液压凿岩机主要研究现状概述.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 2 ． 2 0 1 4 液压凿岩机主要研究现状概述 林义忠 1 ， 黄光永 ， 唐忠盛 ， 冯 苗 1 ． 广西大学 机械工程学院 ， 广西 南宁5 3 0 0 0 4 ； 2 ． 广西恒 F t 科技有限公 司， 广西 南宁5 3 0 0 0 0 摘要 介 绍了国内外液压凿岩机 的主要研究 现状 ， 从 提高凿孔速度和预防卡钎 的角度对相关 的研 究成果进行 了归纳 ， 并分析 了液压 凿 岩机 的发展趋 势 改 变液压凿岩机结构及工作原理 ， 实现独立无级调节冲击 能和冲击频率 ， 适应不同凿岩对 象 ； 从试验得到凿岩过程 中最优的凿孔速度所对应 的回转压力与推进压力 的关 系 ， 研究控制两 者关 系的方法 ； 分析 了凿 岩机卡钎的原 因及类型 ， 提出预防 和处 理各类 卡钎 的 自动防卡方 案。 关键词 液压凿岩机 ； 凿孔速度 ； 自动防卡 ； 冲击频率 ； 推进 压力 中图分 类号 T H1 3 7 T D 4 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 2 0 0 0 1 0 4 Ov e r v i e w o f R e s e a r c h S t a t u s O l q Hy d r a u l i c Roc k Dr i l l L I N Y i - z h o n g a ， H U ANG Gu a n g - y o n g a ， T ANG Z h o n g - s h e ， ， F E NG Z h e 1 ． Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g C o l l e g e o f G u a n g x i U n i v e r s i t y ， N a n n i n g 5 3 0 0 0 4 ， C h i n a ； 2 ． G u a n g x i He n g r i S c i e n c e T e c h n o l o g y C o ． ，L t d ． ， N a n n i n g 5 3 0 0 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t T h e ma i n s t u d y o f h y d r a u h c r o c k d ri l l w a s i n t rod u c e d ，f r o m v i e w o f i mp rov i n g d ri l l i n g s p e e d a n d p r e v e n t i n g j a m mi n g ，i n d u c e d l -e s x c h r e s u l t s a n d a n aly z e d t h e t r e n d o f t h e d e v e l o p me n t o f h y d r a u l i c r o c k d ril 1 ．Th e s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p ri n c i p l e o f t h e h y d r a u l i c roc k d r i l l w a s c h a n g e d ，r e a l i z e d t o i n d e p e n d e n tl y a d j u s t i m p a c t p o w e r a n d i m p a c t fr e q u e n c y a n d a d a p t t o d i ff e r e n t d ri l l i n g o b j e c t ；f r o m t h e e x p e ri me n t a c q u i ri n g t h e b e s t d ri l l i n g s p e e d c o r r e s p o n d i n g t o rot a t i o n p r e s s u r e a n d f e e d p r e s s u r e r e l a t i o n s h i p ， r e s e a r c h e d o n c o n t r o l l i n g t h i s r e l a t i o n s h i p ；t h e c a u s e s a n d t y p e s o f j a mm i n g w a s a n al y z e d ，p u t e d f o r w a r d a n a u t o ma t i c a n t i - j a mm i n g p ro g r a m o f p r e v e n t i o n a n d d e a l t w i t l l o f v a r i o u s t y p e s o f j a mm i n g ． Ke y w o r d s h y d r a u l i c roc k d ri l l ；d ri l l i n g s p e e d ；a u t o m a t i c a n t i - j a m mi n g ；i m p a c t fr e q u e n c y ；f e e d p r e s s u r e O 引言 1 9 7 0年法国 M0 n t a b e r t 公 司研制成功世界上第一 台液压凿岩机 。由于液压凿岩机在凿岩速度 、能量消 耗 、振动和噪声等性能指标方面较气动凿岩机均有较 大改善 ， 各 国相继研制并 生产 出各类 型的液压凿岩机。 其 中瑞典 A t l a s C o p e o公 司和芬兰 T a mr o c k公 司生产 的液压凿岩机最具代表性 ．所生产 的液压凿岩设备品 种 齐全 、 销量最多 ， 占有 6 0 ％以上 的市场份额 。我 国在 2 0世纪 7 0年代开始吸收 国外技术进行研制 ． 目前 国内 已有 十几家单位研制生产 了数十种型号的液压凿岩机 系列产品【 随着人们环保意识的提高 ． 对液压凿岩机的性能要 求越来越高。 目前朝着研制高效、 节能 、 适用范围广的凿 岩机方 向发展。 研究主要集中在建立液压凿岩机的理论 基金项 目 广西科技攻关项 目 1 1 1 0 7 0 0 2 1 3 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 0 5 作者简介 林S C , 1 9 6 4 - ， 男 ， 内蒙古包头人 ， 教授 ， 工学博士 ， 研究领域为 机器人技术 、 机电液 自动控制 。 数学模型 ． 根据基本假设和数学模型的不同分为线性数 学模型和非线性数学模型 液压凿岩机的结构研究 ， 包 括蓄能器的研究、 冲击频率调节的研究、 自动控制的研 究等 液压凿岩机凿岩性能 的研究 ， 包括预防和处理各 类故障的研究、 降低噪声及粉尘的研究等 。 1 液压凿岩机基本结构 1 ． 1 液压 凿岩 机 工作原 理 冲击式凿岩作业 包括冲击 、 推进 、 回转 、 冲洗 四个 动作用． 如图 1 所示 冲击 | I f } 推进 l 一 活塞2 一 钎 尾3 一 接秆套4 一 钎杆5 一 钎头 ’ 图 1 冲击式凿岩作业原理 冲击主要是推动缸体 内活塞做反复运动 ．不 断冲 击钎尾端部 。钎尾端部受冲击后以压应力波形式传递 给岩石 ， 使岩石破碎。根据岩石破碎学理论 ， 每次冲击 液 压 气 动 与 密 封 ， 2 O1 4年 第 0 2期 作用在钻头上的力必须大于一定值 ． 才能使岩石破碎 ， 也即单次 冲击能不低于要求的最低冲击能 冲击功率 是单次 冲击能与冲击频率 的乘积 ．针对不 同的岩石性 质 ． 两者需要进行匹配达到最优的凿岩效果 推进主要是推动凿岩机 和钎具压 向岩石工作 面 ． 保持钎头与孑 L 底岩石良好接触。为使活塞在冲程时． 钎 头始终与岩石接触 ． 轴向推力必须大于某一值 回转主要是在每次冲击后使钎头旋转一个角度到新 的位置， 进行新的破碎凿岩。回转性能对凿孔速度影响较 小， 但是与轴推力的交互作用对凿孔速度影响较大。 1 ． 2液压 凿岩 机基 本结 构 液压凿岩机由冲击和回转两大机构组成 ．并配有 供水 、 防尘 、 润滑系统 ， 图 2所示是瑞典 A t l a s C o p c o 公 司的 C O P 2 1 5 0 ／ C O P 2 5 5 0凿岩机的结构[ 8 1 液压马达 齿轮箱 图 2 COP 2 1 5 0 ／ C 0P 2 5 5 0凿岩机的结构 冲击结构是冲击做功的关键部件 。 主要由缸体 、 冲 击活塞 、 活塞行程调节器 、 蓄能器等主要部件和导向与 密封装置等组成 其中活塞行程调节器为适应钻凿不 同性质 的岩石 ， 可调节活塞行程获得不 同的冲击频率。 回转机构主要用于转动钎具和接卸钎杆 ．主要 由液压 马达 、 齿轮箱 、 回转传动机构组成。由于液压凿岩机一 般装在凿岩 台车等设备上 ．液压凿岩机的推进 由外部 的推进油缸或推进马达完成 2 提高液压凿岩机凿孔 速度 提高凿 岩机的凿孔速度 ．对降低能源消耗意义重 大 。影响凿 岩机凿孔速度的因素很多 ， 主要有冲击性 能参数 、 蓄能器性 能参数 、 回转性能参数 、 推进机构性 能参数等。分析影响液压凿岩机凿孔速度 的因素 ， 研究 提高凿孔速度的方法 2 ． 1 独 立无 级调 节 冲击 能和 冲 击频 率 的研 究 液压凿岩机在实际凿岩过程中 ．根据不同硬度的 岩石 ． 需要调节合适的冲击能和冲击频率 ， 获得最佳的 冲击效率 根据控制方法和设计概念 的不同． 传统液压 凿岩机调节方法有两种 行程反馈调节法和供流量调 节法 行程反馈调节法采用行程反馈原理来改变活塞 的运动行程 ． 其原理是在缸体上设置多个信号孔 ， 活塞 2 行程调节器控制各信号孑 L 的开关 ．以得到不 同的冲击 能和冲击频率输 出。但受凿岩机结构的限制 ， 一般只有 二三挡可调 ， 冲击能与冲击频率 的调节范围很小 ． 很大 程 度上 限制 液压凿岩 机的使用范 围与凿岩 效率 的发 挥 供流量调节法是改变液压凿岩机供油流量调节液 压凿岩机的冲击能与冲击频率 根据抽象变量理论可 知[ 1 0 - 1 1 】 二 Q ⋯ J 2 ＼ ‘ ， 1 一 s E Q 2 A P 3 了 了 一 L j 1 一 仅A s 式中 产-_冲击频率 ， H z ； p 冲击系统供油流量 ， m 3 1 s ； A 冲程活塞压力油有效作用面积 ， m 2 冲击行程 。 m； 卜冲击能 ， J 抽象设计变量 冲击活塞质量 ， k g p 冲击系统油压力 ， P a ； 阻力系数 从式 1 、 2 可知 ， K、 m、 、 A 为定值 ， 在活塞行程 s 不变 ， 流量 p增大时， 冲击频率和冲击能都增大 ， 冲击 功率也增大。从试验凿岩结果可知 对于较硬岩石 ， 应 采用低冲击频率高冲击能方案 对于软岩石 ， 应采用高 冲击频率低冲击能方案 。因此供流量调节法不能实现 对不 同性质岩石的凿岩要求。 从式 3 可知 ， 由于传统液压凿岩机冲击压力 P与 冲击流量 p成二次方的关系 ，必须改变其结构和工作 原理 中南大学液压机械工程研究所从控制输入流量 和压力人手 ．提出基于压力反馈原理独立无级调节冲 击能与冲击频率的液压凿岩机构想 ．通过对活塞 回程 压力调节 ． 无级调节凿岩机 的单次冲击能 ； 通过调节变 量泵流量 ． 无级调节凿岩机的冲击频率 。在凿岩过程中 不断无级地调整冲击能与冲击频率的匹配 ，达到最佳 的冲击效率【 1 2 】 。 随着 电子技术 、 控制技术的发展 ， 出现新 型的机 电一体化液压凿岩机 ．如以氮气室压力作为反 馈压力 的氮爆式机 电一体化液压凿岩机 ，其具有时间 柔性 、 空间柔性、 对象柔性 、 环境柔性 、 互换柔性 、 软件 柔性等 品质 。 更能适应复杂 的凿岩情况n 3 I 4 1 。 2 _ 2最佳凿岩的推进压力与回转压力 凿岩过程 中．推力不足时钎头与孔底岩石接触不 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 2 ． 2 0 1 4 良。 只有一小部分能量传递给岩石 ， 传递功率小 ， 凿孔速 度降低 推力过大增加了回转阻力 ， 加剧钎头磨损 ， 回转 参数与冲击性能参数不匹配 ． 甚至出现岩石孔底二次或 多次重复破碎 ． 造成能量损耗 。 凿孔速度必然下降 。 因此 ． 存在最优轴向推力 。 公式如下【 - 5 】 F K f 2V T E m一 4 式中 轴向推力 。 N 卜冲击 频 率 ， Hz ； m 冲击活塞质量 ， k g ； 一 冲击 能 。 J K 轴向推力 的修正系数 。 公式 4 中 与岩石性质 、 活塞形状 、 钎头结构 、 凿岩机结构参数等有关 。 因此它不是一个定值 。在实际 情况下 ． 需要实时改变参数调节轴向推力的大小。液压 凿 岩机 凿 岩 较 硬 的岩 石 时 ．通 过 大量 试 验 得 出推 进 力 对液压缸推进速度 即凿孔速度 、 液压 马达 回转转矩 的关系曲线 ． 如 图 3所示【 垌 。 从 图 3可知 ．液压马达回转转矩 的大小随推进力 的改变而变化的 ． 且推进力在一定范围 内， 凿孔速度存 在最大值 。 此时推进力与回转转矩关系是 b段曲线。实 际中推进力与 回转转矩参数不好测量 ．且响应 时间较 慢 ． 需要转换成容易测量的推进压力与 回转压力 。由于 推进力 与推进压力 、回转转矩与 回转压力都是线性关 系 ． 推进压力和 回转压力关系曲线 图 4与图 3一样 ． 只 是数值大小不同而 已。如图 4所示 。 只要推进压力与 回 转 压力 处 在 b段 曲线 ． 就 能 获得 很 好 的凿 孔 速 度 ． 关 键 在于如何控制两者处在 b段曲线。如图 4所示 ， a段 曲 线大致呈一条斜率为 K， 的直线 。 c段曲线 大致 呈一条 斜率为 的直线 ， 两直线的相交处是光滑过渡的． 刚好 是 b段 曲线。假设推进压力变化量为 A X， 回转压力变 化量为 △l ， ， 则 b曲线 内满足 K， A Y I AX K ， 。 取 K， K， 。 则有 K AY I A X， 控制 的方法 如下 1 开始时给推 进压力一个较小的初始值进行凿岩。 2 每个周期检测 回转压力变化量 AY KA X．推进压力减少 。 这样推进压力与回转压力动态的处在 b曲线 内．从而 获得 b曲线所对应的凿孔速度【 切 2 ． 3提高排渣效果 排渣是将凿岩过程 中产生的大量岩渣从孔底排到 地表 排渣效果 的好坏直接影响凿孔速度 。 排渣不畅引 起的后果主要有 岩渣在钎头部位积累过 多会把钻具 抱住 。 造成岩渣卡钎 ； 钻凿下来的碎石块在岩孔里与钻 具或凿岩机外表面产生多次研磨 ．不仅造成不必要 的 回转功率损失 ．而且严重影响钻具或凿岩机 的使用寿 命 。因此 ， 正确的排渣不仅可以提高凿岩速度、 减少钻 具能量损失 ． 而且还 可以提高钻头的使用寿命 ， 降低钻 孔成本嗍 目前国内外凿岩机 以所使用 的动力介质分为 干式排渣和湿式排渣 干式排渣用压气将岩渣排到孔 外 ． 湿式排渣用气水混合物将岩渣湿化后排到孔外。在 实际凿岩过程 中。 需要考虑动力介质的压力 、 流量 、 流 速 的大小等 因素对排渣效果 的影响 通过试验研究影 响排渣效果的因素， 为提高排渣效果提供参考。①岩孑 L 与钻杆外径所形成 的环形 面积小时介质流速增大可提 高排渣效果 ．因此需要匹配钻头直径与钻杆直径两者 的大小。 ②不同岩石产生的岩渣颗粒大小不一样， 岩渣 颗粒细小所需的介质流速相对较小 ．岩渣颗粒粗大所 需的介质流速相对较大 ．需要结合排出的岩渣颗粒大 小调节流速大小。 ③随着凿岩深度加深， 岩渣的排出需 要 更 大 的流 速 ．否 则 未排 出 的岩渣 在 岩孔 里 多 次与 钎 具研磨 ． 影响设备使用寿命【 捌 3 提 高液压凿 岩机 防卡能力 3 ． 1 液压凿岩机卡钎类型 预防钎头卡钻的发生 ． 减少处理卡钎的时间． 对提 高凿岩效率很有意义 根据实际凿岩经验 ． 可将凿岩卡 钎按产生的原因和特征分为三种类型 溶洞卡钎 当钻头突然进入溶洞 。 由溶洞 内的碎石 将钻头卡死而引起 的 此类卡钎反应在液压 回路 的特 征如图 5 a所示 。由于突然失去岩石的阻力 ． 推进压力 和 回转压力开始下降很快 钻头推进速度加快 ． 直至出 现卡钎时 ， 推进压力和回转压力又急剧上升至最大值 。 缓变卡钎 因排渣不畅或岩石性质不均等原 因而 引起 的卡钎 此类卡钎反应在液压回路的特征如 图 5 b 所示 由于未及 时排 出的岩渣是逐渐增多或钻头进入 性质不均 的岩石引起炮孔逐渐弯曲 ．推进压力和回转 压力都是逐渐增大直至到最大值 裂隙卡钻 因钻头突然凿入裂隙而产生 的卡钎。此 类卡钎反应在液压回路的特征如图 5 c所示 由于裂隙 3 液 压 气动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 0 2期 给 回转运动突然超过系统提供的正常回转压力最大值 ． 导致凿岩无法进行 ， 推进压力和回转压力急剧上升。 图 5三 种 卡 钎 类 型 其中 P 正常 回转 压力最大值 ， p 回转压力 区， P 柏 正常回转压力 ， p 推进压力区， p 正常推进压力区， 。 卡 钎前兆点时间， t ， 卡钎 临界点时间， t 卡钎出现点时间。 3 ． 2防卡措 施 根据液压凿岩机凿岩过程卡钎机理的分析 ．采用 能够预防和处理各类卡钎 的自动防卡方案 防卡的措 施可以减轻凿岩设备的负担 。 减少处理卡钎的时间 ． 提 高凿岩机的效率 。 目前很多方案都是以 回转压力或者 推进压力作为控制的反馈信号。从图 4可知 ． 回转压力 随推进压力的变化而改变 的．预防和处理各类卡钎都 是通过控制推进压力实现 的。结合卡钎前后 回转与推 进压力的变化特点 ， 具体 的方案如下 1 利用推进压力 或者 回转压力 突然变化信号 来对溶洞卡钻进行预防控制 。当有突变信号时， 控制推 进机构 回退 ， 钻头在 回退 时 ， 回转压力正常 ， 推进机构 又恢复正常推进 如果在推进过程 中。 回转压力超过正 常回转压力最大值 p ， 则再次使推进机构 回退 ， 如此 循环直至穿过溶洞 2 利用 回转压力信号来对缓变 卡钎 和裂 隙卡钎 进行预防控制 。当回转压力超出缓变卡钎 也 即裂隙卡 钎 正常 回转压力最大值 P 时 ， 控制推进 机构压力无 级下降 ， 使推进力随 回转阻力矩增大而逐渐降低 ． 从而 恢复到正常凿岩状态 ；如果 回转压力没有下降而是继 续 升高超过 P 时 ， 控制推进机构 回退 ， 直至 回转 压力 恢复正常到P 时 ， 控制推进机构推进 ， 压力无级上升 ， 直至恢复到正常凿岩状态 ， 如此循环直至穿过卡钎区。 4 结束语 随着电子技术、控制技术在工程机械上的不断应 4 用和发展 ， 液压凿岩机在不断 向前发展 。对液压凿岩机 结构改进 、 新设计方法和理论 以及新材料的使用 ． 延长 设备使用寿命 、 适应复杂 的凿岩对象 、 提高凿岩效率 ； 结合试验结果分析影响液压凿 岩机凿岩的因素及变化 规律 。如实际试验 中获得 回转压力与推进压力在凿岩 及卡钎 时的变化规律 。 并与液压技术 、 控制技术等相结 合 ， 向自动化和智能化凿岩方向发展 参考 文 献 [ 1 ] 许勤． 流体冲击机械的现状与发展趋势【 J 】 ． 工程机械， 2 0 1 1 ， 3 ． [ 2 】 赵昱 东． 液压凿岩设备 的发展概况及趋势[ J ] ． 现代矿业 ， 2 0 1 0 ， 4 1 1 - 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