工作壓力對(duì)氣動(dòng)鑿巖機(jī)性能參數(shù)的影響

徐卸南，何興齡

（浙江衢州煤礦機(jī)械總廠股份有限公司，浙江 衢州 324000）

1 前言

氣動(dòng)鑿巖機(jī)以壓縮空氣作為動(dòng)力，工作壓力對(duì)性能參數(shù)構(gòu)成直接的影響，是其重要的工作參數(shù)。 目前按照國(guó)際和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，性能參數(shù)檢測(cè)壓力采用0.63 MPa， 在我國(guó)礦山和其它施工現(xiàn)場(chǎng)，受壓氣設(shè)備和輸送管路的影響，實(shí)際壓力往往低于0.63 MPa，造成鑿巖機(jī)使用性能降低，根據(jù)實(shí)際工作壓力對(duì)鑿巖機(jī)的性能參數(shù)進(jìn)行估計(jì)，對(duì)鑿巖機(jī)的合理使用有重要的意義。

國(guó)外前蘇聯(lián)、美國(guó)礦務(wù)局和國(guó)內(nèi)有關(guān)單位對(duì)工作壓力的影響從理論和試驗(yàn)方面均進(jìn)行過(guò)相關(guān)的工作，但對(duì)性能參數(shù)的試驗(yàn)尚未采用近代的方法。

本文采用應(yīng)力波法，針對(duì)不同機(jī)型研究了工作壓力對(duì)鑿巖機(jī)性能參數(shù)的影響，給出了較精確的結(jié)果， 可為氣動(dòng)鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)和使用提供參考。

2 理論基礎(chǔ)

2.1 氣動(dòng)鑿巖機(jī)的主要性能參數(shù)計(jì)算

（1）沖擊能量：鑿巖機(jī)活塞單次沖擊向釬桿中輸入的能量

式中 E——沖擊能量，J

P——工作壓力，MPa

A——沖程活塞有效受壓面積，mm2

D——?dú)飧赘讖?，mm

d——活塞螺旋棒直徑，mm

S——活塞行程，mm

Ke——沖擊能修正系數(shù)，Ke=0.45～0.55；在忽略螺旋棒影響時(shí)，取Ke=0.4

（2）沖擊頻率：鑿巖機(jī)活塞每秒的沖擊次數(shù)

式中 f——沖擊頻率，Hz

m——活塞質(zhì)量，kg

（3）沖擊功率：是評(píng)價(jià)沖擊式鑿巖機(jī)工作能力的綜合指標(biāo)。 由沖擊能量和沖擊頻率計(jì)算得出：

式中 N——沖擊功率，kW

試驗(yàn)表明：鑿速正比于沖擊功率。

式中 PV——鑿速

CV——巖石破碎比能

A——鑿孔斷面積

η——鑿入效率

表1 給出三種氣動(dòng)鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)及性能參數(shù)的技術(shù)指標(biāo)和計(jì)算結(jié)果。

表1 氣動(dòng)鑿巖機(jī)的性能參數(shù)的技術(shù)指標(biāo)和計(jì)算結(jié)果（P=0.63 MPa）

理論分析表明：三種鑿巖機(jī)性能指標(biāo)的理論計(jì)算值和標(biāo)識(shí)的技術(shù)指標(biāo)十分貼近，說(shuō)明上述理論式基本適用于氣動(dòng)鑿巖機(jī)性能參數(shù)的計(jì)算。

2.2 性能參數(shù)和工作壓力的關(guān)系

由理論計(jì)算式可以得出性能參數(shù)和工作壓力的關(guān)系為

式中 CE——與沖擊能量相關(guān)的系數(shù)

Cf——與沖擊頻率相關(guān)的系數(shù)

CN——與沖擊功率相關(guān)的系數(shù)

對(duì)于給定的三種鑿巖機(jī)可由其結(jié)構(gòu)參數(shù)，得到其性能參數(shù)和工作壓力的理論關(guān)系式（見(jiàn)表2）。

表2 氣動(dòng)鑿巖機(jī)性能參數(shù)和工作壓力的理論關(guān)系式

3 測(cè)試系統(tǒng)

圖1 氣動(dòng)鑿巖機(jī)械沖擊性能測(cè)試系統(tǒng)

氣動(dòng)鑿巖機(jī)沖擊性能測(cè)試系統(tǒng)如圖1 所示，被測(cè)樣機(jī)、 帶測(cè)桿的吸能器安裝在立式臺(tái)架上。推進(jìn)缸給氣動(dòng)鑿巖機(jī)施加推力。測(cè)桿需要足夠的長(zhǎng)度，以準(zhǔn)確地捕獲入射應(yīng)力波形，避免反射波的干擾，其一端置于吸能器中。 吸能器采用長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)，內(nèi)置摩擦片和吸能材料，模擬實(shí)際工作過(guò)程中能量被不斷吸收的情況，并消除了釬桿的多余振動(dòng)，也提高了應(yīng)變片的使用壽命。

在釬桿上兩組應(yīng)變片相對(duì)粘貼于釬桿兩側(cè)，串聯(lián)作為半橋的一臂檢測(cè)釬桿中之縱波。 橋路中測(cè)取的電壓經(jīng)應(yīng)變儀適當(dāng)放大， 輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，依次準(zhǔn)確地俘獲每次沖擊的入射應(yīng)力波，經(jīng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)A/D 變換， 通過(guò)接口輸入微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。 得到連續(xù)25 次沖擊的測(cè)桿最大應(yīng)力、沖擊能和沖擊頻率及其統(tǒng)計(jì)值。 由打印機(jī)給出相應(yīng)的數(shù)字結(jié)果和四條應(yīng)力波形采樣曲線。

工作壓力測(cè)試用安裝在氣罐車上的壓力傳感器完成，經(jīng)由二次儀表放大，送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的A/D 板進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 調(diào)入微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、打印和繪圖。

4 試驗(yàn)工作

對(duì)三種機(jī)型（YT28，YT24，Y18），每種取三臺(tái)樣機(jī)，在三種工作壓力（0.6，0.5，0.4 MPa）下進(jìn)行應(yīng)力波沖擊性能試驗(yàn)， 每種情況取兩次試驗(yàn)記錄，其試驗(yàn)記錄如圖2 所示。

各種情況下的試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3（見(jiàn)下頁(yè)）。

5 數(shù)據(jù)分析

由三種機(jī)型三臺(tái)樣機(jī)在鄰近0.5 MPa 工作氣壓（最接近目前工作實(shí)際氣壓）下試驗(yàn)結(jié)果的綜合平均值，得出相關(guān)系數(shù)：

式中 CE，Cf，CN， 分別為每種樣機(jī)在鄰近 0.5 MPa 工作氣壓情況下三臺(tái)樣機(jī)的綜合均值，擬合得到其性能參數(shù)和工作氣壓的關(guān)系式E=CEP，f=如表 4 所示：

圖3 給出了YT24 氣動(dòng)鑿巖機(jī)沖擊性能參數(shù)（E，f，N）隨壓力變化的理論和擬合關(guān)系曲線。

圖3 表明：

（1）理論關(guān)系曲線和根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果做出的擬合關(guān)系曲線相近，擬合曲線得出的性能參數(shù)值略高于理論值。

（2）表5 列出了各測(cè)試值對(duì)應(yīng)的理論和擬合計(jì)算值，并進(jìn)行了誤差分析。

表3 氣動(dòng)鑿巖機(jī)沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

續(xù)表3

表4 試驗(yàn)結(jié)果綜合平均值（≈0.5 MPa）和擬合關(guān)系式

表5 YT24 氣動(dòng)鑿巖機(jī)測(cè)試、理論和擬合計(jì)算值及誤差分析

續(xù)表5

圖3 沖擊性能參數(shù)隨壓力變化的理論和擬合關(guān)系曲線

分析表明：理論和擬合計(jì)算值的最大誤差在10%左右， 最大誤差出現(xiàn)在低壓區(qū) （鄰近0.4，MPa）。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）理論分析表明：氣動(dòng)鑿巖機(jī)性能參數(shù)（沖擊能量E、沖擊頻率f、沖擊功率N）和工作壓力P存在下述函數(shù)關(guān)系：

式中相關(guān)系數(shù)CE、Cf和CN可由鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)（氣缸直徑、行程、活塞質(zhì)量）計(jì)算得出；亦可根據(jù)一確定工作壓力（文中為鄰近0.5 MPa）的測(cè)試結(jié)果擬合確定；

（2）對(duì)三種（YT28、YT24、Y18）機(jī)型，每種取三臺(tái)樣機(jī)在不同工作壓力下應(yīng)力波沖擊性能試驗(yàn)測(cè)定表明，試驗(yàn)結(jié)果和理論及擬合關(guān)系曲線很好地一致，其最大誤差在10%左右。

本工作可為氣動(dòng)鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)、研究、使用提供參考。

［1］張玉成.鑿巖機(jī)械講座介紹和氣動(dòng)鑿巖機(jī)參數(shù)計(jì)算[J].鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2000（2）.

［2］ Geroge B clark，胡銘 譯.鑿巖原理與鉆頭磨損[Z].貴陽(yáng)釬鋼研究所情報(bào)室.