巖石振動激勵模擬測試系統(tǒng)

李倩雯，王昌龍

（揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225100）

0 引言

在采礦和鉆井工程中，機械破巖是一種安全、高效的破巖方式，與其他破巖方式相比其呈現(xiàn)出巨大的優(yōu)越性。機械破巖又可分為動載荷破巖、靜載荷破巖和動靜載荷組合破巖3種方式［1］。在以往的研究中，人們主要集中研究了前兩種破巖方式，然而隨著社會經(jīng)濟技術(shù)的進步與實際的生產(chǎn)需要，動靜載荷組合破巖的研究變得越來越重要。本文研究了在動靜載荷組合方式下進行巖石破碎的試驗裝置，即巖石振動激勵模擬測試系統(tǒng)。

1 破巖系統(tǒng)的力學(xué)分析

破巖系統(tǒng)的沖擊能量是通過沖擊裝置的上下振動來獲得的，其力學(xué)模型為圖1所示。其中，沖擊裝置的質(zhì)量為M，沖擊裝置撞擊鉆頭的末速度為v，鉆頭的平均波阻力為m，t時刻在刀具中產(chǎn)生的入射波為Q（t），Q（t）的波形會因沖錘形狀和撞擊面接觸情況的不同而發(fā)生變化，鑿入力為F。則鑿入巖石的微分方程為：

其中：K為鑿入系數(shù)。

在動靜載荷組合加載的情況下，有靜壓力Q0和入射波Q（t），Q（t）＝mve，將其代入式（1）解得：

將式（3）代入式（2）得最大鑿入力為：

若只有沖擊載荷，則最大鑿入力為：

比較式（4）和式（5）得 ：

由式（6）可知，當(dāng)λ≥1時，F(xiàn)max/Fmax0＞1；當(dāng)λ＜1時，F(xiàn)max/Fmax0＞1。因此鑿入力F隨靜壓力Q0的增大而增大，即在單純加載沖擊載荷的情況下對巖石所產(chǎn)生的破碎力小于在動靜載荷組合加載時產(chǎn)生的破碎力。

圖1 破巖系統(tǒng)的力學(xué)模型

2 巖石振動激勵模擬測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

圖2為巖石振動激勵模擬測試系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)。其由機架、靜壓力加載裝置、沖擊加載裝置、刀具及夾具裝置、傳動裝置、水平切削裝置、控制系統(tǒng)等部分組成。其工作原理為：靜載時鉆頭壓入巖石內(nèi)部，當(dāng)啟動控制激振臺振動的伺服電機后，激振臺開始振動，通過沖擊桿經(jīng)橫梁與加靜載板擊打鉆頭，使鉆頭上下振動；另一方面電機通過傳動帶動鉆頭轉(zhuǎn)動，小車內(nèi)的巖石在鉆頭的切削力及沖擊力的作用下而破碎。

圖2 巖石振動激勵模擬測試系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)工作時，靜壓力加載裝置通過傳動裝置帶動絲杠轉(zhuǎn)動從而使靜壓加載板向下壓縮碟簧，隨著碟簧的壓緊，靜載荷便逐漸加大，最后當(dāng)?shù)蓧嚎s到最小時，鉆壓最大。靜壓加載的作用一是維持刀具與巖石的接觸，克服刀具在沖擊時的反彈，改善沖擊能量的傳遞條件，從而提高沖擊能量的有效利用率；二是使巖石內(nèi)部形成預(yù)加應(yīng)力場，參與實質(zhì)性破巖運動。當(dāng)巖石的破碎主要由沖擊載荷引起時，靜壓力主要用來克服沖擊反彈力，改善沖擊鉆具的工作性能，并給刀具靜力去切削破碎殘留下來的巖脊，其最佳切削效果就是保證在兩次沖擊之間形成的脊巖能夠被剪切掉。

沖擊加載裝置是由振動臺的控制器控制振動臺的上下振動從而產(chǎn)生沖擊載荷，同時主軸電機旋轉(zhuǎn)帶動皮帶傳動機構(gòu)使鉆頭轉(zhuǎn)動，在沖擊載荷的作用下實現(xiàn)對巖石的沖擊破碎。系統(tǒng)中選用蘇州航天希爾測試技術(shù)有限公司生產(chǎn)的型號為L315M的振動臺，其正弦推力為300kg，沖擊推力為600kg，頻率為2Hz～4 000Hz，持續(xù)位移及沖擊位移均為25.4mm，重量為490kg，功放的最大輸出功率為3kW。振動臺是將電能轉(zhuǎn)換為機械能的換能器，采用正弦脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，結(jié)合振動臺對功放的特殊要求，產(chǎn)生一個由正弦信號控制占空比的矩形波，矩形波控制功率開關(guān)，將直流電源斬波，再通過解調(diào)即可得到一個滿足振動臺強烈要求的正弦信號。

傳動裝置分為加靜壓加載傳動裝置和電機旋轉(zhuǎn)傳動裝置。靜壓加載傳動裝置中，靜壓伺服電機輸出軸與小帶輪連接，經(jīng)過兩級帶傳動帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而加載靜壓力。在電機旋轉(zhuǎn)傳動裝置中，旋轉(zhuǎn)電機主軸與小帶輪連接，通過同步帶帶動鉆頭旋轉(zhuǎn)從而達到切削巖石的目的。

3 系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集

本設(shè)計中數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以計算機、臺灣研華公司的PCI-1716數(shù)據(jù)采集卡和桂林星辰伺服電機等為主要硬件，以美國NI公司的LabVIEW2011為軟件開發(fā)平臺，采用虛擬儀器技術(shù)及信號處理技術(shù)構(gòu)建了能夠?qū)崿F(xiàn)信號采集與信號處理的多功能虛擬儀器系統(tǒng)。硬件主要是為系統(tǒng)提供測量的平臺，它將被測量數(shù)據(jù)通過電壓、變形量等載體形式輸出，由計算機進行接收，最后交由軟件處理控制［2］；軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、標(biāo)定、計算、實時顯示、存儲等功能，以形象直觀的界面方式與用戶交互，以便用戶完成被測量的測量，并能實時了解系統(tǒng)的工作狀態(tài)和整體運行情況［3］。軟、硬件的綜合運用形成功能強大的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、通信控制系統(tǒng)和運動控制系統(tǒng)。

圖3為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖。位移傳感器與數(shù)據(jù)采集卡連接后，采集卡采集其模擬電壓，經(jīng)LabVIEW軟件得到鉆深與時間的關(guān)系。稱重傳感器經(jīng)信號放大器連接到數(shù)據(jù)采集卡，采集卡采集模擬電壓，經(jīng)LabVIEW軟件得出鉆壓與時間的關(guān)系。在此稱重傳感器的信號相當(dāng)于靜壓電機的力反饋信號。旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)速、扭矩直接由PC機通過RS232-485轉(zhuǎn)換器讀取，從而得出鉆頭扭矩、轉(zhuǎn)速與時間的關(guān)系。靜壓電機經(jīng)伺服驅(qū)動器也與采集卡模擬量通道連接，從而使PC機控制靜壓電機的壓力大小。

圖3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

圖4為系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集基本流程。在程序開始后，系統(tǒng)先進行初始化設(shè)置，然后進行數(shù)據(jù)的采集 ，將采集到的鉆深、鉆壓、扭矩和轉(zhuǎn)速分別在屏幕上顯示出來，并將數(shù)據(jù)及時保存以便進行歷史查詢與分析。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集基本流程圖

4 試驗結(jié)果

以水泥塊為試驗對象，由于水泥塊的硬度值較小，所以設(shè)定鉆壓為2N，鉆速為25r/min，得到的結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，設(shè)定鉆壓和實際鉆壓接近，設(shè)定鉆速和實際鉆速相差也不大，縱向坐標(biāo)（即鉆深）滿足短時間內(nèi)的深度要求。試驗結(jié)果表明巖石振動激勵模擬測試系統(tǒng)能夠進行數(shù)據(jù)采集并實時顯示。

圖5 水泥塊的動態(tài)曲線

5 結(jié)論

巖石振動激勵模擬測試系統(tǒng)可以實現(xiàn)動靜載荷組合方式下的破巖研究，數(shù)據(jù)采集卡與LabVIEW軟件的結(jié)合成功實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集功能并能直觀、形象地提供實時數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)為研究巖石的破碎特性和研制新型鉆鑿破巖設(shè)備以及提高破巖效率提供了較好的試驗平臺。

［1］趙伏軍.動靜載荷耦合作用下巖石破碎理論及試驗研究［D］.長沙：中南大學(xué)，2004：37-42.

［2］薛林.高速PCI數(shù)據(jù)采集卡的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.南京：南京理工大學(xué)，2009：15-18.

［3］梁國偉，陳方泉，林祖?zhèn)?基于LabVIEW的串口數(shù)據(jù)采集的實現(xiàn)及應(yīng)用［J］.計算機應(yīng)用，2009（5）：57-58.

［4］閆玲，方開翔，姚壽廣.基于LabVIEW的多功能數(shù)據(jù)采集與信號處理系統(tǒng)［J］.江蘇科技大學(xué)學(xué)報，2006（3）：15-20.