液壓鑿巖機(jī)的研究動(dòng)態(tài)與方向

液壓鑿巖機(jī)因其能量利用率高、鑿巖速度快、環(huán)境污染低和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化而逐漸取代氣動(dòng)鑿巖機(jī)，被廣泛應(yīng)用于建筑、采礦和地質(zhì)工程。跟著計(jì)算機(jī)技術(shù)和機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，進(jìn)一步進(jìn)步液壓鑿巖機(jī)的鑿巖效率，完善自動(dòng)鑿巖技術(shù)，加強(qiáng)勞動(dòng)保護(hù)，成為目前海內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)的研究熱門(mén)。這些研究，將會(huì)促進(jìn)液壓鑿巖機(jī)的進(jìn)一步發(fā)展和應(yīng)用。

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

計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在液壓鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已日趨成熟。利用計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)，可以對(duì)液壓鑿巖機(jī)的沖擊參數(shù)和沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)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(jī)機(jī)能參數(shù)和最公道的結(jié)構(gòu)尺寸。在建立計(jì)算機(jī)模型方面，目前一般是通過(guò)建立活塞、換向閥的動(dòng)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(lái)建立模型。

在此方面，我國(guó)研究職員開(kāi)發(fā)成功了參數(shù)化、集成化液壓鑿巖機(jī)沖擊器計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)（PIHDCAD），可以支持液壓鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算、機(jī)能特性仿真、特性曲線的繪制、設(shè)計(jì)圖紙的繪制與輸出等全部過(guò)程。

在國(guó)外，日本研究職員提出了由沖擊器、釬桿和釬頭等組成的計(jì)算機(jī)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(kāi)發(fā)出連續(xù)鑿巖時(shí)的計(jì)算機(jī)解析模型，更加符合鑿巖機(jī)的實(shí)際工作情況。日本研究職員側(cè)重的是針對(duì)詳細(xì)的液壓鑿巖機(jī)建立計(jì)算機(jī)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(jī)能的優(yōu)化,并在計(jì)算機(jī)模擬中引入由試驗(yàn)實(shí)測(cè)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(jī)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(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬的同時(shí)，日本研究職員更注重與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的比較，并依照測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算模型的修正，為進(jìn)步?jīng)_擊機(jī)構(gòu)的沖擊效率、進(jìn)行液壓沖擊參數(shù)的調(diào)整和優(yōu)化鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)提供了依據(jù)，大大進(jìn)步了試制樣機(jī)的精度，縮短了設(shè)計(jì)周期，減少了不必要的開(kāi)發(fā)本錢(qián)。

2 關(guān)于沖擊頻率調(diào)節(jié)的研究

液壓鑿巖機(jī)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(shí)，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(guó)的HPR系列和JH系列液壓鑿巖機(jī)采用了通過(guò)進(jìn)油控制閥控制壓力來(lái)調(diào)節(jié)沖擊頻率的辦法；法國(guó)的RPH系列、瑞典的COP1038系列的柱閥型液壓鑿巖機(jī)則分別采用改變沖程調(diào)節(jié)孔和回程推閥孔的位置來(lái)調(diào)節(jié)沖擊活塞的行程，以達(dá)到調(diào)節(jié)沖擊頻率的目的。調(diào)節(jié)活塞行程是通過(guò)改變鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在實(shí)際操縱中不利便，鑿巖機(jī)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(jìn)行有級(jí)調(diào)節(jié)，一般只有三級(jí)。

為實(shí)現(xiàn)沖擊頻率的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，且易于操縱和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(guó)研究職員把機(jī)電一體化技術(shù)引入液壓鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，提出了壓力反饋式獨(dú)立無(wú)級(jí)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(guò)獨(dú)立無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)沖擊系統(tǒng)壓力和供油泵輸出的流量，從而實(shí)現(xiàn)沖擊能和沖擊頻率的獨(dú)立無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，為液壓沖擊參數(shù)的無(wú)級(jí)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(dòng)控制的研究

液壓鑿巖機(jī)鑿巖過(guò)程的自動(dòng)化技術(shù)是目前海內(nèi)外研究液壓鑿巖設(shè)備的熱門(mén)之一。利用傳感器和機(jī)械手進(jìn)行巷道斷面的外形測(cè)繪與被鑿巖石的性質(zhì)識(shí)別，自動(dòng)操作液壓鑿巖機(jī)正確定位、自動(dòng)開(kāi)孔、停釬和退釬，并根據(jù)被鑿對(duì)象自動(dòng)調(diào)節(jié)沖擊能、沖擊頻率、回轉(zhuǎn)扭矩和轉(zhuǎn)速，同時(shí)可進(jìn)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(guó)就已經(jīng)開(kāi)始這項(xiàng)鑿巖過(guò)程智能化的研究工作，現(xiàn)已取得了相稱大的進(jìn)展，特別是圍繞鑿巖機(jī)鉆臂定位系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制研究和鉆孔機(jī)器人的研究，不管是理論研究仍是實(shí)際應(yīng)用研究都逐漸走向成熟。對(duì)液壓鑿巖機(jī)本體的自動(dòng)控制研究仍集中在通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被鑿對(duì)象的性質(zhì)來(lái)調(diào)整液壓參數(shù)，以適應(yīng)不同鑿巖對(duì)象，進(jìn)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(jī)本體與鑿巖機(jī)的工作對(duì)象作為一個(gè)體系來(lái)進(jìn)行研究。日本研究者致力于建立連續(xù)鑿巖的計(jì)算機(jī)解析模型，在實(shí)驗(yàn)室模擬被沖擊對(duì)象并在沖擊斷面外形和巖石性質(zhì)識(shí)別長(zhǎng)進(jìn)行研究，以期在實(shí)用智能鑿巖機(jī)器人的研究和應(yīng)用方面有更新的突破。

4 關(guān)于勞動(dòng)保護(hù)的研究

液壓鑿巖設(shè)備的操縱者長(zhǎng)期在較差的環(huán)境下工作，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，加速鑿巖機(jī)器人的研究和應(yīng)用將會(huì)盡快把操縱者從惡劣的環(huán)境中解放出來(lái)。但目前如何從人機(jī)工程、勞動(dòng)保護(hù)的角度來(lái)研究液壓鑿巖設(shè)備，控制液壓鑿巖機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)、降低鑿巖功課產(chǎn)生的噪聲以及粉塵，為操縱者提供一個(gè)較好的勞動(dòng)前提，也長(zhǎng)短常重要的研究課題。在振動(dòng)和噪聲的控制方面，日本研究者從氣動(dòng)振念頭具的研究入手，從結(jié)構(gòu)上研究防止振動(dòng)和噪聲的新方法，一是對(duì)采用內(nèi)藏襯套緩沖型混凝土破碎機(jī)進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，結(jié)果表明，采用該結(jié)構(gòu)的沖擊器對(duì)進(jìn)步?jīng)_擊效率和降低振動(dòng)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(yàn)證了其按捺振動(dòng)和噪聲的效果。瑞典研究者則開(kāi)發(fā)了減輕手腕振動(dòng)的電動(dòng)混凝土破碎器，與過(guò)去的產(chǎn)品比擬，其振動(dòng)的衰減機(jī)能得到了顯著改善。這些研究，對(duì)于液壓鑿巖機(jī)的振動(dòng)與噪聲控制的研究，無(wú)疑將會(huì)有很大促進(jìn)。