應(yīng)力波法測(cè)試液壓鑿巖機(jī)的應(yīng)用

高波 ，楊楨毅 ，呂闖 ，王富成

（1．長(zhǎng)沙礦冶研究院責(zé)任有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；2.重慶格徳瑞重工智能裝備研究院，重慶榮昌402460；3.深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

1 前言

沖擊能量是鑿巖機(jī)、鎬、錘最重要的性能指標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)外鑿巖機(jī)、沖擊類機(jī)具等產(chǎn)品廣泛應(yīng)用應(yīng)力波法檢測(cè)沖擊能量，應(yīng)力波法突出的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需改裝或破壞產(chǎn)品，也是目前國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（ISO2787∶1984）和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T5621-2008)規(guī)定的沖擊能量試驗(yàn)方法[1]。

液壓鑿巖機(jī)與氣動(dòng)鑿巖機(jī)相比，在同等鑿巖工效下，具有能耗低（僅為氣動(dòng)鑿巖機(jī)的1/4～1/3）、作業(yè)環(huán)境良好（噪聲小、無(wú)油霧）、主要零件壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，而且便于實(shí)施鑿巖作業(yè)自動(dòng)化，朝著大功率的方向發(fā)展。各國(guó)生產(chǎn)商和研究機(jī)構(gòu)都比較重視液壓鑿巖機(jī)性能參數(shù)的測(cè)試，經(jīng)過(guò)業(yè)內(nèi)人士的多年努力，現(xiàn)己解決了國(guó)內(nèi)有些文獻(xiàn)所述應(yīng)力波法應(yīng)變計(jì)易損壞的問(wèn)題和攻克了一些關(guān)鍵技術(shù)，經(jīng)歷多次較大功率液壓鑿巖機(jī)測(cè)試 （一次應(yīng)變計(jì)粘貼）而保持?jǐn)?shù)據(jù)可靠、重復(fù)性好的結(jié)果。在各種測(cè)試方法中，應(yīng)力波法測(cè)試液壓鑿巖機(jī)占據(jù)了較大的比例。長(zhǎng)沙礦冶研究院和相關(guān)單位合作，分別已建立了40余臺(tái)套電動(dòng)、內(nèi)燃、氣動(dòng)、液壓、水力等動(dòng)力的鑿巖機(jī)和液壓錘、電錘及沖擊式氣動(dòng)工具應(yīng)力波法性能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)，其中建立了6臺(tái)套液壓鑿巖機(jī)（錘）性能參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。

2 應(yīng)力波沖擊能量測(cè)試系統(tǒng)

2.1 測(cè)試系統(tǒng)

液壓鑿巖機(jī)沖擊性能測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示，被測(cè)樣機(jī)、帶測(cè)桿的吸能器安裝在臥式或立式臺(tái)架上。推進(jìn)缸給鑿巖機(jī)械施加推力。測(cè)桿需要足夠的長(zhǎng)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。吸能器采用長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)[2]，內(nèi)置摩擦片和吸能材料，模擬實(shí)際工作過(guò)程中能量被不斷吸收的情況，并消除了釬桿的多余振動(dòng)，也提高了應(yīng)變片的使用壽命。

圖1 液壓鑿巖機(jī)械沖擊性能測(cè)試系統(tǒng)

在釬桿上采用兩組應(yīng)變片相對(duì)粘貼于釬桿兩側(cè)，串聯(lián)作為半橋的一臂檢測(cè)釬桿中之縱波。橋路中測(cè)取的電壓經(jīng)應(yīng)變儀適當(dāng)放大，輸入到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，依次準(zhǔn)確地俘獲每次沖擊的入射應(yīng)力波，經(jīng)A/D變換，通過(guò)接口輸入微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。得到連續(xù)25次沖擊的測(cè)桿最大應(yīng)力、沖擊能和沖擊頻率及其統(tǒng)計(jì)值。由打印機(jī)給出相應(yīng)的數(shù)字結(jié)果和四條應(yīng)力波形采樣曲線；進(jìn)油壓力、回油壓力測(cè)試分別由安置在管道中的壓力傳感器完成，經(jīng)由二次儀表放大，送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，調(diào)入微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和打?。粵_擊進(jìn)油流量的測(cè)試通過(guò)安置在管道中的高壓流量計(jì)完成，經(jīng)由二次儀表變成模擬量信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中進(jìn)行變換，輸入微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和打印結(jié)果。

2.2 系統(tǒng)標(biāo)定和測(cè)試參數(shù)

由于測(cè)試系統(tǒng)受多種條件的影響，標(biāo)定工作是保證測(cè)試精度的重要手段。本系統(tǒng)沖擊能標(biāo)定采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定的自由落錘標(biāo)定，在立式試驗(yàn)臺(tái)上，由導(dǎo)向的落錘自給定高度撞擊測(cè)桿，計(jì)算其產(chǎn)生的理論最大應(yīng)力σmax。

φ——最大應(yīng)力系數(shù)

E——測(cè)桿彈性模量，N/m2

C——波速，m/s

g——重力加速度，m/s2

h——落錘下落高度，m

式中Bs——應(yīng)力標(biāo)定系數(shù)

在測(cè)試時(shí)，由測(cè)試得出的應(yīng)力波各采樣點(diǎn)量化值和標(biāo)定系數(shù)，即可得出：

釬桿的最大應(yīng)力σmax=Bs·nmax

式中Ep——沖擊能

A——測(cè)桿截面積

τ——波的持續(xù)時(shí)間

σ——應(yīng)力波值

n——應(yīng)力波各采樣點(diǎn)量化值

本系統(tǒng)落錘下落采用標(biāo)定管導(dǎo)向，標(biāo)定管采用精拔無(wú)縫鋼管制造，落錘與測(cè)桿等截面。標(biāo)定管上部裝有一套掛錘機(jī)構(gòu)，提升落錘在設(shè)定的某一位置上，通過(guò)釋錘機(jī)構(gòu)，使落錘在標(biāo)定管中順管壁自由下落撞擊釬桿進(jìn)行標(biāo)定。

吸能器反射能量Er和入射能量Ep之比稱為能量反射系數(shù)：

它反映了吸能裝置的吸能特性，在標(biāo)定時(shí)對(duì)反射能量進(jìn)行測(cè)定。要滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T5621-2008規(guī)定“反射能量不應(yīng)超過(guò)入射能量的20%”的要求。

進(jìn)油和回油壓力采用精密壓力表（壓力表校驗(yàn)儀）進(jìn)行標(biāo)定。沖擊頻率由電測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部時(shí)鐘給定，不需另行標(biāo)定。

流量和溫度由廠家提供的校驗(yàn)單數(shù)據(jù)和資料進(jìn)行標(biāo)定。

將標(biāo)定完畢后的吸能器用臺(tái)架上的專用卷?yè)P(yáng)設(shè)備從地坑中吊出，安裝在臥式臺(tái)架上進(jìn)行液壓鑿巖機(jī)沖擊性能測(cè)試。

測(cè)試系統(tǒng)采集釬桿最大應(yīng)力、沖擊能量、沖擊頻率、進(jìn)油壓力、回油壓力、進(jìn)油流量、緩沖進(jìn)油壓力、緩沖進(jìn)油流量等參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)計(jì)算沖擊功率和能量利用率。

式中Pi——沖擊功率，kW

Ep——沖擊能量，J

f——沖擊頻率，Hz

能量利用率

式中η——能量利用率，%

△p——沖擊進(jìn)油壓力與回油壓力差，MPa

Q——沖擊進(jìn)油流量，L/min

2.3 液壓系統(tǒng)和動(dòng)力站

液壓系統(tǒng)由4個(gè)（沖擊、旋轉(zhuǎn)、緩沖、推進(jìn)）獨(dú)立的液壓回路構(gòu)成。全部采用開式回路。沖擊和旋轉(zhuǎn)回路分別有兩個(gè)大功率軸向柱塞變量泵，通過(guò)對(duì)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(duì)液壓鑿巖機(jī)沖擊和旋轉(zhuǎn)部供油，其壓力可由溢流閥或比例溢流閥實(shí)施整定；流量由變量泵手輪進(jìn)行調(diào)整。

緩沖和推進(jìn)回路由一個(gè)雙聯(lián)齒輪泵，分別通過(guò)對(duì)應(yīng)配油板，連接溢流閥，比例溢流閥和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(shí)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，對(duì)液壓油進(jìn)行過(guò)濾；在沖擊回油路中設(shè)置板式冷卻器進(jìn)行系統(tǒng)冷卻。

液壓動(dòng)力站由泵站，油箱，流量檢測(cè)臺(tái)、控制臺(tái)和儀表臺(tái)五部分構(gòu)成。泵站由4個(gè)回路的泵組和配油板緊固于專用底板上，底座周邊設(shè)置集油槽，以避免調(diào)試或維修時(shí)液壓油泄漏至地面。油箱中部設(shè)有隔板，分為前、后兩部分，3個(gè)泵自油箱前部吸油，回油及溢油均接至油箱后部；油箱兩側(cè)設(shè)置回油濾油器，后側(cè)置冷卻器。設(shè)置了專用流量檢測(cè)臺(tái)，將流量和壓力傳感器集中布置；每路流量測(cè)試回路通過(guò)三個(gè)高壓球閥組成并聯(lián)支路，在不進(jìn)行流量測(cè)試時(shí)，可以鎖閉流量計(jì)。控制臺(tái)內(nèi)裝有控制電路、壓力表、控制電氣按鈕、遠(yuǎn)程壓力調(diào)節(jié)閥和指示燈等。因該系統(tǒng)儀器較多（尤其是二次儀表），為了使儀表之間布線合理和測(cè)試工作方便，設(shè)立儀表臺(tái)，將所有二次儀表（壓力、流量、溫度）、儀器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機(jī)、打印機(jī)等安裝在儀表臺(tái)上。

3 液壓鑿巖機(jī)測(cè)試

3.1 測(cè)試工作

2018年6月長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司和重慶格徳瑞重工智能裝備研究院雙方人員在國(guó)家冶金工業(yè)釬具質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)中心實(shí)驗(yàn)室,采用上述測(cè)試系統(tǒng)，對(duì)重慶格徳瑞重工有限公司生產(chǎn)的DZYG38B液壓鑿巖機(jī)按照GB/T5621-2008鑿巖機(jī)械與氣動(dòng)工具性能試驗(yàn)方法國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，進(jìn)行了測(cè)試工作。在1臺(tái)樣機(jī)上分別采用2種不同的沖擊活塞進(jìn)行試驗(yàn)，DZYG38B液壓鑿巖機(jī)重155 kg,蓄能器的充氣壓力11.0 MPa，推進(jìn)油缸內(nèi)徑 63 mm，推進(jìn)壓力（4.1～4.6）MPa，測(cè)桿R39中空鋼，標(biāo)定落錘下落高度2.0 m，進(jìn)行了2種沖擊活塞3個(gè)頻段和2檔沖擊進(jìn)油壓力的實(shí)驗(yàn)，每次采樣得出連續(xù)25次沖擊的應(yīng)力、能量、頻率值數(shù)據(jù)，同時(shí)繪出的四條應(yīng)力波形曲線（對(duì)應(yīng)第1次、第9次、第17次、第25次的數(shù)據(jù)），并給出對(duì)應(yīng)的均值和均方差值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)表1、圖 2～圖 4 和表 2、圖 5～圖 7。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

被測(cè)樣機(jī)的沖擊性能參數(shù)和瑞典阿特拉斯公司液壓鑿巖機(jī)沖擊性能參數(shù)[3]的比較如表3所示。

由表1和表2及表3的比較分析，得出：

（1）長(zhǎng)活塞最大沖擊功率達(dá)到17.72 kW，此時(shí)能量利用率50.25%；短活塞最大能量利用率56.92%時(shí)，沖擊功率達(dá)到16.06 kW；

（2）長(zhǎng)活塞在3個(gè)不同的頻段中沖擊壓力（18.0～19.0）MPa時(shí)的能量利用率高于在沖擊壓力23.0 MPa時(shí)的能量利用率，短活塞也基本呈現(xiàn)同一趨勢(shì)（在中頻段能量利用率較接近）；

表1 長(zhǎng)活塞沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

圖2

圖3

表2 短活塞沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

圖4

（3）在相同的狀態(tài)下，短活塞的能量利用率高于長(zhǎng)活塞的能量利用率，但短活塞的沖擊能量、沖擊頻率低于長(zhǎng)活塞的沖擊能量、沖擊頻率。

圖5

（4）從表3中可以看出：DZYG38B液壓鑿巖機(jī)（機(jī)重 155 kg）的沖擊功率和 COP1238HE（機(jī)重 160 kg）和 Cop1550（機(jī)重 160 kg）液壓鑿巖機(jī)的沖擊功率相同，但略低于COP1838HE液壓鑿巖機(jī)（機(jī)重174 kg）的沖擊功率。

通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果比較分析，建議：該液壓鑿巖機(jī)采用18.0 MPa的沖擊工作壓力和選用短活塞配套液壓鉆車上使用。

圖6

圖7

表3 液壓鑿巖機(jī)沖擊性能參數(shù)比較

4 結(jié)語(yǔ)

應(yīng)力波法測(cè)試鑿巖機(jī)突出的優(yōu)點(diǎn)是無(wú)需改裝或破壞產(chǎn)品，它試驗(yàn)精度高、重復(fù)性好、測(cè)試時(shí)間短（一般在幾秒種之內(nèi)），便于實(shí)施。適應(yīng)于產(chǎn)品的改進(jìn)、研究開發(fā)、抽檢，評(píng)價(jià)。目前國(guó)內(nèi)外鑿巖機(jī)械、沖擊類工具等產(chǎn)品廣泛應(yīng)用應(yīng)力波法檢測(cè)沖擊能，并是國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)指定的檢測(cè)方法。

通過(guò)本次DZYG38B導(dǎo)軌式液壓鑿巖機(jī)的測(cè)試和國(guó)內(nèi)應(yīng)力波法液壓鑿巖機(jī)和液壓錘測(cè)試系統(tǒng)的使用，說(shuō)明應(yīng)力波法鑿巖機(jī)測(cè)試系統(tǒng)不僅適用氣動(dòng)鑿巖機(jī)和沖擊式氣動(dòng)工具等產(chǎn)品的測(cè)試，也適用沖擊功率較大的液壓鑿巖機(jī)和液壓錘等產(chǎn)品的測(cè)試。

本次的測(cè)試結(jié)果表明：DZYG38B導(dǎo)軌式液壓鑿巖機(jī)的沖擊性能參數(shù)達(dá)到了比較高的水平。