液压凿岩机性能与试验方法的系统性研究
摘要：介绍了液压凿岩机冲击、回转、凿岩、噪声四个方面的性能参数及其测试方法。通过分析液压凿岩机的结构组成、特性参数之间的关系及各环节中影响特性参数的诸因素，运用应力波理论，依据性能测试结果，全面探讨了提高液压凿岩机技术性能及冲击能量传递效率的途径。并提出了评价煤矿用液压凿岩机可靠性的指标。
关键词：液压凿岩机；性能参数；试验方法
中图分类号：TD421.2+2 文献标识码：A
液压凿岩机自70年代末在世界范围内大量使用以来，在岩石工程中起到了非常重要的作用。液压凿岩技术与液压机械产品的飞速发展，微电子技术等高新技术在液压凿岩设备上的应用，使液压凿岩机的技术水平上了新的台阶。
在我国，液压凿岩机具在铁路、交通、隧道建设、水电涵洞工程、煤矿与金属矿山巷道掘进以及露天岩石破碎工程中也起到了很大的作用。
为适应煤矿液压凿岩机具发展的需要，我国煤炭系统从80年代初起，在煤科总院北京建井研究所建立了液压凿岩机具全性能试验系统，进行了液压凿岩机性能与试验方法的研究，为我国煤矿推广液压凿岩机械、促进液压凿岩技术的发展，起到了应有的作用。
1 液压凿岩机性能与试验方法研究的主要方面
液压凿岩的系统性研究包括液压凿岩机、钎具、能量传递效率、岩石破碎规律以及液压凿岩配套系统的研究诸方面，液压凿岩机是液压凿岩系统的核心。液压凿岩机的性能反映其结构参数的合理性、设计水平的先进性与产品质量的可信任度，是综合评价液压凿岩机的关键。
液压凿岩机性能的研究涉及不同类型液压凿岩机的结构参数、冲击与回转机构运动规律，诸性能参数及其相互关系、能量传递规律以及试验方法等问题。
2 液压凿岩机的基本性能
液压凿岩机的基本性能可分为冲击性能、回转性能、凿岩性能与噪声特性四个方面，所以，分析液压凿岩机时，忽略某一方面都是不恰当的。当然，岩石条件不同，对液压凿岩机的要求有所不同，例如煤矿用液压凿岩机的转矩应当高些，而冲击能数值可比某些铁矿山低，但基本性能的指标值必须保证。
2.1 液压凿岩机冲击性能参数
液压凿岩机冲击性能参数包括冲击能、冲击频率、冲击功率以及工作条件参数：工作压力、工作流量。液压凿岩机的冲击功率表示它的冲击机构具有的冲击能力高低，由下式决定：
P=10-3E.f (1)
式中 P——冲击功率，kW
E——冲击能，J
f——冲击频率，Hz
液压凿岩机冲击机构的工作压力是影响冲击能与冲击频率的决定性因素。试验确认，液压凿岩机冲击工作压力的建立，应当以一定的工作流量为保证，流量不足以建立起某一工作压力时，增加流量可以提高工作压力，从而提高冲击能与冲击频率；当流量能满足冲击机构建立起某一工作压力时，增加流量不会提高冲击性能。产品结构确定后，冲击活塞行程一定，冲击活塞的运动速度越高，冲击频率越高，因而冲击频率高低可直接反映液压凿岩机冲击能的高低，用液压凿岩机冲击机构的工作压力—冲击频率—工作流量的对应关系可以判断产品冲击性能是否符合要求。
2.2 液压凿岩机回转性能参数
液压凿岩机的回转性能是重要性能，液压凿岩机与传统的气动凿岩机相比，回转机构转矩提高的幅度大大超过了冲击能提高的幅度。适于钻凿孔径φ30～60mm的液压凿岩机中，冲击能多在100～250J，比气动的独立回转式凿岩机提高不多，但转矩达200～300N.m，提高1倍以上。
经试验研究，液压凿岩机凿岩效率高于气动凿岩机，除因冲击功率增加外，回转机构转矩的提高起了明显的作用。北京科技大学的研究人员提出了液压凿岩“冲击—扭切综合破岩作用”的观点；我们在大量凿岩试验研究中也发现，在冲击性能参数不变的情况下，调整液压凿岩机回转性能参数，凿孔速度往往可以提高20%～30%。根据试验，钻凿φ55mm以下岩孔时，平均转矩为100～150N.m，但峰值常达150～250N.m，成为凿岩过程中的回转“超载”阻力，这是由岩石性质的规律性变化、岩层裂隙以及钻进推进系统的不平稳等因素造成的。如采用性能良好的伺服推进系统，及时调整推进力大小，使液压凿岩机回转阻力及时下调，则回转机构的转矩可稍低一些。
在液压凿岩机回转性能中，转速是另一重要参数，它影响冲击破碎每次破岩量的大小，又影响“回转扭切”破岩量的大小，从而使凿速发生变化。
液压凿岩机的回转机构几乎都独立于冲击机构，它的性能参数对凿孔速度的影响，主要是因为可以使推进力变化。我们总结的试验规律是：
(1)冲击性能参数、回转转速一定时，推进力增大，回转转矩加大，在一定范围内，凿孔速度提高，但最佳推进力上升至某一最高点以后，推进力再增加会使凿孔速度下降。液压凿岩机具有的回转转矩值，即可以达到的最大转矩值的高低，对凿岩过程保证具有最佳推进力是有作用的。
(2)液压凿岩机冲击性能参数与凿岩推进力不变时，液压凿岩机在最佳转速下有最佳凿孔速度，并且转矩随转速的提高而提高。
(3)液压凿岩机转钎速度与凿岩推进力不变时，实际输出转矩受冲击能影响不大。
提高对液压凿岩机回转性能重要性的认识，在液压凿岩机产品开发、制造与使用中应把回转性能作为重要指标来考核与评价。
2.3 液压凿岩机的噪声特性
同气动凿岩机相比，液压凿岩机没有排气噪声。尽管液压凿岩机产生的噪声声压级大大低于气动凿岩机(气动凿岩机1m距离的声压级110dB(A)以上)，但仍高于90dB(A)，达100dB(A)左右，且声能主要集中于1～5kHz频率段，没有超出人耳敏感频率范围，若不采取噪声防护措施，对工人身体仍然有害。
经试验研究，液压凿岩机的噪声源主要有冲击机构产生的噪声、回转机构产生的噪声和钎头破碎岩石产生的噪声。冲击机构产生的噪声有冲击活塞与钎尾封闭空间产生的喷注噪声、冲击活塞撞击钎具以后产生的结构噪声以及因撞击表面变形在周围产生的压力脉冲噪声，其中结构噪声是主要成分，其噪声频率特性与结构振动频率相一致。回转机构噪声由回转机构液压与机械噪声构成，但因噪声强度低于冲击机构产生的噪声，声压级差在10dB(A)以上，所以对液压凿岩机总的噪声评价影响不大。钎头破碎岩石产生的噪声对液压凿岩机噪声的测试影响较大，当钎头凿入岩石0.5m深以后，这一影响可以忽略不计。因此，研究、测试与分析液压凿岩机的噪声，主要着眼于冲击结构产生的噪声。
经对液压凿岩机冲击噪声进行的试验研究及对其冲击机构振动频率特性进行的测试与分析表明，液压凿岩机噪声主要与冲击能大小有关，而受冲击频率影响不大。由于在一定条件下，液压凿岩机冲击能大小取决于工作压力，选择适当的工作压力是降低液压凿岩机噪声的关键。液压凿岩机的噪声主要由结构噪声引起，液压凿岩机结构间隙、蓄能器参数、撞击材料的特性以及连接件的松紧度等都影响液压凿岩机的噪声。
对液压凿岩机噪声的试验研究，可用于比较不同产品的性能，寻求防治噪声的对策，并对液压凿岩机进行故障诊断。
3 液压凿岩机基本性能的试验方法
液压凿岩机基本性能的试验主要围绕液压凿岩机的冲击性能、回转性能、凿岩性能与噪声特性进行。基本性能试验方法的研究，主要是确定测试液压凿岩机基本性能的基本方法，建立相应的试验系统。
3.1 液压凿岩机冲击性能的试验
液压凿岩机冲击性能的试验，主要是测定一定条件下的冲击能、冲击频率，并计算冲击功率、能量利用率，必要时，测试冲击活塞与换向阀的运动规律、压力变化规律、流量变化规律等。由于冲击活塞运动行程确定后，冲击频率与冲击活塞速度相关，而冲击工作压力与流量是保证冲击性能的基本条件。日常的产品性能试验，用测试冲击工作压力—工作流量—冲击频率对应关系来考核液压凿岩机性能，是科学而又经济的方法。
对液压凿岩机冲击性能如何测试，目前尚无相应的国际标准。经考察，在已有的示功图法、应力波法、末速度法等试验方法中，国外多采用末速度法，如瑞典Atlas Copco公司的电容式速度传感器法、法国Secoma公司的电感式速度传感器法、德国Salzgiiter公司与日本的光电位移微分法等。我国液压凿岩机的测试中，曾使用示功图法、触点法、应力波法、感应式线速度传感器法、非接触式光电位移微分速度法等。但应用居多者为感应式线速度传感器法(北京科技大学、中南工业大学)、光电位移微分速度法(煤科总院北京建井研究所)。
经对液压凿岩机冲击性能的不同试验方法进行的对比试验与分析认为：在液压凿岩机的冲击能测试中，末速度法比应力波法合理。应力波法以在钎杆一定位置上所贴应变片反应的应力变化信息量，经超动态应变放大器放大，然后经数据处理系统进行快速运算，得出冲击能数值；末速度法是用不同类型的传感器测定冲击活塞的运动末速度，再利用活塞质量计算冲击活塞撞击钎尾时的动能，即冲击能。由于应力波法测试时必须避免反射波的干扰，测试是在钎杆撞击吸能器下进行的，其反射波能量与入射波能量之比不超过20%，这与实际凿岩的反射系数40%～70%相差甚远，致使冲击频率与流量值的测试结果与凿岩工况不一致。而且，液压凿岩机冲击活塞撞击钎具系统几乎都是通过“钎尾—接杆套—钎杆”的波形螺纹传递系统，经研究发现，其传递效率受波形螺纹设计加工、安装等因素影响，并随冲击能量的变化而变化，使液压凿岩机测试结果的实际意义受到制约。末速度法直接测定冲击活塞运动速度，且能在实际凿岩工况或接近凿岩工况下进行测试。经我们试验研究，对同一台液压凿岩机，分别采用线速度传感器法与光电位移微分速度法测试冲击能，测试结果的相对误差小于9%，而采用应力波法与末速度法测试同一台液压凿岩机时，应力波法测试的冲击能比末速度法低15%以上。
液压凿岩机冲击能的测试方法种类多，常因测试原理不同，测试结果差别较大。在国际标准ISO2787中，允许的冲击能测试误差为±10%。这说明，凿岩机冲击能测试结果对评价产品水平与质量只能起某种意义上的参考作用。国际上趋向于在液压凿岩机技术性能中只给出一定工作压力、工作流量下的冲击频率与冲击功率。我们认为，由于液压凿岩机性能参数的特点等情况，冲击能的测试只应作为确定产品某一性能指标的依据，产品正式批量生产后，采用冲击频率及其相对应的冲击压力、冲击流量考核质量是较为合理、可行的。
3.2 液压凿岩机回转性能的试验
随着国内外液压凿岩机回转性能的试验研究的发展，液压凿岩机回转机构性能参数的试验已逐渐规范化，即在施加负载时测定一定转速下的额定转矩及对应的工作压力、工作流量，测试时转速应稳定在一定范围。液压凿岩机回转性能测试时，采用传感器直接测试转矩、转速及相关系数，也可以测液压回转机构的液压马达以液压泵状态运转时的加载背压，此时必须标定背压值与实际输出转矩的关系，使测试结果含义确切。
3.3 液压凿岩机的噪声试验
液压凿岩机回转机构噪声比冲击机构噪声低20dB(A)以上，由声级相加减的规律，可忽略相差10dB(A)以上的另一声源，测液压凿岩机噪声特性时，可以用单独测试冲击机构的噪声来代表液压凿岩机噪声。这样，使液压凿岩机噪声测试简化。
3.4 液压凿岩机的凿岩试验
液压凿岩机凿岩性能试验是体现实效与寻求最佳凿岩效果的重要方面。前西德埃森采矿研究中心对各主要液压凿岩设备公司产品的试验以及煤科总院北京建井研究所近年的大量试验研究，都证实了调整岩石钻进参数进行试验，不仅能指导现场以科学的参数匹配液压凿岩机，还可以寻求产品性能的改进方向。
4 液压凿岩机冲击系统能量传递
凿岩冲击系统的能量传递以应力波传递理论为基础，国内外科学工作者已得出许多有重要意义的规律。结合液压凿岩机能量输出与输入的具体特点，本文初步总结了以下主要结果：
(1)以冲击机构液压腔室工作压力、流量是稳定因素为前提的分析与设计往往是失真的，应以实测压力、流量进行计算机仿真设计。
上面曾经论述，液压凿岩机冲击能、冲击频率主要决定于工作压力，工作压力由流量保证。以往在设计液压凿岩机时，假设冲击机构的工作压力是一个稳定值，但实际测试，液压凿岩机冲击机构液压腔室工作压力不属矩形波，而且工作流量也是波动的。这样，以液体压力、流量是稳定因素为前提的仿真分析与设计往往是失真的。经试验研究，液压凿岩机冲击工作压力与流量波动，主要来自凿岩机换向阀的快速换向、蓄能器性能参数、凿岩机冲击机构内部油路结构尺寸、冲击活塞与缸体的间隙、换向阀结构参数以及进油管径、油泵性能、冲击液压系统的合理性等。液压凿岩机冲击压力和流量的波动影响冲击与凿岩速度，同等条件下改善冲击压力波形有时使性能提高20%以上。因此，设计液压凿岩机时，应合理设计冲击液压系统，尽量减少系统的脉动，消除压力、流量的不稳定因素；对新开发的液压凿岩机，注意测试与分析压力、流量动态变化规律及影响因素，以实测压力、流量进行液压凿岩机设计的计算机仿真。
(2)波形螺纹传递效率影响破岩效率。当冲击活塞的冲击能以应力波形式传递时，在波形螺纹连接处，一部分能量以透射波形式向前传递，另一部分能量以反射波形式返回，造成能量损失。波形螺纹传递效率受设计、加工精度以及连接状况(连接件质量大小及松紧程度)的影响，也受冲击能量、冲击频率等多种因素的影响。在波形螺纹标准误差范围内，实际加工尺寸不同，一组连接件能量传递效率相差达10.8%；波形螺纹连接的松紧程度的能量传递效率相差达21.4%；不同冲击工作压力的传递效率相差达6%～10%。在研究与开发、使用液压凿岩机时，以科学试验为基础，从钎具各环节中寻求效率，这是应充分注意的问题。
(3)液压凿岩机在不同抗压强度的岩石上凿岩时，有不同的冲击频率，因之，冲击活塞在运动过程中受到的工作压力、钎尾的撞击力亦相应变化，应根据所钻凿的岩石特性，及时调整工作压力、推进力等参数，使液压凿岩机在具有高效率的同时，冲击机构承受载荷合理一些。
(4)液压凿岩机试验研究时，常可用受冲器代替岩石。受冲器有气压受冲器、液压受冲器、金属受冲器、橡胶—木板—钢板受冲器、钢片—胶体受冲器等，受冲器可以做到：使钎杆上的应力波的反射波与入射波之比小于20%，也可使反射波与入射波之比和凿岩工况基本一致。液压受冲器压力调整方便，可以模拟某一范围的岩石。
5 液压凿岩机的可靠性
液压凿岩机是液压钻车等液压凿岩设备的核心，因其不宜在使用现场就地解体维修，必须有较高的可靠性要求。评价液压凿岩机可靠性的原则是：
(1)首次故障前平均延米。属考核液压凿岩机进入正常运行状态以前的“磨合期”，发生故障多因材质、热处理工艺等不合适所造成。经分析确定，液压凿岩机首次故障前平均延米可定为3000m。
(2)无故障平均延米，指液压凿岩机投入正常运行后在规定的使用维修条件下，每两次故障间的平均延米。按目前国内液压凿岩机与配套件可以达到的数据计算，液压凿岩机的平均无故障延米可定为13000～14000m。
(3)液压凿岩机不拆机延米(大修寿命)。该指标表示产品在现场正常凿岩作业并保证按规定维修的条件下，不对液压凿岩机内部主要零件解体维修，但可以在井下将有故障的蓄能器、回转机构、注水机构等整体更换，而不影响产品正常作业的累计延米。液压凿岩机不拆机延米主要以不拆机部分工作寿命最短的冲击活塞为基础。目前，煤炭行业将液压凿岩机不拆机延米定为25000m。
(4)液压凿岩机主要易损件寿命，指冲击活塞、换向阀、蓄能器隔膜、回转马达等零部件在额定条件下连续正常运行的工作寿命。针对目前情况，建议煤矿用液压凿岩机主要零部件的寿命指标为：冲击活塞与换向阀为25000延米，液压马达为85000m(不低于1000h)，冲击机构蓄能器隔膜为5000延米(不低于100h)。
(5)液压凿岩机整机服务年限(经济寿命)。液压凿岩机是可维修产品，由于服务年限的增加，年平均机械设备费用降低，但产品维修费相应提高。从经济合理的角度出发，将经济上合算、总费用最低时的寿命称为经济寿命。产品使用达到经济寿命时应予以报废。按目前国产液压凿岩机可靠性实际状况与可能达到的指标，最佳服务年限为4～5年。随着产品质量的提高，服务年限有可能逐步提高到6～7年，总延米数达到30万米左右。
6 基础理论研究促进液压凿岩技术的发展
对液压系统的研究，就国内来说，北京科技大学、中南工业大学等对液压凿岩机参数优化以及液压凿岩机设计作了大量的工作；沈阳风动工具厂、中国地质大学凿岩机械研究所、莲花山冶金机械厂等对液压凿岩机的制造工艺进行的研究，使国产液压凿岩机投入使用成为可能；东北大学、长沙矿冶研究总院、中国矿业大学等对冲击能量在钎具中的传递以及与岩石破碎的关系进行的探讨，从理论上推动了液压凿岩钎具国产化，加上中国钎钢钎具协会与中国地质大学等的具体工作，国产液压凿岩机用钎具基本适应凿岩工程的需要。煤炭科学研究总院北京建井研究所从液压凿岩机基本性能参数的试验研究入手，对液压凿岩机的结构、性能参数、能量传递以及实际使用技术进行的研究，对产品设计、改进、制造、使用起了一定的指导作用，将最新技术成果应用在液压凿岩机、液压钻车、钎具等各种产品的系列标准中，明确了冲击、回转、噪声、凿岩、可靠性五个方面的要求，使液压凿岩机具设计、制造与使用有了统一的基本要求。