鑿巖機械沖擊性能試驗裝置的研究

林瑞波

（1．煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京 100013；2.煤科(北京)檢測技術(shù)有限公司，北京 100013；3.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室，北京 100013）

0 引言

鑿巖機械主要包括氣（液、電）動鑿巖機、氣鎬、液壓錘、掘進鉆車等，在煤礦、金屬礦山應(yīng)用廣泛， 主要用于掘進與放頂?shù)裙こ痰谋瓶?、錨桿孔、探水探瓦斯孔、瓦斯抽放孔、注漿孔等煤巖孔鉆進以及井巷成孔鉆進，其中液壓鑿巖機在鋼廠的高爐開鐵口應(yīng)用也很廣泛[1，2]。而沖擊性能作為鑿巖機械的主要性能指標(biāo)，直接反應(yīng)產(chǎn)品的質(zhì)量。 國內(nèi)各研究院所、生產(chǎn)企業(yè)關(guān)于鑿巖設(shè)備沖擊性能的測試方法一直不統(tǒng)一。目前國內(nèi)生產(chǎn)鑿巖設(shè)備的廠家多達100 多家，幾家規(guī)模較大的氣動鑿巖機生產(chǎn)企業(yè)出廠檢驗采用應(yīng)力波法進行沖擊能測試；液壓鑿巖機生產(chǎn)企業(yè)通過末速度法或換算得出沖擊能， 造成國內(nèi)鑿巖設(shè)備質(zhì)量不一，特別是液壓鑿巖機與國外先進國家產(chǎn)品有些差距。 因此，急需從驗證手段上完善鑿巖機械的設(shè)計、加工、裝配等工序，保證生產(chǎn)出來的鑿巖機械可靠。 目前，鑿巖機械沖擊性能測試方法主要有光電法、應(yīng)力波法等[3]。 在國際標(biāo)準(zhǔn)IS0 2787-1984《回轉(zhuǎn)式和沖擊式氣動工具-性能試驗》、GB/T 5621-2008 《鑿巖機械與氣動工具性能試驗方法》標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定應(yīng)力波法適用于鑿巖機械產(chǎn)品沖擊性能的測試，因此研制鑿巖機械應(yīng)力波法沖擊性能試驗裝置具有重要的現(xiàn)實意義和實用價值。

1 總體設(shè)計方案

應(yīng)力波法沖擊性能試驗裝置主要由立式臺架、吸能裝置、壓緊裝置、校準(zhǔn)裝置等組成。 試驗時，通過壓緊氣缸將被試件安裝在立式?jīng)_擊試驗裝置架上， 被試件通過釬桿與吸能裝置連接，其產(chǎn)生的沖擊能量被吸能裝置吸收，通過采集粘貼于釬桿上應(yīng)變片的應(yīng)力振幅間接測試沖擊能。

由于應(yīng)力波法沖擊性能試驗裝置沒有對應(yīng)的檢定/校準(zhǔn)規(guī)程，因此需要按照GB/T 5621 的要求研制校準(zhǔn)裝置。 校準(zhǔn)裝置主要由升降電機、減速箱、電吸盤、導(dǎo)向管等組成。 試驗裝置校準(zhǔn)時，通過卷纜裝置控制落錘升降、電吸盤控制落錘釋放， 落錘沿透明亞克力管垂直落在吸能裝置上，通過比對落錘產(chǎn)生的勢能與應(yīng)力波法沖擊性能試驗裝置的測試結(jié)果進行校準(zhǔn)。

2 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 立式臺架的設(shè)計

立式臺架是承受校準(zhǔn)裝置、被試鑿巖機沖擊力的主體框架，為滿足校準(zhǔn)高度要求，主體框架高度不得低于4 m。 通過SolidWorks 軟件對立式臺架進行應(yīng)力分析，如圖1 所示，其安全系數(shù)大于5，滿足使用要求。

圖1 立式臺架應(yīng)力分析圖

2.2 吸能裝置的設(shè)計

吸能裝置是應(yīng)力波法試驗裝置的關(guān)鍵部件，主要吸收被試部件實驗過程中產(chǎn)生的沖擊能量，本裝置采用鋼球作為吸能裝置填充物，利用鋼球間的間隙和摩擦吸收能量。市場上采用瀝青或橡膠作為填充物的吸能裝置在試驗過程中由于吸收能量產(chǎn)生熱能，造成填充物溢出吸能裝置。 吸能裝置結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 吸能裝置示意圖

吸能裝置的反射能量系數(shù)[4]為:

式中 REk——反射能量系數(shù)，i=1，2，…，n

fk——摩擦系數(shù)，i=0，1，2，…，n，定義f0=0

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5621-2008 標(biāo)準(zhǔn)要求吸能裝置反射系數(shù)不高于20%，通過計算得出該吸能裝置反射能量系數(shù)為15.1%，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3 壓緊裝置的設(shè)計

壓緊裝置采用氣缸壓緊。 國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5621-2008 中對應(yīng)力波法測試沖擊能的壓緊氣缸的抽推力做了規(guī)定，其中對鑿巖機、破碎機軸推力要求：（450~500）N， 對氣鎬軸推力要求：（200~250）N。

氣動鑿巖機械沖擊性能測試過程中，氣體壓力控制在（0.4-0.8）MPa 之間，由于壓力氣缸進氣口設(shè)計時考慮從主氣管路引出，故其工作壓力應(yīng)小于等于0.4 MPa。

壓緊氣缸活塞直徑按照下式計算

式中 D——活塞直徑，mm

N——軸推力，N

P——工作壓力，MPa

查氣缸缸內(nèi)徑系列、考慮氣缸工況：活塞直徑取D=50 mm，其在0.4 MPa 工作壓力下產(chǎn)生的最大軸推力為785 N，滿足GB/T 5621-2008 中對氣動鑿巖機械軸推力的要求。

壓緊氣缸連接板作為受力部件，對試驗裝置工作穩(wěn)定性極其重要。通過SolidWorks 軟件對固定壓緊氣缸的連接板進行了應(yīng)力分析，其應(yīng)力分析如圖3 所示。 經(jīng)計算，立式?jīng)_擊臺架壓緊裝置在1000 N 作用力下，安全系數(shù)為10，滿足使用要求。

圖3 連接板應(yīng)力分析圖

2.4 校準(zhǔn)裝置的設(shè)計

校準(zhǔn)機構(gòu)主要由卷纜機構(gòu)、拉力電纜、導(dǎo)向套組成。

2.4.1 拉力電纜的設(shè)計

電纜用于給電吸盤供電， 并承受落錘的質(zhì)量。 因此電纜必須選擇能承受拉力的電纜，最大落錘質(zhì)量為5 公斤，安全系數(shù)選5，按電纜承受不低于25 kg 的拉力選型。

本項目選用YC-J 450/750V 2×1 重型橡套軟電纜，其指標(biāo)為：

額定電壓U0/U：450/750

線芯長期工作溫度：≤65℃

承受機械外力：≤300 N（約30 kg）。

2.4.2 卷纜機構(gòu)的設(shè)計

卷纜機構(gòu)由電動機驅(qū)動，電動機帶動落錘以恒定速度進行升降，則落錘受力平衡，最大落錘質(zhì)量m 為30 kg，有

F=mg=294 N

落錘升降速度v 按0.1 m/s 考慮， 則卷纜電機輸出功率為

P出=F·v=29.4 W

考慮到雙向受力，查電機手冊，卷纜電機選為YSJ100W-4P 電動機，功率0.1 kW。

卷纜機構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 卷纜機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

3 測控系統(tǒng)的設(shè)計

計算機測控系統(tǒng)基于Windows XP 操作平臺，以Visual Basic 6.0 為開發(fā)軟件，利用其簡便易用的可視化編程工具、基于事件驅(qū)動的編程機制、強大而靈活的數(shù)值計算、繪圖能力及數(shù)據(jù)庫編程等特點，實現(xiàn)測試臺控制、數(shù)據(jù)采集與處理、特性曲線繪制、報表打印等功能。 軟件主要由數(shù)據(jù)庫、數(shù)據(jù)采集子程序、界面顯示子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、打印查詢子程序等組成。

3.1 系統(tǒng)軟件的模塊結(jié)構(gòu)

測控系統(tǒng)軟件采用VB 軟件開發(fā)工具，軟件設(shè)計采用了模塊化思想和層次化思想，系統(tǒng)分層次劃分為多個功能模塊，程序結(jié)構(gòu)考慮了程序的可維護性和可讀性，程序流程圖清晰明了。 軟件包含以下主要功能模塊：

數(shù)據(jù)采集模塊：通過判斷加載狀態(tài)，啟動數(shù)據(jù)采集模塊， 數(shù)據(jù)采集采用了DMA 方式數(shù)據(jù)傳輸，保證了大量的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、高效傳遞，從而使不同物理量之間的數(shù)據(jù)采集近似同步。

數(shù)據(jù)處理模塊：包括數(shù)據(jù)濾波、數(shù)據(jù)擬合、數(shù)值查找、數(shù)據(jù)計算等。

數(shù)據(jù)讀取模塊：原始數(shù)據(jù)記錄在硬盤上相應(yīng)位置。 主要是讀取硬盤上的相應(yīng)文件。

數(shù)據(jù)存儲模塊：數(shù)據(jù)存儲模塊包括將采集到的原始數(shù)據(jù)寫到硬盤相應(yīng)的文件夾，存儲文件格式為DAT 格式。 顯示模塊：顯示模塊主要包括主界面設(shè)計、參數(shù)界面設(shè)計、主運行界面設(shè)計、查詢界面設(shè)計、數(shù)據(jù)分析界面設(shè)計。

3.2 數(shù)據(jù)采集、轉(zhuǎn)換與存儲方案

系統(tǒng)采用DMA 方式進行實時數(shù)據(jù)采集，系統(tǒng)采樣頻率為4K，可以充分采樣。測控系統(tǒng)軟件采用Access 2003 實現(xiàn)關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，采用ADO數(shù)據(jù)庫訪問機制進行數(shù)據(jù)庫訪問。

3.3 基于模糊自適應(yīng)PID 的控制算法

本項目設(shè)計的模糊自適應(yīng)PID 控制器，結(jié)構(gòu)圖如圖5 所示， 將偏差和偏差變化率作為輸入，利用計算機把人對系統(tǒng)的調(diào)整經(jīng)驗形式化、模糊化，根據(jù)所選取的語言控制規(guī)則進行模糊推理和決策，輸出PID 調(diào)整參數(shù)。

圖5 模糊自適應(yīng)整定PID 控制器結(jié)構(gòu)圖

3.4 測控系統(tǒng)主界面

界面設(shè)計主要包括傳感器零點校正界面、參數(shù)設(shè)計界面、運行界面、數(shù)據(jù)分析界面、歷史數(shù)據(jù)查詢界面及打印界面等。 主界面設(shè)計如圖6 所示。

圖6 測控系統(tǒng)主界面

4 結(jié)語

鑿巖機械沖擊性能試驗裝置基于IS0 2787-1984、GB/T 5621-2008 標(biāo)準(zhǔn)要求，綜合應(yīng)用電-氣控制技術(shù)，具有數(shù)據(jù)自動采集、自動控制、試驗裝置自校準(zhǔn)等功能， 模擬鑿巖機實際工作狀況，提高了鑿巖機測試的可靠性，同時降低了試驗人員勞動強度，提高了測試效率。經(jīng)試驗驗證，該套試驗裝置精度、功能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。