一種可調(diào)頻共振式液壓鑿巖機的改進設(shè)計

易 飚

(蘇州市職業(yè)大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215104)

在現(xiàn)有技術(shù)中，鑿巖機是用來直接開采石料的機械，廣泛應(yīng)用于水電、礦山等巖石工程領(lǐng)域。目前鑿巖機主要有氣動、 液壓兩大類，其中氣動鑿巖機具有操作方便、維修方便等優(yōu)點，但是鉆速較低，無法鉆鑿較硬的巖石；而液壓鑿巖機是一種節(jié)能、高效鑿巖設(shè)備，近年來迅速發(fā)展，大有取代氣動鑿巖設(shè)備的趨勢。

1 液壓鑿巖機的工作原理與存在問題

液壓鑿巖機主要由推進機構(gòu)、沖擊機構(gòu)和回轉(zhuǎn)機構(gòu)組成，它的工作原理如圖1所示。先通過電動機(3、6)分別帶動單向泵(2、5)向系統(tǒng)供油，采用先導式溢流閥(1、4)調(diào)節(jié)系統(tǒng)進口壓力，圖中推進機構(gòu)12的前進與后退由調(diào)節(jié)電磁換向閥8來實現(xiàn)，沖擊機構(gòu)13的往復運動由控制開關(guān)閥9來實現(xiàn)，回轉(zhuǎn)機構(gòu)11的正反轉(zhuǎn)由調(diào)節(jié)電磁換向閥7來實現(xiàn)。其中推進機構(gòu)使鑿巖機的釬桿15充分與巖石16接觸，然后沖擊機構(gòu)帶動沖擊活塞14往復運動撞擊釬桿的釬尾，釬桿的頭部將巖石沖擊破碎，最后通過回轉(zhuǎn)機構(gòu)連接的刀具將破碎的巖石切削脫落。在整個鑿巖的過程中，該液壓鑿巖機存在以下問題：1)對高硬度的巖石鉆孔時，沖擊機構(gòu)往復運動中，受沖擊頻率的限制，一般鑿巖鉆孔的效率普遍較低，并且會導致鑿巖機鉆頭損壞的現(xiàn)象；2)缺少高效的防止向后撞擊的裝置；3)釬尾和與之碰撞的沖擊活塞端面容易損壞；4)釬體座和沖擊體座在運行中易受到相互的撞擊而損壞等問題。

圖1 液壓鑿巖機工作原理

2 一種可調(diào)頻共振式鑿巖機的改進設(shè)計

2.1 共振式鑿巖機的改進設(shè)計原理

目前市場的鑿巖機主要有氣動、液壓鑿巖機兩大類，但這兩大類鑿巖機的振動頻率往往不會與巖石固有頻率相同，因而也就無法在共振狀態(tài)下工作。因此，需改進現(xiàn)有液壓鑿巖機的設(shè)計，能讓機器具有快速測量施工位置不同硬度巖石的固有頻率，然后讓鑿巖機在該固有頻率下工作，就能提高鑿巖打孔的效率[1]。

2.2 可調(diào)頻共振式鑿巖機的原理圖和機械結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計改進的原理圖如圖2所示，圖2中9為雙噴嘴檔板電反饋式電液伺服閥，16為高壓蓄能器。核心的改進是將圖1中的二位二通電磁閥9改為圖2中的雙噴嘴檔板電反饋式電液伺服閥9。電液伺服閥是電液伺服控制中的關(guān)鍵元件，是一種接受模擬電信號后，相應(yīng)輸出調(diào)制的流量和壓力的液壓控制閥，具有動態(tài)響應(yīng)快、控制精度高、使用壽命長等優(yōu)點。通過該閥的操作就可以較為快捷地調(diào)整沖擊部件的沖擊頻率。由于巖石的共振頻率除了和巖石本身的固有頻率有關(guān)，還和巖石的質(zhì)量、形狀都有關(guān)系，尋找?guī)r石固有頻率的做法如下：先將電反饋式電液伺服閥的掃描頻率的范圍設(shè)定在10～200 Hz，間隔10 Hz，觀察鑿巖的工作效果，縮小查找?guī)r石共振頻率的范圍數(shù)值，例如20～40 Hz，然后再將電反饋式電液伺服閥的掃描頻率的間隔設(shè)置在2 Hz，再觀察鑿巖的工作效果，只需沖擊頻率處于巖石的共振頻率附近，鑿巖的效率就能大幅度提升。整個掃描與調(diào)頻的過程只需要2～3分鐘，最后鑿巖機采用接近共振頻率的實際工作振動頻率進行鑿巖，利用鉆頭與巖石產(chǎn)生的共振使巖石破碎，大大提高了傳統(tǒng)鑿巖機鑿巖效率，尤其是提高了鑿巖機在硬巖地質(zhì)條件下的鉆孔效率。

圖2 鑿巖機沖擊部分改進后的原理

3 共振狀態(tài)下鑿巖機工作時存有問題以及改進辦法

3.1 改進高效的防后撞的裝置

液壓裝置中的防后撞是指防止活塞行程中，由于反彈的慣性沖擊，會碰撞液壓鑿巖機的零件造成機件損壞。各種液壓鑿巖機均設(shè)計有緩沖裝置，其中蓄能器就是液壓鑿巖機防后撞的部件之一，主要作用是：吸收活塞沖程開始和回程階段油泵供給的多余流量，提供沖程后期活塞運動所需的峰值流量；吸收壓力沖擊，以降低壓力峰值以及延長其使用壽命[2]。

但是活塞如果在共振狀態(tài)下工作的時候，由于其前后腔的壓力始終是變化的，加上控制閥的頻繁切換，油流不斷改向而形成的壓力脈動，使活塞運動狀況十分復雜，反彈的慣性沖擊也會加劇[3]。鑿巖機沖擊部分改進后的機械結(jié)構(gòu)如圖3所示(在圖3中，1為雙噴嘴檔板電反饋式電液伺服閥，2為高壓蓄能器，3為蓄能器蓋，4為隔膜)。所以采用高壓蓄能器來進行改進，其結(jié)構(gòu)由內(nèi)、外下兩部分腔體組成，中間用隔膜進行分割，其容積大致相等，外腔體輸入高壓的氮氣，內(nèi)腔體的壓力油是從進回油管通過蓄能器蓋進出。正常工作時，采用如圖3隔膜的結(jié)構(gòu)，能讓隔膜的振動頻率與沖擊器振動頻率接近，并且使得隔膜振動時偏離中間位置的距離也基本相等，這樣就能有效地防止后撞。

圖3 鑿巖機沖擊部分改進后的機械結(jié)構(gòu)

3.2 防止釬尾和與之碰撞的沖擊活塞端面的損壞

實際使用中，釬尾和活塞沖擊端面快速撞擊，會發(fā)生局部變形。其原因沖擊活塞與釬尾高頻撞擊，久而久之，釬尾和活塞沖擊端面就發(fā)生塑性變形，甚至材料破裂，掉落小金屬塊等現(xiàn)象，如圖4所示[4]。分析原因：大致有釬尾材質(zhì)或熱處理硬度不合適、鑿巖機長時間空打等因素，特別是在共振頻率下工作，振幅變大，更容易產(chǎn)生釬尾和沖擊活塞端面的損壞?？梢圆捎么胧┤缦拢哼x用鑿巖機生產(chǎn)廠或正規(guī)配套商生產(chǎn)的釬尾；操作過程中要盡量避免長時間空打，定期保養(yǎng)，確保釬尾與沖擊活塞同軸；可以在釬尾和活塞沖擊的端面各增設(shè)撞擊塊，如圖5的1所示，用沉頭螺釘固定在釬尾和活塞沖擊的端面上[5]。

3.3 防釬體座和沖擊體座的相互撞擊損壞

由于鑿巖機在共振頻率下工作，振幅加大，撞擊的幅度也會加大，特別是對于釬體座和沖擊體座的連接處會有明顯的影響，需要在連接的位置增設(shè)隔振密封墊，不但可以保護釬體座和沖擊體座不產(chǎn)生裂紋等，而且可以防止壓力油的滲漏。

圖4 沖擊活塞端面

圖5 防碰撞結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

本研究設(shè)計了一種可調(diào)頻共振式液壓鑿巖機。在保留了傳統(tǒng)鑿巖機沖擊鉆鑿巖石功能的基礎(chǔ)上，利用鑿巖機在共振頻率下工作時，振幅增加的特性，有效地疊加共振動力進行鑿巖。實際使用表明，新型的鑿巖機有鉆孔速度快、使用壽命長和噪聲低等優(yōu)點，該裝置將會有廣泛的應(yīng)用前景。