凿岩台车的国内外研究现状
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2025-12-08 17:01
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在进行钻爆法施工时,首先进行的就是凿岩工作,凿岩台车就是在钻孔凿岩作业中主要的工作器械,也和其它工程机械类设备相似,都是在工程实际使用过程中逐渐的去改进和完善,它的使用性能在一定程度上是可以反映出当时的科技水平。20世纪 40年代,风动钻架的使用结束了手锤打眼的低效率工作状态,使隧道开凿快速的发展,60年代随后的十年间凿岩钻孔工作多使用配备气动凿岩机的多臂钻车,70年代以后,Atlas Copco和 Tamrock等企业研发出了全液压凿岩台车,此类设备具有凿岩高效、环保性、改善工作环境、节约能源等优点而被广泛引用,在90年代以后,计算机运用技术的突飞猛进和实践运用,使岩台车开始逐步向智能化发展。

国外对液压凿岩台车的研究,尤其是对其核心工作部分(凿岩机)的研究比国内要早,目前国外液压凿岩台车技术已经发展成熟,产品已经系列化生产,并且在不断的改进与完善,投入到实际的工程应用当中。早在1857年,来自意大利工程师 Sommeiler 设计了压缩空气方式的凿岩机,并且该设备进行实际的钻孔凿岩工作。此阶段所使用的是整体钎,钎具与活塞是一个整体,冲击频率难以提高,能量被大量浪费,施工进度慢。19世纪80年代初美国人Sergent研制出活塞与钎具分离的冲击系统,但钎杆仍然是实心的,不能向下钻孔。19世纪90年代末美国人 Leynner 研究出来空心钎杆,改进了配气阀和转钎系统,用高压冲洗介质冲洗钻孔,大大提高了冲击频率和凿岩的速度,第一台气动凿岩机就是在此时制成,这在凿岩钻孔作业发展进程当中是一次重大转折,目前一些小型施工还在使用这种方式进行凿岩工作。20世纪30年代末,德国人制造出碳化物材质的钎头和凿岩机用的气腿,该研发成果大大减轻工人的劳动强度、使推进力以及凿岩效率得到提高、推进了凿岩机的快速发展。
直到 20 世纪 70 年代,法国 Montabert 公司自主研发制造出首批能用来制造生产的且能投入实践应用的液压型凿岩机,然后瑞典、美国、芬兰、瑞士以及日本等国也逐步研发了多种型号的液压式凿岩机,并相继投入实际的施工实践当中。随后,将液压凿岩机与钻臂、推进器、行走底盘等组合在一起就形成了如今使用广泛的凿岩台车。我国以及苏联等国家在 20世纪 70年代也对液压凿岩机进行了研究,但并未进行实际的生产,没有投入到凿岩工作应用当中。当时液压凿岩机一投入实践就显示出低能耗、钻速快、噪音低、寿命长等优点,但在使用当中也发现它的种种不足,各公司也逐渐利用资源逐步对其进行优化。比如瑞典AtlasCopco 公司在 20 世纪 70 年代前期,研制出 COP1038HD 型液压凿岩机,随后进行完善更新生产 COP1238 型液压凿岩机。20世纪 80年代中期生产出 COP1440、COP1550等不同类型的液压凿岩机,使凿岩速度得到大大提高。该公司新研发了冲击功率可至 40千瓦的重型凿岩设备,与该类凿岩机搭配的凿岩台车可用于地下钻凿深孔作业,可钻孔径的区间广,冲击能力强,生产作业效率大大提高。芬兰 Tamrock 公司在 20 世纪 70年代前期所研发的液压凿岩机只有两个种类,到了 80年代后又增加了一个系列,到现在已经研制出了8个系列的产品,从手持进行钻孔作业的小型设备到配备凿岩机的超大型液压凿岩台车等品类十分齐全。90年代中后期,该公司又研制了当时最具技术含量的液压凿岩台车,其推进器上安装了由 Sandvik 公司生产的当时最为先进的钎具,钎具使用寿命较长,提高了凿岩钻孔作业的生产效率。
类似这样的公司还有许多,比如法国塞科马公司、瑞典林登·阿利马克公司、美国英格索尔·兰得公司、日本东洋工业公司、美国乔伊公司等等,但是从公司产品规模、产品性能以及产品的市场占有量等而言,Atlas Copco 公司和 Tamrock公司占据着研发、生产制造的绝对优势,两家的产品产销量占据着过半以上的全球市场份额。许多公司在逐步研发新型凿岩台车的同时,也对其曾经制造的产品进行优化升级,使其性能更加优越、全面,从而达到满足多种不同复杂工况的需求,同时这样的举措才能使公司更长远的发展下去,并为其带来巨大的收益。
计算机以及演电控技术的飞速进步并逐步运用于解决实践问题,使全液压凿岩台车逐步向智能化、自动控制、远程遥控操作方向进化。早在20世纪 70年代,挪威工程合同公司就预测凿岩台车要解决隧道内的视野问题就要向自动化、智能化发展,并于1972年开始着手研究凿岩台车的自动控制系统,由于造价昂贵不被凿岩钻孔作业所接受,研究计划被暂时搁置。1978年实现了首台三臂微机控制样机的生产与试验,该凿岩台车的自动控制装置仅仅实现了测量与显示,其它部分仍然需要人工进行操作,自动化程度较低,通过近一年的工程实践表明,自动控制部分很少进行维护工作,钻孔能力得到提高,自动化的引进减轻了工作臂的磨损。1979年完成了第二台样机的制造,相比第一台增加了钻臂的自动定位和循环进行钻孔工作,试验取得了满意的结果,自动化程度大大提高、钻孔里程长、维护工作也很少。
在 20 世纪 80年代以后,许多凿岩台车制造公司开始逐步研发智能化产品,如 1984年 Tamrock 公司就生产了三个工作钻臂的台车。80年代初,计算机控制四个工作钻臂的凿岩台样机在日本的东洋公司研制成功。80年代末,Atlas Copco公司生产了 Robot Boomer 系列凿岩机器人并运用于工程实践当中。同期推出的还有,法国 Ecom Secoma 公司的 SecomaATH22 和美国的 Ingersoll 2 Rand 公司的21GBCCR 型和 AMV 公司的AMV3GBC2CC 型钻车。随着科技的进一步发展,会有更加合理、更易操作、更环保的凿岩机型被研发制造出来,更好的服务于各类项目的施工作业当中。
国内对于凿岩台车的研究始于 1960年代,此后的十年间发展较为缓慢,随着改革开放、加入世贸组织等措施的推进,急需推动我国经济的进展速度,国内基础建设需求量极大,大型施工项目迅速开建,对于工程类装备的需求量很大。20世纪 70年代之后期,大型工程的增多对于设备的需求急剧增加,也促进了政府以及企业加快对凿岩设备的研发与生产制造,1980年9月由我国过设计制造的第一台全液压凿岩台车通过了技术鉴定,该凿岩台车底盘采用的是轨轮式设计,有两个工作臂,配备的是液压凿岩机。之后的十年里,国内研制了近十个品类的全液压凿岩台车,它们大多运用于凿岩掘进工作。
我国在自主研发、设计、生产制造的理念下,还通过购买成品设备、引进国外先进技术等方式完善和促进国内凿岩设备的发展。在20世纪80年代后,国内逐步从国外买进大批全液压凿岩设备,比如南京几家工程机械类制造企业前后从 Atlas Copco 公司购进 11种全液压凿岩台车,还引进了他们4种液压凿岩机的生产技术。改革开放加快了经济的发展,促进了国内外企业间的交流与合作,如我国与瑞典阿特拉斯·科普柯(Atlas Copco)公司合作制造的有 Boomer H174、H175、H178 和 Promec TH530、TH529掘进钻车。至此,国内全液压凿岩台车开始达到实用阶段,全液压凿岩台车被广泛运用到大型工程项目的施工当中。
20 世纪 90年代中后期,国内对于以计算机为基础全自动控制的凿岩台车进行了深入研究,并取得了重大突破。“凿岩机器人”就是对这种自动化、智能化程度极高的凿岩台车的简称。1993年,北京科技大学进行了计算机控制钻孔过程的研究:在 20世纪 80年代中期,中南大学就开展对凿岩机器人的研究工作。随后又进行了钻孔顺序排布、凿岩台车定位控制、建立动力学的模型并对其运动学进行探讨,这些研究内容取得了很大的突破,对凿岩台车的机构设计富有新意,理论分析自成体系、特色鲜明。至此,国内对自动化、智能化全液压凿岩台车的研究取得重大突破,在 90年代末,被列入国家“863”计划,使凿岩机器人的研究迈入实践应用当中,并形成产业化模式。

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