深井采掘水力鑿巖機沖擊鑿巖效率研究.pdf

1、發(fā)展礦業(yè)、修筑鐵路、水電建設等都離不開巷(隧)道、涵洞等地下工程的大量掘進。這些工程的開挖，在相當長時期內仍將以鉆爆法施工為主。因此，鑿巖機具在礦山建設、隧道掘進等地下工程的施工裝備中仍占有重要地位?；仡櫿麄€鑿巖機具發(fā)展史，在很長一段時期內風動鑿巖機曾占據主導地位，但受其能源、結構限制，風動鑿巖機效率低，能耗高，噪聲、粉塵污染嚴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，倡導清潔生產及低碳經濟，致使深部巖體工程對采掘作業(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、高效的水力鑿巖機成為趨勢。
　　 在深井采掘作業(yè)中，水力鑿巖機可以直接利用采掘面與地面之間高度差產生的巨大水力落差勢能，使整個礦山采掘作業(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總體能量利用率低下問題，成為困擾其工業(yè)應用的關鍵問題所在。鑒于此，本文以國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)--水勢能直接驅動的深部金屬礦采掘技術與裝備項目為依托，以試制的SYYG65型導軌式水力鑿巖機樣機為主要研究對象，開展了如下工作：
　　 基于實驗需求，自行開發(fā)建成了水力采掘實驗系統(tǒng)，為水力鑿巖機沖擊鑿巖效率實驗研究提供了完備的實驗平臺。實驗系統(tǒng)包括水壓動力泵站、導軌及鑿巖臺架等機械

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

5、擊速度、瞬態(tài)流量等參數的測試等方面都面臨棘手的問題；分析指出采用非線性數值模擬則是一種簡單易行和動態(tài)、綜合、比較符合客觀實際的研究方法，并首次采用非線性仿真工具--SimHydraulics液壓傳動和控制系統(tǒng)構筑搭建了后控式水力鑿巖機沖擊系統(tǒng)流體/機械混合實物動力仿真模型，建模過程避免了對系統(tǒng)運行狀態(tài)轉換的考慮，簡單有效地實現(xiàn)了活塞和閥芯在水壓力作用下的耦合計算。編制完成了相應的數據后處理函數模塊，實現(xiàn)了活塞行程及運動循環(huán)辨識、測試數據

6、整理計算、結果輸出、自動循環(huán)計算等一系列功能，并通過鑿巖機運行實驗驗證了該模型的有效性。
　　 利用建成的水力采掘實驗系統(tǒng)開展了鑿巖機不同工作壓力下的沖擊性能實驗、不同蓄能器參數下的沖擊性能實驗及沖擊器前后腔壓力和活塞位移測試三項實驗，與相應的仿真結果相結合，針對該SYYG65型水力鑿巖機，指出可以通過增大高壓水進水口口徑、增大前腔與配流閥的連接導水管徑、改變信號孔位置、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。
　　 應用波動力學對鑿巖機沖擊鑿入系統(tǒng)進行了簡要分析，引入應力波的峰值系數及能量分布矩兩個品質因數，用于衡量實測的活塞沖擊應力波形。通過沖擊實驗發(fā)現(xiàn)，從應力波的能量分布矩及峰值系數來看，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；當沖擊壓力繼續(xù)升高到一定范圍后，兩個品質因數均表現(xiàn)出了局部較優(yōu)值，表明對于鑿巖機來說沖擊壓力也會對應力波形產生影響，并存在最優(yōu)沖擊壓力。
　　 利用水力采掘實驗系

8、統(tǒng)開展鑿巖機鑿巖實驗測試，并采用通徑分析方法對實驗數據進行了分析研究，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，必須同時保持較高推進壓力和釬桿轉速，而推進壓力又會通過對釬桿轉速反向作用于鑿巖速度；總體來說，對鑿巖速度的影響由大到小依次為：推進壓力與釬桿轉速的共同作用、釬桿轉速直接作用及推進壓力直接作用。
　　 在以上研究成果基礎上，對水力鑿巖機沖擊器、蓄能器等相關結構參數做了相應調整，經對關鍵零部件重新選材加工后，