樊志龍

（廣西美斯達鑿巖機械設備有限公司，廣西 南寧 530001）

0 引言

在礦山、公路、建筑等工程施工中，露天鑿巖鉆機的運用十分廣泛，在基礎設施建設過程中起著重要的作用。隨著施工技術的不斷成熟，施工者對相關施工技術與施工設備工具的要求也日漸提高，這就要求相關設備制造單位要不斷創(chuàng)新、研發(fā)高效的作業(yè)機械，而科學技術的發(fā)展為露天鑿巖鉆機技術突破帶來可能，有助于設備制造者完善露天鑿巖鉆機功能，增強其工作性能。本文探討了國內外露天鑿巖鉆機的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，結合市場對鑿巖機的現(xiàn)實需求，為我國露天鑿巖鉆機提供優(yōu)化發(fā)展方向。

1 露天鑿巖鉆機的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

1.1 國外露天鑿巖機的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

1857年，意大利工程師薩梅勒設計了第一款投入實踐應用的氣動鑿巖機，1876年德國人布蘭德發(fā)明一臺回轉運動水力驅動“鑿巖機”，19世紀20年代，英國人多爾曼著手研制了液壓鑿巖機，受限于水平和技術，未能投入于生產實踐。但液壓鑿巖機的研究已經越來越廣泛，上個世紀60年代末歐美國家的許多企業(yè)著手研制液壓鑿巖機，取得了顯著的研究成果，并申請了很多相關專利。1970年法國的Montabert公司首先研制出了世界上第一臺液壓鑿巖機H50型與配套液壓鉆車，并投入生產。這標志著鑿巖鉆機技術的一次革命，與氣動鑿巖機相比，液壓鑿巖機速度更快、效率更高，能量損失更小。也是在這一年，瑞典的ATLAS COPCO研制出了RPH35型液壓鑿巖機及配套的液壓鉆車。

在鑿巖鉆機的發(fā)展中，與計算機控制系統(tǒng)的融合已經成為時代發(fā)展趨勢，上個世紀70年代中期以來，各國企業(yè)開始把計算機控制應用到液壓鑿巖機中。1972年，挪威工程合同公司展開了對液壓鑿巖機自動控制系統(tǒng)的研究，在六年后研制出第一臺三臂微機控制鉆車機樣，這臺樣機具備電子控制、操作板、顯示器、傳感器、電液控制閥等自動控制裝置。從1973年開始，日本東洋公司成功研制微機控制全自動鑿巖鉆車THMJ-2350-AD（四臂）和THCJ-2-AD（兩臂），他們的鉆車采用數(shù)字鑿巖，可以儲存鑿巖方案、鑿巖孔位坐標，還同時控制七個運動軸，具有全面的連鎖監(jiān)控功能[1]。1978年，美國鋼鐵公司針對液壓錨桿鉆車進行進一步的微機研究，采用微機控制的方式，研制了鉆進速度最優(yōu)自尋的系統(tǒng)，其主要功能包括：開關合理性檢查、鉆頭工作準確性監(jiān)視、進尺即時性計算、鉆進速度計算、油壓監(jiān)視和卡釬防控等[2]。

上個世紀80年代是鑿巖鉆機快速發(fā)展時期，在1981年投入市場銷售的型號有48種，到了1989年已經達到上百個類型，總銷售量飛快增加，且技術越來越成熟，應用越來越廣泛，產品迭代不斷加快。1982年，瑞典的Atlas Copco公司針對最優(yōu)鉆進速度申請了微機控制鑿巖機的專利。1983年，法國的Montabert公司針對BUPEC50型鉆臂微機控制系統(tǒng)申請了專利。1984年，芬蘭的Tamrock公司研制出了隧道工程中使用的自動化DATA-MATIC的微型三臂液壓鑿巖鉆車，這臺鉆車支臂的調幅定位能實現(xiàn)全自動、輔助手動操作、完全手動三種方式。1987年，Rash公司推出了緊湊型的三節(jié)折疊臂TIMY型和TMU200型單臂液壓鑿巖鉆車。1996年，瑞典的ATLAS COPCO推出了世界領先水平的液壓鉆車—Solo60；和Mercuryl LCl0型液壓鉆車，具有機動靈活平行鉆孔寬的特點。

隨著科技的快速發(fā)展，鑿巖鉆機朝著智能化和自動化的方向發(fā)展，提高了鑿巖的速率，解放人工勞動力，這些類型的鑿巖鉆機成為“鑿巖機器人”。1978年，挪威研制了鑿巖機器人樣機。1982年，日本的東洋公司研發(fā)出了雙臂和四臂鑿巖機器人。1985年，瑞典的ATLAS COPCO推出了先進的系列鑿巖機器人Robot Boomer；最近又成功研發(fā)出L3系列鑿巖機器人，代表了先進的世界水平。芬蘭的TAMROCK研發(fā)出Datamatic系列鑿巖機器人。

在國際上，瑞典的ATLAS COPCO和芬蘭的TAMROCK式最具市場競爭力的鑿巖鉆機生產研發(fā)巨頭，其中ATLAS COPCO鑿巖設備銷售遍布全球，其ROC系列、Robot Boom系列、COP系列等都占有很大的市場份額，此外美國的Ingersoll-Rand，日本的東洋工業(yè)等也是行業(yè)中的佼佼者。國外的鑿巖鉆機技術發(fā)展越來越成熟，實現(xiàn)了產品系列化、自動化，且高技術應用效果顯著。

1.2 國內露天鑿巖機的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀

我國從1950年展開了氣動鑿巖機技術的相關研究和研發(fā)工作，1955年開始生產仿蘇聯(lián)OM-506型的鉆機。60年代，我國著手展開了對露天鑿巖鉆機、潛孔鉆機、液壓鑿巖鉆車的相關研究。70年代，我國露天鑿巖鉆機的產品設計和關鍵技術上逐步突破，并不斷研發(fā)了多種產品樣機。直到80年代，隨著我國不斷加強對國外先進經驗和技術的借鑒，并加大研發(fā)力度，我國的露天鑿巖鉆機蓬勃的發(fā)展。1980年，我國自主研發(fā)了第一臺液壓鑿巖機YYG-80及配套的液壓鉆車CGJ-2Y。80年代中后期，國內各大機械廠紛紛引進國外先進的鑿巖設備的設計、生產、檢測技術，為下一步自主研發(fā)奠定基礎。90年代，我國各個機械廠加大了對鑿巖鉆機的開發(fā)和研究，在研發(fā)設計領域實現(xiàn)了新的突破，并逐漸打破進口依賴。隨著宣化采掘機械廠的KQG100，KQG150和天水風動工具廠的KQG115，KQG165型鉆機的成功研制，我國逐步追趕世界先進水平。

隨著鑿巖機器人研發(fā)應用在國外廣泛普及開，我國也加強了對鑿巖機器人的相關研究，1986年，中南工業(yè)大學率先對鑿巖機器人進行實驗室研究。1993年，北京科技大學優(yōu)化了計算機控制的鉆孔過程。1998年，鑿巖機器人項目獲準列入國家“863”計劃。2000中南大學智能機械研究所獨立自主地開發(fā)了自動化JSZY2-90Mf架式兩臂隧道鑿巖機器人，具有自動防卡釬、孔位自動導引等功能，達到國際先進水平。2003年，湖南山河智能機械股份有限公司開發(fā)了SWDAl65機電一體化履帶式露天液壓潛孔鉆機。2005年，湖南萬眾機械有限公司開發(fā)了WZDl50和WZDl00履帶式露天鉆機。隨著我國露天鑿井鉆機研發(fā)水平不斷提升，并逐漸發(fā)展成熟，我國的計算機控制技術、鉆臂的運動學、機型研發(fā)、動力仿真等都有了一定的科研成果。

當前我國露天鑿巖鉆機技術水平和國際領先技術水平還存在比較大的差距，在自動化和智能化方面還有較大的提升空間，同時在關鍵技術上和關鍵零部件方面還沒有脫離進口依賴，整體上來說，科研和實踐都還需要進一步發(fā)展。

2 目前常見的露天鑿巖鉆機類型

2.1 氣動鑿巖機

氣動鑿巖機結構簡單、堅固耐用，操作、維修要求不高，適應當時民情，加之售價便宜，得到了廣泛的運用。在此基礎上，我國開始自主研發(fā)中了高氣壓鑿巖鉆機，并取得了一定的成果。至今，我國氣動鑿巖機在爆破工程中仍廣泛運用，主要應用手持式與氣腿式氣動鑿巖機[3]。目前我國氣動鑿巖機市場逐漸飽和，相關制造企業(yè)與制造產品繁多，技術水平接近國際水準，不過氣動鑿巖機能耗較大，隨著國內外節(jié)能意識的提高，能量消耗狀況成為全球焦點，氣動鑿巖機在能量上的轉化率顯得特別重要，為此我國已經開始注重這方面的工作。另一方面，在發(fā)展過程中也產生了一系列問題。其一，低價位的惡性競爭阻礙了產品良性發(fā)展，引發(fā)產品質量與價格的矛盾，破壞市場環(huán)境；其二，產品性能良莠不齊，各種性能的產品涌入市場，間接減緩了對性能卓越的鑿巖機技術的推廣，不利于技術發(fā)展；其三，忽視了高噪聲、高振動對人身造成的危害，雖出臺了相關政策制度，但部分企業(yè)為了施工效益，仍無視這一問題，致使大量施工工人患有相關嚴重危害疾病。

2.2 內燃鑿巖機與電動鑿巖機

內燃鑿巖機是將燃油燃燒的熱能轉化為動能進而實現(xiàn)鑿巖作業(yè)的施工設備，由小型汽油發(fā)動機、壓氣機以及鑿巖機組合使用的手持式機具?？摄@鑿方向朝下、水平、極限朝上45°的鑿孔，通過更替零件可以用作破碎機或夯實機，以便完成鏟鑿、破碎、挖掘、劈裂以及搗實等操作。因為機器本身提供動力支持，能夠壓縮空氣吹洗鑿孔，所以廣泛運用在無電源、無壓氣設備的場地以及作業(yè)流動性強的臨時工程。電動鑿巖機相對于其他類型的鑿巖機具有特別明顯的優(yōu)勢，電動鑿巖機在電能轉化率上可以達到50%～60%，相較之下，液壓鑿巖機的電能轉化率僅能夠達到25%～35%，而氣動鑿巖機僅達到10%，電動鑿巖機在節(jié)能性、高效性上尤為突出[4]。其次，電動鑿巖作業(yè)噪聲小、作業(yè)使空氣新鮮、不產生廢氣污染，移動、維護、使用便捷等優(yōu)點，因此適用于我國施工工程情景。不過電動鑿巖機鉆速相對較慢，特別是進行硬巖作業(yè)時，作用于同等硬度的巖石，電動鑿巖機的鉆速只能夠達到氣動鑿巖機鉆速的50%～60%，不利于電動鑿巖機推廣。可以按照調頻控制的規(guī)范優(yōu)化完善電動鑿巖機的相關部件與結構，將電機改為變頻電動機，并改進相關結構。

2.3 液壓鑿巖機

液壓鑿巖機先進、經濟、安全的特點促使該機具高速發(fā)展，得到極大的推廣與應用，將液壓鑿巖機安置在鑿巖鉆車上，設備的鑿巖作業(yè)參數(shù)能夠按照礦巖本身的情況進行自動調整，在最佳工作程度上完成鑿巖工作。其次，液壓鑿巖機上安置的自動防卡釬機構降低了故障率，提升了作業(yè)效率，節(jié)省了施工成本。另外，全液壓式鑿巖機通過單一的液壓動力完成工作，利于微機程序對其進行控制，有效地促進鑿巖作業(yè)自動化。液壓鑿巖機沒有排氣噪聲，相對于氣動鑿巖機減少了10～15 dB（A），不產生排氣油霧，提升了作業(yè)環(huán)境條件，能見度好，利于作業(yè)人員進行施工，提高了作業(yè)效率[5]。國內液壓鑿巖機研制水平相對于國際先進的研制水平具有明顯的差距，其一，產品研究不夠重視、深入，產品設計以及相關試驗經驗缺乏，原創(chuàng)產品少且質量堪憂。其二，產品材料選擇不當，制造工藝不理想，致使成品可靠性差，不利推廣。其三，國內企業(yè)重視生產帶來的收益，不重視研發(fā)，以致國內產品生產規(guī)模小，欠缺產品生產與部件配套設施，無法實現(xiàn)模塊化、集成化生產。

3 我國露天鑿巖鉆機整體優(yōu)化發(fā)展方向

3.1 產品質量和使用問題

國內機械產品大多仿制國際優(yōu)良產品的結構、功能進行制作，但是沒有掌握核心的制作技術與制作工藝，照抄國際優(yōu)良產品的參數(shù)進行設計，致使產品制作不合理，引發(fā)漏油、系統(tǒng)故障等問題，只能夠做到形似，無法保證產品質量，不利于產品的推廣，不利于我國露天鑿巖鉆機的發(fā)展。其次，優(yōu)秀的露天鑿巖鉆機產品會提供詳盡的操作使用說明書、維修服務介紹，明確規(guī)范操作使用規(guī)程，要求使用者嚴格遵守。由于進口鉆機價格較高，對備品、備件的要求較高，其供貨周期相對較長，因此購置單位往往會嚴格遵守使用規(guī)程完成操作，并重視日常使用、保養(yǎng)，避免進行維修工作，大大降低了設備故障率，保障了機具的使用壽命。相對而言，國產露天鑿巖鉆機售價便宜，備品、配件要求較低，供貨便捷，購置單位往往降低對國產鑿巖鉆機的使用要求，以致使用者輕視使用規(guī)程，輕視鉆機日常使用、保養(yǎng)，維修率自然較高。

3.2 提高國產露天鑿巖鉆機制造水平

配套部件質量決定了鑿巖鉆機產品的質量水準，由于露天鑿巖鉆機有別于一般機械設備，其負荷程度大，工作需承受強沖擊與強振動，因此必須保證與之相配套的部件具有能夠承載相應負荷的質量。鑿巖鉆機發(fā)展初期我國配套部件無法達到相應的要求，隨著對相應設施的需求增大，對鑿巖鉆機的研究加深，制造部件質量有了顯著提升，滿足國內廠家要求，擴大了市場選擇。部分關鍵部件尤其是液壓元件可以通過使用進口部件，強化國產露天鑿巖鉆機產品質量，減少機器故障率。借鑒國外先進的鉆機制造技術，如國外的潛孔鉆機在鉆具的接卸銜接部位安置了便于緊急停止設備運行的拉線以及及時控制設備的傳感器，極大程度避免事故的發(fā)生概率，安全措施布置到位，避免人員受傷，并且降低了設備損毀概率；如在設計上遵循以人為本的基本原則，保證駕駛空間舒適、操作方便快捷、安全措施到位、控制勞動的強度并設計多種輔助設施；如在動力頭與鉆架上安置明顯的指示箭頭，清楚展示接卸桿到位情況，便于作業(yè)人員操作，有效地提高作業(yè)效率。觀察國外鑿巖機制作結構可發(fā)現(xiàn)，設備鑄件占比極小，焊接件占比很大，有效節(jié)省了加工周期，降低了制造的成本。另外，先進的產品制作工序，尤其是精加工基本是通過數(shù)控設備進行加工完成，自動化提高了制作工藝的精度，使生產標準化，極大提高了生產產品的質量與效率。我國露天鑿巖鉆機制造可以借鑒先進的經驗辦法，以此為發(fā)展方向，提高露天鑿巖鉆機制造水平。

3.3 大型化、高速鉆進化、高精度化發(fā)展方向

液壓鑿巖機結構日益優(yōu)化、革新，其工作性能也逐漸完善，設備的質量、耐磨程度等方面有了顯著提升，并且經過長期的努力研制出重型液壓式鑿巖機，能夠運用多臂同時完成工程施工，如江西鑫通機械制造有限公司研制投入使用的DW2-120型輪胎液壓式掘進鑿巖鉆機，通過引入管式鉆桿促使液壓式鑿巖設備能夠實現(xiàn)大孔徑鑿巖鉆孔，提高了設備鑿巖鉆孔的作業(yè)效率，節(jié)省了工程施工成本[5]。在施工作業(yè)中投入使用大孔徑液壓式鑿巖鉆機，能夠實現(xiàn)斜孔鑿巖鉆進，有效地提高爆破效果，提升作業(yè)巖石的破碎質量，有助于裝運工作進行。其次，在大功率鑿巖機的研制與使用過程中獲取大量經驗，以期提高鑿巖鉆機制作參數(shù)、工藝的科學性，結合各部件特性進行合理的設計，融入自動化技術，使性能參數(shù)能夠依據(jù)巖石情況完成自動調節(jié)，有效地提高鑿巖機鉆進速度，提升工程施工效率。另外，應朝高精度化方向發(fā)展。以液壓式鑿巖機為例，通常安裝普通的釬具，該種裝置特點為鉆速快、磨損程度小，在實際作業(yè)過程中，常出現(xiàn)炮孔鉆鑿偏斜的問題，影響鉆孔的精度。我國鑿巖機發(fā)展應借鑒先進的研究經驗，如Sandvik公司于2009年研發(fā)制作了一款復合釬具組，設備分離了大管回轉部分與釬頭部分，將液壓式鑿巖機運作時產生的沖擊力傳導至作用物體上，包括外套管和內部釬桿，各個釬桿兩端運用具有反沖作用的緩沖器實現(xiàn)連接，確保對位準確，將釬桿安置在套管同心處，控制釬桿只能夠傳導沖擊力，以此推動液壓式鑿巖機進行作業(yè)施工。套管與鉆桿的作用都是將設備回轉運動傳導至釬頭，作為釬具組的直接導軌，進而提升炮孔鉆鑿精度[5]。

3.4 基于發(fā)展歷史的發(fā)展方向啟示

綜合露天鑿巖鉆機的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀，我國露天鑿巖鉆機立足于我國需求實際，借鑒國外先進經驗，隨著技術不斷革新，研發(fā)不斷突破，整體上呈現(xiàn)的發(fā)展方向有：（1）露天方向發(fā)展，大型化、重機化發(fā)展；（2）細分化發(fā)展，出現(xiàn)工業(yè)級、專業(yè)級、普通級等細分；標準化、系列化發(fā)展方向；（3）實現(xiàn)社會經濟效益優(yōu)化；（4）計算機控制的自動化、智能化發(fā)展；自動化系統(tǒng)中的自動開孔、鉆機和鉆臂移位、定位等多項系統(tǒng)如何與人工智能、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網、云計算結合起來，實現(xiàn)真正的人機分離；（5）通過優(yōu)化調整提高鉆孔的精確度、寬度和成孔率，減少誤差，提高鉆孔經濟性；（6）進一步發(fā)展計算機控制技術，加強其生產實踐應用，基于特定領域或者細分系統(tǒng)，比如PLC，或者是專門的機型，比如ROC等進行細分研究和系統(tǒng)研究。

3.5 基于鑿巖機實踐的發(fā)展方向啟示

當前應用最為廣泛的是氣動鑿巖機，內燃鑿巖機具有廣泛的適應性。國內鑿巖機研制水平相對于國際先進的研制水平具有明顯的差距，要進一步縮小差距，就要從以下幾個發(fā)展方向入手：（1）重視研發(fā)，深化產品研究和產品設計，自主化生產，完善產品生產與部件配套設施，擺脫進口依賴；（2）優(yōu)化產品選材、制造工藝，擴大生產規(guī)模，實現(xiàn)模塊化、集成化生產；（3）應投入發(fā)展節(jié)能、高效的鑿巖機，注重鑿巖機生產、應用等多環(huán)節(jié)的生態(tài)效益。

4 結語

從露天鑿巖機的發(fā)展看，國外鑿巖鉆機實現(xiàn)了產品系列化、自動化，高技術應用效果顯著，朝著智能化發(fā)展，國內氣動鑿巖機技術的相關研究和研發(fā)工作實現(xiàn)了新的突破，并逐漸打破進口依賴，逐步追趕世界先進水平。通過對氣動鑿巖機，內燃鑿巖機、電動鑿巖機、液壓鑿巖機進行分析，我國露天鑿巖鉆機制造應把關好部件生產質量，深入研究制造工藝，以大型化、高鉆速化、高精度化為發(fā)展方向。由于我國已經是氣動式鑿巖機生產以及使用的大國，因此應在已有的現(xiàn)實基礎上，創(chuàng)新氣動鑿巖機技術，可以借鑒先進的技術經驗，研發(fā)適合我國使用情況的氣動鑿巖設備，提高相關制造技術，由產量向質量發(fā)展。而液壓鑿巖作為最適應發(fā)展環(huán)境的鑿巖設備，隨著我國經濟高速發(fā)展以及國家對節(jié)能環(huán)保可持續(xù)發(fā)展的要求，我國液壓鑿巖機需求量必然增長，因此應將其作為研究發(fā)展的重點對象，利用先進的技術經驗研發(fā)、創(chuàng)造，向先進的科學設備制造技術靠攏。