液壓鑿巖的動力特征分析研究

王書安，朱叢國，鄭 偉

（魯中礦業(yè)公司 機修廠，山東 萊蕪 271113）

1 前言

鑿巖設備的鉆孔能力和生產(chǎn)效率是制約我國礦山采礦效率和生產(chǎn)發(fā)展的主要技術矛盾。目前我國礦山尚大多采用氣動鑿巖設備（YG80，YGZ90 氣動鑿巖機配用CTC14 采礦鉆車），這些設備受氣動鑿巖機功率的限制，存在鉆孔效率低 （50m/班左右）， 鉆深有限（＜15m）， 遠不能滿足高效采礦和大結構參數(shù)采礦方法的需要。 近年來，一些大型礦山先后引進了國外Atlas 和Sandvik 等公司的全液壓鉆車， 這些設備雖然具有鉆孔效率高、 鉆深能力強的特點；但存在購置費用高，備品備件供應和維護保養(yǎng)困難的問題，限制了它們在國內(nèi)的推廣應用。為了研制國產(chǎn)液壓鉆車（配用液壓鑿巖機），本文對液壓鑿巖的動力特性進行分析研究。

機械鉆孔的方法可分為沖擊-轉動式、旋轉式和旋轉-沖擊式三種類型。除旋轉式主要應用于軟巖鉆進外，傳統(tǒng)的沖擊-轉動方法主要利用沖擊來破碎巖石，并不能利用釬頭的轉動來有效剪切破碎巖石，兩個破碎坑之間的巖石破碎主要依靠反復沖擊和震裂完成，這是其鑿速不快的重要原因。

液壓鑿巖機在大推力作用和大扭矩條件下采用旋轉-沖擊方法，在破巖原理上，除沖擊破碎外，還施加了強力剪切破碎巖石，充分利用了巖石的剪切強度遠小于抗壓強度這一巖石特性。其能量利用率和鑿巖速度大大高于一般沖擊-轉動式鑿巖機。 同時，由于采用了大推力，鉆具在大多數(shù)時間內(nèi)處于壓縮狀態(tài)， 減少或消除了釬具中的拉應力，避免了對稱應力循環(huán)，從疲勞損傷的角度考慮，這將有利于提高釬具的使用壽命。

為了能使液壓鑿巖機以旋轉-沖擊方法有效地破碎巖石，必須：（1）旋轉機構具有足夠大的扭力和旋轉功率；（2）對釬具施加較大的推力；（3） 有足夠的沖擊能，可在孔底巖面上形成一定深度的破碎坑，以使釬頭轉動時能剪切破碎較多的巖石。

2 液壓鑿巖的動力學特征

表1 列出了液壓鑿巖機和中深孔氣動鑿巖機的技術特性，從表1 可以看出：

（1）液壓鑿巖機的輸出總功率為中深孔氣動鑿巖機的（2.5～6）倍。

（2） 液壓鑿巖機采用了旋轉-沖擊破巖原理， 旋轉功率比氣動鑿巖機（YGZ90）提高 (4～8)倍，旋轉功率接近或超過沖擊功率。

表1 液壓鑿巖機和中深孔氣動鑿巖機的技術特性

3 液壓鑿巖機釬桿的工作應力和疲勞壽命

釬桿中的應力波是將活塞沖擊能轉化為巖石破碎能的中間媒介。 為有效地進行巖石破碎，并保證足夠的釬具壽命， 要求應力波應蘊含較多的能量，同時具有較低的應力峰值，它可由峰值系數(shù)[1]（傳遞單位沖擊能的應力峰值）來表征：

ψmax——最大波值系數(shù)

ψmax是入射應力波形的重要品質(zhì)因素。

一般來說，在傳遞相等沖擊能量的情況下， 愈平坦的波其峰值系數(shù)愈低，矩形波具有最低的峰值系數(shù)（ψmax=0.5，

氣動鑿巖機工作氣壓（0.5～0.7MPa）不高， 其沖擊活塞為具有粗大頭部和細長柄部的雙圓柱形狀， 由于不同截面存在反射，其應力波一般頭部很高，然后逐步衰減，故其峰值系數(shù)較高；液壓鑿巖機工作油壓（16～25MPa）為氣動鑿巖機工作氣壓的數(shù)十倍， 故其活塞可以作成細長（和釬桿直徑接近）的單圓柱形狀，其應力波形接近矩形波，其峰值系數(shù)大大降低，圖 1、圖 2、圖 3 給出了 YGZ90 氣動鑿巖機、HYD300 和 COP1238 液壓鑿巖機的活塞形狀； 表2 為其峰值系數(shù)的計算結果（注：三種鑿巖機的釬桿直徑DR均為 φ38mm）。

從表2 可以看出：

液壓鑿巖釬桿應力波的峰值系數(shù)分別為YGZ90 氣動鑿巖機釬桿應力波峰值系數(shù)的62.7%(HYD300)和54.1%(COP1238ME)。 由于液壓鑿巖機釬桿應力峰值的降低，對于同樣質(zhì)量（具有相同疲勞特性）的釬桿，這意味著：

（1）在相等壽命條件下，采用液壓鑿巖機傳遞的沖擊能量可以為氣動鑿巖機傳遞沖擊能量的1.60～1.85 倍，達300J 以上。

（2） 如果傳遞的沖擊能量不變，根據(jù)釬桿S-N 曲線

NSm=Cm

式中 N——應力循環(huán)次數(shù)

S——循環(huán)載荷

C，m——材料常數(shù)，C=150，m=8.3

采用液壓鑿巖機，并考慮沖擊頻率的影響（其頻率對YGZ90 的增加系數(shù)分別為 Kf1=35 33.3=1.05（HYD300），Kf2=50 33.3=1.5（Cop1238），釬桿的疲勞壽命將顯著增加。

4 液壓鑿巖 （對巖石） 的能量傳遞

由于液壓鑿巖機的入射應力波形更為平坦（接近矩形波），其入射波的能量更向波尾偏置，其波形分布和巖石破碎特性（鑿入力隨鑿深線性增加）形成更好的匹配，其能量傳遞效率將有所增加，運用波動理論可計算出對巖石的能量傳遞效率

式中 η——能量傳遞效率

ER——巖石破碎能量

EP——活塞沖擊能量

K ——巖石鑿入系數(shù)

UM——最大鑿深

M ——活塞質(zhì)量

VP——活塞沖擊速度

表3 列出了氣動鑿巖機（YGZ90）和液壓鑿巖機 （HYD300 和 COP1238）在鑿入系統(tǒng)特性θ=1 情況下的鑿入效率計算結果：

這表明，在沖擊能量相同的情況下，由于液壓鑿巖入射應力波形的改善，其用于巖石破碎的能量較氣動鑿巖機增加20%以上。

圖1 YGZ90 氣動鑿巖機的活塞

圖2 HYD300 液壓鑿巖機的活塞

圖3 COP1238 液壓鑿巖機的活塞

表2 峰值系數(shù)的計算結果

表3 能量傳遞效率計算結果

綜上所述，由于液壓鑿巖動力學特征的改變， 如動力配置采用了旋轉－沖擊破巖原理， 釬桿峰值應力降低，及能量傳遞的效率增加，使得液壓鑿巖機較之氣動鑿巖機具有優(yōu)異的鉆孔效率，其鑿巖速度一般可達氣動鑿巖設備的 3～4 倍。

5 液壓鑿巖現(xiàn)場試驗

國產(chǎn)液壓中深孔采礦鉆車采用HYD300 液壓鑿巖機在我公司小官莊鐵礦-384 水平 11 號、12 號、13 號進路采礦場進行了現(xiàn)場試驗。試驗礦巖條件為堅硬原生鐵礦石（夾雜閃長巖），鉆孔方式為向上和前傾切割孔，巖石硬度系數(shù) f=12～14，鉆孔釬桿為 JD38-38，釬頭S70， 鉆車在井下工作面共鉆進采礦和切割扇形孔206 個， 合計鉆孔2689m，最大試驗鉆孔深30m，實驗結果表明：

（1）國產(chǎn)液壓中深孔采礦鉆車與現(xiàn)有YGZ90 氣動鑿巖設備相比， 具有鉆進速度快、效率高的突出優(yōu)勢。 現(xiàn)場測試 結 果 ： 最 高 鉆 速 ：860mm/min，為YGZ90 氣動鑿巖設備的 2.22 倍。 鉆鑿深孔的平均鉆速：

在鉆深 7.7m（7 桿）時，為 YGZ90氣動鑿巖設備的2.10 倍。

在 鉆 深 15.4m （14 桿 ） 時 ，為YGZ90 氣動鑿巖設備的3.56 倍。

當量鉆速（鉆鑿一排扇形深孔的平均鉆速）：535.7mm/min，為 YGZ90 氣動鑿巖設備的3.43 倍。

臺班效率：在無故障和有一般故障的情況下， 臺班效率分別達到了130m和115m， 為YGZ90 氣動鑿巖設備的2.5 倍。

（2）國產(chǎn)液壓中深孔采礦鉆車具有強勁的破碎硬巖的能力，在鉆鑿閃長巖和混合礦塊等堅硬巖層中，其優(yōu)越性表現(xiàn)得更為突出，鉆進速度仍能保持0.3～0.4m/min；而氣動鑿巖機臺架鉆鑿同樣的巖層， 鉆進速度只有0.025m/min 左右（40min 鉆進 1m）。 在相同硬巖條件下，智能型中深孔采礦鉆車鑿巖效率是氣動鑿巖設備的14 倍左右。

6 結論和建議

（1）液壓鑿巖機的輸出總功率為中深孔氣動鑿巖機的（2.5～6）倍。 旋轉功率比氣動鑿巖機提高了(4～8)倍，旋轉功率接近或超過沖擊功率，這是其鑿巖效率提高的原因。

（2）液壓鑿巖機釬桿應力波峰值的降低，采用液壓鑿巖機傳遞的沖擊能量可以增大，利于破碎巖石，而釬桿壽命不降低。

（3） 在同樣沖擊能量的情況下，由于液壓鑿巖機入射應力波形的改善，其用于巖石破碎的能量較氣動鑿巖機增加20%以上。

（4）現(xiàn)場實驗結果表明，采用液壓鑿巖機鉆孔速度為中深孔氣動鑿巖機的2.2 倍，尤其在硬巖中，鑿巖效率提高顯著。

（5）在現(xiàn)場試驗中發(fā)現(xiàn)個別釬具卸釬困難，影響了鑿巖效率，除個別釬具加工質(zhì)量不佳的原因外；主要由于液壓鑿巖機總功率加大，對釬具接頭要求更高，建議加強釬具接頭結構和理論的研究。

[1]趙統(tǒng)武.沖擊鉆進動力學[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996.

[2]周志鴻 等.地下鑿巖設備[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2004.