影響液壓鑿巖機(jī)鑿孔成效的因素分析

劉建魁，扶躍華，唐裔振，李進(jìn)玉，李兆俊

（中船重工中南裝備有限責(zé)任公司，湖北宜昌443005）

液壓鑿巖機(jī)是液壓鑿巖鉆車的核心部件，液壓鑿巖機(jī)的鑿巖成孔效率直接影響到液壓鑿巖鉆車的工作效率、應(yīng)用成本、效益創(chuàng)造。本文從液壓鑿巖機(jī)沖擊鑿巖工作原理出發(fā)，對(duì)影響鑿巖成孔效率的主要因素進(jìn)行了分析，為液壓鑿巖機(jī)設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)優(yōu)化液壓鑿巖機(jī)的性能參數(shù)匹配、最大化提高液壓鑿巖鉆車的工作效率進(jìn)而提高經(jīng)濟(jì)效益提供參考。

1 液壓鑿巖機(jī)的基本構(gòu)成、基本功能和沖擊鑿巖原理

1.1 液壓鑿巖機(jī)的基本構(gòu)成

液壓鑿巖機(jī)的基本構(gòu)成由沖擊機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、緩沖機(jī)構(gòu)、沖洗機(jī)構(gòu)四大機(jī)構(gòu)和潤(rùn)滑與防塵系統(tǒng)構(gòu)成(見(jiàn)圖1）。

圖1 液壓鑿巖機(jī)基本構(gòu)成

1.2 液壓鑿巖機(jī)應(yīng)具備的基本功能

液壓鑿巖機(jī)要完成沖擊鑿巖作業(yè)，必須具有沖擊、推進(jìn)、回轉(zhuǎn)、沖洗四種功能（見(jiàn)圖2）。

圖2 液壓鑿巖機(jī)基本功能示意圖

（1）沖擊的主要功能是使巖石破碎。高壓油推動(dòng)液壓鑿巖機(jī)缸體內(nèi)的沖擊活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)，加速到一定速度時(shí)，活塞沖擊釬具將能量以應(yīng)力波的形式傳遞給巖石，使巖石破碎。沖擊能和沖擊頻率是液壓鑿巖機(jī)的兩個(gè)主要指標(biāo)。

（2）推進(jìn)有兩個(gè)功能：一是推動(dòng)鑿巖機(jī)和釬具壓向巖石工作面，并使鉆頭在鑿巖時(shí)始終與巖石接觸；二是從巖孔中退出釬具，準(zhǔn)備鉆鑿下一個(gè)孔。推進(jìn)力也是鑿巖作業(yè)的主要指標(biāo)之一。

（3）回轉(zhuǎn)的主要功能是使鉆頭每沖擊一次回轉(zhuǎn)到新的位置，同時(shí)在回轉(zhuǎn)的過(guò)程中將已產(chǎn)生裂紋的巖石表面剝落下來(lái)。轉(zhuǎn)釬轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)釬速度是其主要指標(biāo)。

（4）沖洗的作用是將已經(jīng)破碎的巖屑從孔中排出。如果沖洗不充分，巖屑不能全部沖離孔底，鉆孔中將重復(fù)鑿磨巖屑，不但使鉆孔速度減慢，而且使鉆頭加速磨損，甚至造成卡鉆。沖洗介質(zhì)是壓力水或壓縮空氣。用壓力水作介質(zhì)時(shí)，根據(jù)通過(guò)鑿巖機(jī)的部位，分為中心供水和旁側(cè)供水兩種方式。

1.3 液壓鑿巖機(jī)的沖擊鑿巖原理

液壓鑿巖機(jī)在沖擊鑿巖過(guò)程中的能量傳遞是以應(yīng)力波的形式進(jìn)行的。固體中的應(yīng)力波通常分為縱波和橫波兩類。釬桿內(nèi)的應(yīng)力波屬于縱波，包括壓應(yīng)力波和拉應(yīng)力波。釬桿端部受到?jīng)_擊后，以壓應(yīng)力波（稱入射波）的形式向鉆頭方向傳播。當(dāng)壓應(yīng)力波到達(dá)鉆頭與孔底接觸面時(shí)，隨接觸狀態(tài)不同出現(xiàn)不同的結(jié)果。

（1）當(dāng)壓應(yīng)力波到達(dá)鉆頭時(shí)，鉆頭與巖孔底部沒(méi)有接觸，壓應(yīng)力波將全部從鉆頭端部反射回來(lái)，并以拉應(yīng)力波形式迅速向釬尾方向返回，當(dāng)返抵釬尾端面時(shí)，又反射成為第二次入射的壓應(yīng)力波。如果此時(shí)鉆頭與孔底仍未接觸，則壓應(yīng)力波將再次全部反射，如此重復(fù)，直至將能量完全消耗在釬桿的波阻上，不能有效鑿巖。

（2）當(dāng)壓應(yīng)力波到達(dá)鉆頭時(shí)，鉆頭與巖孔底部已良好接觸，首次應(yīng)力波在到達(dá)鉆頭端面時(shí)，僅有一小部分作為拉應(yīng)力波反射回去，大部分則以壓應(yīng)力波形式進(jìn)入巖石，鑿碎孔底巖石。

2 影響液壓鑿巖機(jī)鑿孔效率的主要因素

鉆孔是鑿巖機(jī)在一定條件下的沖擊、推進(jìn)、回轉(zhuǎn)、沖洗四種功能綜合作用的結(jié)果。這四種功能作用的每個(gè)過(guò)程都可能影響鑿巖機(jī)鑿孔效率，下面從鑿孔速度和破巖有效性兩個(gè)方面進(jìn)行分析探討。

2.1 鑿孔速度的影響

影響鑿巖機(jī)鑿孔速度的因素較多，如鑿巖機(jī)的沖擊能、沖擊頻率、回轉(zhuǎn)速度、軸推力、巖石的硬度、鉆頭直徑和形狀、鑿孔深度等等，但最主要的是沖擊能、沖擊頻率、回轉(zhuǎn)速度、軸推力這四種要素。

根據(jù)有關(guān)研究，鑿孔速度隨沖擊功率的增加而加大。沖擊功率體現(xiàn)了沖擊機(jī)構(gòu)所具有的能量，計(jì)算式如下：

式中N——沖擊功率，kW

E——沖擊能，J

f——沖擊頻率，Hz

沖擊能是沖擊活塞每沖擊一次所具有的能量，由沖擊活塞質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)速度所決定,計(jì)算式如下

式中E——沖擊能，J

m——沖擊活塞質(zhì)量，kg

v——沖擊活塞運(yùn)動(dòng)速度，m/s

由式（2），沖擊活塞的質(zhì)量是一定的，所以沖擊能主要取決于沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)速度。

綜合式（1）和式（2）可知，沖擊功率主要受沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)速度和沖擊頻率的影響。沖擊頻率與沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)速度息息相關(guān)，沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)速度越快，則沖擊頻率越高。因此，沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)速度是鑿孔速度的決定因素。

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)所述，回轉(zhuǎn)速度影響沖擊破巖每次破巖量的大小，也影響“回轉(zhuǎn)剪切”破巖量的大小，從而影響鑿巖速度。實(shí)踐證明，在沖擊性能參數(shù)不變的情況下，調(diào)整回轉(zhuǎn)速度，可使鑿孔速度提高20%-30%。要使回轉(zhuǎn)速度調(diào)整到最佳，需要根據(jù)巖石條件、鉆頭類型、鉆孔深度、鑿孔直徑等實(shí)際情況進(jìn)行合理選擇。

在沖擊性能參數(shù)及回轉(zhuǎn)速度一定時(shí)，增大軸推力，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩相應(yīng)增大，在一定范圍內(nèi)會(huì)使鑿孔速度提高。但軸推力增大到某一值以后，增大軸推力反而使鑿孔速度下降。因?yàn)檩S推力過(guò)大，釬桿回轉(zhuǎn)阻力增大，造成釬桿轉(zhuǎn)動(dòng)困難，導(dǎo)致鑿孔速度下降。最優(yōu)軸推力計(jì)算可參閱有關(guān)文獻(xiàn)。

2.2 影響鑿巖效率的因素

要提高鑿孔成效，必須提高沖擊破巖的有效性，確保每次沖擊做功都能實(shí)現(xiàn)有效破巖。影響破巖有效性的因素有回轉(zhuǎn)速度、軸推力、釬桿、釬頭、沖洗是否充分等。

（1）回轉(zhuǎn)速度影響沖擊破巖每次破巖量的大小，也影響“回轉(zhuǎn)剪切”破巖量的大小。鉆頭每沖擊一定次數(shù)，就需旋轉(zhuǎn)適當(dāng)?shù)慕嵌?，使鉆頭上的柱齒處于新的破巖位置，以提高破巖效果?；剞D(zhuǎn)速度要根據(jù)巖石條件、鉆頭類型、鉆孔深度、鑿孔直徑等實(shí)際情況確定最佳值。

（2）要取得較高的鑿巖效率，鉆頭必須與孔底巖石保持良好的接觸，因此需對(duì)鑿巖機(jī)施加一定的軸向推力。但如果軸向推力過(guò)大，則會(huì)使釬桿回轉(zhuǎn)阻力增大，造成釬桿轉(zhuǎn)動(dòng)困難，降低鑿孔速度，同時(shí)還將增加鉆頭的磨損；而軸向推力過(guò)小，鉆頭不能與孔底巖石保持良好的接觸，不能有效破巖，鑿巖效率隨之降低。

（3）液壓鑿巖機(jī)設(shè)有沖洗功能，其目的就是通過(guò)沖洗清除孔內(nèi)巖屑。如果沖洗不充分，鉆孔時(shí)將發(fā)生重復(fù)鑿碎，不僅降低鑿巖有效性，還會(huì)加速鉆頭磨損，甚至導(dǎo)致卡鉆事故。

（4）合適的沖擊釬具也是提高鑿孔效率的重要因素，必須根據(jù)實(shí)際工況選擇匹配的釬具特別是鉆頭。

3 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，影響液壓鑿巖機(jī)鑿孔效率的因素較多，但主要有：

（1）沖擊能、沖擊頻率、回轉(zhuǎn)速度、軸推力是影響鑿孔速度的主要因素。

（2）鑿孔速度隨沖擊功率的增加而加大，沖擊功率主要受沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)速度和沖擊頻率的影響，沖擊頻率與沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)速度息息相關(guān)，沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)速度越快，則沖擊頻率越高。由此可見(jiàn)，沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)速度是鑿孔速度的決定因素。

（3）回轉(zhuǎn)速度、軸推力、沖洗情況、釬具狀況是影響破巖有效性的主要因素。根據(jù)實(shí)際工況確定最佳回轉(zhuǎn)速度和軸推力可保障鑿巖效率，沖洗充分，選擇匹配的釬桿、釬頭可提高鑿巖效率。