氣動(dòng)鑿巖機(jī)能量利用率的計(jì)算

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）

1 前言

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。

2 計(jì)算

2.1 計(jì)算方法

（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

2.2 計(jì)算結(jié)果

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

3 結(jié)語

（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.