我国液压凿岩机设计研究现状与建议

摘 要：分析了我国液压凿岩机的各类设计研究文献，列举了一些相关论文的主要论点，指出了亟待解决的问题，对我国液压凿岩机产业的研究与发展提出了学术建议及政策建议。

关键词：液压；凿岩机；设计研究；建议

中图分类号：TD421.2 文献标识码：C

Abstract： The paper analyzes various design and research literature on hydraulic rock drills in China， enumerates major arguments in some related papers， points out the imperative problems， and puts forward academic and policy-related advice on the R&D of the hydraulic rock drills industry in China.

Keywords： hydraulic； rock drill； design & research； opinion

1 我国液压凿岩机设计研究历史回顾

我国液压凿岩机的研制起步非常早，距今已近50年。我国液压凿岩机技术研究也很早，二十世纪七十年代，我国长沙矿冶研究院等就翻译了大量国外液压凿岩机专利和论文，七十年代后期，我国作者撰写了大量液压凿岩机的技术论文，直到现在，关于液压凿岩机的论文与专利仍然不断出现在各类期刊与网络上。

我国液压凿岩机设计研究方面的论文，有博士论文，硕士论文，学士论文，有期刊论文，也有网络论文，在整个液压凿岩机技术论文中，占据了很大一部分。

估计有20个高等学校（其中包括3所师范大学）和近10个研究院所的作者发表过液压凿岩机技术论文，其中大部分是关于液压凿岩机设计研究方面的论文。专利文献更是与液压凿岩机结构设计有关。可见，液压凿岩机设计研究在我国并非冷门。

我国液压凿岩机的技术论文与设计研究论文大量产出。与此形成鲜明对比，我国液压凿岩机产品发展很缓慢，独立开发的产品，很少能在市场站住脚。

2 我国液压凿岩机文献的分类

2.1 研究型论文

2.1.1 设计计算型论文

此类论文数量多。

设计计算型论文包括了仿真计算，优化设计，活塞间隙优化设计，蓄能器设计优化，换向阀设计优化，活塞缓冲设计，钎尾缓冲设计，冲击频率调节方法等等。

博士、硕士、学士的论文几乎全部属于此类。高校与研究院所作者的论文大都属于此类。此类论文数量多。

2.1.2 实验研究型论文

实验研究型论文包括实验方法介绍，实验设备和仪器介绍，实验项目介绍，测试结果与测试曲线分析，误差分析等等。

此类论文中介绍实验原理与实验方法的较多。专门介绍液压凿岩机测试结果与曲线，并且进行分析的论文较少，大多散见于设计计算论文中，作为计算正确性的证明。

高校与研究院所作者有些论文属于此类，此类论文数量不多。

2.1.3 材料热处理研究型论文

材料热处理研究型论文包括活塞、钎尾的选材与热处理，铜套的选材等等。关于活塞、钎尾的选材与热处理的论文较多，关于其他零件的论文数量少。

2.1.4 加工工艺型论文

加工工艺型论文包括凿岩机主要零件的机加工的设备，工装夹具，量具与测量方法，工序与工艺步骤，怎样保证尺寸精度与位置精度，等等，大概是技术保密的原因，此类论文数量极少。

2.2 综述型论文

2.2.1 产品品种型号综述型论文

产品品种型号综述型论文包括当时国内外液压凿岩机产品的厂家，系列，型号，主要性能参数等等。

此类论文数量较多，但大多是介绍阿特拉斯、山特维克公司的液压凿岩机产品，介绍国内产品的较少。

2.2.2 产品历史发展综述型论文

产品历史发展综述型论文包括介绍国内外液压凿岩机历史发展，产品型号推出的年代，市场情况等等， 此类论文数量不多，但大多是介绍蒙特贝塔、阿特拉斯、山特维克公司的液压凿岩机产品历史，介绍国内产品历史的较少。

2.2.3 产品技术综述型论文

产品技术综述型论文包括液压凿岩机结构类型，技术进展，等等。此类论文数量少而且内容重复较多。

2.2.4 产品市场调研分析指导型论文

产品市场调研分析指导型论文包括当时国内使用的液压凿岩机产品的主要型号，市场保有量，年销售量与销售额，备件销售量与销售额，市场的细分，将来市场的趋势预测，市场对液压凿岩机的性能与技术要求。

此类论文很重要，对于国家的产业政策和企业的产品规划指导意义很大。

此类论文数量极少，几乎没有，倒是在网络上各种市场调查公司的广告不少，只提供提纲，具体内容要付费才能提供。

由于我国缺乏市场液压凿岩机产品销售数据统计，要写出高可信度的此类论文，必然要花费巨大的人力财力，只靠个人或一个单位的力量难以完成，最好有行业组织与行政力量的参与。

2.3 使用维修型论文

2.3.1 产品使用方法型论文

产品操作方法型论文包括凿岩机冲击压力，旋转压力，推进压力的优化匹配，钻头直径与旋转速度的匹配，操作方法等等。

此类论文数量不多，有北京科技大学高澜庆教授等的论文“液压凿岩机主要工作参数对凿岩速度影响的试验研究”，有广东省水利水电第二工程局梁明华论文“液压凿岩机旋转速度与凿孔直径的关系” [1]，是凿岩机使用实践总结，指导意义更大。

2.3.1 产品维修与故障分析型论文

产品维修与故障分析型论文多数为水电工程局、铁路隧道工程局的技术人员所写。此类论文来源于生产实践，言之有物，参考价值很大，数量不多，列举如下：

煤科总院北京建井所黄园月、李耀武、郭孝先“液压凿岩机的故障分析与防治”；

广东省水利水电第二工程局何雄彬“HDl35A和COPl238ME型液压凿岩机工作原理及常见故障处理” [2]；

广东水电二局股份有限公司李同明“阿特拉斯ROCD7钻机使用中易出现的问题与改进” [3]；

李强“Atlas 1838型凿岩机六种常见故障的排除”[4]；

张兆钦“COP1238凿岩机技术特点及使用维护” [5]；

田华军“HL500型液压凿岩机的日常维护保养” [6]。

2.4 产品介绍型论文

2.4.1 产品性能介绍型论文

产品性能介绍型论文多为介绍阿特拉斯、山特维克公司产品的论文，也有少量介绍国内海卓公司产品，乐清采矿机械厂的液压凿岩机产品的论文。

2.4.2 市场应用报道型论文

国外作者关于液压凿岩机市场应用报道型论文很多，国内此类论文数量很少，有少量关于YYT26支腿式液压凿岩机工程案例，使用成本效益分析的报道。

2.5 专利文献

最近的十几年关于凿岩机械的专利有六十多件，大都是液压凿岩机械的结构设计方面的专利。尚未见到有重大影响，或产生效益的专利。

3 我国液压凿岩机技术研究的不足

3.1 凿岩机文献的五多五少现象

通过对我国液压凿岩机文献的分析，我们发现有五多五少现象。

（1） 设计论文多，实验与工艺论文少；

（2） 研究论文多，使用维修论文少；

（3） 性能介绍型论文多，市场应用报道型论文少；

（4） 历史发展综述论文多，市场调研分析指导型论文少；

（5） 专利多，影响小。

3.2 缺少学术交流讨论

我国大概有20多年没有开过全国性液压凿岩机技术方面的交流会或研讨会。

我们众多的论文作者，都是在自说自话，没有交流，没有讨论，更没有争论。论文提出的论点，基本没有人跟进，进行理论与实践两个方面的证明或证伪，或补充，只是不加评价的引用。

我怀疑，很少有人认真阅读这众多的论文，如果不是博士生，硕士生，大学生因为做毕业论文的需要，阅读的人就更少了。我国关于液压凿岩机论文的影响力实在有限。

3.3 设计理论研究与产品生产脱节

我国大概可称得上液压凿岩机设计研究论文数量大国，但是我国自行开发的液压凿岩机产品多数从市场上消失，现在还能在市场上站住脚，有一定销售量的产品，多数为1980年代技术引进的产品。这种情况至少说明我们的设计研究和产品生产是脱节的，或者说明我们的设计理论还不成熟，还要不断改进。

4 我国液压凿岩机设计理论的主要论点

4.1 关于凿岩机冲击机构设计理论

4.1.1 三段法理论

认为活塞往复运动一个周期是由活塞回程加速、回程减速、冲程加速三个阶段组成的。4.1.2 设计变量理论

将一个无量纲数称为设计变量，这个无量纲数可以是：

（1） 冲程时间与活塞运动周期之比；

（2） 活塞回程加速度与冲程加速度之比；

（3） 活塞行程与可能最大行程之比；

（4） 活塞后腔受压面积与前腔受压面积之比，很明显，第四个无量纲数最直观，最易检验。

4.1.3 优化设计理论

根据以下5个设计目标，求得一个最佳设计变量。

（1） 蓄能器容积变化的最大值最小；

（2） 蓄能器隔膜震动次数最小；

（3） 能量利用效率最高；

（4） 冲程时，最大瞬时流量最小；

（5） 回程时，最大瞬时流量最小。

4.2 关于换向阀设计理论

4.2.1 换向阀中位正开口理论

换向阀在中位时，换向阀的高压窗口与低压窗口都有微小开启，叫正开口。认为正开口有益于冲击机构性能改善。主张应该采用正开口。

4.2.2 换向阀最优行程理论

换向阀行程的选取受到阀口通流面积，换向时间与阀耗油量三重制约，存在一个优化点。

4.3 关于蓄能器设计理论

4.3.1 高压蓄能器与活塞运动的最佳耦合理论

蓄能器的蓄油与排油量不仅与蓄能器的容积有关，而且与系统的工作频率有关，如果蓄能器固有频率选择不合适，即使加大蓄能器容积，也不能增大蓄能器的蓄油与排油量。

在蓄能器结构参数固定，凿岩机进油压力确定的情况下，可以改变蓄能器充气压力来改变谐振频率，使得系统处于最佳工作状态。

这个理论是极有理论研究价值与学术价值的，是一个动态的理论，是北京科技大学首先进行研究的，可惜无人跟进，这方面的论文太少。

4.3.2 蓄能器一次振动理论

在活塞运动一个周期内，蓄能器隔膜只有一次振动。这个理论已经包含在第4.1.2小节的优化设计理论中了，这是一个静态的理论。

4.4 关于信号孔位置

4.4.1 活塞回程换向信号孔位置的计算

这个理论是由北京科技大学与中南大学提出的，这是极其重要的计算，缺了这个计算公式，无法进行凿岩机的图纸设计。

4.4.2 活塞冲程换向信号孔位置的确定

这个理论是由北京科技大学与中南大学提出的，这也是极其重要的计算。既不能换向太早，使得撞击钎尾时，活塞已经被减速，也不能换向太晚，造成活塞二次打击钎尾。

4.5 钎尾反弹缓冲动力计算

研究这个理论的有浙江大学张新等人，广东工业大学机电工程学院刘智等人，中南大学机电工程学院赵宏强等人，杨国平等人，难能可贵的是，张新做了实验研究，有实验曲线图。

4.6 其他理论

（1）活塞密封间隙与长度优化理论；

（2） 活塞空打缓冲结构计算；

（3） 冲击频率无级调节自动换挡理论。

以上3种理论均有，就不一一论述了。

5 我国液压凿岩机设计研究亟待解决的问题

5.1 换向阀的结构尺寸问题

（1） 换向阀中位负开口的优缺点分析；

（2） 最优负开口量的计算与实验验证；

（3） 换向阀最优行程理论与实验验证。

5.2 活塞与缸体结构尺寸问题

（1） 活塞前后腔面积的确定及优化；

（2） 活塞回程换向信号孔位置的确定；

（3） 最优冲程换向信号孔位置计算与实验验证。

5.3 蓄能器与活塞运动的最佳耦合理论

研究蓄能器隔膜的动态频率响应，蓄能器最佳充气压力的计算。

5.4 钎尾反弹缓冲系统动力计算与实验验证

不但研究缓冲机构本身，进行静力学计算，更要研究钎尾反弹缓冲系统的动态响应，将缓冲机构，钎具与缓冲液压油路作为一个系统，研究缓冲活塞的频率响应，缓冲液压系统是否能有效吸收钎尾反弹的能量，又是否能迅速将钎头重新抵紧岩石。

5.5 凿岩机反打系统动力计算

既要研究反打机构本身，进行静力学计算。更要将反打机构与反打液压油路作为一个系统，研究反打活塞的位移，运动速度与冲击能量。

5.6 零件的气蚀与腐蚀问题

（1）活塞前后腔气蚀问题的计算与解决方法；

（2）凿岩机壳体联接平面点蚀的原因与预防。

6 我国液压凿岩机设计研究的学术建议

6.1 反求法

对国外高端液压凿岩机结构尺寸的分析，用反求法研究凿岩机冲击机构的设计计算公式与方法。反求法基本属于归纳法，反求法需要统计多台高端液压凿岩机的结构尺寸，统计数据越多，代数计算公式越接近实际，设计指导作用越大。这方面的工作似乎还没有人去做。

6.2 验证法

将我们国内的设计理论，如用最佳设计变量理论，换向阀最优行程理论，蓄能器设计理论，分析国外高端液压凿岩机的结构尺寸、充气压力等参数，检验是否符合我们的理论。如果大致符合，则验证了我们理论的正确性，如果相差很大，则要寻找原因。

6.3 代数计算公式研究

6.3.1 液压凿岩机设计研究方法的分类

理论分析与公式计算，实验研究，计算机数值仿真是凿岩机设计研究的三驾马车。

三段法，最佳设计变量等属于理论分析计算。

理论分析与公式计算是凿岩机设计研究的基础，是实验研究与数值计算的的基础与指导。

6.3.2 液压凿岩机代数设计计算公式的建立

公式计算必须将凿岩机的物理（实际）模型简化为力学模型，再进一步简化为数学模型，再简化为代数公式。简化必须是合理的，不能与力学模型有大的矛盾和冲突。

在不断的简化中，必然有失真，这时就要用经验系数去校正。这方面我们还有许多工作要做，对每一结构类型的凿岩机，都可以研究出一套基本通用的计算公式。

6.3.3 液压凿岩机代数设计计算公式的输入输出

代数公式计算输入的是冲击能，冲击频率，冲击末速度，进油压力， 输出的是活塞质量，活塞前后受压面积，活塞行程，信号孔位置，阀的结构尺寸，阀行程，开口量，凿岩机进油流量等等。

6.4 强化实验研究

6.4.1 液压凿岩机实验的分类

在理论分析指导下的实验研究是必不可少的，我们的力学模型，数学模型是否正确，简化是否合理，都需要实验验证。数值仿真计算就更需要实验验证了。

这里所说的实验主要是凿岩机内部机理实验，也可是型式实验，而不是出厂实验。

6.4.2 液压凿岩机实验的规范

实验的各种条件，包括样机，液压系统，测量方法，仪器仪表，都应该是明确的，实验的结果应该是真实的，可重复的，重复实验的误差应该进行分析。实验的时间、地点与参加人应该注明。

6.5 数值计算研究

6.5.1 数值计算的定义

数值计算就是虚拟样机技术，因此数学模型要尽可能逼近力学模型与物理模型，数值计算需要输入的数据很多，需要详细的凿岩机图纸数据，否则不能称之为虚拟样机。

数值计算又叫动态仿真，我国在数值计算方面的论文太多了。有基于AMESim的仿真，基于Simulink的动态仿真，基于MATLAB的计算机仿真，准匀加速度法仿真计算，键合图方法仿真，等等。

6.5.2 液压凿岩机数值计算输入输出的基本要求

冲击机构数值计算中，进油流量必须是输入值，而压力是输出值。

数值计算输出结果不能仅仅是冲击能，冲击频率等，必须能输出活塞运动速度、位移，换向阀的速度、位移，活塞前后腔压力的曲线。并且能够描述出液压油的空化与气蚀现象。

数值计算的结果曲线应该用实验曲线验证，未经实验验证的仿真计算是不可信的。

数值计算的结果应该是真实的，不能弄虚作假，其他人也可以重复运行程序。

6.5.3 液压凿岩机数值计算程序的基本要求

数值计算的程序应该模块化，数值计算需要花费大量的精力与时间，不是一个人短时间能够完成的，因此数值计算的程序应该模块化，可以由一组人员分工，进行编写。

数值计算程序应该界面友好，参数的改变，应在界面中进行，而不应在程序中进行。

数值计算的模型与程序应该是持续改进的，和所有的计算机软件一样，应该有版本号。液压凿岩机数值计算程序应该通用工具化，不要搞成专用工具。不能只有作者自己用，换一个人就不能用。

6.5.3 液压凿岩机数值计算程序的难点

虚拟样机技术是一项浩繁的工程，但是并不是遥不可及。内燃机的燃烧过程，牵涉到化学，燃烧学，热学，力学，都可以做到数值仿真，并且在发动机设计中起到重要作用。冲击机构的数值仿真也一定能做到，但是这要求有一个精干的团队和一个好的实验条件。

数值计算程序都是针对某一个特定的图纸的，因此通用性较差。不要指望适合于单腔回油的凿岩机，也能适合非单腔回油的凿岩机。也不要指望适合于芯阀结构的凿岩机，也能适合套阀结构的凿岩机。这也是数值计算应用的一个难点。我们至少应该做到，对某一相同结构类型的液压凿岩机，具有通用性。

7 我国液压凿岩机设计研究的政策建议

7.1 以企业为主体，产学研结合

过去几十年，我国液压凿岩机设计研究是以高校和研究所为主体的，和企业产品开发联系较少。事实证明，我国液压凿岩机设计研究进步不大，只有以有实力的大企业为主体，厂学研结合，学校与研究所自己不搞产品生产，只为社会和企业提供知识与技术，各自发挥自己的优势，才是我国液压凿岩机技术与产品的发展道路。

7.2 以行业协会为主体，组织技术交流

与凿岩机的生产、使用有关的行业有凿岩机械气动工具、煤炭、矿山、铁路、水电、冶金等等，在1980年代，矿山机械行业组织过液压凿岩机技术交流会， 1990年代初期， 煤炭建井行业组织过液压凿岩机技术交流会。

8 结语

（1）对我国液压凿岩机研究文献进行了分类，5大类，13个小类；

（2）分析了我国液压凿岩机技术研究的不足，3个方面的不足；

（3）列举了我国液压凿岩机设计理论的主要观点，6大类，13个观点；

（4）列举了我国液压凿岩机设计中亟待解决的5大类共11个问题；

（5）提出了我国液压凿岩机设计研究的5条学术建议；

（6）提出了我国液压凿岩机设计研究的2条政策建议。

参考文献：

[1] 梁明华.液压凿岩机旋转速度与凿岩直径的关系[J].工程机械，2001，32（6）.

[2]何雄彬.HDl35A和COPl238ME型液压凿岩机工作原理及常见故障处理[J].广东水利水电，2001（8）.

[3] 李同明.阿特拉斯ROCD7钻机使用中易出现的问题与改进[J].四川水利，2004（3）.

[4] 李强.Atlas 1838型凿岩机六种常见故障的排除[J].工程机械，2005，36（3）.

[5] 张兆钦.COP1238凿岩机技术特点及使用维护[J].建筑机械，2004（6）.

[6] 田华军.HL500型液压凿岩机的日常维护保养[J].工程机械与维修，2003（7）.