凿岩机行走机构总体方案和零部件参数设计第一章绪论1.1 课题的研究背景和意义随着社会的不断发展，手锤打眼已不能满足生产要求。

通过前人的努力，1887 年制造出第一台轻型气动凿岩机，1938 年发明了气腿和碳化钨钎头。

气腿式凿岩机和钎头的不断完善，对凿岩机的效率又提出了新的要求，20 世纪 60 年代初，开发了独立回转凿岩机，随后发展和完善了架柱式凿岩机和凿岩钻车。

在凿岩机不断发展的同时，注意到随着孔深的增加，深孔凿岩接杆钎具联接处能量损失较大，提出了将凿岩机送入孔底的设想，因而发明了潜孔冲击器。

凿岩机是用来直接开采石料的工具，如图1所示。

它在岩层上钻凿出炮眼，以便放入炸药去炸开岩石，从而完成开采石料或其它石方工程，此外，凿岩机也可改作破坏器，用来破碎混凝土之类的坚硬层。

图1 凿岩机迄今为止，凿岩爆破是实施岩石破碎的主要方法，破碎岩石首先需要在岩(矿) 石中钻凿按爆破要求设计的炮孔。

目前采用机械破碎岩石钻孔的方法主要有以下三种类型：(1) 冲击-旋转破碎岩石钻孔采用冲击载荷和转动钎具一定角度，并施加合理的推力来破碎岩石，适应在中硬、坚硬的岩石中钻孔。

此类钻孔设备有潜孔钻机和凿岩机等；(2) 旋转破碎岩石钻孔采用旋转式多刃钎具切割岩石，同时施加较大的推力破碎岩石。

适应在磨蚀性小及中硬以下的岩石中钻孔。

此类钻孔设备有电钻和旋转钻机；(3) 旋转-冲击破碎岩石钻孔，又称为碾压破碎钻孔。

它是施加很大的轴压(一般大于300 kN) 给钻头，同时旋转滚齿传递冲击和压入力，滚齿压入岩石的作用比冲击作用大，通过旋转 - 冲击破碎岩石。

此类穿孔设备最典型的是牙轮钻机。

凿岩机按其动力来源可分为风动凿岩机、燃凿岩机、电动凿岩机和液压凿岩机等四类。

1、风动凿岩机。

如图2所示，风动式以压缩空气驱使活塞在气缸中向前冲击，使钢钎凿击岩石，应用最广。

电动式由电动机通过曲柄连杆机构带动锤头冲击钢钎，凿击岩石。

并利用排粉机构排出石屑，燃式利用燃机原理，通过汽油的燃爆力驱使活塞冲击钢钎，凿击岩石。

适用于无电源、无气源的施工场地。

液压式依靠液压通过惰性气体和冲击体冲击钢钎，凿击岩石。

这些凿岩机的冲击机构在回程时，由转钎机构强迫钢钎转动角度，使钎头改变位置继续凿击岩石。

通过柴油的燃爆力驱使活塞冲击钢钎，如此不断地冲击和旋转，并利用排粉机构排出石屑，即可凿成炮孔。

图2 风动凿岩机2、燃凿岩机。

如图3所示，燃凿岩机不用更换机头部零件，只需按要求搬动手柄，即可作业。

具有操作方便，更加省时，省力，具有凿速快、效率高等特点。

在岩石上凿孔，可垂直向下、水平向上小于45°垂直向下最深钻孔达六米。

无论在高山、平地，无论在40°的酷热或零下40°的严寒地区均可进行工作，本机具有广泛的适应性。

燃凿岩机具有矿山开采凿孔、建筑施工、水泥路面、柏油路面等各种劈裂、破碎、捣实、铲凿等功能，广泛用于矿山、建筑，消防，地质勘探，筑路，采石，建筑，国防工程等。

图3 燃凿岩机3、电动凿岩机。

如图4所示，电动凿岩机具有能产生较大冲击能量的锤击机构和连续或间隙转动的转钎机构，用于石方施工中钻凿炮眼的电动工具。

图4 电动凿岩机4、液压凿岩机。

如图5所示，用高压油作为动力推动活塞冲击钎子,，附有独立回转机构的一种凿岩机械。

由阀控制(也有无阀的)活塞往复运动。

由于油压比气压力高得多，达10兆帕以上。

虽与风动凿岩机近似，但其活塞直径较小、长度较大、波形较好。

在活塞运动改变方向而产生高峰压力时，机上装有蓄能器。

其优点：钻速快(比风动凿岩机高两倍以上)，冲击功高、扭矩大、频率亦高；具有可调性、能耗低(为风动凿岩机的1/3左右)；效率高；便于自动化和电脑控制，卡钻事故少，钻具寿命长，使工作环境大为改善。

液压凿岩机是近几年来出现的一种新型凿岩机，基本可以分为二种类型：一种是小型手持式，其冲击能量较小，主要是用来代替传统的风镐，大多数与小型挖掘——装载机、液压工程车等配套使用；另一种是大型机载式，这类液压凿岩机大多是以液压挖掘机的反铲作业装置为基础，将反铲斗换装成凿岩机行工作，由挖掘机驾驶员在驾驶室进行操作。

此类凿岩机的能量较大，一般在1~6kN·m 围。

气动凿岩机虽然具备很多优点，但存在着能耗大和作业环境恶劣的缺点，1946 年研制成功矿用牙轮钻机，20 世纪 70 年代初期液压凿岩机投入市场。

近年来，国外一些先进矿山实现了掘进、采矿凿岩钻车遥控和机器人化，并将支腿式水力凿岩机和水压潜孔冲击器投入使用。

图5 液压凿岩机液压凿岩机作为重要的旋转冲击式钻孔设备,广泛应用于中小型露天矿、岩土工程、铁路、公路、水电等领域,进行基础施工、隧道开挖、勘探、采石、采矿作业爆破孔的钻凿。

液压凿岩机的前身是气动凿岩机,与气动凿岩机相比,液压凿岩机有如下优势:1、能量利用率高。

一般可达40%以上,据相关统计数据显示:液压凿岩机与气动凿岩机的能耗比为1: 3.8；2.凿岩效率高。

液压凿岩机以液压油为介质,工作压力是气动凿岩机的20~40倍,冲击能高,从而使液压凿岩机的凿岩效率高出气动凿岩机1倍有余;3.适用围广。

液压凿岩机以液压作为动力,便于根据不同的工况调整冲击能、冲击频率和转钎速度,使其处于最佳工作状态;4.无排气,消除了排气噪声和油雾,改善工作面的环境;5.活塞等关键运动件润滑条件好,寿命长;6.液压凿岩机工作效率不受海拔高度的影响,克服了气动凿岩机随海拔高度升高而降低工作效率的缺陷,适用围广。

1.2 凿岩机的工作原理凿岩机是按冲击破碎原理进行工作的，如图6所示。

工作时活塞做高频往复运动，不断地冲击钎尾。

在冲击力的作用下，呈尖楔状的钎头将岩石压碎并凿入一定的深度，形成一道凹痕。

活塞退回后，钎子转过一定角度，活塞向前运动，再次冲击钎尾时，又形成一道新的凹痕。

两道凹痕之间的扇形岩块被由钎头上产生的水平分力剪碎。

活塞不断地冲击钎尾，并从钎子的中心孔连续地输入压缩空气或压力水，将岩渣排出孔外，即形成一定深度的圆形钻孔。

图6 凿岩机工作原理1.3 国外液压凿岩机研究现状随着液压技术发展和机械加工技术的进步，20世纪60、70年代，液压凿岩机迎来了发展的春天。

1970年,第一台实用化液压凿岩机于法国Montabert公司诞生,并得到推广。

这一技术的突破,促使世界其他国家对液压凿岩机的重视,美国、瑞典、德国、芬兰、联、英国等国都组织力量竞相研制。

目前国外生产液压凿岩机的公司主要有:美国Gardner-Denver公司、Ingersoll-Rand公司、瑞典Atlas Copco 公司、Linden-Alimak 公司、芬兰Tamrock 公司、法国Eimco-Secoma公司、Montabert公司、德国Krupp公司和R本古河(FURU KAWA)公司等。

瑞典Atlas Copco、芬兰Tamrock和法国Montabert等公司生产的液压凿岩机在当今世界上具有一定的代表性。

作为第一台实用化液压凿岩机的生产厂家,法国Montabert公司在液压凿岩机的研究有其独到之处:①为了提高凿岩机破碎效率,采用顶端粗大的活塞结构;②配流阀与活塞同心布置,并与活塞一起输出冲击功;③工作压力相对较低,一般在15MPa左右;与Atlas Copco和Tamrock同级别的液压凿岩机相比,Montabert的凿岩机的流量较大,工作频率更高，图7为Atlas Copco的Cop3060液压凿岩机。

图 7 Cop3060液压凿岩机芬兰Tamrock公司的液压凿岩机在世界上享有盛誉。

在结构及性能方面具有如下特点:①采用前腔常高压、后腔高低压交替的后控式配流原理;②配流阀采用套阀形式;③设置钎尾反弹力缓冲及吸收装置,提高钎具的寿命;④工作压力有增高的趋势,达到了 Atlas液压凿岩机相近的程度;⑤冲击频率、冲击功率、钻孔速度也有增高的趋势,如HFX5T在花岗岩中的钻孔速度达到了 4.5m/s，如图8所示。

图8 HFX5T凿岩机1.4 国液压凿岩机研究现状目前我国参与凿岩机研制的单位主要有煤炭研究院建井研究所、科技大学、中南大学、山河智能装备集团、矿冶研究院、风动工具厂、风动工具厂、瞿州凿岩机厂、莲花山凿岩钎具等10多个单位,成功研制了 20多种型号的凿岩机。

他们分别是:YYG30、YYG80、YYG80A、YYG90、YYG90A、YYG250A、SWHD90、SWHD220、YYT30、GGT70、CYY20、YYGJ145 (仿 Copl038H)、和 DZYG38B(仿 Copl238ME)。

这些凿岩机的冲击能多在150-250J之间,钻孔直径一般为40?50mm,只有SWHD90、SWHD220、YYG250A、YYGJ145, TYYG20 和 DZYG38B 型液压凿岩机钻孔直径孔径大于50mm,最大可达120nim。

据统计,这些液压凿岩机在市场销售了400多台,除两款仿造市场销售的机型外,其余的都是我国自主研发的。

其中由中南工业大学研究设计的YG90型液压凿岩机,1988年在汝城鹤矿使用时,创造了在2.4 mX2.6 m的断面中月进尺250m,掘进工效稳步超过1 m /工班的好成绩,1991年在桓仁铜锌矿创造过单台单班进尺5.4?6 m的好成绩。

由莲花山凿岩钎具引进法国Eimco-Secoma公司技术生产的HYD300液压凿岩机,国产化率达95%,冲击活塞寿命可达2000ni左右,各项性能不亚于国外同类机型水平,并已批量生产，如图9所示。

图9 HYD300凿岩机虽然我国在液压凿岩机方面取得了一定的成绩,但是与国外先进技术尚有较大的距离。

国产品的稳定性指标(不拆机检修)均在500m左右,而Atlas Copco3 的产品一般都在6000m左右。

究其原因主要有:①缺乏适用于局频、尚速、局压的密封件技术;②缺乏活塞、钎尾、配流阀等关键零部件的材料、热处理、加工工艺等方面的研究;③蓄能器隔膜的寿命短;④缺乏系统、完善的理论指导凿岩机的设计和生产。

这些因素严重限制了我国液压凿岩机的发展。

1.5 虚拟样机与运动仿真产品设计过程中进行虚拟样机制造和运动仿真，对于提高产品质量和降低成本具有重要的作用。

本文将对凿岩机行走机构进行实体建模，制造虚拟样机，同时进行运动仿真。

虚拟样机制造在工业发达国家，如美国、德国、日本等已得到了不同程度的研究和应用。

在这一领域，美国处于国际研究的前沿，福特汽车公司和克莱斯勒汽车公司在新型汽车的开发中已经应用了虚拟制造技术，大大缩短了产品的发布时间。

波音公司设计的777型大型客机(如图10)是世界上首架以三维无纸化方式设计出的飞机，它的设计成功已经成为虚拟制造从理论研究转向实用化的一个里程碑。

基于产品的数字化模型，应用先进的系统建模和仿真优化技术，虚拟制造实现了从产品的设计、加工、制造到检验全过程的动态模拟(如图11)，并对其运作进行了合理的决策与最优控制。