液壓鑿巖機性能與試驗方法的系統性研究
摘要：介紹了液壓鑿巖機沖擊、回轉、鑿巖、噪聲四個方面的性能參數及其測試方法。通過分析液壓鑿巖機的結構組成、特性參數之間的關系及各環節中影響特性參數的諸因素，運用應力波理論，依據性能測試結果，全面探討了提高液壓鑿巖機技術性能及沖擊能量傳遞效率的途徑。并提出了評價煤礦用液壓鑿巖機可靠性的指標。
關鍵詞：液壓鑿巖機；性能參數；試驗方法
中圖分類號：TD421.2+2 文獻標識碼：A
液壓鑿巖機自70年代末在世界范圍內大量使用以來，在巖石工程中起到了非常重要的作用。液壓鑿巖技術與液壓機械產品的飛速發展，微電子技術等高新技術在液壓鑿巖設備上的應用，使液壓鑿巖機的技術水平上了新的臺階。
在我國，液壓鑿巖機具在鐵路、交通、隧道建設、水電涵洞工程、煤礦與金屬礦山巷道掘進以及露天巖石破碎工程中也起到了很大的作用。
為適應煤礦液壓鑿巖機具發展的需要，我國煤炭系統從80年代初起，在煤科總院北京建井研究所建立了液壓鑿巖機具全性能試驗系統，進行了液壓鑿巖機性能與試驗方法的研究，為我國煤礦推廣液壓鑿巖機械、促進液壓鑿巖技術的發展，起到了應有的作用。
1 液壓鑿巖機性能與試驗方法研究的主要方面
液壓鑿巖的系統性研究包括液壓鑿巖機、釬具、能量傳遞效率、巖石破碎規律以及液壓鑿巖配套系統的研究諸方面，液壓鑿巖機是液壓鑿巖系統的核心。液壓鑿巖機的性能反映其結構參數的合理性、設計水平的先進性與產品質量的可信任度，是綜合評價液壓鑿巖機的關鍵。
液壓鑿巖機性能的研究涉及不同類型液壓鑿巖機的結構參數、沖擊與回轉機構運動規律，諸性能參數及其相互關系、能量傳遞規律以及試驗方法等問題。
2 液壓鑿巖機的基本性能
液壓鑿巖機的基本性能可分為沖擊性能、回轉性能、鑿巖性能與噪聲特性四個方面，所以，分析液壓鑿巖機時，忽略某一方面都是不恰當的。當然，巖石條件不同，對液壓鑿巖機的要求有所不同，例如煤礦用液壓鑿巖機的轉矩應當高些，而沖擊能數值可比某些鐵礦山低，但基本性能的指標值必須保證。
2.1 液壓鑿巖機沖擊性能參數
液壓鑿巖機沖擊性能參數包括沖擊能、沖擊頻率、沖擊功率以及工作條件參數：工作壓力、工作流量。液壓鑿巖機的沖擊功率表示它的沖擊機構具有的沖擊能力高低，由下式決定：
P=10-3E.f (1)
式中 P——沖擊功率，kW
E——沖擊能，J
f——沖擊頻率，Hz
液壓鑿巖機沖擊機構的工作壓力是影響沖擊能與沖擊頻率的決定性因素。試驗確認，液壓鑿巖機沖擊工作壓力的建立，應當以一定的工作流量為保證，流量不足以建立起某一工作壓力時，增加流量可以提高工作壓力，從而提高沖擊能與沖擊頻率；當流量能滿足沖擊機構建立起某一工作壓力時，增加流量不會提高沖擊性能。產品結構確定后，沖擊活塞行程一定，沖擊活塞的運動速度越高，沖擊頻率越高，因而沖擊頻率高低可直接反映液壓鑿巖機沖擊能的高低，用液壓鑿巖機沖擊機構的工作壓力—沖擊頻率—工作流量的對應關系可以判斷產品沖擊性能是否符合要求。
2.2 液壓鑿巖機回轉性能參數
液壓鑿巖機的回轉性能是重要性能，液壓鑿巖機與傳統的氣動鑿巖機相比，回轉機構轉矩提高的幅度大大超過了沖擊能提高的幅度。適于鉆鑿孔徑φ30～60mm的液壓鑿巖機中，沖擊能多在100～250J，比氣動的獨立回轉式鑿巖機提高不多，但轉矩達200～300N.m，提高1倍以上。
經試驗研究，液壓鑿巖機鑿巖效率高于氣動鑿巖機，除因沖擊功率增加外，回轉機構轉矩的提高起了明顯的作用。北京科技大學的研究人員提出了液壓鑿巖“沖擊—扭切綜合破巖作用”的觀點；我們在大量鑿巖試驗研究中也發現，在沖擊性能參數不變的情況下，調整液壓鑿巖機回轉性能參數，鑿孔速度往往可以提高20%～30%。根據試驗，鉆鑿φ55mm以下巖孔時，平均轉矩為100～150N.m，但峰值常達150～250N.m，成為鑿巖過程中的回轉“超載”阻力，這是由巖石性質的規律性變化、巖層裂隙以及鉆進推進系統的不平穩等因素造成的。如采用性能良好的伺服推進系統，及時調整推進力大小，使液壓鑿巖機回轉阻力及時下調，則回轉機構的轉矩可稍低一些。
在液壓鑿巖機回轉性能中，轉速是另一重要參數，它影響沖擊破碎每次破巖量的大小，又影響“回轉扭切”破巖量的大小，從而使鑿速發生變化。
液壓鑿巖機的回轉機構幾乎都獨立于沖擊機構，它的性能參數對鑿孔速度的影響，主要是因為可以使推進力變化。我們總結的試驗規律是：
(1)沖擊性能參數、回轉轉速一定時，推進力增大，回轉轉矩加大，在一定范圍內，鑿孔速度提高，但最佳推進力上升至某一最高點以后，推進力再增加會使鑿孔速度下降。液壓鑿巖機具有的回轉轉矩值，即可以達到的最大轉矩值的高低，對鑿巖過程保證具有最佳推進力是有作用的。
(2)液壓鑿巖機沖擊性能參數與鑿巖推進力不變時，液壓鑿巖機在最佳轉速下有最佳鑿孔速度，并且轉矩隨轉速的提高而提高。
(3)液壓鑿巖機轉釬速度與鑿巖推進力不變時，實際輸出轉矩受沖擊能影響不大。
提高對液壓鑿巖機回轉性能重要性的認識，在液壓鑿巖機產品開發、制造與使用中應把回轉性能作為重要指標來考核與評價。
2.3 液壓鑿巖機的噪聲特性
同氣動鑿巖機相比，液壓鑿巖機沒有排氣噪聲。盡管液壓鑿巖機產生的噪聲聲壓級大大低于氣動鑿巖機(氣動鑿巖機1m距離的聲壓級110dB(A)以上)，但仍高于90dB(A)，達100dB(A)左右，且聲能主要集中于1～5kHz頻率段，沒有超出人耳敏感頻率范圍，若不采取噪聲防護措施，對工人身體仍然有害。
經試驗研究，液壓鑿巖機的噪聲源主要有沖擊機構產生的噪聲、回轉機構產生的噪聲和釬頭破碎巖石產生的噪聲。沖擊機構產生的噪聲有沖擊活塞與釬尾封閉空間產生的噴注噪聲、沖擊活塞撞擊釬具以后產生的結構噪聲以及因撞擊表面變形在周圍產生的壓力脈沖噪聲，其中結構噪聲是主要成分，其噪聲頻率特性與結構振動頻率相一致。回轉機構噪聲由回轉機構液壓與機械噪聲構成，但因噪聲強度低于沖擊機構產生的噪聲，聲壓級差在10dB(A)以上，所以對液壓鑿巖機總的噪聲評價影響不大。釬頭破碎巖石產生的噪聲對液壓鑿巖機噪聲的測試影響較大，當釬頭鑿入巖石0.5m深以后，這一影響可以忽略不計。因此，研究、測試與分析液壓鑿巖機的噪聲，主要著眼于沖擊結構產生的噪聲。
經對液壓鑿巖機沖擊噪聲進行的試驗研究及對其沖擊機構振動頻率特性進行的測試與分析表明，液壓鑿巖機噪聲主要與沖擊能大小有關，而受沖擊頻率影響不大。由于在一定條件下，液壓鑿巖機沖擊能大小取決于工作壓力，選擇適當的工作壓力是降低液壓鑿巖機噪聲的關鍵。液壓鑿巖機的噪聲主要由結構噪聲引起，液壓鑿巖機結構間隙、蓄能器參數、撞擊材料的特性以及連接件的松緊度等都影響液壓鑿巖機的噪聲。
對液壓鑿巖機噪聲的試驗研究，可用于比較不同產品的性能，尋求防治噪聲的對策，并對液壓鑿巖機進行故障診斷。
3 液壓鑿巖機基本性能的試驗方法
液壓鑿巖機基本性能的試驗主要圍繞液壓鑿巖機的沖擊性能、回轉性能、鑿巖性能與噪聲特性進行。基本性能試驗方法的研究，主要是確定測試液壓鑿巖機基本性能的基本方法，建立相應的試驗系統。
3.1 液壓鑿巖機沖擊性能的試驗
液壓鑿巖機沖擊性能的試驗，主要是測定一定條件下的沖擊能、沖擊頻率，并計算沖擊功率、能量利用率，必要時，測試沖擊活塞與換向閥的運動規律、壓力變化規律、流量變化規律等。由于沖擊活塞運動行程確定后，沖擊頻率與沖擊活塞速度相關，而沖擊工作壓力與流量是保證沖擊性能的基本條件。日常的產品性能試驗，用測試沖擊工作壓力—工作流量—沖擊頻率對應關系來考核液壓鑿巖機性能，是科學而又經濟的方法。
對液壓鑿巖機沖擊性能如何測試，目前尚無相應的國際標準。經考察，在已有的示功圖法、應力波法、末速度法等試驗方法中，國外多采用末速度法，如瑞典Atlas Copco公司的電容式速度傳感器法、法國Secoma公司的電感式速度傳感器法、德國Salzgiiter公司與日本的光電位移微分法等。我國液壓鑿巖機的測試中，曾使用示功圖法、觸點法、應力波法、感應式線速度傳感器法、非接觸式光電位移微分速度法等。但應用居多者為感應式線速度傳感器法(北京科技大學、中南工業大學)、光電位移微分速度法(煤科總院北京建井研究所)。
經對液壓鑿巖機沖擊性能的不同試驗方法進行的對比試驗與分析認為：在液壓鑿巖機的沖擊能測試中，末速度法比應力波法合理。應力波法以在釬桿一定位置上所貼應變片反應的應力變化信息量，經超動態應變放大器放大，然后經數據處理系統進行快速運算，得出沖擊能數值；末速度法是用不同類型的傳感器測定沖擊活塞的運動末速度，再利用活塞質量計算沖擊活塞撞擊釬尾時的動能，即沖擊能。由于應力波法測試時必須避免反射波的干擾，測試是在釬桿撞擊吸能器下進行的，其反射波能量與入射波能量之比不超過20%，這與實際鑿巖的反射系數40%～70%相差甚遠，致使沖擊頻率與流量值的測試結果與鑿巖工況不一致。而且，液壓鑿巖機沖擊活塞撞擊釬具系統幾乎都是通過“釬尾—接桿套—釬桿”的波形螺紋傳遞系統，經研究發現，其傳遞效率受波形螺紋設計加工、安裝等因素影響，并隨沖擊能量的變化而變化，使液壓鑿巖機測試結果的實際意義受到制約。末速度法直接測定沖擊活塞運動速度，且能在實際鑿巖工況或接近鑿巖工況下進行測試。經我們試驗研究，對同一臺液壓鑿巖機，分別采用線速度傳感器法與光電位移微分速度法測試沖擊能，測試結果的相對誤差小于9%，而采用應力波法與末速度法測試同一臺液壓鑿巖機時，應力波法測試的沖擊能比末速度法低15%以上。
液壓鑿巖機沖擊能的測試方法種類多，常因測試原理不同，測試結果差別較大。在國際標準ISO2787中，允許的沖擊能測試誤差為±10%。這說明，鑿巖機沖擊能測試結果對評價產品水平與質量只能起某種意義上的參考作用。國際上趨向于在液壓鑿巖機技術性能中只給出一定工作壓力、工作流量下的沖擊頻率與沖擊功率。我們認為，由于液壓鑿巖機性能參數的特點等情況，沖擊能的測試只應作為確定產品某一性能指標的依據，產品正式批量生產后，采用沖擊頻率及其相對應的沖擊壓力、沖擊流量考核質量是較為合理、可行的。
3.2 液壓鑿巖機回轉性能的試驗
隨著國內外液壓鑿巖機回轉性能的試驗研究的發展，液壓鑿巖機回轉機構性能參數的試驗已逐漸規范化，即在施加負載時測定一定轉速下的額定轉矩及對應的工作壓力、工作流量，測試時轉速應穩定在一定范圍。液壓鑿巖機回轉性能測試時，采用傳感器直接測試轉矩、轉速及相關系數，也可以測液壓回轉機構的液壓馬達以液壓泵狀態運轉時的加載背壓，此時必須標定背壓值與實際輸出轉矩的關系，使測試結果含義確切。
3.3 液壓鑿巖機的噪聲試驗
液壓鑿巖機回轉機構噪聲比沖擊機構噪聲低20dB(A)以上，由聲級相加減的規律，可忽略相差10dB(A)以上的另一聲源，測液壓鑿巖機噪聲特性時，可以用單獨測試沖擊機構的噪聲來代表液壓鑿巖機噪聲。這樣，使液壓鑿巖機噪聲測試簡化。
3.4 液壓鑿巖機的鑿巖試驗
液壓鑿巖機鑿巖性能試驗是體現實效與尋求最佳鑿巖效果的重要方面。前西德埃森采礦研究中心對各主要液壓鑿巖設備公司產品的試驗以及煤科總院北京建井研究所近年的大量試驗研究，都證實了調整巖石鉆進參數進行試驗，不僅能指導現場以科學的參數匹配液壓鑿巖機，還可以尋求產品性能的改進方向。
4 液壓鑿巖機沖擊系統能量傳遞
鑿巖沖擊系統的能量傳遞以應力波傳遞理論為基礎，國內外科學工作者已得出許多有重要意義的規律。結合液壓鑿巖機能量輸出與輸入的具體特點，本文初步總結了以下主要結果：
(1)以沖擊機構液壓腔室工作壓力、流量是穩定因素為前提的分析與設計往往是失真的，應以實測壓力、流量進行計算機仿真設計。
上面曾經論述，液壓鑿巖機沖擊能、沖擊頻率主要決定于工作壓力，工作壓力由流量保證。以往在設計液壓鑿巖機時，假設沖擊機構的工作壓力是一個穩定值，但實際測試，液壓鑿巖機沖擊機構液壓腔室工作壓力不屬矩形波，而且工作流量也是波動的。這樣，以液體壓力、流量是穩定因素為前提的仿真分析與設計往往是失真的。經試驗研究，液壓鑿巖機沖擊工作壓力與流量波動，主要來自鑿巖機換向閥的快速換向、蓄能器性能參數、鑿巖機沖擊機構內部油路結構尺寸、沖擊活塞與缸體的間隙、換向閥結構參數以及進油管徑、油泵性能、沖擊液壓系統的合理性等。液壓鑿巖機沖擊壓力和流量的波動影響沖擊與鑿巖速度，同等條件下改善沖擊壓力波形有時使性能提高20%以上。因此，設計液壓鑿巖機時，應合理設計沖擊液壓系統，盡量減少系統的脈動，消除壓力、流量的不穩定因素；對新開發的液壓鑿巖機，注意測試與分析壓力、流量動態變化規律及影響因素，以實測壓力、流量進行液壓鑿巖機設計的計算機仿真。
(2)波形螺紋傳遞效率影響破巖效率。當沖擊活塞的沖擊能以應力波形式傳遞時，在波形螺紋連接處，一部分能量以透射波形式向前傳遞，另一部分能量以反射波形式返回，造成能量損失。波形螺紋傳遞效率受設計、加工精度以及連接狀況(連接件質量大小及松緊程度)的影響，也受沖擊能量、沖擊頻率等多種因素的影響。在波形螺紋標準誤差范圍內，實際加工尺寸不同，一組連接件能量傳遞效率相差達10.8%；波形螺紋連接的松緊程度的能量傳遞效率相差達21.4%；不同沖擊工作壓力的傳遞效率相差達6%～10%。在研究與開發、使用液壓鑿巖機時，以科學試驗為基礎，從釬具各環節中尋求效率，這是應充分注意的問題。
(3)液壓鑿巖機在不同抗壓強度的巖石上鑿巖時，有不同的沖擊頻率，因之，沖擊活塞在運動過程中受到的工作壓力、釬尾的撞擊力亦相應變化，應根據所鉆鑿的巖石特性，及時調整工作壓力、推進力等參數，使液壓鑿巖機在具有高效率的同時，沖擊機構承受載荷合理一些。
(4)液壓鑿巖機試驗研究時，常可用受沖器代替巖石。受沖器有氣壓受沖器、液壓受沖器、金屬受沖器、橡膠—木板—鋼板受沖器、鋼片—膠體受沖器等，受沖器可以做到：使釬桿上的應力波的反射波與入射波之比小于20%，也可使反射波與入射波之比和鑿巖工況基本一致。液壓受沖器壓力調整方便，可以模擬某一范圍的巖石。
5 液壓鑿巖機的可靠性
液壓鑿巖機是液壓鉆車等液壓鑿巖設備的核心，因其不宜在使用現場就地解體維修，必須有較高的可靠性要求。評價液壓鑿巖機可靠性的原則是：
(1)首次故障前平均延米。屬考核液壓鑿巖機進入正常運行狀態以前的“磨合期”，發生故障多因材質、熱處理工藝等不合適所造成。經分析確定，液壓鑿巖機首次故障前平均延米可定為3000m。
(2)無故障平均延米，指液壓鑿巖機投入正常運行后在規定的使用維修條件下，每兩次故障間的平均延米。按目前國內液壓鑿巖機與配套件可以達到的數據計算，液壓鑿巖機的平均無故障延米可定為13000～14000m。
(3)液壓鑿巖機不拆機延米(大修壽命)。該指標表示產品在現場正常鑿巖作業并保證按規定維修的條件下，不對液壓鑿巖機內部主要零件解體維修，但可以在井下將有故障的蓄能器、回轉機構、注水機構等整體更換，而不影響產品正常作業的累計延米。液壓鑿巖機不拆機延米主要以不拆機部分工作壽命最短的沖擊活塞為基礎。目前，煤炭行業將液壓鑿巖機不拆機延米定為25000m。
(4)液壓鑿巖機主要易損件壽命，指沖擊活塞、換向閥、蓄能器隔膜、回轉馬達等零部件在額定條件下連續正常運行的工作壽命。針對目前情況，建議煤礦用液壓鑿巖機主要零部件的壽命指標為：沖擊活塞與換向閥為25000延米，液壓馬達為85000m(不低于1000h)，沖擊機構蓄能器隔膜為5000延米(不低于100h)。
(5)液壓鑿巖機整機服務年限(經濟壽命)。液壓鑿巖機是可維修產品，由于服務年限的增加，年平均機械設備費用降低，但產品維修費相應提高。從經濟合理的角度出發，將經濟上合算、總費用最低時的壽命稱為經濟壽命。產品使用達到經濟壽命時應予以報廢。按目前國產液壓鑿巖機可靠性實際狀況與可能達到的指標，最佳服務年限為4～5年。隨著產品質量的提高，服務年限有可能逐步提高到6～7年，總延米數達到30萬米左右。
6 基礎理論研究促進液壓鑿巖技術的發展
對液壓系統的研究，就國內來說，北京科技大學、中南工業大學等對液壓鑿巖機參數優化以及液壓鑿巖機設計作了大量的工作；沈陽風動工具廠、中國地質大學鑿巖機械研究所、蓮花山冶金機械廠等對液壓鑿巖機的制造工藝進行的研究，使國產液壓鑿巖機投入使用成為可能；東北大學、長沙礦冶研究總院、中國礦業大學等對沖擊能量在釬具中的傳遞以及與巖石破碎的關系進行的探討，從理論上推動了液壓鑿巖釬具國產化，加上中國釬鋼釬具協會與中國地質大學等的具體工作，國產液壓鑿巖機用釬具基本適應鑿巖工程的需要。煤炭科學研究總院北京建井研究所從液壓鑿巖機基本性能參數的試驗研究入手，對液壓鑿巖機的結構、性能參數、能量傳遞以及實際使用技術進行的研究，對產品設計、改進、制造、使用起了一定的指導作用，將最新技術成果應用在液壓鑿巖機、液壓鉆車、釬具等各種產品的系列標準中，明確了沖擊、回轉、噪聲、鑿巖、可靠性五個方面的要求，使液壓鑿巖機具設計、制造與使用有了統一的基本要求。