在隧道和地下工程施工中，常采用的掘进方法有:钻孔爆破法、掘进机法和盾构法。从当前我国能源状态和电力供应情况、机械制造水平和材料工业水平出发，在今后相当长时间内，仍然会采用钻孔爆破法为主要掘进方法。

目前，钻爆破孔的主要机具，还是常用的各种规格的风动凿岩机。凿岩机的结构和工作原理是大家熟习的，它以压缩空气作为动力，推动机体内的活塞作往复运动，撞击钎尾作功，经由钎杆将冲击功传到钻头，使岩石破碎。在活塞往复运动的回程时，由螺旋棒、棘轮棘爪迫使活塞单向旋转一个角度，此旋转运动经转动套筒传给钎杆、钻头，剪切岩石。

这种通用的风动凿岩机从工作原理上决定了它的两个主要运动(冲击和旋转)相互关联，既不可能进一步提高转速，又不能分别控制冲击能量、扭矩、转速、冲击次数这些主要参数，因此不利于在钻凿不同的岩石时取得最好的凿岩效果。

由于凿岩机支架结构逐渐完善以及大量使用凿岩台车，要求凿岩机轻便性现已不是主要考虑的问题。从而出现了冲击和旋转动作分别驱动的风动凿岩机。可以分别调节控制其主要工作参数，称为独立回转式凿岩机。南京战斗机械厂已生产两种导轨式独立回转式风动凿岩机。

还有一种旋转、冲击分别驱动式凿岩机采用不同的两种能源，即旋转为液压驱动，冲击为压缩空气驱动。其支架、导杆的运动也采用液压传动。既然如此，冲击动作也采用液压传动就更好一些。

轻便、适应性、效率、环境影响是凿岩机研究的主要课题。既然轻使的重要性可以作次要考虑，适应性可以经由分别驱动解决，效率问题就突出了，而用压缩空气作动力，效率不能再提高。因此，一直在研究的液压凿岩机终于问世，十余年前出现商品。此后发展迅速，现在国外已有十几家公司正在研究和生产五十种以上不同型号和规格的液压凿岩机，国内制成的液压凿岩机YYC-80型也已通过国家鉴定，开始批最生产。

一、液压凿岩机的工作原理

液压凿岩机由液压马达使钎杆作旋转运动，而活塞的往复运动则由活塞与滑阀的相互作用实现，其工作原理如图1所示。

当活塞Ⅰ与滑阀Ⅱ分别处于圈1(a)所示位置，压力油经滑阀室、油道2进入机体后腔1，迫使活塞右行。前腔7内的油液则经油道6、滑阀室排入油箱，此时活塞撞击钎尾。

当活塞I右行到图1(b)所示位置，进入机体后腔的压力油就经由油道3进入左推阀油室8，此时右推阀油室9则经由油道5、4与回油道通连，于足将滑阀Ⅱ推到图1(b)所示之右位。此后进入滑阀室的压力油则经油道6进入机体的前腔7，迫使活塞左行。与此同时，机体后腔1内的油液则经油道2、滑阀室排入油箱。于是活塞又左行。

当活塞I左行到图1(a)所示位置，在机体前腔的压力油经由油道5进入右推阀油室9，此时左推阀油室8则经油道3、4与回油道通连，于是义将滑阀Ⅱ推回到图1(a)所示之左位，从而又改变通向机体的供油回油油路，活塞又开始右行，重新开始新的循环。如此往复不已，实现液压凿岩机活塞的往复冲击动作。油路中接有蓄能器，起贮放能量和稳定液压的作用。

二、冲击机构的结构设计和主参数的关系

液压凿岩机冲击机构的主参数为冲击能(千克·米)及冲击次数(次/分)、耗油量及效率，这些参数除了取决于液压系统的压力(千克/厘²)以外，还与活塞重量、滑阀重量，油道位置等结构参数有关。图2为YYG-80型液压凿岩机冲击机构活塞、机体示意图。

1.基本公式

计算时，假定活塞、滑阀的运动为等加速运动，系统压力稳定在一定值，运动摩擦阻力及背压可忽略不计，或引入系数以考虑。可用以下基本关系式计算，即:

2.阀的计算

使油液换向的时间t_换:

在充满油的管路中，压力传递迅速，油道又很短，t₁、t₃比可忽略不计，主要是t₂。用公式(6)，在已定阀的重量Gv、行程长度Sv、推阀油室面积Av时，即可以计算出t_换。

3.活塞回程的计算

活塞在撞击钎尾后，因刚体的刚性碰撞以初速度V₀(概算时可取V₀=1米/秒)开始回程。

在压力油的作用下，回程第一阶段移动S_K距离。

回程第二阶段为打开推阀油孔5到使阀移位到供油路换向这一段时间内，在压力油的作用下再移动一段距离。

回程第三阶段为滑阀完成供油路变更供油方向的一段距离，缸体后腔的高压油使活塞减速，而其前腔供油切断并排油。

4.活塞冲程的计算

冲程第一阶段为活塞从后端部向前移动S_计-m的距离。

冲程第二阶段为继续移动m距离。由于冲程第二阶段所需时间t_冲2远小于滑阀换向时阀t_换，则因碰撞的反弹作用而出现多次打击现象。一般认为此现象可提高凿岩效果。

5.计算的结果        

故设计时，应力求减小W_推以提高η。液压凿岩机一般η值可高达40~50%

6.实例

已知国内首次鉴定定型的YYG--80型液压凿岩机的结构参数如下:

活塞前有效受压面积A_前=3.5厘米²；

活塞后有效受压面积A_后=4.8厘米²；

活塞重量G=4.3千克；

活塞回程开阀距离S_k=2厘米；

活塞冲程开阀提前量m=0.6厘米；

滑阀重量G_v=0.3千克；

滑阀行程S_v=1.2厘米；

滑阀有效受压面积(两端基本相等，取平均值)A_v=1.43厘米²；

额定冲击压力P_H=110千克/厘米²

可以据此估算冲击机构的各项主要性能参数。

三、瑞典ATLAS COPCO公司液压凿岩机工作原理及构造特点

图3为瑞典ATLASCOPCO公司的液压凿岩机动作原理图。

图3左图示活塞回程，右图示活塞冲程。滑阀2由三个凸缘和两个小断面端头构成。滑阀体上有七道油槽路。槽路I将左推阀油室经调节螺栓接通油缸，槽路VII接通右推阀油室与油缸，槽路Ⅳ接油泵，槽路Ⅱ、Ⅵ接油箱，槽路Ⅲ、Ⅴ分别接到活塞的右腔与左腔。如图3左图所示，压力油经槽路Ⅳ、滑阀室及槽路Ⅴ进入活塞左腔，这时活塞右腔的油经槽路Ⅲ、滑阀室及槽路Ⅱ回入油箱，活塞如图中箭头所示回行。当其左凸缘移行到调节螺柱油路右侧，使油路I开启，压力油经槽路I推动滑阀右移到右位，进入右图所示位置。

如图4右图所示，滑阀在右位，压力油经槽路Ⅳ、Ⅲ进入活塞右腔，推动活塞左移。这时，活塞左腔的油经槽路Ⅴ、Ⅵ回入油箱。槽路I中液压油亦减压。当活塞向左移行到槽路VII开启，压力油经槽路VII进入滑阀右推阀油室，迫使滑阀移到左位。与此同时，活塞撞击钎杆作功。

该机有以下特点(如图顺序所示):

1.钎尾周围有一定的含油压缩空气吹过，使凿岩机头部得到润滑，并可防止石粉与水从钎尾进入凿岩机；

2.钻孔冲洗装置直接置于凿岩机前端，省去了水针这样一些易损件；冲洗水的压力高，达13千克/厘米²，因而钻孔排粉快，钻进速度提高；

3.外形断面尺寸小，使控制角可以小到2°；

4.具有一冲击吸收器(缓冲器)，可接受和吸收由岩石传来的回弹应力波，从而降低凿岩机、进给机构和钻臂的应力；

5.通过更换可调螺柱以改变活塞行程长度，或者通过改变油压，均可以改变冲击频率和冲击能量，以适用于不同的岩石种类和钻孔直径；

6.冲击活塞的滑阀在油中工作，使损减至最小；

7.旋转机构的旋转马达可以反向旋转，并可以无级调速；

8.两个隔膜式蓄能器可使液压系统的峰值压力和缓。

四、COP1038HD型液压凿岩机的气控液压系统

1.45kW的油系驱动电机

2.轴问变量柱塞泵，用于冲击、推进、钻臂变幅及回转

3.轴向变量柱塞泵，用于旋转

4.可调溢流阀

5.油箱

6.油箱油位表

7.油箱通气孔(装有滤清器)

8.油温表

9.油冷却器

10.回油滤清器

11.节流阀(限制流量25升/分)

12.钻臂移位可调减压阀

13.钻臂移位换向阀

14.多路压力表

15.多路压力表用选位阀

16.推进压力表

17.冲击压力表

18.旋转压力表

19.旋转换向阀

20、21。冲击换向阀

22.推进换向阀

23.推进油路减压阀

24.溢流阀，弹簧调压，控制泵2压力

25.二位四通阀，用以将可调溢流阀26载入泵2油路

26.可调溢流阀，控制冲击系统的低压(打开门眼压力)

27.可调溢流卸载阀，控制泵3

28.可调减压阀，控制防卡钎装置

29.防卡钎装置换向阀

30.单向阀

31.可调减压阀，控制推进力大小

32.可调节流阀，控制推进速度

33.推进油缸

34.冲击机构

35.旋转马达

36.气阀，与阀32联动，手控

37.前行程限位气阔，当凿岩机推进到位，迫其换位，在簧弹作用下回位

38.梭阀

39.先导气阀，控制凿岩机钻杆旋转动作(RB-RK )

40.先导气阀，控制凿岩机活塞冲击动作(S₁、S₂)

41.先导限位气阀，控制水冲洗(SP)

42.先导气阀，控制推进动作(MF--MB)

43.气控记忆阀(M₁)，控制打开门眼到向前推进的转换及孔眼打好时的后退

44.气挖记忆阀(M₂)，控制打开门眼到正常冲击和冲水的转换及孔眼打好时的冲击停止

45.电控气阀，当水压太低，凿岩机后退并停止冲击

46.冲击水压力过低时的继电保护器

47.使冲洗水接通或切断的继电保护器

48.使冲洗水接通或切断的电控阀

49.回油油清器

50.单向阀

51.手油泵

52.3μ压力滤清器

53.单向阀

54.节流器

55.节流器

图5所示的液压系统，保证了一个钻臂的五个动作。即凿岩机的活塞冲击动作、针杆旋转动作、凿岩机机体推进动作、钻臂的升降动作及回转动作。这五个动作分别相应地由先导气阀40、39、42及两个换向阀13操纵。

梭阀38相对着的油路为其进口。记忆阀在气控失控后，仍处于原位，直到另一侧受控，才变换阀位。图中，符号⊙表示压缩空气源，阀侧的符号Δ表示通大气，x表示气路(或油路)已堵塞。

1.电机已启动，凿岩机未工作工况

阀25气路经阀36(下位)通大气，主油路的压力油不能经阀25通向阀26(该阀调为150巴溢流)。主油路中油压增到250巴，溢流阀4溢流。因为经节流器55，排油不畅，压力油操纵变量泵2，使排量减至最小，以减小空载功率。

主油路通向推进装置的压力油，经由减压阀23减压到120巴，到换向阀22。主油路通向钻管换位装置的压力油，经由节流阀11、减压阀12到换向阀13。

手控变量柱塞泵3的压力油，一路通向旋转换向阀19，另一路通向溢流卸载阀27卸入回油路。这时，泵3排油量不变而压力甚小，空载损失不大。

2.打开门眼工况

在凿岩机开始对作业面对眼时，冲击机构应轻打以打开孔眼，叫作打开门眼。待开门眼打好，钻头在孔眼中有一定的引导，再进行正常凿岩。

打开门眼时，操纵阀32、36的联动手柄及阀40、阀42、阀39的操纵手柄。操纵可调节流阀32，减小通向推进油缸的供油量使以慢速推进。同时联动操纵了气阀36，使其换到图5之上位。这时，向阀25(SML)供气，使其换到左位，将溢流阀26载入主油路系统，系统压力被限定在150巴。与此同时，向记忆阀43及44(M₁及M₂)供气，使二者处于图示上位。

操纵先导气阀40(S₁、S₂)使换到图示上位。压缩空气经阀40、记忆阀44，一路通向阀20及21，使之换到图5左位，压力油经阀20、21、单向阀53及压力滤油器52到凿岩机的冲击机构34，因限压150巴，冲击活塞轻打；另一路通向图示中间梭阀38、先导气阀41至继电保护器47，使电控阀48受电，接通压力水，以冲洗炮眼，湿式凿岩；压力水也通向继电保护器46，使电控气阀45保持在图示下位，使记忆阀43(M₁)的下气控口经限位气阀37与大气接通，而记忆阀44(M₂)的下气控口则经记忆阀43(M₁)接通大气。

如果在打开门眼过程中因故停顿，压力油处于150巴的压力下而消耗减小，则经溢流阀26澄出之压力油经节流器54操纵变量泵2，使油泵排量减小以减小空载功率。

操纵先导气阀42(MF-MB)使换到上位。压缩空气经阀42、记忆阀43通向推进换向阀22(MF-MB)，使阀22处于左位。压力油经减压阀23、推进换向阀22、防卡钎换向阀29、减压阀31、可调节流阀32进人推进油缸，因阀32节流，渐岩机缓慢推进。

操纵先导气阀39(RB-RK)使换到上位。压缩空气经阀39，第一路经左阀38通向溢流卸载阀27，使该阀必须在120巴的油压作用下才能溢流，从而使泵3的油路建立120巴的油压；第二路通向旋转换向阀19，使之处于图5左位，压力油经阀19通向旋转驱动马达35、使凿岩机钎杆旋转:第二路通向中梭阀，意味着单独操纵先导气阀39，在钎杆旋转的同时，也实现压力水冲洗炮眼。

如果操纵先导气阀39(RB-RK)使换到下位，压缩空气经阀39，一路经左梭阀38通向阀27，使系统建立120巴的油压；另一路使阀19处于右位，使油压马达35反转；但这种情况下，没有通向中按阀38的通路，意味着单独操纵先导气阀39使钎杆反转时，停供冲洗炮眼的压力水，这与钎杆正转不同。

3.正常作业工况

将操纵节流阀32、换向气阀36的联动手柄复原，而先导气阀40、42、39的操纵均同于打开眼工况。

可调节流阀32复原，使凿岩机以正常速度推进，气阀36复原到图5下位，使阀25(SML)失控，弹簧使其回复到右位，将溢涵阀26从压力油路脱出而接到回油路上，压力油的油鹳压不再受此溢流阀的调定压力(150巴)所限，而恢复到250~275巴，岩机以全功率凿岩；另外，同时使记忆阀43(M₁)44(M₂)上气控路失控，但记忆阀有“记忆”特性，在下气控路未供以压缩空气前，仍维持在上位。因此操纵先导气网40、42、39后，各工作动作均同于打开门眼工况。

4.作业完成，回程工况

当液压凿岩机推进到接触前行程限位气阀37的推杆，压迫此推杆使37换到右位，压缩空气经阀37、阀45进入记忆阀43下推阀气室，迫使其换到下位，这时，即使先导气阀42仍操纵在图5上位，压缩空气经阀42、记忆阀43，一路进入记忆阀44的下推阀气室，使其亦变换到下位；还一路经右梭阀38向推进换向阀22的右推阀气室供气，与此同时，阀22的左推阀气室经记忆阀43与大气接通，阀22换到图5右位、改变推进油缸的供油路，推进油缸的回油经单向阀30、防卡钎换向阀29、推进换向阀22卸入回油路。凿岩机自行后退。

当凿岩机机体退离行程限位气阀37的推杆时，弹簧使阀回复到图5左位，记忆阀43的下推阀气室经阀45、阀37通大气，仍因记忆阀的“记忆”特性，阀43的阀芯保持在图5下位。

这时，压缩空气经阀42、阀43，一路仍向阀44下推阀气室供气，另一路经右38继续向阀22有推阀气室供气，使凿岩机继续后退。如阀40仍操纵在上位，压缩空气经阀40、阀44后气路堵死，而阀20、21的推阀气室经记忆阀44接通大气，S₁及S₂均因弹簧复位而回到图5行位，通向冲击机构34的供油路切断，凿岩机停打。

如阀39仍操纵在上位，压缩空气经阀39、左梭阀38保持钎杆旋转，又经中校阀保持水冲选。如阀39推到中位，作用不变。阀39推到下位则反向旋转。这样，保证了退钻时边转边退及水冲洗钻孔。

回程终了，凿岩机机体与先导限位气阀41的推杆相碰，使其变位到图5之上位。压缩空气阀39(图5上位)、中梭阀38排入大气；或者经阀39(图5中位)切断。而继电保护器47的推阀气室经阀41与大气接通，47使电控阀48失控，供水断路，停止供水。旋转换向阀19的左推阀气室经中梭阀、阀41接大气而失控，阀19在弹簧作用下回到中位。液压马达35停止旋转。

5.自动防卡钎工况

在推进系统中申进一液控换向阀29。其右推阀油室接通到马达正转压力油路，左推阀油室经可调节流单向阀及减压阀28接到冲击机构油路。

卡钎时，液压马达供油压力迅速增加，当其达到一定值，迫使液控换向阀29换到图5右位，改变推进油缸的供油路，迫使凿岩机后退。待到旋转阻力减小到一定值，换向阀29又换到图5左位，液压凿岩机再向前推进。

6.水压不足或供水中断工况

如果在凿岩时发生水压不足或供水中断，液控继电器46受水压不足的影响使电控气阀45失控，弹簧使阀45回到图5上位，压缩空气经阀45通向阀43的下推阀气室，记忆阀43换到图5下位，使阀22的右推阀气室受控凿岩机自动后退不工作。直到修复后，供水正常后重新开始工作。

7.钻臂移位工况

通过操纵两个换向阀13分别实现钻臂在垂直平面内的升降和水平面内的回转，以保证每一钻臂在一定的作业面内可钻多个孔眼。此外，如图5所示，通过选位阀15，利用压力表14可分别检查推进管路、臂移位管路及减压阀28的输出管路等的油压。另外，利用手油泵51可以从地面向油箱补油。