液壓鑿巖機的研究動態(tài)與方向

液壓鑿巖機因其能量利用率高、鑿巖速度快、環(huán)境污染低和易于實現(xiàn)自動化而逐漸取代氣動鑿巖機，被廣泛應(yīng)用于建筑、采礦和地質(zhì)工程。跟著計算機技術(shù)和機電一體化技術(shù)的發(fā)展，進一步進步液壓鑿巖機的鑿巖效率，完善自動鑿巖技術(shù)，加強勞動保護，成為目前海內(nèi)外相關(guān)研究機構(gòu)的研究熱門。這些研究，將會促進液壓鑿巖機的進一步發(fā)展和應(yīng)用。

1 關(guān)于沖擊機構(gòu)的計算機模擬與結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究

計算機模擬技術(shù)在液壓鑿巖機沖擊機構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用已日趨成熟。利用計算機模擬設(shè)計，可以對液壓鑿巖機的沖擊參數(shù)和沖擊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，以確定出能夠獲得最優(yōu)沖擊效果的液壓鑿巖機機能參數(shù)和最公道的結(jié)構(gòu)尺寸。在建立計算機模型方面，目前一般是通過建立活塞、換向閥的動力學(xué)方程式和各液壓腔的流量方程式以及蓄能器的氣體狀態(tài)方程來建立模型。

在此方面，我國研究職員開發(fā)成功了參數(shù)化、集成化液壓鑿巖機沖擊器計算機輔助系統(tǒng)（PIHDCAD），可以支持液壓鑿巖機沖擊機構(gòu)設(shè)計的全過程，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化計算、機能特性仿真、特性曲線的繪制、設(shè)計圖紙的繪制與輸出等全部過程。

在國外，日本研究職員提出了由沖擊器、釬桿和釬頭等組成的計算機模型，以活塞、釬桿和釬頭的一元應(yīng)力波理論為基礎(chǔ)，并假定了釬頭與巖石間的相互作用力和鑿?fù)改芰εc滯后的關(guān)系，開發(fā)出連續(xù)鑿巖時的計算機解析模型，更加符合鑿巖機的實際工作情況。日本研究職員側(cè)重的是針對詳細(xì)的液壓鑿巖機建立計算機模擬模型，研究液壓沖擊器結(jié)構(gòu)參數(shù)、沖擊參數(shù)和機能的優(yōu)化,并在計算機模擬中引入由試驗實測得到的被沖擊體的反沖系數(shù)，模擬得到相應(yīng)液壓沖擊機構(gòu)的最優(yōu)回油口面積、蓄能器的最優(yōu)充氣腔容積和后腔受壓面積等。在進行計算機模擬的同時，日本研究職員更注重與試驗測試結(jié)果的比較，并依照測試的數(shù)據(jù)進行計算模型的修正，為進步?jīng)_擊機構(gòu)的沖擊效率、進行液壓沖擊參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化鑿巖機的結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)，大大進步了試制樣機的精度，縮短了設(shè)計周期，減少了不必要的開發(fā)本錢。

2 關(guān)于沖擊頻率調(diào)節(jié)的研究

液壓鑿巖機的沖擊功率取決于沖擊能與沖擊頻率，為適應(yīng)鉆鑿不同性質(zhì)的巖石，在沖擊功率相同的情況下，要求液壓鑿巖性能不斷地調(diào)整其沖擊能和沖擊頻率的匹配,以獲得更好的沖擊效率。好比在鉆鑿軟巖時，采用較高的沖擊頻率和較低的沖擊能，其沖擊效果就比高沖擊能低沖擊頻率更好。

沖擊頻率調(diào)節(jié)的方法可采用調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的壓力和流量以及調(diào)節(jié)活塞行程兩種方法。例如，美國的HPR系列和JH系列液壓鑿巖機采用了通過進油控制閥控制壓力來調(diào)節(jié)沖擊頻率的辦法；法國的RPH系列、瑞典的COP1038系列的柱閥型液壓鑿巖機則分別采用改變沖程調(diào)節(jié)孔和回程推閥孔的位置來調(diào)節(jié)沖擊活塞的行程，以達到調(diào)節(jié)沖擊頻率的目的。調(diào)節(jié)活塞行程是通過改變鑿巖機的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)的，在實際操縱中不利便，鑿巖機本身的結(jié)構(gòu)也變得較為復(fù)雜，調(diào)節(jié)的范圍很小，且只能進行有級調(diào)節(jié)，一般只有三級。

為實現(xiàn)沖擊頻率的無級調(diào)節(jié)，且易于操縱和實現(xiàn)自動控制，沖擊頻率的調(diào)節(jié)研究還需從控制輸入流量和壓力入手。我國研究職員把機電一體化技術(shù)引入液壓鑿巖機的結(jié)構(gòu)設(shè)計，提出了壓力反饋式獨立無級調(diào)節(jié)沖擊能和沖擊頻率的液壓沖擊器原理和結(jié)構(gòu)，即通過獨立無級調(diào)節(jié)沖擊系統(tǒng)壓力和供油泵輸出的流量，從而實現(xiàn)沖擊能和沖擊頻率的獨立無級調(diào)節(jié)，為液壓沖擊參數(shù)的無級調(diào)節(jié)與控制的研究尋求到了一條新的思路。

3 關(guān)于自動控制的研究

液壓鑿巖機鑿巖過程的自動化技術(shù)是目前海內(nèi)外研究液壓鑿巖設(shè)備的熱門之一。利用傳感器和機械手進行巷道斷面的外形測繪與被鑿巖石的性質(zhì)識別，自動操作液壓鑿巖機正確定位、自動開孔、停釬和退釬，并根據(jù)被鑿對象自動調(diào)節(jié)沖擊能、沖擊頻率、回轉(zhuǎn)扭矩和轉(zhuǎn)速，同時可進行遙控操作。在約20年前，世界各主要液壓鑿巖設(shè)備研究國就已經(jīng)開始這項鑿巖過程智能化的研究工作，現(xiàn)已取得了相稱大的進展，特別是圍繞鑿巖機鉆臂定位系統(tǒng)的計算機控制研究和鉆孔機器人的研究，不管是理論研究仍是實際應(yīng)用研究都逐漸走向成熟。對液壓鑿巖機本體的自動控制研究仍集中在通過實時監(jiān)測被鑿對象的性質(zhì)來調(diào)整液壓參數(shù)，以適應(yīng)不同鑿巖對象，進步鉆孔速度，獲得最優(yōu)鉆孔效率。該研究需要將液壓鑿巖機本體與鑿巖機的工作對象作為一個體系來進行研究。日本研究者致力于建立連續(xù)鑿巖的計算機解析模型，在實驗室模擬被沖擊對象并在沖擊斷面外形和巖石性質(zhì)識別長進行研究，以期在實用智能鑿巖機器人的研究和應(yīng)用方面有更新的突破。

4 關(guān)于勞動保護的研究

液壓鑿巖設(shè)備的操縱者長期在較差的環(huán)境下工作，從長遠(yuǎn)來看，加速鑿巖機器人的研究和應(yīng)用將會盡快把操縱者從惡劣的環(huán)境中解放出來。但目前如何從人機工程、勞動保護的角度來研究液壓鑿巖設(shè)備，控制液壓鑿巖機工作時產(chǎn)生的振動、降低鑿巖功課產(chǎn)生的噪聲以及粉塵，為操縱者提供一個較好的勞動前提，也長短常重要的研究課題。在振動和噪聲的控制方面，日本研究者從氣動振念頭具的研究入手，從結(jié)構(gòu)上研究防止振動和噪聲的新方法，一是對采用內(nèi)藏襯套緩沖型混凝土破碎機進行計算機模擬，結(jié)果表明，采用該結(jié)構(gòu)的沖擊器對進步?jīng)_擊效率和降低振動有顯著的效果；二是減小沖擊器和釬桿間的彈性系數(shù)，采用消聲裝置或夾有塑料減振鋼板，并驗證了其按捺振動和噪聲的效果。瑞典研究者則開發(fā)了減輕手腕振動的電動混凝土破碎器，與過去的產(chǎn)品比擬，其振動的衰減機能得到了顯著改善。這些研究，對于液壓鑿巖機的振動與噪聲控制的研究，無疑將會有很大促進。