應力波法測量鑿巖機沖擊能的研究

龔斌

(煤炭科學技術研究院有限公司， 北京 100013)

0 引言

氣動鑿巖機在煤礦井下主要用于巷道掘進中的鑿巖作業，是鉆爆法中鉆鑿爆破孔的關鍵工藝裝備，涉及的操作人員數量龐大，已納入煤礦設備安全標志管理范圍，具有易操作移動、成本低廉、勞動強度大、作業效率低、職業健康危害等優缺點。該類設備靠壓縮空氣推動活塞做高速往復運動，沖程時活塞沖擊釬具鑿碎巖石，回程時活塞帶動釬具回轉實現巖石的破碎與鉆進，沖擊能、沖擊頻率、轉矩轉速等參數是影響其鑿孔效率主要參數，其中沖擊能是核心因素，準確的測量鑿巖機沖擊能參數，對提升產品技術水平有重要的意義[1-2]。

1 沖擊能的測試方法分析

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

表1 沖擊能測試方法匯總

采用應力波法測試沖擊性能，鑿巖機活塞高速運動沖擊釬桿施加沖擊能量，并通過釬桿傳遞給吸能裝置。數組應變片粘貼于釬桿，采集鑿巖機施加在釬桿上的應變量，通過高速應變儀及計算機對采集信號進行處理分析運算后，得出沖擊能，測試原理如圖1所示。該方法已被《回轉式和沖擊式氣動工具-性能試驗》(ISO 2787—1984)與《鑿巖機械與氣動工具 性能試驗方法》(GB/T 5621—2008)標準采用，沖擊能測量范圍0～500 J，沖擊頻率測量范圍0～150 Hz，適用于一般氣動鑿巖類產品的性能測試。該方法操作過程繁瑣，但成本低、可行性強，應用更為廣泛。

圖1 應力波法測試沖擊能原理

采用受沖腔法測量沖擊能，鑿巖機產生的沖擊能作用于受沖腔，引起安裝于受沖腔活塞上的測量釬桿位移量變化或受沖腔內部油液壓力變化，上述位移量或油液壓力波動與沖擊能存在理論上的確定對應關系，通過公式計算得出沖擊能，沖擊能測量范圍0～200 J，沖擊頻率測量范圍0～80 Hz[3]。該方法測量結果受油液溫度變化、受沖腔密封性能影響顯著，實際操作難度很大。

采用末速度法測量沖擊能，通過動能公式計算得出，活塞質量可用稱重法準確測量，活塞在沖程階段末速度通過高清攝影技術亦可精確采集。 該方法測試結果相對于應力波法、受沖腔法更為準確可靠，沖擊能測量范圍0～1 000 J，沖擊頻率測量范圍0～200 Hz，適用范圍廣泛，可用于一般液壓及氣動鑿巖設備性能測試，但試驗設備昂貴，暫不具備在鑿巖機生產企業普遍推廣使用的條件。

2 應力波法測試沖擊能試驗系統

2.1 系統組成

試驗系統能基于GB/T 5621標準研發設計，主要由立式機械臺架、吸能裝置、落錘校準裝置、操作臺、測控系統等組成，試驗臺主體結構如圖2所示。該試驗系統能夠實時同步測量氣動鑿巖機沖擊能、沖擊頻率、試驗氣壓、耗氣量等主要性能參數，自動調控輸出0.40 MPa、0.50 MPa、0.63 MPa試驗氣壓，并具備沖擊能自校準功能[4]。其中吸能裝置為整個試驗系統的關鍵，其吸能效果直接影響測量結果的精度與可靠性，按標準規定吸能裝置的反射能量不能超過入射能量的20%。考慮到人工操作等因素，應變片粘貼存在不一致性，需要對應變片系數進行標定，本文研究的試驗系統采用自由落錘試驗作為裝置自校準方法。

1-立式機械臺架； 2-防護欄； 3-落錘校準裝置； 4-操作臺； 5-吸能裝置。

2.2 測控系統

測控系統主要由PLC控制箱、工控機、應變測試儀、壓力傳感器、氣體流量傳感器、電氣比例控制閥、校準裝置卷揚電動機及控制按鈕等組成，如圖3所示。試驗過程中，壓緊氣缸將被測鑿巖機安裝固定在立式臺架上并達到鑿巖機實際作業的推力。電氣比例控制閥調節試驗供氣壓力值恒定保持在標準規定值，壓力、流量傳感器實時采集實際供氣壓力值與耗氣量。

圖3 測控系統框圖

鑿巖機通過釬桿與吸能裝置連接，產生的沖擊能量被吸能裝置吸收，通過與釬桿粘連的應變測試儀采集釬桿的應力振幅，間接測試沖擊能，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個積分點的應力振幅，N/m2；Δt為單個應力的持續時間，s。

2.3 校準方法

落錘試驗法是國家標準規定的應力波法沖擊能測試裝置自校準方法，用標準質量落錘從規定高度自由釋放沖擊試驗釬桿，通過比對落錘理論勢能與測試結果對試驗系統進行單點校準。校準時，通過卷纜裝置控制試驗落錘上下升降、電吸盤控制試驗落錘釋放，落錘沿垂直管道自由落體在吸能裝置上。校準時，釬桿上的應力振幅如公式(2)所示。

(2)

式中：R為應力振幅，N/m2；ρ為釬桿材料密度，kg/m3；v為沖擊點落錘速度，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 試驗分析

采用末速度法、應力波法，以某企業生產的 YT27型氣動鑿巖機為例，在0.40 MPa、0.50 MPa、0.63 MPa試驗氣壓下進行沖擊能測試，測試結果如表2所示。 目前，末速度法是精度最高的沖擊能測試方法，一般情況下以該方法測試數據為基準(真值)，可見本文測試系統滿足GB/T 5621標準提出的采用應力波法測量沖擊能誤差不超過10%要求。[5]

表2 沖擊能測量結果統計

通過試驗操作及研究分析，試驗人員對應變片粘貼操作，以及試驗過程中鑿巖機高頻振動致使應變片松動，對測試結果有直接影響；同時，該方法測量的是釬桿上傳遞的沖擊能，存在能量傳遞損耗，沖擊能測試結果相對于末速度法偏低。

4 結論

由于經濟效益、應用水平等實際因素，在短時期內氣動鑿巖機等設備將依然普遍應用，沖擊能是產品鑿巖效率的核心因素，也是產品定型檢驗的關鍵參數。本文對比分析了應力波法、受沖腔法、末速度法三種沖擊能測試方法，建立了應力波法氣動鑿巖機測試系統，并通過試驗驗證了該系統測量精度滿足國標要求。通過本文研究可以看出，應力波法測量沖擊能精度偏低，主要原因是吸能裝置的吸能效果、應變片的粘貼等試驗設備及操作因素，以及間接測試作用于釬桿上的沖擊能、能量傳遞損耗等試驗方法的固有因素，還需對該方法進行深入研究。