凿岩机械是采掘、建筑、工程建设等领域应用广泛的的工程机械。尽管凿岩机技术已经有很大发展，但在我国其主导产品几十年来没有大的变化。我国大量的中小矿山及一般工程施工中仍普遍使用能耗高、破岩效率低、易损零件多、寿命低、噪声高、环境污染严重的支腿式气动凿岩机，研制开发轻型独立回转液压凿岩机就是在这样的背景下提出的。用轻型独立回转凿岩机替代传统的气动凿岩机能明显提高凿岩作业效率、显著降低耗能、减少噪声污染和空气污染，迅速提高我们凿岩和工程施工的装备技

　　针对所设计的液压凿岩机，利用计算机辅助设计软件AUTOCAD2007及CAXA2005画出了其装配图和部分典型零件图，然后对其进行分析研究，了解其结构原理，对本次设计的成果进一步巩固加深，达到设计的最终目

　　20世纪20年代，英国人多尔曼在斯塔福德制造出第一台液压凿岩机。大约40年之后，另一位英国人萨特立夫也制成了一台液压凿岩机。不久，

　　美国Gardner—Denver公司根据尤布科斯专利制成了MP-Ⅲ型液压凿岩

　　未能在生产中得到推广应用。1970年，法国蒙塔贝特(Montabert)公司

　　应用液压凿岩设备。由于液压凿岩机和气动凿岩机相比具有明显的优越性，瑞典、英国、美国、德国、芬兰、奥地利、瑞士和日本等国陆续研制出各

　　先进国家的岩石开挖工程采用的液压凿岩设备占凿岩设备总量的80%以上。其中瑞典AasCopco、芬兰Tamock、法国Secoma等公司的液压凿岩机及配套产品在世界上具有代表性。前两者的液压凿岩设备销售量占世界销售总量的一半以上。目前国外的液压凿岩机正向重型、大功率和自动化方向发展超重型大功率液压凿岩机已能钻凿直径180-275毫米的炮孔，凿岩速度

　　我国开展液压冲击机械的研究工作起步于70年代初期，基本与国际研究水平同步,但由于当时我国液压技术发展较慢，液压凿岩机与液压碎石机未能在我国普遍推广应用。直到80年代，我国科研人员走技术引

　　取得了迅速的发展。1980年长沙矿冶研究院研制成功了我国第一台YYG—80型液压凿岩机，不久以后，由中南工业大学研制的YYG90型液压凿岩机、北京科技大学研制的YS—5000型液压碎石机和长沙矿山研究院研制D型液垫式液压碎石冲击器也相继通过了国家有关部门组织的技术鉴定。近年来，随着我国对外开放政策的深入和科学技术的长足进步，液压冲击机械这个新兴的技术产业也得到了迅猛发展，目前国内已经有十几家单位研制生产了数十种型号的液压凿岩机和液压碎石机的系列产品，在我国的能

　　按照人们在研究冲击机构时所采用的数学模型不同，可以把研究液压冲击机构的方法分为线性模型法和非线性模型法两种。线性模型法就是抓住液压冲击机构运动的主要因素，忽略次要因素，对冲击机构作一些必要的假设，将活塞受力状态进行简化，得出用线性数学模型表示的冲击机构运动规律。这种模型揭示液压冲击机构的运动规律直接明了，有确切的数学表达式，可方便地求得解析解。但由于这种方法忽略了一些实际存在的因素，故只是粗略地描述了冲击机构的运动规律。非线性模型较多地考虑液压冲击机构的影响因素，较全面地分析了冲击机构的受力状态，用高阶非线性微分方程组描述其运动规律。这种模型能较精确地揭示液压冲击机构的物理现象，但方程求解困难，描述不直观，只能通过计算机求得数值解。但必须指出，由于液压冲击机构运动的复杂性，非线性模型也是建立

　　液压冲击器的所有运动体工作时始终处于剧烈的变速运动状态，其配流控制阀的换向频率高达50～60Hz要求在极短的时间内完成大开口量的油路切换动作，压力、流量变化都非常剧烈，系统不可避免地存在压力脉动和液压冲击。因此，液压冲击器系统中设置蓄能器的目的就是为了吸收这种压力脉动和液压冲击，同时在正常工作时吸收供过于求的能量，当系统短时间内需要大量压力油时，蓄能器可补充供不应求的能量，这样可减小液压泵的容量，从而减少电机功率消耗和系统发热。冲击活塞、配流控制阀和蓄能器三者耦合运动完成液压冲击器正常而有效的工作，蓄能器

　　能，因此人们对蓄能器进行了大量的研究工作。提出了回油蓄能器的参数设计方法；以集中参数为基础，建立了高压隔膜式蓄能器的动态模型，分析了蓄能器系统的频率特性，在此基础上，进一步分析了蓄能器与液压冲击器的耦合特性，得出了最优工作参数比；通过实验测定液压碎石机的蓄能器工况，研究了蓄能器充气腔容积和充气压力的变化对液压碎石机性能

　　统。配流阀对活塞的控制属于开关型控制，阀换向过程中的时间、位移、耗油量等都是影响冲击机构性能的重要因素。北京科技大学刘万灵教授等在《液压凿岩机换向阀的动特性分析》一文中，通过理论分析和实测的手段，对换向阀进行了研究，得出了阀的实际运动轨迹，揭示了换向阀的运动规律，确定了换向阀影响液压凿岩机的主要参数。中南大学齐任贤、刘世勋教授对换向阀控制过程进行了理论分析，同时对换向阀的造型设计和参数优化进行了研究，得出了一些有益的规律性结论：如换向阀作高速运动时，由于回油阻力的响，可能出现速度饱和现象。解决该问题的有效方

　　用寿命起着很大的影响。国内有关专家系统分析了钎尾反弹的因素，探讨了钎尾反弹能量吸收的方法；建立了防空打缓冲过程的数学模型并进行了仿真研究；进行了钎尾反弹能量吸收装置及防空打装置的计算机仿真研究和优化设计；应用波动力学理论，导出了冲击器各部件的回弹速度计算公式，并指出回弹的能量可通过冲击器各部件的合理设计而加以利用；中南工业大学液压工程机械研究所研制了二级防空打缓冲装置，该装置充分利

　　冲击凿岩破碎理论与实践表明：对于某种确定的工作对象(如岩石、路基等),均存在一个特定单位最优冲击能与之相匹配，只有在这一最优的单位冲击能作用下，工作对象破碎过程所消耗的能量才最少。因此，在凿岩破碎作业过程中，当工作对象的物理性质(如硬度)或具体工作状挽。(如凿岩爆破工艺的平巷中深孔掘进)发生变化时，为了降低凿岩破碎成本和提高

　　要原因，因为气动冲击器只有一个恒定的活塞行程，是不可调节的。目前，世界上许多液压冲击机械制造商纷纷推出一些行程可调的液压冲击器系列产品，如瑞典co公司于20世纪80年代率先推出了CoP1238系列三挡液压凿岩机；美国Gardner—Denver公司HPR—1型自动调节行程

　　液压凿岩机；法国Emico.Secoma公司的RPH200型三挡液压凿岩机以及日

　　本三菱商事株式会社的MKB1300型液压碎石机。中南工业大学也于80年代首先进行了这方面的研究工作，成功研制了YYG系列自动换挡液压凿岩机，并已开始用于生产实践,填补了国内空白。上述液压冲击器都是基于行程反馈原理设计的，这些液压冲击器输出工作参数的调节主要是通过改变系统的输入压力(流量),或增设多个回程反馈信号孔，通过控制各信号孔的开关来调节活塞行程，以改变液压冲击器的冲击能和冲击频率。由于受到结构的限制(缸体上不可能设置太多回程反馈信号孔),这种原理只能实现液压冲击器工作参数的有级调节，在使用过程中冲击能与冲击频率调节不方便，并且冲击能和冲击频率的同步增减引起主机功率变化很大，限制了液压冲击器工作范围的扩大和工作效率的提高。因此，在主机功率变化不大的情况下，开发无级调节工作参数的液压冲击器就成了研究热点。

　　节工作参数的构想，并推出了这种新型液压冲击器产品。它主要是通过控制活塞回程压力大小来无级调节冲击器的单次冲击能；同时，通过控制变量泵的流量，无级调节冲击器的频率。这样可使冲击能与冲击频率在较大的范围内各自独立无级调节，而主机功率变化不大。对于液压冲击器工作参数调节理论的研究，国内外的许多学者作了大量的工作。为适应在不同工况下工作，如工作对象的硬度、冲击阻力和施工工艺的不同，要求液压冲击器能够自动、连续、无级地调节工作参数以满足不同工况的要求，即所谓变行程无级调节的液压冲击器。关于这种新型液压冲击机械的理论研究、结构设计与控制方法目前尚属空白，因此，开发研制这类性能更为先

　　1988年北京科技大学以设计工作程式为线索，将参数优化、结构尺寸计算和仿真验算统一起来，形成了液压冲击机构CAD软件。该软件的参数优化是以液压冲击机构的理想线性模型为基础，而仿真验算是以冲击机构

　　南工业大学系统地研究了多挡液压冲击器的设计理论[13],编写了YYG系列液压凿岩机设计的仿真通用软件，实现了该系列液压凿岩机的计算机自动绘图。计算机辅助设计应用于液压冲击机械，大大提高了设计质量，

　　液压冲击机械在过去的30多年里得到了迅速发展和广泛应用。随着全球经济的巨大发展，资源开发和基础设施的建设显得尤为重要世界市场特别是中国市场对液压冲击设备的需求量日益扩大，对其性能的要求也越来越高，新产品不断涌现。就目前来看，液压冲击机械大致有以下发展

　　(1)产品更新换代周期短，新产品不断涌现。瑞典AtlaCopco公司推出COP1838、CoP1440系列液压凿岩机取代O0IP1238系列机型；德国的Krupp公司推出了冲击能和频率可调节的液压破碎锤，实现了液压破碎锤工作参数输出的连续控制；国内中南工业大学先后研制YYG90、YYG9IOA、YYG90B、

　　(2)产品性能向大冲击能、高频率、大扭矩方向发展。瑞典Atlas.Copco

　　公司的COP1238HF型液压凿岩机冲击频率可达100?105Hz,冲击能达440J,扭矩500-700N·m;中南工业大学研制的YYG145型多挡液压凿岩机，其

　　(3)产品结构设计和钎具质量不断改进，钻凿破碎的经济性和精确性大幅度提高。瑞典Atlas.Copco公司的COP1838液压凿岩机的钻孔速度比

　　(4)采用智能化控制。这里指凿岩破碎过程的计算机化，它包括两个方面：一是采用电液控制技术，对液压冲击器的工作参数进行控制，使其可根据工作对象的不同物理性质自动地无级调节活塞行程，从而改变其输出的冲击能和冲击频率，以保证在最佳工况下工作；二是对液压钻车钻臂定位系统控制，使其能迅速而准确可靠地移动到指定位置，目前中南大学

　　(6)液压冲击机械系统设计与控制技术的信息化。任何一种机械产品从构思、设计、制造到投入使用，离不开各种信息(包括结构参数、控制参数、价格因子及市场需求等)的集中分析、储存、加工和处理，使用计算机网络技术可以实现以智能、动力、结构和传感组成的有序信息流的在线分析与

　　30年中获得了迅速的发展，目前在国内外广泛应用于各行各业中，已形成了一个重要的新技术产业，并取得了显著的社会效益和经济效益，以液压冲击器及其控制系统为核心技术的研究也提高到了一个新水平。由于种种原因，国内产品还远远不能满足市场的需求，一些生产厂和大学研究机构投入了相当的人力和资金进行液压冲击机械的开发研究，以提高我国在

　　凿岩机械是采掘、建筑、工程建设等领域应用广泛的工程机械。尽管世界凿岩机，尤其是液压凿岩机技术有很大发展，但在我国其主导产品几十年来没有大的变化。我国大量的中小矿山及一般工程施工中仍普遍使用能耗高、破岩效率低、易损零件多、寿命低、噪声高、环境污染严重的支腿式气动凿岩机。研制开发轻型独立回转液压凿岩机就是在这样的背景下提出的。用轻型独立回转液压凿岩机替代传统的气动凿岩机能明显提高凿岩作业效率、显著降低能耗、减少噪声污染和空气污染，迅速提高我国凿

　　液压凿岩机主要由冲击机构、回转机构、供水排粉装置及防尘系统等部分组成，其凿岩作业是冲击、回转、推进与岩孔冲洗功能的综合。目前各生产厂家的液压凿岩机结构都不尽相同，各有自己的特点。如有带行程调节装置的，也有无此装置的；有采用中心供水的，也有采用旁侧供水的；缸体内有带缸套的也有无缸套的；为了防止深孔凿岩时钎杆卡在岩孔内拔不出来，国外有几种新型液压凿岩机在供水装置前面还设有反冲装置。下

　　变化越小越好。通过对气动凿岩机和液压凿岩机两种活塞的效果比较发现，液压凿岩机的活塞只比气动凿岩机的活塞重19%,可是输出功率却提高了一倍，而钎杆内的应力峰值则减小了20%。因此，双面回油型液压凿岩机

　　液压凿岩机的配流阀有多种形式，概括起来有套阀和芯阀两大类，芯阀按形状又可分为柱状阀和筒状阀。套阀只有一个零件，结构简单，其结

　　制成三通阀。而芯阀是一个部件，由多个零件组成，结构较为复杂，可制成三通或四通阀。三通阀适用于单面回油的机型，而双面回油型液压

　　液压冲击机构的活塞只在冲程时才对钎尾作功，而回程时不对外作功，为了充分利用回程能量，需配备高压蓄能器储存回程能量，并利用它提供冲程时所需的峰值流量，以减小液压泵的排量。此外，由于阀芯高频换向引起压力冲击和流量脉动，也需配置蓄能器，以保证机器工作的可靠性，提高各部件的寿命。目前，国内外各种有阀型液压凿岩机都配有一个或二个高压蓄能器，有的液压凿岩机为了减少回油的脉动，还设有回油蓄能器。

　　和油槽多，要求加工精度高。为解决此问题，各型液压凿岩机采取了不同的办法。有的加前后缸套，以利于油路和沉割槽的加工，且维修时便于更换；有的不加衬套，为便于加工，把缸体分为几段；而轻型液压凿岩机大

　　回转机构主要用于转动钎具和接卸钎杆。在液压凿岩机中，因输出扭矩较大，所以主要采用独立外回转机构，该机构由液压马达驱动一套齿轮装置并带动钎尾作独立的回转运动。因摆线液压马达体积小、扭矩大、效

　　液压凿岩机大都采用压力水作为冲洗介质，其供水装置的作用就是供给冲洗水以排除岩孔内的岩碴，它有中心供水式和旁侧供水式两种。中心供水式装置与一般气动凿岩机中心供水方式相同，压力水从凿岩机后部的注水孔通过水针从活塞中间孔过，进入前部钎尾来冲洗钻孔。这种供水方式的优点是结构紧凑，机头部分体积小，但密封比较困难。旁侧供水装置是液压凿岩机广泛采用的结构。冲洗水通过凿岩机前部的供水套进入钎尾

　　液压凿岩机按其冲击机构配油方式的不同可分为两大类：有阀型和无阀型。前者按阀的结构可分为套阀式和芯阀式：按回油方式又有单面回油和双面回油两种：单面回油又分为前腔回油和后腔回油两种。其分类关系及相

　　压油进入活塞前腔A,由于活塞前腔受压面积大于后腔受压面积，活塞前端作用力远大于后端作用力，故活塞开始作回程运动(图2-1a)。当活塞回程到一定位置时，使推阀腔C与后腔B切断，与回油腔D连通，推阀腔B的油压急剧下降，于是套阀作回程换向并向右快速运动，关闭活塞前腔的压油口，开启回油口，活塞前端作用力急剧减小使活塞处于制动运行

　　力的作用下开始作冲程运动(图2-1c)。当活塞在冲程中离冲击点还有一定距离时，推阀腔C与压油腔B相通，套阀进行冲程换向，在此过程中，活塞高速冲击钎尾(2-1d)。与此同时，冲程换向完毕，活塞前腔进入高压油，

　　此型液压凿岩机是通过改变后腔的供油和回油来实现活塞的冲击往复运动的，也有套阀式和芯阀式两种，其套阀式液压凿岩机冲击工作原理如图2-2所示。当套阀4处于右端位置时，缸体后腔与回油相通，于是活塞2在缸体前腔高压油的作用下，向右作回程加速运动(图2-2a)。当活塞

　　高压油相通，因该面积大于阀左端的面积，所以配流阀向左运动进行回程换向，高压油通过机体内部孔道与活塞后腔相通，活塞向右作减速运动，后腔的油一部分进入蓄能器3,一部分从机体内部通道流入前腔，直至回程终点(图2-2b)。由于活塞轴肩后端面积大于活塞轴肩前端面积，因此活塞后端面作用力远大于前端面作用力，活塞向左作冲程加速运动(2-2c)当活塞越过冲程信号孔位B时，配流阀右推阀面与回油通道相通，配流阀

　　进行冲程换向(2-2d),为活塞回程作好准备，与此同时活塞冲击钎尾做功，

　　(a)回程加速(b)回程换向、回程制动(c)冲程加速(d)冲程换向、冲击钎尾

　　此类液压凿岩机都为四通芯阀式结构，采用前后腔交替回油，其冲击工作原理如图2-3所示。在冲程开始阶段(图2-3a),阀芯2位于左端，活塞4位于右端，高压油经油路进入缸体后腔，推动活塞向左作加速运动。活塞向左运动到预定位，打开冲程换向信号孔口，高压油经推阀油路作用在阀芯的左推阀面，推动阀芯向右运动进行冲程换向(图2-3b)配流阀右端腔室中的油经推阀油路进入活塞中间腔，再经回油通道返回油箱，为回程

　　即刻进入回程运动(图2-3c),高压油经进油路进入缸体前腔，推动活塞向右作加速运动。活塞向右运动打开回程换向信号孔口A时，高压油经推阀油路作用在阀芯的右端面，推动阀芯回程换向(图2-3d),阀左端腔室中的油经推阀油路、活塞中间腔和回油通道返回油箱，阀芯运动到左端，为

　　该型液压凿岩机没有专门的配流阀，而是一种利用活塞运动位置变化自行配油的无阀结构。其特点是利用油的微量可压缩性，以较大容积的工作腔(活塞的前腔和后腔)和压油腔形成液体弹簧作用，在活塞往复运动时

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