影响液压凿岩机凿孔成效的因素分析
液压凿岩机是液压凿岩钻车的核心部件，液压凿岩机的凿岩成孔效率直接影响到液压凿岩钻车的工作效率、应用成本、效益创造。本文从液压凿岩机冲击凿岩工作原理出发，对影响凿岩成孔效率的主要因素进行了分析，为液压凿岩机设计及现场应用时优化液压凿岩机的性能参数匹配、最大化提高液压凿岩钻车的工作效率进而提高经济效益提供参考。
１ 液压凿岩机的基本构成、基本功能和冲击凿岩原理
１．１ 液压凿岩机的基本构成
液压凿岩机的基本构成由冲击机构、回转机构、缓冲机构、冲洗机构四大机构和润滑与防尘系统构成（见图１）。
１．２ 液压凿岩机应具备的基本功能
液压凿岩机要完成冲击凿岩作业，必须具有冲击、推进、回转、冲洗四种功能（见图２）。
1.冲击活塞 2.钎尾 3.连接套 4.钎杆 5.钻头
（１）冲击的主要功能是使岩石破碎。高压油推动液压凿岩机缸体内的冲击活塞做往复运动，当活塞向右运动，加速到一定速度时，活塞冲击钎具将能量以应力波的形式传递给岩石，使岩石破碎。冲击能和冲击频率是液压凿岩机的两个主要指标。
（２）推进有两个功能：一是推动凿岩机和钎具压向岩石工作面，并使钻头在凿岩时始终与岩石接触；二是从岩孔中退出钎具，准备钻凿下一个孔。推进力也是凿岩作业的主要指标之一。
（３）回转的主要功能是使钻头每冲击一次回转到新的位置，同时在回转的过程中将已产生裂纹的岩石表面剥落下来。转钎转矩和转钎速度是其主要指标。
（４）冲洗的作用是将已经破碎的岩屑从孔中排出。如果冲洗不充分，岩屑不能全部冲离孔底，钻孔中将重复凿磨岩屑，不但使钻孔速度减慢，而且使钻头加速磨损，甚至造成卡钻。冲洗介质是压力水或压缩空气。用压力水作介质时，根据通过凿岩机的部位，分为中心供水和旁侧供水两种方式。
１．３ 液压凿岩机的冲击凿岩原理
液压凿岩机在冲击凿岩过程中的能量传递是以应力波的形式进行的。固体中的应力波通常分为纵波和横波两类。钎杆内的应力波属于纵波，包括压应力波和拉应力波。钎杆端部受到冲击后，以压应力波（称入射波）的形式向钻头方向传播。当压应力波到达钻头与孔底接触面时，随接触状态不同出现不同的结果。
（１）当压应力波到达钻头时，钻头与岩孔底部没有接触，压应力波将全部从钻头端部反射回来，并以拉应力波形式迅速向钎尾方向返回，当返抵钎尾端面时，又反射成为第二次入射的压应力波。如果此时钻头与孔底仍未接触，则压应力波将再次全部反射，如此重复，直至将能量完全消耗在钎杆的波阻上，不能有效凿岩。
（２）当压应力波到达钻头时，钻头与岩孔底部已良好接触，首次应力波在到达钻头端面时，仅有一小部分作为拉应力波反射回去，大部分则以压应力波形式进���岩石，凿碎孔底岩石。
２ 影响液压凿岩机凿孔效率的主要因素
钻孔是凿岩机在一定条件下的冲击、推进、回转、冲洗四种功能综合作用的结果。这四种功能作用的每个过程都可能影响凿岩机凿孔效率，下面从凿孔速度和破岩有效性两个方面进行分析探讨。
２．１ 凿孔速度的影响
影响凿岩机凿孔速度的因素较多，如凿岩机的冲击能、冲击频率、回转速度、轴推力、岩石的硬度、钻头直径和形状、凿孔深度等等，但最主要的是冲击能、冲击频率、回转速度、轴推力这四种要素。
根据有关研究，凿孔速度随冲击功率的增加而加大。冲击功率体现了冲击机构所具有的能量，计算式如下：
式中Ｎ———冲击功率，ｋＷ
Ｅ———冲击能，Ｊ
ｆ———冲击频率，Ｈｚ
冲击能是冲击活塞每冲击一次所具有的能量，由冲击活塞质量与运动速度所决定，计算式
如下
式中Ｅ———冲击能，Ｊ
ｍ———冲击活塞质量，ｋｇ
ｖ———冲击活塞运动速度，ｍ／ｓ
由式（２），冲击活塞的质量是一定的，所以冲击能主要取决于冲击活塞的运动速度。
综合式（１）和式（２）可知，冲击功率主要受冲击活塞的运动速度和冲击频率的影响。冲击频率与冲击活塞的运动速度息息相关，冲击活塞的运动速度越快，则冲击频率越高。因此，冲击活塞的运动速度是凿孔速度的决定因素。
根据有关文献所述，回转速度影响冲击破岩每次破岩量的大小，也影响“回转剪切”破岩量的大小，从而影响凿岩速度。实践证明，在冲击性能参数不变的情况下，调整回转速度，可使凿孔速度提高２０％－３０％。要使回转速度调整到最佳，需要根据岩石条件、钻头类型、钻孔深度、凿孔直径等实际情况进行合理选择。
在冲击性能参数及回转速度一定时，增大轴推力，回转转矩相应增大，在一定范围内会使凿孔速度提高。但轴推力增大到某一值以后，增大轴推力反而使凿孔速度下降。因为轴推力过大，钎杆回转阻力增大，造成钎杆转动困难，导致凿孔速度下降。最优轴推力计算可参阅有关文献。
２．２ 影响凿岩效率的因素
要提高凿孔成效，必须提高冲击破岩的有效性，确保每次冲击做功都能实现有效破岩。影响破岩有效性的因素有回转速度、轴推力、钎杆、钎头、冲洗是否充分等。
（１）回转速度影响冲击破岩每次破岩量的大小，也影响“回转剪切”破岩量的大小。钻头每冲击一定次数，就需旋转适当的角度，使钻头上的柱齿处于新的破岩位置，以提高破岩效果。回转速度要根据岩石条件、钻头类型、钻孔深度、凿孔直径等实际情况确定最佳值。
（２）要取得较高的凿岩效率，钻头必须与孔底岩石保持良好的接触，因此需对凿岩机施加一定的轴向推力。但如果轴向推力过大，则会使钎杆回转阻力增大，造成钎杆转动困难，降低凿孔速度，同时还将增加钻头的磨损；而轴向推力过小，钻头不能与孔底岩石保持良好的接触，不能有效破岩，凿岩效率随之降低。
（３）液压凿岩机设有冲洗功能，其目的就是通过冲洗清除孔内岩屑。如果冲洗不充分，钻孔时将发生重复凿碎，不仅降低凿岩有效性，还会加速钻头磨损，甚至导致卡钻事故。
（４）合适的冲击钎具也是提高凿孔效率的重要因素，必须根据实际工况选择匹配的钎具特别是钻头。
３ 结语
综上所述，影响液压凿岩机凿孔效率的因素较多，但主要有：
（１）冲击能、冲击频率、回转速度、轴推力是影响凿孔速度的主要因素。
（２）凿孔速度随冲击功率的增加而加大，冲击功率主要受冲击活塞的运动速度和冲击频率的影响，冲击频率与冲击活塞的运动速度息息相关，冲击活塞的运动速度越快，则冲击频率越高。由此可见，冲击活塞的运动速度是凿孔速度的决定因素。
（３）回转速度、轴推力、冲洗情况、钎具状况是影响破岩有效性的主要因素。根据实际工况确定最佳回转速度和轴推力可保障凿岩效率，冲洗充分，选择匹配的钎杆、钎头可提高凿岩效率。