別不大（這與“有閥”的螺旋母有差別）。從1969年起，我在生產中遇到的第一個難題就是它，此后數十年我便一直在琢磨這個棘手的問題。依傳統習慣國外大都選用高錫青銅，國內（可能當年受原蘇聯影響）都選用錫磷青銅（QSn7-0.2）。我認為前者雖好，但當時國內市場無供應，而且經濟成本高；后者含磷，不但對其成分、含量要求高（更不能偏析），尤其對冷作（冷拔）再結晶退火工藝要求嚴格，否則易生（磷共晶）裂紋源發生斷裂。我們老廠也搞過多年攻關，特別為了“銀牌”產品保質量，下過不少功夫。雖有提高，但工藝質量難穩定，代價太大，經濟成本高。而過去生產銅材的洛銅、沈銅φ40mm 以上的冷拔棒材不生產，只按行業標準（HB≤70）供貨。更何況這些馳名老廠早已轉產多年！從實際出發，不能不另選材了。在八十年代末，恰巧我們在國家“八五”科技重點攻關項目中用無錫青銅作液壓鑿巖機的釬尾花鍵套，使用效果不錯，未出現裂紋，使用壽命最低的也在1.5萬鉆米，折合到氣動鑿巖機零件（花鍵套）失效極限使用壽命約為六七千鉆米（這是依據之一）。于是選用它作為螺旋母的材料，考慮實際情況，攻關第一步把材料（零件）硬度初定為中硬（HB=150）。在2010年批量投入前先后做過兩次工業性試驗，平均使用壽命分別為2160和2643 鉆米。從投入使用的約2 千多件來看，用戶反映正常。可喜的是該材質在使用中從未出現裂紋和開裂現象，這與原QSn7-0.2 相比有很大改變，裂紋、斷裂問題得到了基本解決。至于進一步提高強硬度問題，可通過熱處理調控實現（這是依據之二）。由于攻關觸動了供應鏈上的利益，遭到了某些人的抵制和干擾，使我（全自費攻關）損失不小。得到寬慰的是攻關第一步目標——零件不裂、不斷，具有一定的耐磨性還是達到了。下一步攻關目標是在此基礎上提高使用壽命。當時的設想是通過調整工藝提高零件的強度、硬度（達到“八五”攻關水平），本有望實現，后來情況發生變化，后續攻關暫停。我回憶早年（八十年代）曾經對螺旋摩擦副作過研討、探索，氣動鑿巖機屬沖擊回轉類產品，根據剛體轉動力學與達朗貝爾原理，在回轉運動中會引起質量增量和質量增大系數，它與摩擦副材質密切相關，且直接影響產品性能。因此，在確定下一步攻關目標時，應把摩擦系數最小納入優選考慮之列。經檢索發現，恰有一種強度高、減摩性好的材料是目前國內高錫耐磨青銅的代用品。后續的攻關升級目標是改善性能、穩定提高使用壽命、有效降低經濟成本。可以預計，長期以來困擾市場的問題，有望獲得解決。

3 實現排氣無油霧

“一創新”是改變潤滑方式，把傳統的“油氣混合”變為油氣分開，油不進入氣缸體，實現排氣無油霧，使產品轉變為“節能、環保”型。

為什么要改變傳統的潤滑方式實現排氣無油霧？根據有以下五點：

（1）是建設“兩型”社會的需要，是環保與生態文明的要求；

（2）國外金屬礦山對空氣中含油量有比較嚴格的要求，并制定了標準，規定為5 mg/m3；

（3）不少國內外專家、學者認為傳統的潤滑方式（油氣混合）不但污染環境且有浪費資源之嫌（有的幾乎快把潤滑油充當動力介質了）；

（4）實踐證明，排氣無油霧對作業施工質量、安全、勞動保護都有利；

（5）是國內礦山、工程作業工人的迫切要求與強烈呼聲。

排氣無油霧有以下特色：

（1）把氣缸（體）設置為無油區，氣缸不進油，排氣無油霧，并由此帶來一系列變革（優越性）；

（2）耗油量大大減少，可節省3/4～4/5；

（3）取消了注油器（只需利用零件空間設儲油室）；

（4）作業班中一般不需再加油；萬一要加油，也只停機不停氣，簡便多了。

（5）對作業施工的質量、安全、勞動保護都有利；

（6）氣缸孔表面無摩擦、不磨損。

應注意把握好三個環節：

（1）從設計、制造上提供活塞尾桿正常（又不過量）的潤滑是前提、是關鍵，其中還有一個難點是對油量的掌控和超微小孔加工問題，我們是在北京外協解決的。一般前、后油室有效容積為60-70，25-30 毫升為宜；前、后油室的節流超微小孔為0.15-0.2 與0.1 mm 左右；

（2）做好班前的三處加油（除前、后油室外，在裝接氣管時，不要忘了往進氣彎管注入少許油，約十多毫升）；

（3）判別是否缺油的方法要作相應改變：應把手掌置于機頭前。

本產品除了節能省氣外，還可節省大量潤滑油、省去注油器、易損件少、釬具損耗較少。為此我申報的第2個發明專利是“無油霧、節能、低耗”型氣腿式鑿巖機，2016年7月經國家批準授權，專利號：201410181797.X。

上述技術原理亦適用于其它無閥配氣型氣動鑿巖機。