液压凿岩台车的设计

第一章：绪论1.1问题的提出我国正处于社会经济大发展的重要时期, 国民经济结构中基础设施建设一直占有举足轻重的地位。

近些年来, 在工程建设的众多技术领域中隧道和地下工程技术十分突出。

据来自于各方面的统计资料表明,至2003年年底, 我国大陆已建成的铁路隧道有7400余座, 总长度4200km; 公路隧道1970余座,总长度近1000km; 已建成运营的城市地铁总长近200km。

此外,还建成大批地下厂房、地下设施和LPG等洞库工程。

从最近几年的建设规模和速度来看,铁路隧道和公路隧道分别约以每年300km和150km的建设速度在增长。

正在规划、设计和建设中的南水北调、西气东输和水电工程、LPG工程, 也为隧道和地下工程事业的发展带来了新的、更大的机遇。

从隧道和地下工程的数量、规模和建设速度来看, 我国堪称世界之最。

在这些隧道中, 中硬岩隧道占相当比例。

采用的主要钻眼方法有人工手持风枪配简易台架钻眼法、凿岩台车钻眼法和隧道掘进机法。

凿岩台车钻眼法在我国于20世纪80年代的长大隧道施工中被广泛应用，但90年代以后, 人工手持风枪配简易台架钻眼法又再次被广泛应用。

对隧道施工而言, 开挖是施工成败的关键。

人工手持风枪配简易台架钻眼法成本较低, 但是工人劳动强度大、劳动环境恶劣、施工效率较低; 凿岩台车有钻孔速度快、能缩短非钻孔时间、自动化程度高、施工安全、施工质量高、隧道开挖作业工作环境较好、施工作业的机械化水平较高,能实施超前钻孔技术等优点[1]。

凿岩台车是隧道及地下工程采用钻爆法施工的一种凿岩设备，它能移动并支持多台凿岩机同时进行钻眼作业。

国外生产凿岩台车的公司有Atlas, Tamarack等公司。

当今，我国的道路建设正处于高速度发展时期，隧道的掘进和地下工程的进行与凿岩台车是密不可分的，特别是高性能自动化的凿岩台车，计算机控制的凿岩台车是以后的趋势。

而我国的凿岩台车的设计与制造与世界先进水平之间存在的差距是不容忽视的，不管是从外观还是内部性能，使用寿命。

我国的道路建设和相关工程的高难度和特殊性又加强了对高性能凿岩台车的依赖性，我国每年都要花大量资金从国外进口相当数量的工程机械，凿岩台车的进口就占其中的一部分，不仅花费了大量资金，台车的保养和维修也是一个难题。

因此，这些残酷的事实告诉我们，靠别人不如靠自己，高性能凿岩台车的研发和制造在我国已是大势所趋，高性能凿岩台车将对我国的道路建设所带来的意义是巨大的。

基于此，本次毕业设计为凿岩台车的设计[2]。

凿岩钻车广泛用于矿山巷道掘进和回采作业、铁路隧道和国防工程等方面的施工。

随着凿岩爆破工艺的不断改善，凿岩钻车在生产建设中愈来愈显示出它的优越性。

如巷道断面大于10m2的凿岩作业、平巷掘进的直线掏槽法对钻孔平行度的要求，无底柱分段崩落法对钻孔角度的要求等，都是人力自由控制所难以保证的。

但若采用凿岩钻车进行凿岩作业，不仅完全可以满足上述各种要求，而且也为采矿过程自动控制创造了可能的前提条件。

1.2 国外凿岩台车的研究及发展现状国外研制液压凿岩机始于20世纪70年代,先后有美国Ingersoll2Rand公司、Gardner2Denver公司、瑞典Atlas Copco公司、Linden2Alimak公司、芬兰Tamrock 公司、法国Eimco2Secoma公司、德国Krupp公司和日本古河(FURUKAWA)公司等投入力量研制液压凿岩机及相关配套钻车。

其中瑞典AtlasCopco公司和芬兰Tamrock 公司生产的液压凿岩机及配套钻车最具代表性,占有60%以上的市场份额。

截止目前,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,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[3] 。

如今AtlasCopco公司生产的Cop系列液压凿岩机已经从Cop1022发展到最新推出的Cop4050型重型液压凿岩机, Cop4050的冲击功率可达40kW,装配于Simba4450系列全液压钻车上, 1993年成功用于瑞典卢基公司基律纳铁矿井下深孔采矿凿岩,钻凿孔径达115mm,这是传统的潜孔冲击器的工作范围。

潜孔凿岩虽然能得到较好的孔直度,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公司生产的HL4000系列大功率超重型液压凿岩机, 1984年在挪威年产2500万t的比约纳湖(Bjornevatn)铁矿装配Herbert钻车用于露天矿山钻凿直径230～275mm的炮孔,其凿速相当于同级牙轮钻机的116倍,而能耗仅为牙轮钻机的1/2。

由于液压凿岩机具有节能、高效、成本低和作业条件好等显著优点,国外除地下凿岩已推广应用外,在中小型露天矿和岩石工程应用方面也有不小进展[4]。

1.3 国内凿岩台车的研究及发展现状1980年由长沙矿冶研究院、株洲东方工具厂等单位研制成功我国第一台用于生产的液压凿岩机YYG80，装配于CGJ2Y型全液压钻车上在湘东钨矿进行了工业试验并通过了部级技术鉴定。

由此拉开了国内研制液压凿岩机的序幕。

相继有北京科技大学、中南工业大学、长沙矿冶研究院、马鞍山矿山研究院、中国矿业大学、煤炭科学院建井研究所、沈阳风动工具厂、天水风动工具厂、衢州凿岩机厂和宣化风动工具厂等10多个单位开发研制液压凿岩机和配套钻车[5]，到了九十年代末期, 我国先后有YYG80、TYYG20、YYGJ145(仿Cop1038H)、YYT30、YYG30、GGT70、YYG80A、YYG90、YYG250A、CYY20(仿法国RPH200)、YYG90A和DZYG38B (仿Cop1238ME)等十二种机型通过了国家鉴定。

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。

其中已形成量产的主要有YYG80、YYT30和YYG90A三种机型。

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[3]。

由中南工业大学研究设计，广东有色冶金机械厂制造的CGJ25 - 2Y型全液压钻车,装配两台YYG90型液压凿岩机,，1988年在汝城钨矿使用时，与铲插式装岩机、搭接式梭车组成掘进机械化作业线，创造了在214m×216m断面中月进尺250m，掘进工效稳步超过1m/工班的好成绩，1991年在桓仁铜锌矿创造过单台单班进尺514～6m的好成绩[6]。

与法国水星系列液压钻车配套的HYD200和HYD300液压凿岩机由莲花山有色冶金机械厂引进法国Eimco2Secoma公司技术生产，其国产化率已达95%，主要部件冲击活塞寿命可达2万m以上，各项指标均已达到国外同类机型的水平,已形成批量生产[6]。

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，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[3]。

从上述可以看出,我国液压凿岩机的发展走的是一条自主研发与引进消化国外先进技术相结合的道路,经过几十年的发展与探索已经初步形成了自己的产品规格与系列,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6 000 m。

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[3]。

因此，国内液压凿岩机与国际先进水平尚存在很大差距，引进机型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: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[7]。

1.4岩台车的发展趋势随着电液比例技术和自动化技术的发展及其在凿岩台车上的应用，凿岩台车呈现出从机械化向自动化、环保化、多样化发展的趋势[8]。

1.4.1凿岩台车的全自动化发展趋势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、台车和钻臂自动移位、定位以及遥控操作系统等。

全自动化的台车被称为凿岩机器人。

由于这类凿岩机器人主要用于隧道的开挖，又被称为隧道凿岩机器人。

挪威、日本、法国、美国、英国、德国、芬兰、瑞典及俄罗斯等国家的多家企业相继参与了全自动化凿岩机的研制工作。

特别是近年来，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台车也相继出现，并已达到实用化的程度[8]。

1.4.2凿岩台车的环保化发展趋势为了降低噪声，保护操作人员的健康和改善工作环境，一般选用液压凿岩机。

这是因为液压凿岩机噪声小，不会排出油雾和有害气体。

与气动凿岩机相比，液压凿岩机还具有动力消耗少、能量利率高、凿岩效率高、没有排气噪声等优点。

但是，液压凿岩机产生的噪声声压级仍高于90dB(A)，达到100dB(A)左右，且声能主要集中于1 kHz一5kHz频率段，仍在人耳敏感频率范围内。

若不采取噪声防护措施，对施工人员的身体健康仍然有害。

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。

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是影响液压凿岩机噪声的因素。

要降低液压凿岩台车的噪声，应综合采取多种措施。

目前除了对液压凿岩机结构进行技术攻关、技术改造外，还在远距离有线无线控制和设计研制全隔音驾驶室等方面取得了很大突破[8]。

1.4.3凿岩台车的多样化发展趋势目前世界上各大公司液压凿岩台车的钻臂、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台车，实现了品种的多样化，同时缩短了产品设计周期，产品更新换代快[8]。