液压凿岩机的研究动态与方向

液压凿岩机因其能量利用率高、凿岩速度快、环境污染低和易于实现自动化而逐渐取代气动凿岩机，被广泛应用于建筑、采矿和地质工程。跟着计算机技术和机电一体化技术的发展，进一步进步液压凿岩机的凿岩效率，完善自动凿岩技术，加强劳动保护，成为目前海内外相关研究机构的研究热门。这些研究，将会促进液压凿岩机的进一步发展和应用。

1 关于冲击机构的计算机模拟与结构优化的研究

计算机模拟技术在液压凿岩机冲击机构设计中的应用已日趋成熟。利用计算机模拟设计，可以对液压凿岩机的冲击参数和冲击机构的结构参数进行优化，以确定出能够获得最优冲击效果的液压凿岩机机能参数和最公道的结构尺寸。在建立计算机模型方面，目前一般是通过建立活塞、换向阀的动力学方程式和各液压腔的流量方程式以及蓄能器的气体状态方程来建立模型。

在此方面，我国研究职员开发成功了参数化、集成化液压凿岩机冲击器计算机辅助系统（PIHDCAD），可以支持液压凿岩机冲击机构设计的全过程，实现结构参数的优化计算、机能特性仿真、特性曲线的绘制、设计图纸的绘制与输出等全部过程。

在国外，日本研究职员提出了由冲击器、钎杆和钎头等组成的计算机模型，以活塞、钎杆和钎头的一元应力波理论为基础，并假定了钎头与岩石间的相互作用力和凿透能力与滞后的关系，开发出连续凿岩时的计算机解析模型，更加符合凿岩机的实际工作情况。日本研究职员侧重的是针对详细的液压凿岩机建立计算机模拟模型，研究液压冲击器结构参数、冲击参数和机能的优化,并在计算机模拟中引入由试验实测得到的被冲击体的反冲系数，模拟得到相应液压冲击机构的最优回油口面积、蓄能器的最优充气腔容积和后腔受压面积等。在进行计算机模拟的同时，日本研究职员更注重与试验测试结果的比较，并依照测试的数据进行计算模型的修正，为进步冲击机构的冲击效率、进行液压冲击参数的调整和优化凿岩机的结构提供了依据，大大进步了试制样机的精度，缩短了设计周期，减少了不必要的开发本钱。

2 关于冲击频率调节的研究

液压凿岩机的冲击功率取决于冲击能与冲击频率，为适应钻凿不同性质的岩石，在冲击功率相同的情况下，要求液压凿岩性能不断地调整其冲击能和冲击频率的匹配,以获得更好的冲击效率。好比在钻凿软岩时，采用较高的冲击频率和较低的冲击能，其冲击效果就比高冲击能低冲击频率更好。

冲击频率调节的方法可采用调节液压系统的压力和流量以及调节活塞行程两种方法。例如，美国的HPR系列和JH系列液压凿岩机采用了通过进油控制阀控制压力来调节冲击频率的办法；法国的RPH系列、瑞典的COP1038系列的柱阀型液压凿岩机则分别采用改变冲程调节孔和回程推阀孔的位置来调节冲击活塞的行程，以达到调节冲击频率的目的。调节活塞行程是通过改变凿岩机的结构来实现的，在实际操纵中不利便，凿岩机本身的结构也变得较为复杂，调节的范围很小，且只能进行有级调节，一般只有三级。

为实现冲击频率的无级调节，且易于操纵和实现自动控制，冲击频率的调节研究还需从控制输入流量和压力入手。我国研究职员把机电一体化技术引入液压凿岩机的结构设计，提出了压力反馈式独立无级调节冲击能和冲击频率的液压冲击器原理和结构，即通过独立无级调节冲击系统压力和供油泵输出的流量，从而实现冲击能和冲击频率的独立无级调节，为液压冲击参数的无级调节与控制的研究寻求到了一条新的思路。

3 关于自动控制的研究

液压凿岩机凿岩过程的自动化技术是目前海内外研究液压凿岩设备的热门之一。利用传感器和机械手进行巷道断面的外形测绘与被凿岩石的性质识别，自动操作液压凿岩机正确定位、自动开孔、停钎和退钎，并根据被凿对象自动调节冲击能、冲击频率、回转扭矩和转速，同时可进行遥控操作。在约20年前，世界各主要液压凿岩设备研究国就已经开始这项凿岩过程智能化的研究工作，现已取得了相称大的进展，特别是围绕凿岩机钻臂定位系统的计算机控制研究和钻孔机器人的研究，不管是理论研究仍是实际应用研究都逐渐走向成熟。对液压凿岩机本体的自动控制研究仍集中在通过实时监测被凿对象的性质来调整液压参数，以适应不同凿岩对象，进步钻孔速度，获得最优钻孔效率。该研究需要将液压凿岩机本体与凿岩机的工作对象作为一个体系来进行研究。日本研究者致力于建立连续凿岩的计算机解析模型，在实验室模拟被冲击对象并在冲击断面外形和岩石性质识别长进行研究，以期在实用智能凿岩机器人的研究和应用方面有更新的突破。

4 关于劳动保护的研究

液压凿岩设备的操纵者长期在较差的环境下工作，从长远来看，加速凿岩机器人的研究和应用将会尽快把操纵者从恶劣的环境中解放出来。但目前如何从人机工程、劳动保护的角度来研究液压凿岩设备，控制液压凿岩机工作时产生的振动、降低凿岩功课产生的噪声以及粉尘，为操纵者提供一个较好的劳动前提，也长短常重要的研究课题。在振动和噪声的控制方面，日本研究者从气动振念头具的研究入手，从结构上研究防止振动和噪声的新方法，一是对采用内藏衬套缓冲型混凝土破碎机进行计算机模拟，结果表明，采用该结构的冲击器对进步冲击效率和降低振动有显著的效果；二是减小冲击器和钎杆间的弹性系数，采用消声装置或夹有塑料减振钢板，并验证了其按捺振动和噪声的效果。瑞典研究者则开发了减轻手腕振动的电动混凝土破碎器，与过去的产品比拟，其振动的衰减机能得到了显著改善。这些研究，对于液压凿岩机的振动与噪声控制的研究，无疑将会有很大促进。