鑿巖機及沖擊類工具應力波法測試技術

高波，夏劍輝，李勇濤，呂闖

(1.長沙礦冶研究院責任有限公司，湖南 長沙410012；2.深海礦產資源開發利用技術國家重點實驗室，湖南 長沙410012；3.浙江開山重工股份有限公司，浙江 衢州324002)

1 前言

鑿巖機和沖擊類工具的測試依試驗目的不同可分為三種。一是性能參數測試，行業上采用應力波測試系統進行這種試驗，主要用于測試鑿巖機和沖擊類工具性能參數，該種方法試驗精度高，測試時間短（一般在幾秒種之內），準備時間長，所需儀器、設備較多，試驗操作復雜，適應于產品的改進、開發、抽檢以及評價產品的性能品質。二是運行試驗，主要用于產品出廠檢驗、考核產品整機裝配質量、運行穩定性。產品出廠前要進行逐臺檢測，其測試時間稍長（一般要十幾秒以上）。它要求在模擬實際鑿巖狀態下對鑿巖機運行參數作連續觀測，試驗操作要簡單，適用于控制產品的出廠質量。三是壽命試驗，這種試驗主要是考核鑿巖機零部件壽命，屬破壞性試驗，其特點為測試周期長，成本高，目前行業上尚無成熟的壽命試驗臺。

天水風動工具研究所（現天水鑿巖機械氣動工具研究所）和長沙礦冶研究院（現長沙礦冶研究院有限責任公司）合作的應力波法測試鑿巖機沖擊能量的研究項目于1984年8月通過機械工業部的鑒定，當年國際標準ISO2787——1984鑿巖機械與氣動工具性能試驗方法正式發布，我國在國際標準發布之前已有該項技術的自主知識產權，并于1987年7月獲國家科技進步三等獎。分別在鑿巖機及沖擊類工具生產企業、質檢機構、高等院校等近30家單位建立了電動、內燃、氣動、液壓及水力等鑿巖機、液壓錘和電錘及氣鎬等錘鎬、氣動鉚釘機、氣鏟及打釘機等氣動工具40余臺套應力波法性能參數測試系統。

2 氣動鑿巖機性能參數測試系統

氣動鑿巖機性能測試系統如圖1所示，被測樣機、帶測桿的吸能器安裝在立式臺或臥式臺（用于導軌式氣動鑿巖機的測試），推進缸給氣動鑿巖機施加推力。測桿需要足夠的長度，以準確地捕獲入射應力波形，為避免反射波的干擾，其一端置于吸能器中。吸能器采用長管結構，內置摩擦片和吸能材料，模擬實際工作過程中能量被不斷吸收的情況，吸能器可消除釬桿的多余振動，提高了應變片的使用壽命。吸能器上測桿尾柄尺寸分別為H22×108、H25×159（測尾柄H25×108時加墊片），Φ32釬尾和Φ38釬尾（幾種型號的導軌式鑿巖機）等。

釬桿上兩組應變片相對粘貼于釬桿兩側，串聯作為半橋的一臂檢測釬桿中的縱波。橋路中測取的電壓經應變儀適當放大，輸入到數據采集系統，依次準確地捕獲每次沖擊的入射應力波，經數據采集系統A/D變換，通過接口輸入微機進行數據處理，得到連續25次沖擊的測桿最大應力、沖擊能和沖擊頻率及其統計值。由打印機給出相應的數字結果和四條應力波形采樣曲線，作為應用本系統的實例，S82氣動鑿巖機沖擊能量測試結果見圖2所示[1]。特別說明：由于被測樣機為非標準樣機，而且生產和測試時間不同，不能作為產品的性能比對資料，僅用于本文應用各系統的實例（下同）。

工作壓力測試用安置在氣罐車上的壓力傳感器完成，經由二次儀表放大，送入數據采集系統的A/D板進行轉換，調入微機進行數據處理、打印和繪圖。

電測系統受多種條件的影響，標定工作是保證測試精度的重要手段。本系統沖擊能標定采用國際標準所規定的自由落錘標定，標定工作在立式試驗臺上進行。由導向的落錘自一系列不同高度撞擊測桿，計算其產生的最大應力和沖擊能標定系數。

落錘下落采用2種導向方式。（1）標定管導向：標定管采用精拔無縫鋼管制造，落錘與測桿等截面，標定管上部裝有一套掛錘機構，提升落錘在設定的某一位置上，通過釋錘機構，使落錘在標定管中順管壁自動下落撞擊釬桿進行標定；（2）鋼絲導向：用鋼絲穿于吸能器、測桿、落錘中心孔內懸掛在臺架頂部，利用吸能器自身的重量，使鋼絲與地面呈垂直狀態，落錘順鋼絲下落撞擊釬桿進行標定。

圖1 氣動鑿巖機沖擊性能測試系統

圖2 最大應力、沖擊能量和沖擊頻率測試結果

吸能器反射能量Er和入射能量Ep之比稱為能量反射系數，它反映了吸能裝置的吸能特性，在標定時對反射能量進行測定。要滿足國際標準ISO2787——1984規定“反射能量不應超過入射能量的20%”的要求。

耗氣量和鑿巖頻率在鑿巖狀態下測定，其系統如圖3所示，由臥式臺架、巖石移動架（車）、儲氣罐和數據采集組成。臥式臺架安裝鑿巖機和推進裝置；巖石移動架（車）安放巖石，可做X、Y方向移動，以變換鑿孔孔位；儲氣罐（車）保證在測壓點得到低速度氣流，還可以衰減氣流中的脈沖，以保證正確的流量（耗氣量）的測定，其上安裝有壓力、流量、溫度傳感器和精密壓力表，儲氣罐的截面積和容積應符合GB/T 5621標準要求。

圖3 狀態測試系統圖

鑿巖機耗氣量采用LZDH電遠傳轉子流量計進行測定，為了防止壓氣沖擊流量計，在流量計旁設置了并聯管路。耗氣量（包括相應的壓氣溫度）、工作氣壓和鑿巖頻率的測定在鑿巖狀態下同時進行，流量由電遠傳流量計通過電路轉換成電壓信號。壓氣壓力、鑿巖頻率和壓氣溫度分別由安裝在儲氣罐和鑿巖機進氣口的壓力傳感器和溫度傳感器輸出信號，這些信號分別饋入各自的二次儀表，然后輸出電壓信號。以上電壓信號經過數據采集系統A/D變換成數字信號送入微機進行數據采集和處理，耗氣量由測得的流量、工作壓力、壓氣溫度三個參數換算后得出。手持和氣腿式鑿巖機的轉速在空載狀態下測定，由置于沖擊能臺架旁的一專門立式無負載轉速測試裝置來進行，測試時，釬桿與轉速傳感器用軟軸連接，傳感器輸出信號也經數據采集系統A/D變換后送入微機處理。上述結果都可由打印機輸出。圖4為氣動鑿巖機測試臺。

外回轉導軌式鑿巖機回轉性能測試系統與本文后面介紹的液壓鑿巖機回轉性能測試系統基本相同。

圖4 氣動鑿巖機測試臺

本系統亦可用于內燃鑿巖機和電動鑿巖機沖擊能、沖擊頻率的測試，測試時不采用供氣測試裝置，其動力為自帶內燃機或電機。氣動鑿巖機測試系統實物圖見圖5。

3 液壓鑿巖機性能參數測試系統

液壓鑿巖機沖擊性能測試系統如圖6所示，被測樣機、帶測桿的吸能器安裝在臥式或立式臺架上。推進油缸給鑿巖機械施加推力。吸能器的測桿尾柄可分別采用Φ22×108和Φ25×108（支腿式液壓鑿巖機）、Φ38和Φ45花鍵，或與被測產品釬尾打擊端相同尺寸（導軌式液壓鑿巖機）。

測桿上的應變片串聯在橋路中，以檢測釬桿中的縱波。橋路中測取的電壓經應變儀適當放大，輸入到數據采集系統，依次準確地捕獲每次沖擊的入射應力波，經A/D變換，通過接口輸入微機進行數據處理。一般取連續25次沖擊的測桿最大應力、沖擊能和沖擊頻率及其統計值和四條應力波形采樣曲線。作為應用本系統的實例，DZYG38B導軌式液壓鑿巖機沖擊能量測試結果如圖7所示[2]。

進油壓力、回油壓力測試分別由安置在管道中的壓力傳感器完成，經由二次儀表放大，送入數據采集系統進行A/D轉換，調入微機進行數據處理并打印。

沖擊進油流量的測試通過安置在管道中的流量計完成，經由二次儀表變成模擬信號送入數據采集系統中進行變換，輸入微機進行數據處理并打印結果。

本系統沖擊能標定采用國際標準所規定的自由落錘標定，標定工作在立式試驗臺上進行。其原理和方法同氣動鑿巖機測試系統。進油和回油壓力采用精密壓力表和壓力表校準儀進行標定。沖擊頻率由電測系統內部時鐘給定，不需另行標定，流量由廠家提供的校驗單數據進行標定，溫度采用標準電阻進行標定。

圖5 氣動鑿巖機測試系統實物

圖6 液壓鑿巖機沖擊性能測試系統

圖7 最大應力、沖擊能量和頻率測試結果

導軌式液壓鑿巖機測試時，將標定完畢后的吸能器用臺架上的專用卷揚設備從地坑中吊出，安裝在臥式臺架上進行沖擊性能測試。

支腿式液壓鑿巖機和液壓錘等產品的測試，標定完后通過轉動立式臺架上的推進裝置，直接在立式臺上測試。

測試系統采集釬桿最大應力、沖擊能量、沖擊頻率、進油壓力、回油壓力、進油流量、緩沖進油壓力、緩沖進油流量等參數，根據這些參數計算沖擊功率和能量利用率。

液壓鑿巖機回轉性能測試系統如圖8所示，由測試臺位、動力站、扭矩儀和微機數據采集處理等單元組成，可測試壓力、溫度、流量、扭矩和轉速，根據扭矩和轉速參數值可得到功率值。測試臺位上裝有轉矩轉速傳感器、磁粉制動器、軸承座、支承座、聯軸器和裝卡液壓鑿巖機的裝置。泵站或管路上裝有壓力、溫度傳感器，在正轉回油管路上裝有流量計。

圖8 回轉性能參數測試系統圖

壓力、溫度分別由壓力傳感器和銅熱電阻傳感器測量，經各自的數字顯示儀表輸出0～5 V電壓信號，并與流量計輸出的電信號一起經模擬量輸入口送入扭矩儀中。這些信號與扭矩、轉速信號一起通過RS232通訊接口與微機相連，微機控制扭矩儀進行數據采集和處理，并由打印機輸出測試結果。采用磁粉制動器作為負載，通過調節直流穩壓電源施加激磁電流而產生不同的制動力，便于測試鑿巖機的各轉速點的扭矩值和相關的參數及曲線。

液壓鑿巖機性能參數測試系統需建立液壓動力站，通常液壓系統由4個（沖擊、旋轉、緩沖、推進）獨立的液壓回路構成。為了方便測試將流量和壓力傳感器集中布置并設置控制臺及儀表臺，每路流量測試回路通過高壓球閥組成并聯支路，在不進行流量測試時，可以鎖閉流量計；控制臺內裝有控制電路、壓力表、控制電氣按鈕、遠程壓力調節閥和指示燈等；所有二次儀表（壓力、流量、溫度）、儀器、數據采集系統、微機、打印機等安裝在儀表臺上或臺內。

本系統亦可用于液壓錘和液壓鎬沖擊能、沖擊頻率的測試。利用本系統的測試技術，已建立了水力鑿巖機應力波法測試系統。液壓鑿巖機和水力鑿巖機測試系統實物見圖9。

4 沖擊類工具測試系統

本系統測試氣動鉚釘機、氣鏟、氣動打釘機、氣鎬、氣錘、電錘等產品的沖擊性能，根據沖擊能的大小采用兩個臺位，臺位采用立柱式臺架（大臺位）和門式臺架（小臺位），被測產品適應的臺位和測試范圍見表1。大臺位的測試系統基本與氣動鑿巖機測試系統相同，僅采用立柱式臺，吸能器測桿的尾柄與氣鎬、氣動鉚釘機、氣鏟等被測產品的尾柄相同，而氣動打釘機吸能器的測桿為直桿。

圖9 液壓鑿巖機和水力鑿巖機測試系統實物圖

表1 被測產品適應的臺位和測試范圍

小臺位的測試系統與氣動鑿巖機測試系統基本相同，不同之處有：（1）采用門式臺架，見圖10，標定裝置固定在臺架內。落錘采用標定管導向，標定管采用精拔無縫鋼管制造，落錘與測桿等截面。落錘上端連接軟繩，通過軟繩提升落錘自設定的某一位置，下放落錘使其在標定管中下落后撞擊測桿進行標定，標定完成后，拆除標定裝置進行測試；（2）由于有些被測產品活塞較短，沖擊產生的入射波時間也較短，采樣點間隔≤1微秒，測桿截面小，粘貼位置受限且測桿應力也較大，勢必增加測試難度；（3）吸能器測桿尾柄與氣動鉚釘機、氣鏟、氣錘、電錘等產品尾柄相同，氣動打釘機吸能器測桿為直桿；（4）氣動打釘機測試三次或五次（標準未規定）單發沖擊能量值，由打印機給出相應的數字結果和應力波形采樣曲線。其他產品測試時記錄連續25次沖擊的測桿最大應力、沖擊能量和沖擊頻率并計算統計值。作為應用本系統的實例，G10氣鎬和314電錘沖擊能量測試結果見圖11。

圖10 小臺位測試系統

沖擊類工具測試系統實物圖見圖12。

5 結語

目前，國內廣泛應用應力波法檢測鑿巖機、沖擊類工具等產品的沖擊能量，應力波法突出的優點是無需改裝或破壞被測產品，它的試驗精度高、重復性好、測試時間短（一般在幾秒種之內完成），便于實施。是國際標準（ISO2787——1984）和國家標準(GB/T 5621——2008)規定的沖擊能量試驗方法。

經過多年的努力，現已解決了較大沖擊功率應變計易損壞的問題并攻克了一些關鍵技術，如經歷多次較大功率液壓鑿巖機測試（一次應變計粘貼）而保持數據可靠、重復性好的結果。

由于有些小型沖擊類工具的活塞較短，沖擊產生的入射波時間也較短，采樣點的間隔很小，對抗干擾提出了更高要求，測桿截面小，粘貼位置受限且測桿應力也較大，勢必增加測試難度。

圖11 最大應力、沖擊能量和沖擊頻率測試結果

圖12 沖擊類工具測試系統實物