液壓鑿巖機(jī)具性能測試系統(tǒng)的建立

黃增陽，許中琛，高波

（1.衢州市計量質(zhì)量檢驗研究院，浙江衢州 324002；2.長沙礦冶研究院責(zé)任有限公司，湖南長沙 410012；3.深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)國家重點實驗室，湖南長沙 410012）

1 前言

液壓鑿巖機(jī)具性能參數(shù)測試系統(tǒng)是保證其性能質(zhì)量的必不可少的技術(shù)手段，國外許多大公司如：Epiroc 公司、Sandvic 公司、Secoma 公司等均建有完備的液壓鑿巖機(jī)具測試系統(tǒng)。目前我國的有些檢測機(jī)構(gòu)如：機(jī)械工業(yè)鑿巖機(jī)械氣動工具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心、國家空壓機(jī)及鑿巖機(jī)械質(zhì)量監(jiān)督檢測中心、國家冶金工業(yè)釬具質(zhì)量監(jiān)督檢測中心、煤炭工業(yè)北京鑿巖機(jī)具產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢測中心等建有相應(yīng)的檢測系統(tǒng)。

按照GB/T 5621-2008 鑿巖機(jī)械與氣動工具性能試驗方法及相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，在現(xiàn)有應(yīng)力波法測試系統(tǒng)基礎(chǔ)上，建立了液壓鑿巖機(jī)具產(chǎn)品種類較全的性能測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了對液壓鑿巖機(jī)具性能的多參數(shù)測試，其測試系統(tǒng)包括：沖擊性能測試系統(tǒng)（含：用于導(dǎo)軌式液壓鑿巖機(jī)測試的臥式臺和用于支腿式液壓鑿巖機(jī)、液壓鎬、液壓錘測試的立式臺）、回轉(zhuǎn)性能測試系統(tǒng)、液壓動力站（含泵站、油箱、流量檢測臺、控制臺）、鑿巖測試臺（和臥式臺架共用）、測控系統(tǒng)（儀器儀表和傳感器、儀表臺、數(shù)據(jù)采集和處理）。測試系統(tǒng)分布如圖1 所示，測試內(nèi)容和范圍見表1。

表1 液壓鑿巖機(jī)具性能參數(shù)測試系統(tǒng)測試內(nèi)容及范圍

圖1 測試系統(tǒng)分布圖

2 測試系統(tǒng)

2.1 沖擊性能

沖擊性能是表征液壓鑿巖機(jī)具破巖能力的首要指標(biāo)，其關(guān)鍵參數(shù)為沖擊能量，截止目前，已根據(jù)不同測試原理發(fā)展了多種沖擊能量測試方法。但目前液壓鑿巖機(jī)具測試主要采用末速度和應(yīng)力波測試方法，應(yīng)力波法直接給出了鑿巖機(jī)的輸出能量，能直接反映機(jī)器的做功能力，其優(yōu)點是測試精度高，可以不拆機(jī)對機(jī)器實行檢測，對于產(chǎn)品檢驗非常適用。目前這種方法已納入國際標(biāo)準(zhǔn)（ISO2787）和國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T 5621），在我國鑿巖機(jī)和氣動工具檢測中已大量推廣使用。

液壓鑿巖機(jī)具沖擊過程是由高速運動的沖擊體（沖錘）對工具施加撞擊，轉(zhuǎn)化為一高幅值脈沖力，以應(yīng)力波的形式，通過工具將能量傳遞給破碎對象。

根據(jù)波動理論，通過沖擊工具中給定截面的總能量

式中 A——工具截面積

C——波速

E——彈性模量

tp——脈沖持續(xù)時間

σi——入射應(yīng)力波

t——時間

波速C=5080 m/s，彈性模量E=2.07×1011Pa。

根據(jù)上式，沖擊能量可采用適當(dāng)?shù)乃矐B(tài)應(yīng)力記錄手段捕獲測桿中一點的應(yīng)力歷程，然后平方求積進(jìn)行確定。

實際測試中，將依指定采樣速度（間隔時間Δt）給出應(yīng)力波形各點的采樣值，將上式按辛卜生公式轉(zhuǎn)化為數(shù)值積分，則有

式中 Qk——應(yīng)力波各采樣點的量化值

Aσ——應(yīng)力標(biāo)定系數(shù)（即單位采樣值對應(yīng)的應(yīng)力值）

沖擊性能測試系統(tǒng)如圖2 所示[1]，被測樣機(jī)、帶測桿的吸能器安裝在臥式或立式臺上。推進(jìn)缸給鑿巖機(jī)械施加推力。測桿需要足夠的長度，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。

圖2 液壓鑿巖機(jī)具沖擊性能測試系統(tǒng)

在測點要正確捕獲釬桿的入射應(yīng)力波，必須消除反射波的影響，否則會對測試結(jié)果構(gòu)成嚴(yán)重影響，故在國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)中，都對吸能器有嚴(yán)格的要求。

吸能器的主要作用是：

（1）消除桿端反射波的影響，以獲得正確的入射應(yīng)力波形及相應(yīng)沖擊能量。

（2）吸收沖擊器的沖擊能量。

（3）消除釬桿多余振動，這對提高測試精度和應(yīng)變片的使用壽命是有利的。

吸能裝置應(yīng)具有良好的吸能特性，要求應(yīng)力波通過吸能裝置后，其能量盡多地轉(zhuǎn)變?yōu)槟Σ谅p，有最少的透射和反射能量。

一般吸能裝置多采用長管結(jié)構(gòu)，內(nèi)部置以摩擦片和吸能材料（見圖3），由多個較低摩擦系數(shù)點（f1，f2，f3，…，fm）組合串聯(lián)來實現(xiàn)上述要求。

圖3 吸能器裝置

沖擊應(yīng)力和沖擊能標(biāo)定采用國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的自由落錘標(biāo)定，標(biāo)定工作在立式臺架進(jìn)行。

2.2 回轉(zhuǎn)性能測試系統(tǒng)

液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能測試系統(tǒng)[2]由測試臺位、動力站、扭矩儀和微機(jī)數(shù)據(jù)采集處理等單元組成，可測試的參數(shù)為壓力、溫度、流量、扭矩和轉(zhuǎn)速，根據(jù)扭矩和轉(zhuǎn)速參數(shù)可得到功率值。

測試臺位上裝有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、磁粉制動器、軸承座、支承座、聯(lián)軸器和裝卡液壓鑿巖機(jī)的裝置。泵站或管路上裝有壓力、溫度傳感器，在正轉(zhuǎn)回油管路上安裝流量計。

測試中壓力、溫度分別由壓力傳感器和銅熱電阻傳感器檢測，經(jīng)各自的數(shù)字顯示儀表輸出電壓信號，并與檢測的流量計輸出的電信號一起經(jīng)模擬量輸入口送入扭矩儀中。這些信號與扭矩、轉(zhuǎn)速信號一起通過RS232 通訊接口與微機(jī)相連，微機(jī)控制扭矩儀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，并由打印機(jī)輸出測試結(jié)果。采用磁粉制動器作為負(fù)載，通過調(diào)節(jié)直流穩(wěn)壓電源施加激磁電流而產(chǎn)生不同的制動力。

2.3 鑿巖測試系統(tǒng)

鑿巖測試系統(tǒng)如圖4 所示。液壓鑿巖機(jī)鑿孔速度的測試共用沖擊性能臥式臺，配加巖石移動車，用于變換鑿孔孔位，巖石移動車包括：壓石板、框架、巖石托架。滾輪、升降輪裝在框架上，巖石托架上放置試驗巖石，通過升降輪和液壓支柱實現(xiàn)巖石塊的升降（Y 方向），而滾輪組件和卡軌器實現(xiàn)巖石塊的水平移動（X 方向），壓石板和四個長螺桿、螺母將巖石固定在巖石托架上。當(dāng)變換鑿孔排距完成后，在巖石托架底部和框架的空間放置墊塊，利用托架上巖石和托架的自重壓在墊塊上與巖石移動車形成一整體。整個巖石移動車采用卡軌器固定在與地基成一體的鋼軌上，可承受鑿巖作業(yè)帶來的巨大沖擊力和振動，以實現(xiàn)鑿巖機(jī)鑿巖速度參數(shù)的測試。液壓動力站輸出液壓油供給液壓鑿巖機(jī)和推進(jìn)缸，在臺架上設(shè)有位移傳感器，配以數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)計時，以檢測鑿孔速度，液壓參數(shù)的采集與沖擊性能測試參數(shù)相同。

圖4 鑿巖測試系統(tǒng)

2.4 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)由4 個（沖擊、旋轉(zhuǎn)、緩沖、推進(jìn)）獨立的液壓回路構(gòu)成。全部采用開式回路。液壓系統(tǒng)如圖5 所示。

圖5 液壓系統(tǒng)圖

沖擊和旋轉(zhuǎn)回路分別有兩個大功率（45 kW,30 kW）軸向柱塞變量泵，通過對應(yīng)配油板，連接溢流閥，比例溢流閥，單向閥和電液換向閥對液壓鑿巖機(jī)沖擊和旋轉(zhuǎn)部分供油，其壓力可由溢流閥或比例溢流閥實施整定。

緩沖和推進(jìn)回路由一個雙聯(lián)齒輪泵，分別通過對應(yīng)配油板、連接溢流閥、比例溢流閥、電磁換向閥供給液壓鑿巖機(jī)緩沖部和推進(jìn)缸，其壓力可由溢流閥或比例溢流閥實施整定。

沖擊和旋轉(zhuǎn)回路均直接回油（不經(jīng)換向閥）；其余油路經(jīng)換向閥回油。沖擊進(jìn)油、回油和旋轉(zhuǎn)回油路中均設(shè)置濾油器，過濾液壓油，在沖擊回油路中設(shè)置板式冷卻器對系統(tǒng)冷卻。

2.5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和測試程序及監(jiān)控系統(tǒng)

研制了專用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基于ARMRCortexTM-M4 為內(nèi)核的STM32F4 系列高性能微控制器(MCU)，采用控制器集成的AD 轉(zhuǎn)換器（轉(zhuǎn)換精度12 位），共16 個外部信號源（即16 通道），可以滿足本項目性能參數(shù)測試需要，每次轉(zhuǎn)換結(jié)束，產(chǎn)生中斷，具備可編程的采樣時間，最小采樣時間為1 微秒，通道轉(zhuǎn)換期間有DMA 請求。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將應(yīng)變片、傳感器等輸出轉(zhuǎn)化為電信號，由于信號電平比較低，需要經(jīng)過信號調(diào)理單元進(jìn)行信號放大、濾波及噪聲消除。經(jīng)過調(diào)理的信號將送到微控制器的AD 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，得到數(shù)字量的數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過DMA 傳輸通道將數(shù)據(jù)送到內(nèi)存中，當(dāng)完成規(guī)定數(shù)據(jù)的采集后，DMA 通道將產(chǎn)生一個中斷，告訴MCU 對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，MCU將對數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波，電平檢測，對滿足預(yù)設(shè)條件的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析并保存。同時MCU 還可以通過串口通信方式將波形數(shù)據(jù)發(fā)送到上位計算機(jī)。

設(shè)計的測試程序具備打開文件、新建文件、參數(shù)設(shè)置、標(biāo)定、測試、查看數(shù)據(jù)、保存等功能，可以實時采集并顯示沖擊能量、沖擊頻率、最大應(yīng)力、流量、壓力、溫度、鑿巖速度、頻率等測試參數(shù)和實時繪制應(yīng)力波曲線。所有界面中，實驗日期自動生成。

監(jiān)控系統(tǒng)采用CS-C3W-1B2WFR 網(wǎng)絡(luò)高清攝像頭作為智能攝像頭控制系統(tǒng)的視頻采集設(shè)備，主要負(fù)責(zé)信息的采集，通過在檢測室搭建移動4G 網(wǎng)絡(luò)基站，為視頻采集設(shè)備提供穩(wěn)定、高速的網(wǎng)絡(luò)支持，通過搭載Micro SD 卡的方式實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的24 小時存儲和回放功能，并通過配套的終端軟件，實現(xiàn)電腦、手機(jī)等多用戶對測試現(xiàn)場的實時監(jiān)控。

3 測試結(jié)果

3.1 沖擊性能

采用沖擊性能測試系統(tǒng)對液壓鎬、液壓錘、支腿式液壓鑿巖機(jī)、導(dǎo)軌式液壓鑿巖機(jī)、高爐開口液壓鑿巖機(jī)等產(chǎn)品按照GB/T5621-2008 鑿巖機(jī)械與氣動工具性能試驗方法國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行了測試，沖擊性能的部分測試結(jié)果見表2。

表2 沖擊性能測試結(jié)果

按照GB/T 5621-2008 鑿巖機(jī)械與氣動工具性能試驗方法國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，應(yīng)記錄25 個入射波，由此逐一計算岀能量，并取平均值。圖6～圖9 給出連續(xù)25 次沖擊的測桿最大應(yīng)力、沖擊能、沖擊頻率的平均值和方差及不同的顏色的四條應(yīng)力波形采樣曲線，并和記錄中該次的數(shù)據(jù)相對應(yīng)（1，9，17，25）。

圖6 QL-Y28 支腿式液壓鑿巖機(jī)測試結(jié)果

3.2 回轉(zhuǎn)性能

采用沖擊性能測試系統(tǒng)對導(dǎo)軌式液壓鑿巖機(jī)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果見表3 和圖10。

圖7 H＊28 導(dǎo)軌式液壓鑿巖機(jī)（進(jìn)口）測試結(jié)果

圖8 仿＊1840 導(dǎo)軌式液壓鑿巖機(jī)測試結(jié)果

圖9 YYG250B 高爐開口液壓鑿巖機(jī)測試結(jié)果

圖10 D＊700 導(dǎo)軌式液壓鑿巖機(jī)扭矩-轉(zhuǎn)速，功率-轉(zhuǎn)速曲線

表3 扭矩測試結(jié)果