液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)特性分析及試驗(yàn)研究

呂 闖

（1.長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙410012；2.深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南長沙410012）

液壓鑿巖機(jī)屬于沖擊—旋轉(zhuǎn)鉆孔工具，其以高壓液體為動力，具有能量利用率高、鑿巖速度快、機(jī)械性能好等特點(diǎn)，在礦山開采、交通、隧道、鐵路修建中等應(yīng)用廣泛[1]。人們在進(jìn)行液壓鑿巖機(jī)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、改進(jìn)或性能評價(jià)時(shí)，大多只關(guān)注其沖擊機(jī)構(gòu)和性能，特別是沖擊機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、動力學(xué)仿真模型及研究、沖擊性能檢測以及零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面，已有學(xué)者做過大量的工作[2-10]。而對于液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)性能，其中重視程度并不高，只有極少的公開資料顯示進(jìn)行了液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及其功能參數(shù)的分析研究，其中郭孝先[11]對液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的重要作用、回轉(zhuǎn)性能參數(shù)影響因素以及回轉(zhuǎn)性能評價(jià)三方面進(jìn)行深入的探討，提出對液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的考核目標(biāo)應(yīng)是以獲得高鑿孔速度并具有一定可靠性為前提，在較低的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)功率消耗下，能有一定的扭矩、轉(zhuǎn)釬數(shù)與輸出功率；席汝凱[12]等對液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)速度控制系統(tǒng)進(jìn)行了深入研究，其研究基于LabVIEW平臺開發(fā)的沖擊頻率提取功能可實(shí)時(shí)提取液壓鑿巖機(jī)沖擊信號，通過控制器程序?qū)崿F(xiàn)對液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)的目的。

實(shí)際上，由于現(xiàn)今幾乎所有的液壓鑿巖機(jī)都是采用獨(dú)立外回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，即采用獨(dú)立的液壓馬達(dá)驅(qū)動一套傳動系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)釬[13]，人們常應(yīng)用液壓馬達(dá)的的參數(shù)來評價(jià)液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)性能。但筆者認(rèn)為，由于液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)存在零件加工精度、裝配精度及零部件清潔度上的差異[14]，僅用液壓馬達(dá)的性能參數(shù)來表征液壓鑿巖機(jī)整機(jī)回轉(zhuǎn)性能是不準(zhǔn)確的。

1 回轉(zhuǎn)性能參數(shù)

液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能主要參數(shù)包括回轉(zhuǎn)扭矩T（N·m）、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速n（r/min）、回轉(zhuǎn)功率P（kW）。三者之間的關(guān)系為

由于P、T和n均屬于變量，且三者存在一定的耦合關(guān)系，很難從式（1）中得出三者直觀的變化規(guī)律，這其中回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速對液壓鑿巖機(jī)的整體鉆孔性能有較大影響，液壓鑿巖機(jī)在正常工作時(shí)，其回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)釬數(shù)）是否達(dá)到了要求值是很重要的，在JB/T 7169-2017《導(dǎo)軌式液壓鑿巖機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)中，對其進(jìn)行了明確規(guī)定。

液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)主要采用獨(dú)立外回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，用液壓馬達(dá)驅(qū)動一套齒輪裝置，帶動釬具回轉(zhuǎn)，其回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)示意見圖1所示。

液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)扭矩可表示為

式中，TM為液壓馬達(dá)的輸出扭矩；i為液壓鑿巖機(jī)轉(zhuǎn)釬機(jī)構(gòu)齒輪傳動比；ηj為液壓鑿巖機(jī)轉(zhuǎn)釬機(jī)構(gòu)機(jī)械效率。

式中，ΔP為液壓馬達(dá)進(jìn)、出油口之間的壓力差；q為液壓馬達(dá)的排量；ηm為液壓馬達(dá)的機(jī)械效率。

由式（2）和式（3）可以看出：

（1）液壓馬達(dá)的機(jī)械效率ηm以及液壓鑿巖機(jī)轉(zhuǎn)釬機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率ηj都會直接影響液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)性能。很顯然，即使對于同一型號和同一結(jié)構(gòu)的液壓鑿巖機(jī)，使用同一型號液壓馬達(dá)，由于存在零件加工精度、裝配精度及零部件清潔度上的差異，其回轉(zhuǎn)性能參數(shù)也不是完全相同的。

（2）對于同一臺液壓鑿巖機(jī)，其輸出回轉(zhuǎn)扭矩的大小只與液壓馬達(dá)進(jìn)、出油口之間的壓力差ΔP和液壓馬達(dá)的排量q有關(guān)，若是在液壓馬達(dá)的排量q不變的情況下，其輸出回轉(zhuǎn)扭矩的大小應(yīng)與液壓馬達(dá)進(jìn)、出油口之間的壓力差ΔP呈正線性相關(guān)。

2 回轉(zhuǎn)性能測試

進(jìn)行回轉(zhuǎn)性能測試的目的在于獲取最直觀的回轉(zhuǎn)性能特征，由式（2）、式（3）可以看出：由于液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)扭矩并不等于液壓馬達(dá)的輸出扭矩，其受零部件加工精度、裝配精度等因素影響，為了規(guī)避這些因素，液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)扭矩必須直接測量，而不能由液壓馬達(dá)的輸出扭矩值間接推導(dǎo)計(jì)算。

2.1 回轉(zhuǎn)性能測試系統(tǒng)建立

為了進(jìn)行液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能測試試驗(yàn)，特制了一套測試系統(tǒng)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 5621-2008鑿巖機(jī)械與氣動工具性能試驗(yàn)方法》的要求，采用轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器[15-16]檢測液壓鑿巖機(jī)的扭矩、轉(zhuǎn)速，檢測信號被送入微機(jī)扭矩儀中；磁粉制動器通過聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器聯(lián)結(jié)，用于給被測鑿巖機(jī)施加負(fù)載，以吸收液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)輸出功率，通過調(diào)節(jié)控制器電流來控制負(fù)載的大小；為了避免轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器因直接聯(lián)結(jié)被測液壓鑿巖機(jī)而因振動造成某種程度的損壞，被測液壓鑿巖機(jī)通過齒輪箱將旋轉(zhuǎn)動力1∶1傳遞到轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器，其原理見圖2所示。

旋轉(zhuǎn)進(jìn)油管路上裝有壓力傳感器，旋轉(zhuǎn)回油管路上裝有流量計(jì)，用于檢測回轉(zhuǎn)進(jìn)油壓力和回油流量等工作參數(shù)，這些信號經(jīng)由相應(yīng)的二次儀表后，均饋入到扭矩儀中。

所有饋入扭矩儀的信號參數(shù)，經(jīng)過扭矩儀的數(shù)據(jù)變換，并與計(jì)算機(jī)連接通訊，由計(jì)算機(jī)程序控制扭矩儀進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集、處理，自動進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的存儲和繪制特性曲線。

圖3是回轉(zhuǎn)性能測試試驗(yàn)現(xiàn)場，磁粉制動器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、齒輪箱均安裝在獨(dú)立的底座上，液壓鑿巖機(jī)安裝在滑軌上，以方便對液壓鑿巖機(jī)的裝卸和調(diào)整，四者必須保持中心軸（孔）對中，以確保測試無側(cè)向摩擦力或其他外力干擾。

由于本試驗(yàn)屬于研究性試驗(yàn)，為了減小因高壓、強(qiáng)振動等因素造成的各種不可預(yù)知的風(fēng)險(xiǎn)，故采用某一特小型液壓鑿巖機(jī)作為試驗(yàn)對象，其整機(jī)重量僅27 kg。

2.2 試驗(yàn)過程分析

由于液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)進(jìn)油壓力會隨著回轉(zhuǎn)扭矩而改變，本身就是變量，所以在本次試驗(yàn)中，使用定量泵給旋轉(zhuǎn)馬達(dá)供油，設(shè)定初始旋轉(zhuǎn)進(jìn)油流量（即液壓旋轉(zhuǎn)馬達(dá)在未加負(fù)載的空載轉(zhuǎn)速下）為定值，以研究回轉(zhuǎn)性能參數(shù)的變化特性，以及不同旋轉(zhuǎn)進(jìn)油流量下回轉(zhuǎn)參數(shù)的對比，鑒于被測液壓鑿巖機(jī)本身屬于小型液壓鑿巖機(jī)，則分別設(shè)定一小進(jìn)油流量值和一較大旋轉(zhuǎn)進(jìn)油流量值進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)過程中，通過調(diào)節(jié)磁粉制動器控制器的電流大小逐步增加負(fù)載，獲取被測液壓鑿巖機(jī)的旋轉(zhuǎn)工作參數(shù)和回轉(zhuǎn)性能參數(shù)。

試驗(yàn)1：初始旋轉(zhuǎn)進(jìn)油流量10 L/min。

試驗(yàn)2：初始旋轉(zhuǎn)進(jìn)油流量20 L/min。

2.2.1 測試結(jié)果

表1給出了試驗(yàn)1、試驗(yàn)2的測試參數(shù)。

注：這些參數(shù)由測試程序直接給出，結(jié)果中扭矩出現(xiàn)的負(fù)值是磁粉制動器未加負(fù)載時(shí)，即被測液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)功率為0左右時(shí)的隨機(jī)數(shù)，可以忽略。

從表1中可以直觀地看出：隨著負(fù)載增大，回轉(zhuǎn)進(jìn)油壓力逐漸增大，回轉(zhuǎn)扭矩逐漸增大，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速逐漸降低，回轉(zhuǎn)扭矩與回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)，最大回轉(zhuǎn)功率出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速、回轉(zhuǎn)扭矩均是中間某值的時(shí)候，而非極值端，回轉(zhuǎn)進(jìn)油壓力隨著回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速下降而逐漸升高，流量則隨著轉(zhuǎn)速下降而減小。

對比試驗(yàn)1和試驗(yàn)2，可以看出：

（1）試驗(yàn)1和2中回轉(zhuǎn)功率變化趨勢基本一致，但總體上試驗(yàn)2的回轉(zhuǎn)功率值偏高。

（2）試驗(yàn)1和2中回轉(zhuǎn)進(jìn)油壓力變化趨勢基本一致，均隨著回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下降而降低，說明回轉(zhuǎn)進(jìn)油壓力隨著負(fù)載增大而增大，與流量的變化趨勢相反，但與流量數(shù)值大小沒有絕對關(guān)系。

（3）試驗(yàn)1和2中回轉(zhuǎn)扭矩變化趨勢基本一致，均隨著回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速下降而增高，與流量的變化趨勢相反，但與流量數(shù)值大小沒有絕對關(guān)系。

（4）未加負(fù)載時(shí)，流量小于輸入流量，說明存在液壓馬達(dá)存在泄漏。

2.2.2 參數(shù)擬合曲線

所測得各參數(shù)值經(jīng)程序擬合，其關(guān)系曲線見圖4、圖5所示。

從圖4和圖5中可以直觀看出：

（1）被測液壓鑿巖機(jī)的最大適用回轉(zhuǎn)扭矩為60 N·m，在此扭矩范圍內(nèi)，其扭矩—轉(zhuǎn)速曲線保持很好硬特性（轉(zhuǎn)速穩(wěn)定），負(fù)載超出此扭矩，回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速急速下降；

（2）回轉(zhuǎn)扭矩和回轉(zhuǎn)進(jìn)油壓力呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，但在試驗(yàn)1即小流量情況下斜率較大，即在同樣負(fù)載情況下，所需供油壓力要小，其回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速也比較低。

以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，是對前述理論的補(bǔ)充：液壓鑿巖機(jī)會在一定扭矩范圍內(nèi)，一定程度上保持某一較高轉(zhuǎn)速，而此時(shí)，回轉(zhuǎn)功率即隨著回轉(zhuǎn)扭矩的增大而增大，與轉(zhuǎn)速沒有必然關(guān)系。在實(shí)際鉆孔作業(yè)時(shí)，應(yīng)讓液壓鑿巖機(jī)保持在這一較高轉(zhuǎn)速狀態(tài)，以達(dá)到旋轉(zhuǎn)切削的目的，并符合《JB/T 7169-2017導(dǎo)軌式液壓鑿巖機(jī)》標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于轉(zhuǎn)速的要求。

3 結(jié) 語

（1）在對液壓鑿巖機(jī)主要回轉(zhuǎn)性能參數(shù)進(jìn)行理論分析的基礎(chǔ)上，以某小型液壓鑿巖機(jī)為試驗(yàn)樣機(jī)，對其回轉(zhuǎn)性能進(jìn)行了試驗(yàn)測試。試驗(yàn)分別測試了小流量和大流量2種狀態(tài)下的回轉(zhuǎn)性能參數(shù)，通過數(shù)據(jù)分析及曲線擬合，得到了回轉(zhuǎn)性能參數(shù)的變化特征規(guī)律及參數(shù)相互影響關(guān)系。試驗(yàn)表明：在實(shí)際鉆孔作業(yè)時(shí)，應(yīng)讓液壓鑿巖機(jī)保持在某一較高轉(zhuǎn)速狀態(tài)；研究結(jié)果對液壓鑿巖機(jī)實(shí)際鉆孔作業(yè)具有一定的指導(dǎo)價(jià)值。

（2）依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，特制了一套液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能測試系統(tǒng)，可用于液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能測試，方便技術(shù)人員對液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的性能評價(jià)，并提供改進(jìn)依據(jù)，對提高液壓鑿巖技術(shù)具有重要意義。