液压凿岩设备的研制现状及其发展思路

作者：中南工业大学 朱建新 何清华

欢迎访问e展厅 展厅 5 钻机/掘进机/凿岩机展厅 钻机, 潜孔钻机, 水平定向钻, 顶管机, 旋挖钻机, ... 在矿山、铁路、公路、水电、煤炭和建筑等工程施工中，凿岩设备是不可缺少的主要施工设备之一。随着新技术、新产品、新品种的不断涌现，工作性能不断提高，功能也日趋完善，技术水平已达到了相当高的程度。特别是近20年来，液压控制技术和计算机技术的结合更促进了凿岩技术的进步，自动化凿岩及自动凿岩设备也相继出现，并已达到实用化的程度。本文对国内外液压凿岩设备的研制现状作了简要概述，并对未来液压凿岩设备尤其是国产液压凿岩设备的生产发展提出了一些建议，供同行们参考。 1国外概况 1.1发展现状 炮孔钻凿经历了一个由手工到人工操纵机器再到自动凿岩的过程，其中凿岩设备也经历了由气动驱动到液压驱动的转变。自1970年法国Montabert公司研制成功第一台用于矿山钻孔的H50型液压凿岩机及其配套钻车以来，由于液压凿岩机在技术、经济以及社会效益方面具有极大的优越性，引起了各国有关公司的重视，并组织力量竞相研制，如美国Ingersoll－Rand公司、Gardner－Denver公司、瑞典Atlas Copco公司、Linden－Alimak公司、芬兰Tamrock公司、德国Krupp公司和日本古河(FU RU KAWA)公司等都投入力量研制全液压凿岩设备。据不完全统计，目前国外有20多个国家的几十家公司相继研制并生产的各种型号液压凿岩机已有上百种，而且大都自成系列。年产量已从80年代初的2000台发展到1986年的1万台以上，目前的产量已超过2万台，而且还在继续增加。其中端典Atlas Copco、芬兰Tamrock和法国Secoma等公司生产的液压凿岩机及其配套钻车的品种型式和技术水平，在当今世界都具有一定的代表性。特别近几年来电脑导向和各种型号的自动液压凿岩钻车已达到了实用化的水平。 1.2主要特点和发展趋势 1.2.1品种规格齐全，使用范围广泛 无论是井下或露天，掘进或采矿，都有相应的液压凿岩机供选用。如芬兰Tamrock公司80年代初液压凿岩机只有3个系列，目前该公司的产品已发展到7个系列，从小型手持式到超重型，品种规格齐全。 在发展回转－冲击式产品的同时，适用于软岩上钻孔的纯回转液压凿岩机也得到相应的发展。尤其是瑞典Atlas Copco公司能够灵活地根据用户的某些特殊要求，在某种基型产品上稍加改进，就可以组装成专用产品，产品上的配套部件可随不同地区和国家的不同环境而改变，并有很多供选用的附件，如集尘器、卷场机、行走和凿岩控制摇臂、低冲击压力机构、机械换钎机构、炮孔角度测量仪等等。 目前各公司推出的一般都是第二、第三代甚至第四代产品。从近年研制的井下钻车型号来看，绝大部分为轮胎式，以适用井下高效无轨掘进和开挖的需要。 1.2.2产品改进和更新换代快 在轻型产品的研制中，大量采用塑料件来减轻整机的重量。液压凿岩机的外壳等多采用精密铸造，从而使机器的结构紧凑，布局合理，外形也较美观。 液压系统的供油泵有两个的，也有三个的，但有向一个泵集中供油的发展趋势，工作介质采用不燃液(如磷酸脂、水二醇和油水乳化液等)的日益增多。高、低压回路均装有蓄能器；还设有液压缓冲器，可防止应力反射波的破坏作用。芬兰Tamrock公司在大流量的重型液压凿岩机上采用蓄能器并联结构，同时采用两个转钎马达以增加输出扭矩，根据需要，两马达可以同时使用也可以单独使用。转钎马达与推进马达串联，并在系统中加以平衡，以实现自动防卡，同时成功地采用了钻管钎具。液压系统一般采用17MPa以下的中压传动，承受油污能力高，机头采用防腐材料和压气密封。 各公司液压凿岩设备的钻臂、推进器和操纵系统等主要部件都已实现标准化和系列化，适用范围广，零件通用率高，可根据用户的不同要求，组装成各种型式的钻车，实现品种的多样化，同时缩短了产品设计周期，产品更新换代快。 1.2.3凿岩向大功率和自动化发展 1986年，Atlas Copco公司推出了第二代Cop1440和Cop1550型等新型高速液压凿岩机，其凿岩效率比Cop1238提高一倍。最新推出的Cop4050型重型液压凿岩机，冲击功率高达40kW，与之配套的Simba H4000系列全液压钻车，用于井下深孔采矿凿岩，钻凿孔径为89～127mm，这是传统的潜孔冲击器的工作范围。潜孔凿岩能得到好的孔直度，但速度较低。Cop4050能在两倍于潜孔凿岩速度的情况下，得到几乎全直的孔，并能使用通常的钻管、钎杆或二者的组合。Tamrock公司的4000系列是大功率超重型液压凿岩机，用于露天矿山钻凿直径180～230mm的炮孔，最大可达275mm，其凿速相当于同级牙轮或潜孔钻机的2～4倍，而能耗仅为潜孔钻机的1/4。 随着液压控制和电子技术的发展和应用，凿岩循环已实现自动化，即自动开孔、防卡钎、自动停机、自动退钎、钻车和钻壁自动移位、定位以及遥控操作系统等。这种全自动钻车被称之为凿岩机器人。由于这类凿岩机器人主要用于隧道的开挖，故又将它称为隧道凿岩机器人，先后有挪威、日本、法国、美国、英国、德国、芬兰、瑞典及前苏联等国家的许多厂家积极参与了这项工作。仅挪威竟有Bever公司、电子公司、Furuholmen公司、AWV公司和工程合同公司等众多的公司参与竞争，其中工程合同公司率先从1972年开始进行这项研究，1978年即拿出基本可实用的隧道凿岩机器人样机。Bever公司开发的软件最为出色，该公司开发的Bever全自动数据导向系统(包括专用的配套控制硬件)，已为多个国家的隧道凿岩机器人生产厂家所采用。 日本东洋公司也早在1982年开始研制成AD系列两臂和四臂凿岩机器人。法国Montabert公司从80年代已推出六种Robofore型凿岩机器人。瑞典Atlas Copco公司和芬兰Tamrock公司生产的液压凿岩设备占全世界产量的一半以上。尽管它们不是凿岩机器人的率先研制者，但凭借它们在这个领域中数一数二的实力，也先后在1985年和1987年研制成功Robot Boom系列和Datamatic系列凿岩机器人。这类凿岩机器人装备有两级分布式计算机管理和控制系统，可完成离线编制炮孔布置程序，编制炮孔表、钻孔顺序表，其信息可存储、打印以及传输到钻臂控制系统，分别控制每个钻臂动作，以保证钻臂定位准确、控制炮孔布置及炮孔精度。显示器可显示钻臂方向、炮孔布置状况、凿岩速度和进尺等。控制方式一般有两种，一是自动控制，二是遥控操作控制。 2国内概况 2.1发展现状 我国研制液压凿岩设备起步不算晚，1980年9月在湘东钨矿鉴定了我国自行研制的第一代液压凿岩设备及配套的钎杆(YYG80型液压凿岩机、CGJ2Y型全液压钻车及B25Y整体钎杆)。目前我国有北京科技大学、中南工业大学、长沙矿冶研究院、煤炭科学研究院北京建井研究所、沈阳风动工具厂、天水风动工具厂和瞿州凿岩机厂等10多个单位研制了20多种型号的液压凿岩机和钻车。近10年来，购进Atlas Copco、Tamrock、Secoma公司等五个国家七家公司的全液压凿岩设备近30个型号500多台套，液压凿岩机1200余台。这些设备在各工程建设部门发挥重大作用，促进了能源、交通运输和矿山工业的发展。同时，沈阳风动工具厂、天水风动工具厂、宣化风动工具厂、南京工程机械厂和沈阳有色冶金设备总厂5家工厂先后同瑞典Altas Copco公司和法国Secoma公司签订了5个技术引进合同，共引进了11种液压钻车(其中露天钻车4种)，4种液压凿岩机的制造技术，共耗外汇约1000万美元，逐步形成了我国液压凿岩设备的产品系列和研制、使用格局，也标志着我国自行研制的全液压凿岩设备已经结合我国国情进入了实用和成熟阶段。进入90年代中期以来，以中南工业大学为主，国内对电脑导向和全自动控制的凿岩机器人的实用化研制也已取得了实质性进展。 2.2性能概况 2.2.1液压凿岩机 我国80～90年代研制并通过国家鉴定的液压凿岩机型号共12种，它们是：YYG80、TYYG20、YYGJ145(仿Cop1038H)、YYT30、YYG30、GGT70、YYG80A、YYG90、YYG250A、CYY20(仿法国RPH200)、YYG90A和DZYG38B(仿Cop1238ME)。其中冲击能在150J以下的5种，其余的7种冲击能均在150～250J之间。可钻孔径大部分在40～50mm之间，只有YYG250A、YYGJ145、TYYG20和DZYG38B型液压凿岩机可钻孔径大于50mm，最大可达120mm。初步估计，这些凿岩机在国内加工制造和销售超过400余台，其中销售最多的是YYG80、YYT30和YYG90A型三种。12种型号中除3种为测绘仿制国外当时市场销售的机型外，其余都是我国自行研制的。它们在结构上一般采用独立转钎机构，活塞运动行程可调，有防空打缓冲装置；其配流机构普遍采用有阀式，芯阀及套阀均有。不论采用何种配流阀，按配流方式又有双面回油和单面回油两种，它们各有特点，根据各研制单位的传统决定。由于它们利用高压液体驱动，采用与钎尾直径接近的细长活塞，冲击能高，且改善了活塞对钎杆的能量传递，可获得较同级别气动凿岩机高1～2倍的凿岩速度，钎具寿命也相应延长50%～100%，操作工人的作业条件也明显改善。瑞曲和法国等国早在70年代末就对使用液压凿岩设备与气动凿岩设备的能耗和每米炮孔的成本作过对比，它们的比值分别为1∶3.85和1∶1.3。近几年，我国在铁道、水电及矿山部门使用的统计资料和对比数字也证实了这一点。 从上述可以看出，我国的液压凿岩已达到了一定水平。但大多数厂家生产的液压凿岩机稳定性指标均在500m左右(不拆机检修)，而世界先进水平的瑞典产品则规定为6000m。国内只有中国地质大学生产的DZYG38B型液压凿岩机样机的工业性试验才达到这一世界水平的指标。因此，国内的液压凿岩机与国际先进水平尚存在很大差距，且引进产品现在尚未完全国产化，其关键零部件仍依赖进口。究其原因主要有如下几个问题总是没有完全解决好：一是高速、高压下的密封结构和支承活塞运动的前、后导向套的结构；二是活塞、钎尾、导向套和密封材料的选择与应用，以及材料热处理和高精度加工；三是蓄能器隔膜的材料及寿命等。从而导致零件寿命低，密封不可靠，内外泄漏严重，以及活塞研缸和导向套咬合等故障，造成国产液压凿岩机可靠性指标下降。 2.2.2液压钻车 我国80～90年代共研制鉴定了10种型号全液压钻车。它们是：CGJ2Y、CSJ2、CTJY10－2、YCT1、LC10－2B(仿CTH10－2F)、CTJY12－3(仿H170)、CGJS－2YB、CGJ25－2Y、CGJ450－2Y和KZL120。除其中两种为参照国外产品外，其余8种均为结合我国国情研制的；YCT1为轮胎行走的采矿深孔钻车，KZL120为履带式露天钻车，其余均为掘进钻车。三种轨轮行走的小断面钻车已销售20余台，是目前完全自行研制液压钻车销售推广最多的。投入小批量生产的是YCT1型采矿钻车。这些钻车的液压系统大都设计合理，既保证了液压凿岩机效能的充分发挥，又满足了采掘工艺凿岩作业的需要；钻臂和推进器等部件布置合理，外形新颖美观，运转可靠，操作灵活方便。尤其是井下掘进钻车上的液压钻臂工作范围大，如同多功能的机械手，可灵活地上下仰俯，左右摆动，并可伸缩，钻臂上的凿岩机推进器导轨也可灵活地上下仰俯，左右摆动和伸缩，有的还可翻转180°，使凿岩机紧靠周边；有的导轨除可翻转外还可在既定轴线的条件下，再固定外倾一个小角度，便于钻边孔，更好地控制开挖规格；钻臂上的凿岩机可以在纵横平面上自动平移，最大限度地消除钻孔死区。如天水风动工具厂生产的CTJY12－3型全液压轮胎式掘井钻车配置三台YYGJ145型大功率液压凿岩机、三个AB741型液压钻臂、AT1541型液压推进器及一个AF321型液压工作平台，其技术性能均满足上述要求，是目前我国最大的具有80年代世界先进水平的地下掘进钻车。 为了填补国产露天全液压钻机的空白，宣化采掘机械厂与中南工业大学等单位合作，于1987年研制了KZL－120型露天液压钻机，配广东有色冶金机械厂制造的YYG250A型重型液压凿岩机，由贵阳钢厂提供钎具，可钻孔径为56～120mm，爆破孔最大孔深可达25m；当孔径为89mm时，在坚硬的岩石(f=12～14)上凿孔速度可达1.2m/min。但该机仍配用KQ150型潜孔钻机底盘，动力采用电力驱动，行走速度慢，结构复杂，功率消耗大。随后，中南工业大学在KZL－120型基础上又开发了内燃驱动的履带式露天全液压钻车，其零部件全部采用国产件和近年来引进技术生产的配套件。此外由天水风动工具厂引进的Atlas Copco公司技术生产的TROC712H和TROC812H型履带式露天全液压钻车1989年接受用户订货。 在隧道凿岩机器人研究方面，北京科技大学于1993年完成了钻孔过程计算机控制寻优的实验室研究，而中南工业大学早在1986年就进行了学习再现式凿岩机器人的实验室研究工作，实现了钎杆定位、凿孔(轻打、重钻)、自动防卡钎、退钎等工作的计算机控制。近几年又完成了凿岩机器人运动学及动力学模型、孔序规划、车体定位控制等一系列的研究成果。这些成果不是照搬国外技术，不但在机构上有创新，而且形成了有特色的自成体系的理论研究和设计方法，力求改变在众多的重点工程中，几乎是国外设备一统天下的局面，填补了我国全液压自动化钻车研究的空白。1998年上半年，国内包括两名院士在内的专家学者两次云集长沙，对中南工业大学隧道凿岩机器人的研究成果进行评审，获准列入国家“863”计划，并进入实用化和产业化阶段。 综上所述，国产全液压钻车的各项技术性能都能基本满足各工程部门施工的需要。但由于种种原因，对于凿岩设备的发展缺乏统一规划，规格品种少，已开发的产品中品种多有重复，力量和资金分散，没有获得应有的投入效果。加之产品“三化”程度低、产品质量和可靠性不够稳定，就整体说仍与国外同类先进全液压钻车存在着一定差距，因而亟待进一步加大发展力度。 3国产液压凿岩设备的发展思路 3.1加快引进技术的消化吸收，提高进口技术的国产化水平 尽管我国已进行了多种型号的液压凿岩设备的技术引进，但品种不齐，规格不全，且大都停留在仿制的水平，远远不能满足我国工程部门的需求，加之我国的经济实力也不宜大量购买进口设备。因而，有必要进一步加快消化吸收引进技术的步伐，研制满足工程需要的性能先进和工作可靠的新型液压凿岩设备，以提高国产化水平，并大大降低工程投资。特别要指出的是，我国黑色、有色、煤炭及核原料等地下矿山绝大部分属有轨掘进和运输出矿，就是到了2010年也不可能将大量有轨矿山实现无轨化，而铁道、水电和交通等施工部门所进口的液压凿岩设备全部为无轨设备。为此，结合我国实际情况，在消化引进技术，研制发展各施工部门所需各种功能的无轨全液压凿岩设备的同时，进一步开发有轨的全液压凿岩设备，解决量大面广的中小矿山的迫切需要，实属刻不容缓的任务。 3.2优先研制操作方便、性能可靠和价格低廉的全液压凿岩钻车 我国是发展中国家，经济实力还较薄弱，因此研制方向应符合我国国情，其操作功能和配套设备应优先考虑其实用性。就我国目前绝大部分操作工人的技术水平和经济实力而言，应根据市场需要选准方向，优先研制操作简单方便和价格低廉的全液压凿岩钻车。如全液压露天钻车的发展重点应该放在相当于Atlas Copco公司的ROC712HC型钻车上。这种钻车的主要特点是：内装有空压机，机重10t左右，通过配用直径32、38和六角45mm的钎杆，可以钻直径48～115mm的孔，基本上满足各种露天施工的要求。 其次，应优先考虑产品的可靠性。一些关键部件特别是液压元件的选型完全可以采用进口产品，从而提高国产全液压钻车的产品质量和可靠性，降低设备故障率。同时，加强对液压凿岩机活塞、钎尾和钎具的材质及热处理工艺研究，为使用部门提供经久耐用的优质液压凿岩机和钎具，以降低钻孔成本，也有利于提高用户对国产液压凿岩设备的信任度。 3.3开展产品零部件的“三化”工作 各研制单位必须遵循行业的统一规划，开展钻臂、推进器、底盘及操作系统等主要部件的“三化”工作，以便有利于发展系列产品和变型产品，从而扩大产品市场覆盖面，缩短产品的研制周期，降低产品研制费用，确保产品质量。对于引进产品，实现“三化”也可以加速产品配套件的国产化进程。因此，各研制单位应从长计议，携手合作，组织强有力的技术力量去开展这方面的工作，并积极采用国际标准。 3.4加快我国隧道凿岩机器人的研制步伐 隧道开挖是现代交通和水电等大规模工程建设中的一项难度大，耗资耗时多，劳动条件差，但又十分重要和关键的施工作业，如采用隧道凿岩机器人施工，至少有如下几个明显优点： (1)大幅度提高爆破后断面的精度，可以有效地控制超、欠挖量。据国外的成功经验，超挖量控制在5%以内，可大幅度地降低工程成本，经济效益十分可观。 (2)减少钻孔时移位的辅助时间。由于凿岩机器人工作钻臂(即机械手)的轨迹已程序化，孔序进行了优化，确定其最短移动路线，变换新孔的时间与人工操作相比，可由30～60s减小到10～30s，提高了工效。 (3)提高爆破效果。由于炮孔钻孔深度不一，每次爆破不可能将钻孔深度上的所有岩石都崩落下来，一般只能达到90%左右。凿岩机器人的布孔位置和钻孔的角度，特别是各孔的孔底共面性等精度都大大超过了人工操作，所以炮孔利用率可达到95%以上。 (4)提高凿岩速度。凿岩机器人的自适应钻进系统可根据岩石的变化情况自动调节冲击能量、冲击频率、回转速度和推进力，并使这几个参数达到最佳匹配，有效地提高钻孔速度，同时减少钎头和钎具等较贵重配件的消耗，降低因地质情况变化，排碴不畅等原因引起的卡钎事故。 (5)明显改善劳动条件，提高劳动效率。除个别的操作和监视外，操作者免除了频繁的操作、观察和选择等工作，一个人至少能同时监控2个钻臂，封闭而又舒适的司机室更为操作者提供了良好的工作环境。 我国是一个多山国家，各种基本建设的隧道开挖工作量十分浩大，目前国内隧道开挖的现代凿岩钻孔设备几乎都是耗费大量外汇进口的液压凿岩设备。初步估算，自80年代以来，以铁路和水电系统为主进口各种液压凿岩设备数百台套，耗资数亿美元。从现在起，属于我国优先发展的交通、能源产业中的铁路、高速公路、水电建设又将进入新的发展阶段，对这一类设备的需求也必将逐年增加。因此，为了降低生产成本，提高凿岩效率，改善作业环境，加快我国隧道凿岩机器人的研制步伐，特别是尽快开发出具有自动定位，自动转换孔位，人工控制凿岩过程等功能的半自动液压凿岩钻车和电脑导向液压凿岩钻车已是生产发展的需要。我国有关部委院校及科研院所已建立起一支从事液压凿岩设备研制的队伍，历经20余年，在液压凿岩设备的研究与开发方面已积累了丰富的理论和实践经验，尤其是在恶劣条件下的控制器设计、计算机应用和系统集成方面获得了许多成功的经验，为隧道凿岩机 器人的研制提供了可靠的保证。同时还可以从国外隧道凿岩机器人相当成熟的技术中得到有 价值的借鉴和启发。液压元件和控制元件选用国外较好的产品，为研制性能先进和技术可靠 的隧道凿岩机器人奠定了良好的基础。我们深信在上级领导的关心支持下，集中人力和物力 ，依靠科技进步，通过制造和使用单位的共同努力，21世纪初，我国液压凿岩设备的技术水 平将会得到大幅度的提高，并能在较短时间内形成我国的隧道凿岩机器人产业，为经济建设 做出更大的贡献。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/19/2005)