深井采掘水力鑿巖機(jī)沖擊鑿巖效率研究.pdf

1、發(fā)展礦業(yè)、修筑鐵路、水電建設(shè)等都離不開巷(隧)道、涵洞等地下工程的大量掘進(jìn)。這些工程的開挖，在相當(dāng)長時(shí)期內(nèi)仍將以鉆爆法施工為主。因此，鑿巖機(jī)具在礦山建設(shè)、隧道掘進(jìn)等地下工程的施工裝備中仍占有重要地位?；仡櫿麄€(gè)鑿巖機(jī)具發(fā)展史，在很長一段時(shí)期內(nèi)風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)曾占據(jù)主導(dǎo)地位，但受其能源、結(jié)構(gòu)限制，風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)效率低，能耗高，噪聲、粉塵污染嚴(yán)重等問題難以有效解決；近幾十年，節(jié)能、高效的液壓鑿巖機(jī)得到了蓬勃發(fā)展，但諸如廢油排放與環(huán)境污染、泄漏與清潔、易

2、燃與安全、資源枯竭和成本等仍是其難以解決的問題。而近幾年，倡導(dǎo)清潔生產(chǎn)及低碳經(jīng)濟(jì)，致使深部巖體工程對(duì)采掘作業(yè)安全、環(huán)保、節(jié)能、高效要求越來越高，發(fā)展安全、環(huán)保、節(jié)能、高效的水力鑿巖機(jī)成為趨勢。
　　 在深井采掘作業(yè)中，水力鑿巖機(jī)可以直接利用采掘面與地面之間高度差產(chǎn)生的巨大水力落差勢能，使整個(gè)礦山采掘作業(yè)的能源和采掘成本大為降低，且消除了廢油排放與環(huán)境污染、泄漏、易燃等一系列液壓鑿巖機(jī)所無法避免的弊端，其安全、環(huán)保、節(jié)能、高效的優(yōu)

3、勢更加明顯。而到目前，所試制的水力鑿巖機(jī)總體能量利用率低下問題，成為困擾其工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵問題所在。鑒于此，本文以國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)--水勢能直接驅(qū)動(dòng)的深部金屬礦采掘技術(shù)與裝備項(xiàng)目為依托，以試制的SYYG65型導(dǎo)軌式水力鑿巖機(jī)樣機(jī)為主要研究對(duì)象，開展了如下工作：
　　 基于實(shí)驗(yàn)需求，自行開發(fā)建成了水力采掘?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)，為水力鑿巖機(jī)沖擊鑿巖效率實(shí)驗(yàn)研究提供了完備的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括水壓動(dòng)力泵站、導(dǎo)軌及鑿巖臺(tái)架等機(jī)械

4、部分、性能測試及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等?？赡M深井高壓水環(huán)境，直接對(duì)水力鑿巖機(jī)及水力潛孔沖擊器(DTH)等水力破巖機(jī)具開展性能測試和試驗(yàn)研究。
　　 從水力鑿巖機(jī)鑿巖工作原理出發(fā)，針對(duì)其能量的轉(zhuǎn)化與傳遞，分析出鑿巖機(jī)總體鑿巖效率的高低，主要取決于鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)及沖擊鑿入這兩大系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)化及傳遞效率。
　　 通過對(duì)水力鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)工作原理的分析，闡述了其不同于一般液壓機(jī)械的獨(dú)有特點(diǎn)，指出這一特殊水力機(jī)械在數(shù)學(xué)模型的建立，沖

5、擊速度、瞬態(tài)流量等參數(shù)的測試等方面都面臨棘手的問題；分析指出采用非線性數(shù)值模擬則是一種簡單易行和動(dòng)態(tài)、綜合、比較符合客觀實(shí)際的研究方法，并首次采用非線性仿真工具--SimHydraulics液壓傳動(dòng)和控制系統(tǒng)構(gòu)筑搭建了后控式水力鑿巖機(jī)沖擊系統(tǒng)流體/機(jī)械混合實(shí)物動(dòng)力仿真模型，建模過程避免了對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換的考慮，簡單有效地實(shí)現(xiàn)了活塞和閥芯在水壓力作用下的耦合計(jì)算。編制完成了相應(yīng)的數(shù)據(jù)后處理函數(shù)模塊，實(shí)現(xiàn)了活塞行程及運(yùn)動(dòng)循環(huán)辨識(shí)、測試數(shù)據(jù)

6、整理計(jì)算、結(jié)果輸出、自動(dòng)循環(huán)計(jì)算等一系列功能，并通過鑿巖機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性。
　　 利用建成的水力采掘?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)開展了鑿巖機(jī)不同工作壓力下的沖擊性能實(shí)驗(yàn)、不同蓄能器參數(shù)下的沖擊性能實(shí)驗(yàn)及沖擊器前后腔壓力和活塞位移測試三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，與相應(yīng)的仿真結(jié)果相結(jié)合，針對(duì)該SYYG65型水力鑿巖機(jī)，指出可以通過增大高壓水進(jìn)水口口徑、增大前腔與配流閥的連接導(dǎo)水管徑、改變信號(hào)孔位置、選取蓄能器合適的充氣壓力及有效容積等途徑來提高系統(tǒng)的能量利

7、用率。
　　 應(yīng)用波動(dòng)力學(xué)對(duì)鑿巖機(jī)沖擊鑿入系統(tǒng)進(jìn)行了簡要分析，引入應(yīng)力波的峰值系數(shù)及能量分布矩兩個(gè)品質(zhì)因數(shù)，用于衡量實(shí)測的活塞沖擊應(yīng)力波形。通過沖擊實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，從應(yīng)力波的能量分布矩及峰值系數(shù)來看，隨著沖擊壓力的升高，均表現(xiàn)出波形偏離矩形波形，不利于能量向巖石傳遞；當(dāng)沖擊壓力繼續(xù)升高到一定范圍后，兩個(gè)品質(zhì)因數(shù)均表現(xiàn)出了局部較優(yōu)值，表明對(duì)于鑿巖機(jī)來說沖擊壓力也會(huì)對(duì)應(yīng)力波形產(chǎn)生影響，并存在最優(yōu)沖擊壓力。
　　 利用水力采掘?qū)嶒?yàn)系

8、統(tǒng)開展鑿巖機(jī)鑿巖實(shí)驗(yàn)測試，并采用通徑分析方法對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)在沖擊壓力變化不大的情況下，要想獲得理想的鑿巖速度，必須同時(shí)保持較高推進(jìn)壓力和釬桿轉(zhuǎn)速，而推進(jìn)壓力又會(huì)通過對(duì)釬桿轉(zhuǎn)速反向作用于鑿巖速度；總體來說，對(duì)鑿巖速度的影響由大到小依次為：推進(jìn)壓力與釬桿轉(zhuǎn)速的共同作用、釬桿轉(zhuǎn)速直接作用及推進(jìn)壓力直接作用。
　　 在以上研究成果基礎(chǔ)上，對(duì)水力鑿巖機(jī)沖擊器、蓄能器等相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)做了相應(yīng)調(diào)整，經(jīng)對(duì)關(guān)鍵零部件重新選材加工后，