劉　忠，鄒　宇，張　凱

（常熟理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

中深孔液壓鑿巖裝備設(shè)計方法研究

劉忠，鄒宇，張凱

（常熟理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常熟 215500）

目前，隧（巷）道掘進(jìn)普遍采用了中深孔掘進(jìn)爆破技術(shù)，該技術(shù)對液壓鑿巖設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步提出了新的要求.本文對中深孔液壓鑿巖裝備設(shè)計理論進(jìn)行了探討，提出了基于效率最優(yōu)的無閥控液壓鑿巖機(jī)構(gòu)設(shè)計方法，對于中深孔液壓鑿巖設(shè)備的設(shè)計與制造有積極意義.

中深孔掘進(jìn)；無閥控液壓鑿巖機(jī)；設(shè)計

1　引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國的隧（巷）道掘進(jìn)技術(shù)取得了重大進(jìn)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(jìn)爆破技術(shù).該技術(shù)是目前國內(nèi)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(jìn)技術(shù)、開采爆破技術(shù)和液壓鑿巖鉆孔裝備應(yīng)用于大中型礦山，可以有效改善其安全生產(chǎn)條件，減少生產(chǎn)事故，提高生產(chǎn)效率.

國內(nèi)外的研究實踐表明，中深孔掘進(jìn)采用先進(jìn)的液壓鑿巖設(shè)備提高其技術(shù)指標(biāo)，是鑿巖掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向.如增加平巷掘進(jìn)的一次鑿孔深度，是減少輔助作業(yè)時間、提高工效和加快掘進(jìn)速度的有力措施.通過對掘進(jìn)工藝和中深孔掘進(jìn)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化試驗，一次鑿孔深度可達(dá)5～8米，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益十分顯著；中深孔掘進(jìn)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(nèi)外的中深孔液壓鑿巖設(shè)備尚不能完全滿足上述工藝要求.隨著對中深孔掘進(jìn)工藝的安全、高效和低成本要求的日益緊迫，相應(yīng)對中深孔液壓鑿巖裝備的理論及技術(shù)研究提出了更高的要求［1-3］.

2　中深孔液壓鑿巖裝備設(shè)計理論分析

2.1設(shè)計理論概述

中深孔液壓鑿巖裝備是掘進(jìn)鉆鑿施工中常用的液壓沖擊振動設(shè)備.它以油液為介質(zhì)，將壓力能轉(zhuǎn)換為動能，通過往復(fù)運動的活塞沖擊釬桿進(jìn)行能量傳遞，使工作對象（巖石等）發(fā)生位移、變形或破壞，最終達(dá)到?jīng)_擊、破碎的工作目的［4-5］.以液壓鑿巖機(jī)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(qū)動活塞往復(fù)高速運動，對外輸出沖擊能來進(jìn)行工作的；此外，還有推進(jìn)系統(tǒng)、回轉(zhuǎn)系統(tǒng)和高壓沖洗系統(tǒng).

長期以來，液壓沖擊振動系統(tǒng)運動規(guī)律的研究與探索一直是人們關(guān)注的焦點，描述其運動規(guī)律的數(shù)學(xué)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(shè)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(tǒng)的線性模型，將其運動規(guī)律用明確的線性數(shù)學(xué)模型表示，可方便地求得解析解.中南大學(xué)楊襄璧教授提出了抽象設(shè)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(shè)計變量，由此推導(dǎo)出了液壓振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與性能參數(shù)的全套設(shè)計公式，并得出不同優(yōu)化目標(biāo)的α值［6］.在非線性研究方面，Adriana Potts運用液壓控制系統(tǒng)的動態(tài)建模理論建立了液壓振動器的非線性數(shù)學(xué)模型，以提高能量利用率為目標(biāo)，對液壓振動系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，并根據(jù)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計了一臺應(yīng)用于生產(chǎn)的液壓振動破碎錘［7］.何清華教授使用狀態(tài)切換法建立了液壓鑿巖機(jī)振動系統(tǒng)全面的數(shù)學(xué)模型，提出了“準(zhǔn)勻加速計算法”，并對各狀態(tài)切換間的誤差進(jìn)行了修正，提高了仿真精度［8］.

目前液壓鑿巖設(shè)備的振動系統(tǒng)研究主要是基于閥控缸系統(tǒng)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(shè)備的效率大約為40%～50%左右，其能量損失是較大的.國內(nèi)外學(xué)者研究表明［9-13］：閥控式液壓振動系統(tǒng)，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(tǒng)總能量損失的50%以上.因此，為提高液壓振動系統(tǒng)的工作效率，振動活塞與控制閥的互動控制規(guī)律，得到了學(xué)者們的研究和重視.楊國平教授等人分析了控制閥的最優(yōu)閥芯行程和優(yōu)化設(shè)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(dá)到驅(qū)動振動活塞快速往復(fù)運動的目的［14］.但由于閥控缸液壓振動系統(tǒng)固有的局限性，沖擊活塞在缸體內(nèi)的高速往復(fù)運動必須靠控制閥的高速換向?qū)崿F(xiàn)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(shè)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(jié)構(gòu)原理的液壓鑿巖設(shè)備是人們研究的重要課題.

2.2設(shè)計理論研究

2.2.1基于液壓鑿巖變頻調(diào)能機(jī)理的理論分析

采用中深孔鑿巖爆破工藝，其作業(yè)效率高、成本低，作業(yè)安全，在我國大中型金屬礦山中應(yīng)用非常普遍. Melamed、楊襄璧等學(xué)者通過分析中深孔鑿巖工藝發(fā)現(xiàn)，根據(jù)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(jī)輸出大沖擊能，鉆鑿小孔時，輸出小沖擊能，以實現(xiàn)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(fù)荷鉆小孔，短時過負(fù)荷鉆大孔的設(shè)計理論和方法，提出了中深孔液壓鑿巖機(jī)自動換檔機(jī)理與技術(shù)方案.該理論的創(chuàng)新點在于將系統(tǒng)工作流量和鑿巖沖擊振動系統(tǒng)活塞行程聯(lián)系起來，一個是系統(tǒng)的輸入量，一個是系統(tǒng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)參數(shù)，工作流量是液壓鑿巖機(jī)“加載器”，而活塞行程是液壓鑿巖機(jī)頻率、壓力和輸出功率的“調(diào)節(jié)器”，深化了液壓鑿巖設(shè)備內(nèi)在規(guī)律的認(rèn)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(dǎo)意義.

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

2.2.2基于效率最優(yōu)的無閥控液壓振動系統(tǒng)設(shè)計

無閥控液壓振動系統(tǒng)是區(qū)別于傳統(tǒng)的有閥控液壓鑿巖設(shè)備提出的新原理，它是通過活塞在缸體中自配流機(jī)理，并設(shè)置氮氣做功機(jī)構(gòu)，完成活塞回程、沖程的循環(huán)往復(fù)高頻沖擊振動，以達(dá)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(tǒng)

其結(jié)構(gòu)原理如下（見圖1）：無閥控液壓鑿巖振動系統(tǒng)是依靠活塞3運動來給工作腔配油的，前腔進(jìn)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(jù)后腔油液狀態(tài)的變化，可將活塞運動行程分為排油、壓縮（或膨脹）和進(jìn)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(huán)往復(fù)高頻運動下工作，以達(dá)到輸出振動能量和頻率的目的.由于簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，不需控制閥的高速頻繁換向動作，減少了系統(tǒng)流量泄漏和發(fā)熱損失，大大提高了液壓振動系統(tǒng)的效率.

無閥控液壓振動系統(tǒng)要實現(xiàn)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(tǒng)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(shè)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(shè)計出合理的液壓振動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn).設(shè)計變量的最優(yōu)值α與氣液做功比Ф有著唯一的函數(shù)關(guān)系，在設(shè)計過程中只要導(dǎo)出氣液做功比Ф，就可以確定最優(yōu)設(shè)計變量α.由α能確定液壓振動系統(tǒng)的所有運動特征和結(jié)構(gòu)特征，即可實現(xiàn)基于效率最優(yōu)的新型液壓振動系統(tǒng)的設(shè)計［15］.

在國家自然科學(xué)基金的資助下，劉忠教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊完成了無閥控液壓鑿巖機(jī)的整體設(shè)計，并對其各部分結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化；針對氮氣做功機(jī)構(gòu)在無閥控液壓鑿巖機(jī)中的作用，通過液壓沖擊器的計算公式與理想氣體的狀態(tài)方程的聯(lián)立，推導(dǎo)計算出在確定氣液做功比下的無閥控液壓鑿巖機(jī)的氮氣做功機(jī)構(gòu)的初始壓力與初始體積的公式，并運用計算機(jī)仿真分析，求得了氮氣做功機(jī)構(gòu)的最高壓力與最低壓力之比λ的最優(yōu)解，從而確定氮氣做功機(jī)構(gòu)的最優(yōu)取值范圍.

3　結(jié)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(tǒng)為研究對象，對中深孔液壓鑿巖裝備變頻調(diào)能機(jī)理及基于效率最優(yōu)的液壓鑿巖沖擊振動新方案設(shè)計問題進(jìn)行研究和探討，課題研究對于中深孔掘進(jìn)液壓鑿巖設(shè)備的主要理論和技術(shù)方案的形成、完善和發(fā)展，推動中深孔液壓鑿巖掘進(jìn)爆破技術(shù)的進(jìn)步具有重要的理論和現(xiàn)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(xué)基金項目“中深孔液壓鑿巖設(shè)備設(shè)計理論與若干關(guān)鍵技術(shù)研究”（NSFE51275060）；蘇州市科技計劃項目“自激勵液壓鑿巖機(jī)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究”（SYG201325）

通訊聯(lián)系人：劉忠，教授，博士，研究方向：現(xiàn)代工程裝備設(shè)計，E-mail:liuzhong678@sina.com.