液压凿岩的动力特征分析研究

　　1 前言

　　凿岩设备的钻孔能力和生产效率是制约我国矿山采矿效率和生产发展的主要技术矛盾。目前我国矿山尚大多采用气动凿岩设备（YG80，YGZ90气动凿岩机配用CTC14采矿钻车），这些设备受气动凿岩机功率的限制，存在钻孔效率低（50m/班左右），钻深有限（<15m），远不能满足高效采矿和大结构参数采矿方法的需要。近年来，一些大型矿山先后引进了国外Atlas和Sandvik等公司的全液压钻车，这些设备虽然具有钻孔效率高、钻深能力强的特点；但存在购置费用高，备品备件供应和维护保养困难的问题，限制了它们在国内的推广应用。为了研制国产液压钻车（配用液压凿岩机），本文对液压凿岩的动力特性进行分析研究。

　　机械钻孔的方法可分为冲击-转动式、旋转式和旋转-冲击式三种类型。除旋转式主要应用于软岩钻进外，传统的冲击-转动方法主要利用冲击来破碎岩石，并不能利用钎头的转动来有效剪切破碎岩石，两个破碎坑之间的岩石破碎主要依靠反复冲击和震裂完成，这是其凿速不快的重要原因。

　　液压凿岩机在大推力作用和大扭矩条件下采用旋转-冲击方法，在破岩原理上，除冲击破碎外，还施加了强力剪切破碎岩石，充分利用了岩石的剪切强度远小于抗压强度这一岩石特性。其能量利用率和凿岩速度大大高于一般冲击-转动式凿岩机。同时，由于采用了大推力，钻具在大多数时间内处于压缩状态，减少或消除了钎具中的拉应力，避免了对称应力循环，从疲劳损伤的角度考虑，这将有利于提高钎具的使用寿命。

　　为了能使液压凿岩机以旋转-冲击方法有效地破碎岩石，必须：（1）旋转机构具有足够大的扭力和旋转功率；（2）对钎具施加较大的推力；（3）有足够的冲击能，可在孔底岩面上形成一定深度的破碎坑，以使钎头转动时能剪切破碎较多的岩石。

　　2 液压凿岩的动力学特征

表1 液压凿岩机和中深孔气动凿岩机的技术特性

　　表1列出了液压凿岩机和中深孔气动凿岩机的技术特性，从表1可以看出：

　　（1）液压凿岩机的输出总功率为中深孔气动凿岩机的（2.5～6）倍。

　　（2）液压凿岩机采用了旋转-冲击破岩原理，旋转功率比气动凿岩机（YGZ90）提高 （4～8）倍，旋转功率接近或超过冲击功率。

　　3 液压凿岩机钎杆的工作应力和疲劳寿命

　　钎杆中的应力波是将活塞冲击能转化为岩石破碎能的中间媒介。为有效地进行岩石破碎，并保证足够的钎具寿命，要求应力波应蕴含较多的能量，同时具有较低的应力峰值，它可由峰值系数[1]（传递单位冲击能的应力峰值）来表征：