應(yīng)力波法測(cè)量鑿巖機(jī)沖擊能的研究

龔斌

(煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

氣動(dòng)鑿巖機(jī)在煤礦井下主要用于巷道掘進(jìn)中的鑿巖作業(yè)，是鉆爆法中鉆鑿爆破孔的關(guān)鍵工藝裝備，涉及的操作人員數(shù)量龐大，已納入煤礦設(shè)備安全標(biāo)志管理范圍，具有易操作移動(dòng)、成本低廉、勞動(dòng)強(qiáng)度大、作業(yè)效率低、職業(yè)健康危害等優(yōu)缺點(diǎn)。該類設(shè)備靠壓縮空氣推動(dòng)活塞做高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，沖程時(shí)活塞沖擊釬具鑿碎巖石，回程時(shí)活塞帶動(dòng)釬具回轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)巖石的破碎與鉆進(jìn)，沖擊能、沖擊頻率、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速等參數(shù)是影響其鑿孔效率主要參數(shù)，其中沖擊能是核心因素，準(zhǔn)確的測(cè)量鑿巖機(jī)沖擊能參數(shù)，對(duì)提升產(chǎn)品技術(shù)水平有重要的意義[1-2]。

1 沖擊能的測(cè)試方法分析

目前，綜合考慮測(cè)試精度、操作復(fù)雜性等因素，國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的沖擊能測(cè)試方法主要包括應(yīng)力波法、受沖腔法、末速度法三種，如表1所示。

表1 沖擊能測(cè)試方法匯總

采用應(yīng)力波法測(cè)試沖擊性能，鑿巖機(jī)活塞高速運(yùn)動(dòng)沖擊釬桿施加沖擊能量，并通過釬桿傳遞給吸能裝置。數(shù)組應(yīng)變片粘貼于釬桿，采集鑿巖機(jī)施加在釬桿上的應(yīng)變量，通過高速應(yīng)變儀及計(jì)算機(jī)對(duì)采集信號(hào)進(jìn)行處理分析運(yùn)算后，得出沖擊能，測(cè)試原理如圖1所示。該方法已被《回轉(zhuǎn)式和沖擊式氣動(dòng)工具-性能試驗(yàn)》(ISO 2787—1984)與《鑿巖機(jī)械與氣動(dòng)工具 性能試驗(yàn)方法》(GB/T 5621—2008)標(biāo)準(zhǔn)采用，沖擊能測(cè)量范圍0～500 J，沖擊頻率測(cè)量范圍0～150 Hz，適用于一般氣動(dòng)鑿巖類產(chǎn)品的性能測(cè)試。該方法操作過程繁瑣，但成本低、可行性強(qiáng)，應(yīng)用更為廣泛。

圖1 應(yīng)力波法測(cè)試沖擊能原理

采用受沖腔法測(cè)量沖擊能，鑿巖機(jī)產(chǎn)生的沖擊能作用于受沖腔，引起安裝于受沖腔活塞上的測(cè)量釬桿位移量變化或受沖腔內(nèi)部油液壓力變化，上述位移量或油液壓力波動(dòng)與沖擊能存在理論上的確定對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過公式計(jì)算得出沖擊能，沖擊能測(cè)量范圍0～200 J，沖擊頻率測(cè)量范圍0～80 Hz[3]。該方法測(cè)量結(jié)果受油液溫度變化、受沖腔密封性能影響顯著，實(shí)際操作難度很大。

采用末速度法測(cè)量沖擊能，通過動(dòng)能公式計(jì)算得出，活塞質(zhì)量可用稱重法準(zhǔn)確測(cè)量，活塞在沖程階段末速度通過高清攝影技術(shù)亦可精確采集。 該方法測(cè)試結(jié)果相對(duì)于應(yīng)力波法、受沖腔法更為準(zhǔn)確可靠，沖擊能測(cè)量范圍0～1 000 J，沖擊頻率測(cè)量范圍0～200 Hz，適用范圍廣泛，可用于一般液壓及氣動(dòng)鑿巖設(shè)備性能測(cè)試，但試驗(yàn)設(shè)備昂貴，暫不具備在鑿巖機(jī)生產(chǎn)企業(yè)普遍推廣使用的條件。

2 應(yīng)力波法測(cè)試沖擊能試驗(yàn)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

試驗(yàn)系統(tǒng)能基于GB/T 5621標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)設(shè)計(jì)，主要由立式機(jī)械臺(tái)架、吸能裝置、落錘校準(zhǔn)裝置、操作臺(tái)、測(cè)控系統(tǒng)等組成，試驗(yàn)臺(tái)主體結(jié)構(gòu)如圖2所示。該試驗(yàn)系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)同步測(cè)量氣動(dòng)鑿巖機(jī)沖擊能、沖擊頻率、試驗(yàn)氣壓、耗氣量等主要性能參數(shù)，自動(dòng)調(diào)控輸出0.40 MPa、0.50 MPa、0.63 MPa試驗(yàn)氣壓，并具備沖擊能自校準(zhǔn)功能[4]。其中吸能裝置為整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵，其吸能效果直接影響測(cè)量結(jié)果的精度與可靠性，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定吸能裝置的反射能量不能超過入射能量的20%?？紤]到人工操作等因素，應(yīng)變片粘貼存在不一致性，需要對(duì)應(yīng)變片系數(shù)進(jìn)行標(biāo)定，本文研究的試驗(yàn)系統(tǒng)采用自由落錘試驗(yàn)作為裝置自校準(zhǔn)方法。

1-立式機(jī)械臺(tái)架； 2-防護(hù)欄； 3-落錘校準(zhǔn)裝置； 4-操作臺(tái)； 5-吸能裝置。

2.2 測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)主要由PLC控制箱、工控機(jī)、應(yīng)變測(cè)試儀、壓力傳感器、氣體流量傳感器、電氣比例控制閥、校準(zhǔn)裝置卷揚(yáng)電動(dòng)機(jī)及控制按鈕等組成，如圖3所示。試驗(yàn)過程中，壓緊氣缸將被測(cè)鑿巖機(jī)安裝固定在立式臺(tái)架上并達(dá)到鑿巖機(jī)實(shí)際作業(yè)的推力。電氣比例控制閥調(diào)節(jié)試驗(yàn)供氣壓力值恒定保持在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值，壓力、流量傳感器實(shí)時(shí)采集實(shí)際供氣壓力值與耗氣量。

圖3 測(cè)控系統(tǒng)框圖

鑿巖機(jī)通過釬桿與吸能裝置連接，產(chǎn)生的沖擊能量被吸能裝置吸收，通過與釬桿粘連的應(yīng)變測(cè)試儀采集釬桿的應(yīng)力振幅，間接測(cè)試沖擊能，即通過積分法得到入射波能量，如公式(1)所示。

(1)

式中:e沖擊能量，J；a為釬桿的截面積，m2；c為釬桿中的聲速，m/s；E為楊氏模量，N/m2；Rj為第j個(gè)積分點(diǎn)的應(yīng)力振幅，N/m2；Δt為單個(gè)應(yīng)力的持續(xù)時(shí)間，s。

2.3 校準(zhǔn)方法

落錘試驗(yàn)法是國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的應(yīng)力波法沖擊能測(cè)試裝置自校準(zhǔn)方法，用標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量落錘從規(guī)定高度自由釋放沖擊試驗(yàn)釬桿，通過比對(duì)落錘理論勢(shì)能與測(cè)試結(jié)果對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行單點(diǎn)校準(zhǔn)。校準(zhǔn)時(shí)，通過卷纜裝置控制試驗(yàn)落錘上下升降、電吸盤控制試驗(yàn)落錘釋放，落錘沿垂直管道自由落體在吸能裝置上。校準(zhǔn)時(shí)，釬桿上的應(yīng)力振幅如公式(2)所示。

(2)

式中：R為應(yīng)力振幅，N/m2；ρ為釬桿材料密度，kg/m3；v為沖擊點(diǎn)落錘速度，m/s；γ為釬桿與落錘的橫截面面積比；g為重力加速度，m/s2；h為落錘下落高度，m。

3 試驗(yàn)分析

采用末速度法、應(yīng)力波法，以某企業(yè)生產(chǎn)的 YT27型氣動(dòng)鑿巖機(jī)為例，在0.40 MPa、0.50 MPa、0.63 MPa試驗(yàn)氣壓下進(jìn)行沖擊能測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。 目前，末速度法是精度最高的沖擊能測(cè)試方法，一般情況下以該方法測(cè)試數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)(真值)，可見本文測(cè)試系統(tǒng)滿足GB/T 5621標(biāo)準(zhǔn)提出的采用應(yīng)力波法測(cè)量沖擊能誤差不超過10%要求。[5]

表2 沖擊能測(cè)量結(jié)果統(tǒng)計(jì)

通過試驗(yàn)操作及研究分析，試驗(yàn)人員對(duì)應(yīng)變片粘貼操作，以及試驗(yàn)過程中鑿巖機(jī)高頻振動(dòng)致使應(yīng)變片松動(dòng)，對(duì)測(cè)試結(jié)果有直接影響；同時(shí)，該方法測(cè)量的是釬桿上傳遞的沖擊能，存在能量傳遞損耗，沖擊能測(cè)試結(jié)果相對(duì)于末速度法偏低。

4 結(jié)論

由于經(jīng)濟(jì)效益、應(yīng)用水平等實(shí)際因素，在短時(shí)期內(nèi)氣動(dòng)鑿巖機(jī)等設(shè)備將依然普遍應(yīng)用，沖擊能是產(chǎn)品鑿巖效率的核心因素，也是產(chǎn)品定型檢驗(yàn)的關(guān)鍵參數(shù)。本文對(duì)比分析了應(yīng)力波法、受沖腔法、末速度法三種沖擊能測(cè)試方法，建立了應(yīng)力波法氣動(dòng)鑿巖機(jī)測(cè)試系統(tǒng)，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)測(cè)量精度滿足國標(biāo)要求。通過本文研究可以看出，應(yīng)力波法測(cè)量沖擊能精度偏低，主要原因是吸能裝置的吸能效果、應(yīng)變片的粘貼等試驗(yàn)設(shè)備及操作因素，以及間接測(cè)試作用于釬桿上的沖擊能、能量傳遞損耗等試驗(yàn)方法的固有因素，還需對(duì)該方法進(jìn)行深入研究。