露天凿岩钻机的发展现状分析和我国的整体优化发展方向
０ 引言
在矿山、公路、建筑等工程施工中，露天凿岩钻机的运用十分广泛，在基础设施建设过程中起着重要的作用。随着施工技术的不断成熟，施工者对相关施工技术与施工设备工具的要求也日渐提高，这就要求相关设备制造单位要不断创新、研发高效的作业机械，而科学技术的发展为露天凿岩钻机技术突破带来可能，有助于设备制造者完善露天凿岩钻机功能，增强其工作性能。本文探讨了国内外露天凿岩钻机的发展历史与现状，结合市场对凿岩机的现实需求，为我国露天凿岩钻机提供优化发展方向。
１ 露天凿岩钻机的发展历史与现状
１．１ 国外露天凿岩机的发展历史与现状
１８５７年，意大利工程师萨梅勒设计了第一款投入实践应用的气动凿岩机，１８７６年德国人布兰德发明一台回转运动水力驱动“凿岩机”，１９世纪２０年代，英国人多尔曼着手研制了液压凿岩机，受限于水平和技术，未能投入于生产实践。但液压凿岩机的研究已经越来越广泛，上个世纪６０年代末欧美国家的许多企业着手研制液压凿岩机，取得了显著的研究成果，并申请了很多相关专利。１９７０年法国的Ｍｏｎｔａｂｅｒｔ公司首先研制出了世界上第一台液压凿岩机Ｈ５０型与配套液压钻车，并投入生产。这标志着凿岩钻机技术的一次革命，与气动凿岩机相比，液压凿岩机速度更快、效率更高，能量损失更小。也是在这一年，瑞典的ＡＴＬＡＳＣＯＰＣＯ研制出了ＲＰＨ３５型液压凿岩机及配套的液压钻车。
在凿岩钻机的发展中，与计算机控制系统的融合已经成为时代发展趋势，上个世纪７０年代中期以来，各国企业开始把计算机控制应用到液压凿岩机中。１９７２年，挪威工程合同公司展开了对液压凿岩机自动控制系统的研究，在六年后研制出第一台三臂微机控制钻车机样，这台样机具备电子控制、操作板、显示器、传感器、电液控制阀等自动控制装置。从１９７３年开始，日本东洋公司成功研制微机控制全自动凿岩钻车ＴＨＭＪ－２３５０－ＡＤ（四臂）和ＴＨＣＪ－２－ＡＤ（两臂），他们的钻车采用数字凿岩，可以储存凿岩方案、凿岩孔位坐标，还同时控制七个运动轴，具有全面的连锁监控功能。１９７８年，美国钢铁公司针对液压锚杆钻车进行进一步的微机研究，采用微机控制的方式，研制了钻进速度最优自寻的系统，其主要功能包括：开关合理性检查、钻头工作准确性监视、进尺即时性计算、钻进速度计算、油压监视和卡钎防控等。
上个世纪８０年代是凿岩钻机快速发展时期，在１９８１年投入市场销售的型号有４８种，到了１９８９年已经达到上百个类型，总销售量飞快增加，且技术越来越成熟，应用越来越广泛，产品迭代不断加快。１９８２年，瑞典的ＡｔｌａｓＣｏｐｃｏ公司针对最优钻进速度申请了微机控制凿岩机的专利。１９８３年，法国的Ｍｏｎｔａｂｅｒｔ公司针对ＢＵＰＥＣ５０型钻臂微机控制系统申请了专利。１９８４年，芬兰的Ｔ��ｍｒｏｃｋ公司研制出了隧道工程中使用的自动化ＤＡＴＡ－ＭＡＴＩＣ的微型三臂液压凿岩钻车，这台钻车支臂的调幅定位能实现全自动、辅助手动操作、完全手动三种方式。１９８７年，Ｒａｓｈ公司推出了紧凑型的三节折叠臂ＴＩＭＹ型和ＴＭＵ２００型单臂液压凿岩钻车。１９９６年，瑞典的ＡｔｌａｓＣｏｐｃｏ推出了世界领先水平的液压钻车—Ｓｏｌｏ６０；和ＭｅｒｃｕｒｙｌＬＣｌ０型液压钻车，具有机动灵活平行钻孔宽的特点。
随着科技的快速发展，凿岩钻机朝着智能化和自动化的方向发展，提高了凿岩的速率，解放人工劳动力，这些类型的凿岩钻机成为“凿岩机器人”。１９７８年，挪威研制了凿岩机器人样机。１９８２年，日本的东洋公司研发出了双臂和四臂凿岩机器人。１９８５年，瑞典的ＡｔｌａｓＣｏｐｃｏ推出了先进的系列凿岩机器人ＲｏｂｏｔＢｏｏｍｅｒ；最近又成功研发出Ｌ３系列凿岩机器人，代表了先进的世界水平。芬兰的ＴＡＭＲＯＣＫ研发出Ｄａｔａｍａｔｉｃ系列凿岩机器人。
在国际上，瑞典的ＡｔｌａｓＣｏｐｃｏ和芬兰的ＴＡＭＲＯＣＫ式最具市场竞争力的凿岩钻机生产研发巨头，其中ＡｔｌａｓＣｏｐｃｏ凿岩设备销售遍布全球，其ＲＯＣ系列、ＲｏｂｏｔＢｏｏｍ系列、ＣＯＰ系列等都占有很大的市场份额，此外美国的Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ－Ｒａｎｄ，日本的东洋工业等也是行业中的佼佼者。国外的凿岩钻机技术发展越来越成熟，实现了产品系列化、自动化，且高技术应用效果显著。
１．２ 国内露天凿岩机的发展历史与现状
我国从１９５０年展开了气动凿岩机技术的相关研究和研发工作，１９５５年开始生产仿苏联ＯＭ－５０６型的钻机。６０年代，我国着手展开了对露天凿岩钻机、潜孔钻机、液压凿岩钻车的相关研究。７０年代，我国露天凿岩钻机的产品设计和关键技术上逐步突破，并不断研发了多种产品样机。直到８０年代，随着我国不断加强对国外先进经验和技术的借鉴，并加大研发力度，我国的露天凿岩钻机蓬勃的发展。１９８０年，我国自主研发了第一台液压凿岩机ＹＹＧ－８０及配套的液压钻车ＣＧＪ－２Ｙ。８０年代中后期，国内各大机械厂纷纷引进国外先进的凿岩设备的设计、生产、检测技术，为下一步自主研发奠定基础。９０年代，我国各个机械厂加大了对凿岩钻机的开发和研究，在研发设计领域实现了新的突破，并逐渐打破进口依赖。随着宣化采掘机械厂的ＫＱＧ１００，ＫＱＧ１５０和天水风动工具厂的ＫＱＧ１１５，ＫＱＧ１６５型钻机的成功研制，我国逐步追赶世界先进水平。
随着凿岩机器人研发应用在国外广泛普及开，我国也加强了对凿岩机器人的相关研究，１９８６年，中南工业大学率先对凿岩机器人进行实验室研究。１９９３年，北京科技大学优化了计算机控制的钻孔过程。１９９８年，凿岩机器人项目获准列入国家“８６３”计划。２０００中南大学智能机械研究所独立自主地开发了自动化ＪＳＺＹ２－９０Ｍｆ架式两臂隧道凿岩机器人，具有自动防卡钎、孔位自动导引等功能，达到国际先进水平。２００３年，湖南山河智能机械股份有限公司开发了ＳＷＤＡｌ６５机电一体化履带式露天液压潜孔钻机。２００５年，湖南万众机械有限公司开发了ＷＺＤｌ５０和ＷＺＤｌ００履带式露天钻机。随着我国露天凿井钻机研发水平不断提升，并逐渐发展成熟，我国的计算机控制技术、钻臂的运动学、机型研发、动力仿真等都有了一定的科研成果。
当前我国露天凿岩钻机技术水平和国际领先技术水平还存在比较大的差距，在自动化和智能化方面还有较大的提升空间，同时在关键技术上和关键零部件方面还没有脱离进口依赖，整体上来说，科研和实践都还需要进一步发展。
２ 目前常见的露天凿岩钻机类型
２．１ 气动凿岩机
气动凿岩机结构简单、坚固耐用，操作、维修要求不高，适应当时民情，加之售价便宜，得到了广泛的运用。在此基础上，我国开始自主研发中了高气压凿岩钻机，并取得了一定的成果。至今，我国气动凿岩机在爆破工程中仍广泛运用，主要应用手持式与气腿式气动凿岩机。目前我国气动凿岩机市场逐渐饱和，相关制造企业与制造产品繁多，技术水平接近国际水准，不过气动凿岩机能耗较大，随着国内外节能意识的提高，能量消耗状况成为全球焦点，气动凿岩机在能量上的转化率显得特别重要，为此我国已经开始注重这方面的工作。另一方面，在发展过程中也产生了一系列问题。其一，低价位的恶性竞争阻碍了产品良性发展，引发产品质量与价格的矛盾，破坏市场环境；其二，产品性能良莠不齐，各种性能的产品涌入市场，间接减缓了对性能卓越的凿岩机技术的推广，不利于技术发展；其三，忽视了高噪声、高振动对人身造成的危害，虽出台了相关政策制度，但部分企业为了施工效益，仍无视这一问题，致使大量施工工人患有相关严重危害疾病。
２．２ 内燃凿岩机与电动凿岩机
内燃凿岩机是将燃油燃烧的热能转化为动能进而实现凿岩作业的施工设备，由小型汽油发动机、压气机以及凿岩机组合使用的手持式机具。可钻凿方向朝下、水平、极限朝上４５°的凿孔，通过更替零件可以用作破碎机或夯实机，以便完成铲凿、破碎、挖掘、劈裂以及捣实等操作。因为机器本身提供动力支持，能够压缩空气吹洗凿孔，所以广泛运用在无电源、无压气设备的场地以及作业流动性强的临时工程。电动凿岩机相对于其他类型的凿岩机具有特别明显的优势，电动凿岩机在电能转化率上可以达到５０％～６０％，相较之下，液压凿岩机的电能转化率仅能够达到２５％～３５％，而气动凿岩机仅达到１０％，电动凿岩机在节能性、高效性上尤为突出。其次，电动凿岩作业噪声小、作业使空气新鲜、不产生废气污染，移动、维护、使用便捷等优点，因此适用于我国施工工程情景。不过电动凿岩机钻速相对较慢，特别是进行硬岩作业时，作用于同等硬度的岩石，电动凿岩机的钻速只能够达到气动凿岩机钻速的５０％～６０％，不利于电动凿岩机推广。可以按照调频控制的规范优化完善电动凿岩机的相关部件与结构，将电机改为变频电动机，并改进相关结构。
２．３ 液压凿岩机
液压凿岩机先进、经济、安全的特点促使该机具高速发展，得到极大的推广与应用，将液压凿岩机安置在凿岩钻车上，设备的凿岩作业参数能够按照矿岩本身的情况进行自动调整，在最佳工作程度上完成凿岩工作。其次，液压凿岩机上安置的自动防卡钎机构降低了故障率，提升了作业效率，节省了施工成本。另外，全液压式凿岩机通过单一的液压动力完成工作，利于微机程序对其进行控制，有效地促进凿岩作业自动化。液压凿岩机没有排气噪声，相对于气动凿岩机减少了１０～１５ｄＢ（Ａ），不产生排气油雾，提升了作业环境条件，能见度好，利于作业人员进行施工，提高了作业效率。国内液压凿岩机研制水平相对于国际先进的研制水平具有明显的差距，其一，产品研究不够重视、深入，产品设计以及相关试验经验缺乏，原创产品少且质量堪忧。其二，产品材料选择不当，制造工艺不理想，致使成品可靠性差，不利推广。其三，国内企业重视生产带来的收益，不重视研发，以致国内产品生产规模小，欠缺产品生产与部件配套设施，无法实现模块化、集成化生产。
３ 我国露天凿岩钻机整体优化发展方向
３．１ 产品质量和使用问题
国内机械产品大多仿制国际优良产品的结构、功能进行制作，但是没有掌握核心的制作技术与制作工艺，照抄国际优良产品的参数进行设计，致使产品制作不合理，引发漏油、系统故障等问题，只能够做到形似，无法保证产品质量，不利于产品的推广，不利于我国露天凿岩钻机的发展。其次，优秀的露天凿岩钻机产品会提供详尽的操作使用说明书、维修服务介绍，明确规范操作使用规程，要求使用者严格遵守。由于进口钻机价格较高，对备品、备件的要求较高，其供货周期相对较长，因此购置单位往往会严格遵守使用规程完成操作，并重视日常使用、保养，避免进行维修工作，大大降低了设备故障率，保障了机具的使用寿命。相对而言，国产露天凿岩钻机售价便宜，备品、配件要求较低，供货便捷，购置单位往往降低对国产凿岩钻机的使用要求，以致使用者轻视使用规程，轻视钻机日常使用、保养，维修率自然较高。
３．２ 提高国产露天凿岩钻机制造水平
配套部件质量决定了凿岩钻机产品的质量水准，由于露天凿岩钻机有别于一般机械设备，其负荷程度大，工作需承受强冲击与强振动，因此必须保证与之相配套的部件具有能够承载相应负荷的质量。凿岩钻机发展初期我国配套部件无法达到相应的要求，随着对相应设施的需求增大，对凿岩钻机的研究加深，制造部件质量有了显著提升，满足国内厂家要求，扩大了市场选择。部分关键部件尤其是液压元件可以通过使用进口部件，强化国产露天凿岩钻机产品质量，减少机器故障率。借鉴国外先进的钻机制造技术，如国外的潜孔钻机在钻具的接卸衔接部位安置了便于紧急停止设备运行的拉线以及及时控制设备的传感器，极大程度避免事故的发生概率，安全措施布置到位，避免人员受伤，并且降低了设备损毁概率；如在设计上遵循以人为本的基本原则，保证驾驶空间舒适、操作方便快捷、安全措施到位、控制劳动的强度并设计多种辅助设施；如在动力头与钻架上安置明显的指示箭头，清楚展示接卸杆到位情况，便于作业人员操作，有效地提高作业效率。观察国外凿岩机制作结构可发现，设备铸件占比极小，焊接件占比很大，有效节省了加工周期，降低了制造的成本。另外，先进的产品制作工序，尤其是精加工基本是通过数控设备进行加工完成，自动化提高了制作工艺的精度，使生产标准化，极大提高了生产产品的质量与效率。我国露天凿岩钻机制造可以借鉴先进的经验办法，以此为发展方向，提高露天凿岩钻机制造水平。
３．３ 大型化、高速钻进化、高精度化发展方向
液压凿岩机结构日益优化、革新，其工作性能也逐渐完善，设备的质量、耐磨程度等方面有了显著提升，并且经过长期的努力研制出重型液压式凿岩机，能够运用多臂同时完成工程施工，如江西鑫通机械制造有限公司研制投入使用的ＤＷ２－１２０型轮胎液压式掘进凿岩钻机，通过引入管式��杆促使液压式凿岩设备能够实现大孔径凿岩钻孔，提高了设备凿岩钻孔的作业效率，节省了工程施工成本。在施工作业中投入使用大孔径液压式凿岩钻机，能够实现斜孔凿岩钻进，有效地提高爆破效果，提升作业岩石的破碎质量，有助于装运工作进行。其次，在大功率凿岩机的研制与使用过程中获取大量经验，以期提高凿岩钻机制作参数、工艺的科学性，结合各部件特性进行合理的设计，融入自动化技术，使性能参数能够依据岩石情况完成自动调节，有效地提高凿岩机钻进速度，提升工程施工效率。另外，应朝高精度化方向发展。以液压式凿岩机为例，通常安装普通的钎具，该种装置特点为钻速快、磨损程度小，在实际作业过程中，常出现炮孔钻凿偏斜的问题，影响钻孔的精度。我国凿岩机发展应借鉴先进的研究经验，如Ｓａｎｄｖｉｋ公司于２００９年研发制作了一款复合钎具组，设备分离了大管回转部分与钎头部分，将液压式凿岩机运作时产生的冲击力传导至作用物体上，包括外套管和内部钎杆，各个钎杆两端运用具有反冲作用的缓冲器实现连接，确保对位准确，将钎杆安置在套管同心处，控制钎杆只能够传导冲击力，以此推动液压式凿岩机进行作业施工。套管与钻杆的作用都是将设备回转运动传导至钎头，作为钎具组的直接导轨，进而提升炮孔钻凿精度。
３．４ 基于发展历史的发展方向启示
综合露天凿岩钻机的发展历史和现状，我国露天凿岩钻机立足于我国需求实际，借鉴国外先进经验，随着技术不断革新，研发不断突破，整体上呈现的发展方向有：（１）露天方向发展，大型化、重机化发展；（２）细分化发展，出现工业级、专业级、普通级等细分；标准化、系列化发展方向；（３）实现社会经济效益优化；（４）计算机控制的自动化、智能化发展；自动化系统中的自动开孔、钻机和钻臂移位、定位等多项系统如何与人工智能、大数据、物联网、云计算结合起来，实现真正的人机分离；（５）通过优化调整提高钻孔的精确度、宽度和成孔率，减少误差，提高钻孔经济性；（６）进一步发展计算机控制技术，加强其生产实践应用，基于特定领域或者细分系统，比如ＰＬＣ，或者是专门的机型，比如ＲＯＣ等进行细分研究和系统研究。
３．５ 基于凿岩机实践的发展方向启示
当前应用最为广泛的是气动凿岩机，内燃凿岩机具有广泛的适应性。国内凿岩机研制水平相对于国际先进的研制水平具有明显的差距，要进一步缩小差距，就要从以下几个发展方向入手：（１）重视研发，深化产品研究和产品设计，自主化生产，完善产品生产与部件配套设施，摆脱进口依赖；（２）优化产品选材、制造工艺，扩大生产规模，实现模块化、集成化生产；（３）应投入发展节能、高效的凿岩机，注重凿岩机生产、应用等多环节的生态效益。
４ 结语
从露天凿岩机的发展看，国外凿岩钻机实现了产品系列化、自动化，高技术应用效果显著，朝着智能化发展，国内气动凿岩机技术的相关研究和研发工作实现了新的突破，并逐渐打破进口依赖，逐步追赶世界先进水平。通过对气动凿岩机，内燃凿岩机、电动凿岩机、液压凿岩机进行分析，我国露天凿岩钻机制造应把关好部件生产质量，深入研究制造工艺，以大型化、高钻速化、高精度化为发展方向。由于我国已经是气动式凿岩机生产以及使用的大国，因此应在已有的现实基础上，创新气动凿岩机技术，可以借鉴先进的技术经验，研发适合我国使用情况的气动凿岩设备，提高相关制造技术，由产量向质量发展。而液压凿岩作为最适应发展环境的凿岩设备，随着我国经济高速发展以及国家对节能环保可持续发展的要求，我国液压凿岩机需求量必然增长，因此应将其作为研究发展的重点对象，利用先进的技术经验研发、创造，向先进的科学设备制造技术靠拢。