一、概况

凿岩机械及风动工具是矿山采掘和国防、农林、交通等工程施工中的重要机具。一般包括:风动凿岩机；电动、内燃、液压凿岩机；凿岩台车及台架和风动手工具等四大类。其发展在很大程度上标志着一个国家手工劳动机械化程度和工业水平。

这类机具只有几十年的历史，近二十年来发展速度较快。在大量生产凿岩机具的瑞典、法国、日本、美国、英国、西德、芬兰、比利时等国中瑞典的产品比较突出，销售到世界100多个国家和地区。其特点是机器效率高，成套性好，主机和辅助工具搭配适宜，零件采用优质合金钢材，工艺性好，寿命也较长。瑞典的BBC-90W 高频凿岩机，凿岩速度可达700~900毫米/分。新产品BBC-91W装有消减震装置，效果较好。

凿岩机具品种繁多，瑞典有300余种，美国110余种，日本近100种，苏联30余种。英国仅代斯特兄弟公司生产的风动手工具就有300余种。

凿岩机和台车配套达到较高效率的是瑞典Simba轮胎式台车，它带两台BBE-54型重型凿岩机，一人操纵、接杆、卸杆、移动位置，全部机械化，台班效率达250米。内燃凿岩机发展速度比较快，瑞典、日本正大批生产使用。电动、液压凿岩机近几年来国外也在研究使用。

近年来，各国凿岩机具的产量都在不断增加:日本1970年生产凿岩机69,126台，风动手工具454,641台；西德1969年矿山及土方工程用风动工具443吨(见表1、2、3)。日本古河公司足尾工场共有职工500多人，每年生产大、中、小凿岩机25,000台左右。瑞典阿特拉斯公司斯尔克拉工厂共有职工1,800人，能生产空压机、装岩机和凿岩机等多种产品。日本东洋株式会社凿岩机生产部共400人，月产各种轻、重型凿岩机约4,000台(仅占生产能力的50%)，还生产各式凿岩台车，年产值约30亿日元。

各国对凿岩机械的设计和研究工作都比较重视。从事设计研究的技术人员约占全行业总人数的20~25%。加拿大乔伊公司约有600多人，工程技术人员约占20%左右。主要产品有:凿岩机及台车、井下提升机、铲运机、皮带运输机和空压机等。两年前还专门成立了研究发展中心，估计有30多名工程师。

美、英、瑞典、日本等国凿岩机的制造工艺水平较高。为了争夺市场，不仅要求产品结构先进、性能好，而且讲究外形美观、经久耐用(一般规定凿岩机使用报废标准为2,000小时或30,000米)。

二、各类凿岩机具技术水平

1.凿岩机及台车

(1)风动凿岩机。

风动凿岩机大体可分为手持、气腿、伸缩向上、轻型导轨、重型导轨、外回转、潜孔旋转冲击式等几种。主要用于露天采矿、巷道掘进、二次爆破、隧道施工和军工、交通、建筑石方工程。

近20年来，风动凿岩机发展速度很快，从低频到高频，从手持到气腿，后又把单台和多台凿岩机放在台车上，效率显著提高。高频气腿凿岩机的钻进速度目前已达600毫米/分以

瑞典Atlas-Copco公司生产的凿岩机特点是采用菱形截面的摇动阀配气，操作手柄集中控制。对消音减震问题比较重视，手柄上装有橡胶和塑料可防震。气缸装有特别消音器。据称，取得75%的消音效果。采用铝镁合金的柄体和高级合金钢及青铜元件；热处理和制造工艺水平较高；结构设计合理；故机器和零件寿命较长，震动、噪音较小，钻进速度高，工作平稳。在高频式凿岩机上采用来复棒与活塞合为一体的结构形式，并镀铬抛光。除此而外，结构上并没有特殊的改进和提高。

芬兰Tempella公司生产的凿岩机也具有独特风格，机器没有单独的配气阀，而是靠活塞配气。充分利用了压缩空气的膨胀功，但它的产品近年来没有什么大的变化，目前正在搞凿岩机的减震消音研究试制工作。

日本凿岩机具六十年代发展速度较快，几家公司同时生产。其特点是大部分属于中频的，冲击功较大，产品较先进。近来在消音和减震上颇下功夫。结构和效率并无提高。

据1970年9月在瑞典召开的第五届凿岩技术会议报导，认为在目前掘进钻眼趋向于用小直径的情况下，有向冲击能量较低，但冲击频率较高的高速轻便凿岩机发展的趋势。为了改进凿岩机的结构，西德出现两种趋向:一种是活塞重量和直径不变，增加活塞速度和冲击次数;另一种是活塞速度和冲击次数不变，增大活塞直径和重量。西德Krupp公司制造一种冲击旋转式风动凿岩机，其活塞直径为170毫米，冲程32毫米，每分钟冲击次数5500次，压力7公斤/厘米²。

目前，国外凿岩机制造厂商致力于研究消音、发展钎杆单独转动机构以防止夹钎，改进辅助机构，以及实现自动化钻眼等问题。在减少由高频引起的震动、噪音、粉尘等方面，已取得了一些进展，出现一批带有消音器，减震器的新型凿岩机，如瑞典BBC-23A型，芬兰的T-10C型，日本TY-62型。美国制出一种由两层组成的消音器，内层与凿岩机相连并装有吸音材料，可降低55%的噪音。西德制出气力缓冲减震器和密封软塑料操作手柄。苏联列宁格勒风动工具厂制造了有干式吸尘装置的ⅡPO-30Ⅱ 型钻机。

为了进一步提高钻速，冲击旋转式风动凿岩机有向冲击与旋转各自独立发展的趋势，活塞与旋转马达分开工作，旋转速度可根据岩石硬度进行调正。风动凿岩机可在只旋转不冲击，只冲击不旋转，或又旋转又冲击三种方式下工作。这种风动凿岩机的优点是钻速快、故障少(夹钎等)、耗风量小。目前有五种规格，耗风量6.9~21米³/分。国外风动凿岩机性能比较见表4。

(2)内燃、电动、液压凿岩机。

近10年来，各主要工业国都在研究使用内性，辐动、洛酒岩执一其伏离是动力威本备。内燃凿岩机适用于战备工程和短期临时工程，已大量生产使用。电动、液压凿岩机由于在结构设计上还不尽合理，部分零件寿命不长，目前仍处于试验研究阶段。美国Racine建筑工具公司，经过10年的努力，研制出一种不用压气作动力的手持式液压凿岩机。重27.8公斤，动力消耗仅相当于风动的1/3~1/4。

(3)潜孔凿岩机。

这种凿岩机在井下适用于矿山中岩石结理不发达的矿层，钻凿深孔崩矿效率较高。冲击器跟随钎头同时进入孔内，冲击功损失小。缺点是钻孔直径大，矿石结理发达的矿山不宜使用。由于爆破量大，采矿场有崩落的危险。爆破后大块很多，需要二次破碎，故在井下使用受到一定限制。在露天矿使用潜孔凿岩机较多的是苏联、美国、英国、加拿大等国，他们把潜孔凿岩机安装在全液压控制的自行式股带台车上，从而大大提高凿岩效率。美国一家公司已生产能打380毫米孔径的潜孔凿岩机。美国Quarrymaster型潜孔凿岩机，机械化程度高:钻头直径228毫米，钻深38米，钻速7.6米/小时，自带风压设备，重15吨。Drillmaster型潜孔凿岩机规格小，钻头直径152~165毫米，钻深38米，在坚硬岩石中穿孔速度4.5~6米/小时。美鹰山铁矿使用1-R型潜孔凿岩机，在坚硬岩石中穿孔速度7.5米/小时。目前，美国潜孔凿岩机一般采用10.5大气压的风压，正准备研制11.6大气压的新型潜孔凿岩机。英国、瑞典、西德等国的小潜孔凿岩机多为钻车式，一般不带风压设备。加拿大使用的潜孔钻机与美国相同。苏联普遍使用3BM-150K，用于井下深孔凿岩的为BA-100型和HKJI-100型潜孔凿岩机。

(4)凿岩台车及台架。

为了促进凿岩机具的进一步发展，减轻工人的体力劳动，提高生产效率，从本世纪六十年外起，瑞典、日本、西德、美国都广泛地使用凿岩台车及台架。很多国家生产钻一装联合机组。凿岩台车的型式也很多。并下打小断面的装2~4台凿岩机，打大断面的装近20台凿岩机。行走机构有轨道式、履带式和轮胎式等。使用凿岩台车可实现机械化凿岩，全液压控制，远距离操纵。台车移动、开眼、定向准确迅速。表5为国外部分凿岩台车及台架性能比较。美国加德纳一丹佛公司BBC:型凿岩台车装有自动控制系统，用于三机凿岩台车相等孔深不换钎凿岩，操作者只需按启动按钮。开孔时，凿岩机和推进马达均以小功率工作，以免开孔偏斜，7秒后全功率开始正常工作，打到予定深度，通过定位行程开关的作用而停止推进并在一段延时内原地冲击、回转，排净岩粉，再将清洗水自动换为压气吹刷，然后小功率自动退回到启始位置停止而自动完成凿岩循环。它还能根据管路压力变化，借助于比例压力调节阀自动变更推进速度。凿岩机启动和停止均可远距离操纵。瑞典、芬兰、英国也都生产了类似的台车。有的还装有自动平行机构和推进倾斜显示装置，有的还能打扇形孔和不对称孔;有的厂家正在研究推力控制系统，根据岩石性质的变化自动调节作业参数;还有的正设想用电子计算机设计炮孔排列图，仿照程序控制机床的形式，用穿孔卡片或模板给台车输送讯号，使钻臂自动移位。据报导，法国Secoma公司曾在3x5.5米²的工作面，用程序控制的双机凿岩台车打孔径44毫米，深3.3米的炮孔40个。打36个孔仅用22分钟，炮孔位置偏差5毫米。

(5)凿岩辅助工具。

目前，很多国家对凿岩钎头、钎杆都进行了多方面的研究。超硬质合金钎头(入式)、高强度合金钢钎杆已获得广泛使用。国外钎杆、钎头的打眼寿命约为250~300米，每打18米需修磨一次。小钎头寿命一般为100米。接杆凿岩的杆多用镍铬钢。瑞典一根用作钎杆的接杆在石灰岩中可打1000米炮孔。铬钼钢小钎杆寿命为100米。

为了进一步提高凿岩效率，国外对凿岩机的结构和性能均在不断地研究改进。平巷掘进中多采用22毫米或25毫米的六角钎杆钻凿30~40毫米的炮孔。高钻速凿岩机的进一步发展要求钻具有足够的耐用度，以便提高活塞冲击频率，保证一定的冲击功。最近美国加德纳-丹佛公司生产的FL-93型凿岩机，重37公斤，缸径84毫米，行程42毫米，冲击频率3160次/分;西德有一种高频凿岩机，缸径120毫米，行程32毫米，冲击频率高达5500次/分；瑞典BBD90W和BBD48W型号的凿机，其冲击频率均在3000次/分以上。日本认为，频率提高到2500次/分就够用了。

钻凿深孔或在破碎岩层中凿岩时，需要较大的扭矩，而来复棒棘轮机构所产生的扭矩较小，因而有风马达通过减速装置带动的独立转钎(外回转)机构(可改变转速，适于钻凿各种岩石，钎头的磨损量最小，可采用较大的推力来提高凿岩速度，不影响冲击机构的动作)瑞典的 BBE51、COP130，日本的Typr120，美国的PR123和加拿大的VCR260型凿岩机均属这一类。

G、D公司的VS40M 型凿岩机属于多能凿岩机。它通过调节扭矩、转数、推力、冲击次数和冲击力的大小，对不同类型的岩石采用纯旋转、强旋转弱冲击、强冲击弱旋转等方式进行快速钻进。

随着凿岩机功率的增大，提出了振动、噪音及零件耐用等新的研究课题。

减振问题:

气腿式凿岩机在结构设计上均尽量设法减少机器工作时动力不平衡问题，力图减小振幅并采用有效的减振装置(如日本F8型凿岩机即装有特制的减振手柄)。高频凿岩机用气腿操作仍有困难，目前趋向于改为弹性机架，安装在台车上作业。

消音问题:

未装消音器的凿岩机噪音范围为110~130分贝。试验证明，人耳在超过85分贝的噪音下暴露较长时间就会造成听觉永久失灵。国外对凿岩机噪音控制问题均很重视。目前着重研究减少排气噪音(低频凿岩机的排气噪音约占总噪音的90%)，大多采取降低排气流速度、增加排气孔面积和排除气流通路的障碍等办法。瑞典的BBD91W和BBC25型岩机，气流先经过内缸的多排小孔扩散后再由铝合金外壳排气口排出，噪音降低80%。加拿大乔伊公司AL-60M型凿岩机采用焊接形式的全封闭消音缸罩并在外缸排气口处装有高强度塑料板，排气时板的振动可以防止结冰。其排气噪音可降低85%。日本F10型凿岩机排气口装一可拆卸的特制橡胶消音罩来减音。

零件耐用问题:

提高凿岩机零件耐用度的主要途径是采用新材料和新工艺。美国、加拿大的凿岩机活塞过去多采用低炭合金钢，为了提高活塞心强度以适应高频强冲，已将含炭量提高到0.30.35%，表面渗炭层深1.2~1.5毫米，心部硬度HRC50。瑞典凿岩机活塞用钢大约相当于我国的T8V(高炭钒钢)。国外凿岩机活塞使用寿命一般为5000~6000米。对主要零件采用了喷丸、磷化、化、多孔性镀铬等工艺。瑞典的SR法处理(丸一磷化一钝化一涂)使零件表面有一层耐磨的磷化保护膜，共来复棒表面渗炭层深1毫米。加拿大和奥地利的很多凿岩机内壁镀铬。

2.风动手工具

国外风动手工具品种繁多，工业较发达的资本主义国家一般都有百种以上。日本DRY公司约有近200种，英国代斯特兄弟公司生产近300个品种，瑞典Atlas公司约有200种。这些国家生产的风动手工具特点是:产品精致、重量轻、体积小、功率大。一种工具更换机头和机具可作几种工具用，材料大部用特殊钢制造，工艺精度高，使用寿命长。

发展趋势是:逐渐扩大品种、规格，增加变型产品，同时向轻便、耐用、无座力、无噪音、大功率、低耗量方向发展。

3.凿岩机械的发展趋势

(1)在露天开采中大力发展高功率采掘机械。美国约有83%的露天铁矿采用牙轮钻机、潜孔钻机及火钻,其使用寿命为500一1000米。大孔径的牙轮钻机的穿孔效率及穿孔成本均优于潜孔和火力钻机。美国60R型牙轮钻机最大轴压41吨，孔径250~380毫米，无需接杆一次即可打16.5米深的炮孔，在坚硬的岩石中也可采用。

露天矿用钻机的进一步发展，除进一步完善其结构形式和提高钻具寿命外，将着眼于研究作业自动化。美国Bucyrus-Erie公司将研制能根据岩石特性自动调整轴向压力和回转速度的全自动穿孔牙轮钻机。最近又开始试制带有程序控制系统和集中自动润滑系统的双桅杆牙轮钻机和热力牙轮联合穿新设备(一边用电孤加热岩石，使岩石强度减弱，一边用牙轮钻头切削岩石成孔)。中小型露天矿中将推广轮胎式和履带式钻孔台车。美国加德纳-丹佛公司新发展一种BlowtorchIMPⅠ型履带式全液力冲击钻机，用167马力的柴油机带动5台液压泵实行全液压控制，机重15吨，液力冲击器频率7200次/分，转速0~200转/分，轴压0~1850公斤，可钻直径76.2~177.8毫米的炮孔。

(2)井下凿岩机械将向高效率、机械化、自动化方向发展。瑞典、芬兰、法国、西德、美国、英国的凿岩机都向高频发展。冲击次数一般为2200~3500次/分。台车的应用更加广泛。装多台凿岩机，在凿岩过程中只需一人管理，接杆、卸杆、移位全部机械化。美、苏、西德、日本开始使用钻装联合机，瑞典则注重机械化自动化配套。

(3)钻眼工具有液动代替风动的趋势。最近，英国麦霍维奇公司研制一种冲击式液压钻。利用液体压力向活塞缓慢传递冲击功，不用弹簧缓冲，在结构上只用一个运动件。磨损小，便于维修，冲击次数700~10000次/分，冲击功28公斤-米。苏联开始研制液压自动推进的岩石电钻(F≤10)，如By3-2型电钻，次钻孔深3米，可降低钻眼工作量30%，比一般电钻效率高3~5倍。为了延长钎杆寿命，国外进行了大最的研究工作。据美国杂志报导，欧洲每根钎杆寿命已达3050~6100米。

三、采掘工业新技术

1.凿岩理论的研究。美、英、瑞典、目本、西德等国，多年来一直在研究凿岩时冲击能量的传递规律；钎杆与活塞的冲击波传递或碰撞理论；冲击力大小；钎头与岩石破碎的关系。英美等国通过试验证明牛顿力学的碰撞理论不适用于细长钎杆冲击能量的传递规律；日本认为用抗压强度分级的方法不完全符合凿岩破碎规律，进行了岩石波动阻抗系数分级的工作；瑞典等国通过试验测定认为，活塞只传给钎杆50~52%的冲击能量。

2.探索新的破岩方法代替传统的钻岩爆破法。现已证实，有效方法达25种之多。就碎岩理论来说可分为四类:熔融气化法、热破碎法、化学反应法、机械应变法。最近的研究证明，火力和水力破岩法很有适用价值。火力打眼每小时钻进速度已达9.14米。水力钻孔采用高压水射流。中等水压210~1050公斤/厘米²，高水压达5000~60000公斤/厘米²。喷咀水速1200~3600米/秒。美国用高压水射流原理设计的平巷掘进机目前正在直径6米的隧道中试验，每小时进3米。

具有技术突破希望的新破碎方法是电子束切割。美国正在研制一种电子束岩石切割机。

3.井卷联合掘进机的出现，冲破了传统的凿岩爆破法。其特点是:连续作业，一次成井，一次成巷，不用钻眼爆破，速度快，效率高，大大提高了掘进速度。美国、西德、日本、瑞典、奥地利等国均己开始广泛使用。但目前钻凿硬岩在刀其上还存在一定问题。

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