鄭蘇錄,高波
(1.衢州市特種設(shè)備檢驗(yàn)中心,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(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖南 長沙 410012)
1844年,英國人發(fā)明了以壓縮空氣為動(dòng)力的鑿巖機(jī),但存在一定的缺陷,實(shí)用性不好;1857年,意大利人對以往鑿巖機(jī)進(jìn)行改進(jìn)并宣布成功研制出新一代鑿巖機(jī) (公認(rèn)為氣動(dòng)鑿巖機(jī)誕生年),并在上世紀(jì)50年代在國外普遍采用;隨后20余年發(fā)展較快,生產(chǎn)廠商較多且品種繁多。我國氣動(dòng)鑿巖機(jī)是在解放后逐步發(fā)展起來的,雖然潛孔鉆機(jī)(其中潛孔沖擊器為氣動(dòng))和液壓鑿巖鉆車應(yīng)用取得了長足的進(jìn)步,但在鑿巖爆破工程中的應(yīng)用和產(chǎn)品的品種及產(chǎn)量上,氣動(dòng)鑿巖機(jī)仍占主要地位,氣動(dòng)鑿巖機(jī)由于自身結(jié)構(gòu)比較成熟,目前國內(nèi)該產(chǎn)品技術(shù)性能指標(biāo)及使用可靠性和質(zhì)量、壽命等較國外產(chǎn)品差距不大,其在國內(nèi)的市場占有率達(dá)90%以上,并有一定批量產(chǎn)品出口,其整體質(zhì)量已達(dá)到國際水平,但在產(chǎn)品的噪聲和振動(dòng)及能量利用率方面尚有差距。
氣動(dòng)鑿巖機(jī)主要包括:手持式鑿巖機(jī)、氣腿式鑿巖機(jī)、手持氣腿兩用鑿巖機(jī)、向上式鑿巖機(jī)、導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)等系列,廣泛應(yīng)用于礦業(yè)開采、開山筑路、興修水利、開鑿隧道、邊坡處理和國防施工建設(shè)及其它土石方工程。
氣動(dòng)鑿巖機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、容易維修、使用方便、價(jià)格低廉,但相對于液壓鑿巖機(jī)能耗較大。因此在全球重視節(jié)能降耗的今天,氣動(dòng)鑿巖機(jī)能量利用率的計(jì)算顯得尤為重要。然而,由于氣動(dòng)鑿巖機(jī)氣動(dòng)動(dòng)力過程較為復(fù)雜,目前沒有一種能給出準(zhǔn)確和清晰結(jié)果的計(jì)算方法,對氣動(dòng)鑿巖機(jī)能量利用率往往只有大概和模糊的概念,缺失準(zhǔn)確的量化數(shù)值。本文通過計(jì)算氣動(dòng)鑿巖機(jī)的輸入功率和輸出功率,得出氣動(dòng)鑿巖機(jī)的能量利用率,為氣動(dòng)鑿巖機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)、合理選用和氣動(dòng)鑿巖機(jī)的能耗評(píng)價(jià)提供參考。
(1)沖擊功率
式中NO——沖擊功率,kW
E——沖擊能量,J
F——沖擊頻率,Hz
(2)輸入功率
根據(jù)文獻(xiàn)[1],氣動(dòng)系統(tǒng)中壓縮空氣的有效能定義為:以大氣溫度和壓力狀態(tài)為外界基準(zhǔn),壓縮空氣具有的對外做功能力,即壓縮空氣所含焓中可轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的部分,該部分能量稱為壓縮空氣的有效能。該有效能是一個(gè)相對于大氣狀態(tài)基準(zhǔn)的相對量,是建立在氣動(dòng)系統(tǒng)都工作在大氣環(huán)境下這樣一個(gè)事實(shí)基礎(chǔ)上??諝饬鲃?dòng)時(shí),空氣流束所含的有效能表現(xiàn)為動(dòng)力形式,稱之為氣動(dòng)動(dòng)力。有效能可表達(dá)為等溫膨脹下的作功能力(理想作功能力)
式中EI——等溫膨脹下的作功,kJ
P——工作狀態(tài)壓縮空氣的絕對壓力,MPa
V——工作狀態(tài)的空氣體積,L
P0——大氣壓力,MPa
Vo——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)的空氣體積,L
壓縮空氣流束所含的有效氣動(dòng)動(dòng)力為
式中Ni——壓縮空氣流束所含的有效氣動(dòng)動(dòng)力,kW
Q——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)壓縮空氣容積流量(耗氣量),L/s
上式可以用來計(jì)算系統(tǒng)中各過程的壓縮空氣有效能和鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具產(chǎn)品的輸入功率。
為了計(jì)算方便,將鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具產(chǎn)品常用壓力的k值列出見表1。
表1 常用壓力k值
(3)能量利用率
應(yīng)用上述公式計(jì)算了手持式鑿巖機(jī)(含手持氣腿兩用鑿巖機(jī))、氣腿式鑿巖機(jī)、向上式鑿巖機(jī)等氣動(dòng)鑿巖機(jī)的沖擊部分能量利用率。為了方便計(jì)算,本文對氣動(dòng)鑿巖機(jī)性能參數(shù)選用天水鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具研究所編寫的鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具產(chǎn)品目錄(根據(jù)企業(yè)提供的資料),對后續(xù)新推出的產(chǎn)品性能參數(shù)則采用企業(yè)標(biāo)示值,所以表內(nèi)的性能參數(shù)不能作為氣動(dòng)鑿巖機(jī)的性能比對資料,僅用于本文能量利用率的計(jì)算。因?yàn)閷?dǎo)軌式鑿巖機(jī)的耗氣量有些含回轉(zhuǎn)和排粉耗氣量,導(dǎo)軌式鑿巖機(jī)未計(jì)算沖擊能量利用率,部分氣動(dòng)鑿巖機(jī)沖擊能量利用率的計(jì)算結(jié)果見表2至表4。
為了分析氣動(dòng)鑿巖機(jī)不同工作壓力的能量利用率變化規(guī)律,選用了三種氣腿式鑿巖機(jī)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行能量利用率的計(jì)算,其結(jié)果如表5所示。
表2 手持式鑿巖機(jī)計(jì)算結(jié)果 工作氣壓:0.4MPa
表3 氣腿式鑿巖機(jī)計(jì)算結(jié)果 工作氣壓:0.63MPa
表4 向上式鑿巖機(jī)計(jì)算結(jié)果 工作氣壓:0.63MPa
表5 三種樣機(jī)不同工作壓力計(jì)算結(jié)果
(1)本文在我國鑿巖機(jī)械行業(yè)內(nèi)提出了一種新的氣動(dòng)鑿巖機(jī)的能量利用率計(jì)算方法,可用于氣動(dòng)鑿巖機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)、合理選用和能耗評(píng)價(jià);
(2)計(jì)算結(jié)果表明:手持式鑿巖機(jī)和手持氣腿兩用鑿巖機(jī)能量利用率為17.82%~21.87%,氣腿式鑿巖機(jī)和向上式鑿巖機(jī)能量利用率為12.93%~18.53%,均低于液壓鑿巖機(jī)的能量利用率(50%左右);
(3)通過三種氣動(dòng)鑿巖機(jī)能量利用率的計(jì)算,表明其能量利用率的變化規(guī)律取決于氣動(dòng)鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù);
(4)本文能量利用率的計(jì)算方法,亦可用于氣動(dòng)工具(沖擊和回轉(zhuǎn)類)和潛孔沖擊器等產(chǎn)品能量利用率的計(jì)算。
參考文獻(xiàn):
[1]Maolin Cai,Kenji Kawashima,Toshiharu Kagawa.Power Assessment of Flowing Compressed Air[J].Journal of FluidsEngineering,2006,128(2):402-405.