巖石振動激勵模擬測試系統

李倩雯，王昌龍

（揚州大學 機械工程學院，江蘇 揚州 225100）

0 引言

在采礦和鉆井工程中，機械破巖是一種安全、高效的破巖方式，與其他破巖方式相比其呈現出巨大的優越性。機械破巖又可分為動載荷破巖、靜載荷破巖和動靜載荷組合破巖3種方式［1］。在以往的研究中，人們主要集中研究了前兩種破巖方式，然而隨著社會經濟技術的進步與實際的生產需要，動靜載荷組合破巖的研究變得越來越重要。本文研究了在動靜載荷組合方式下進行巖石破碎的試驗裝置，即巖石振動激勵模擬測試系統。

1 破巖系統的力學分析

破巖系統的沖擊能量是通過沖擊裝置的上下振動來獲得的，其力學模型為圖1所示。其中，沖擊裝置的質量為M，沖擊裝置撞擊鉆頭的末速度為v，鉆頭的平均波阻力為m，t時刻在刀具中產生的入射波為Q（t），Q（t）的波形會因沖錘形狀和撞擊面接觸情況的不同而發生變化，鑿入力為F。則鑿入巖石的微分方程為：

其中：K為鑿入系數。

在動靜載荷組合加載的情況下，有靜壓力Q0和入射波Q（t），Q（t）＝mve，將其代入式（1）解得：

將式（3）代入式（2）得最大鑿入力為：

若只有沖擊載荷，則最大鑿入力為：

比較式（4）和式（5）得 ：

由式（6）可知，當λ≥1時，Fmax/Fmax0＞1；當λ＜1時，Fmax/Fmax0＞1。因此鑿入力F隨靜壓力Q0的增大而增大，即在單純加載沖擊載荷的情況下對巖石所產生的破碎力小于在動靜載荷組合加載時產生的破碎力。

圖1 破巖系統的力學模型

2 巖石振動激勵模擬測試系統結構與工作原理

圖2為巖石振動激勵模擬測試系統機械結構。其由機架、靜壓力加載裝置、沖擊加載裝置、刀具及夾具裝置、傳動裝置、水平切削裝置、控制系統等部分組成。其工作原理為：靜載時鉆頭壓入巖石內部，當啟動控制激振臺振動的伺服電機后，激振臺開始振動，通過沖擊桿經橫梁與加靜載板擊打鉆頭，使鉆頭上下振動；另一方面電機通過傳動帶動鉆頭轉動，小車內的巖石在鉆頭的切削力及沖擊力的作用下而破碎。

圖2 巖石振動激勵模擬測試系統機械結構

系統工作時，靜壓力加載裝置通過傳動裝置帶動絲杠轉動從而使靜壓加載板向下壓縮碟簧，隨著碟簧的壓緊，靜載荷便逐漸加大，最后當碟簧壓縮到最小時，鉆壓最大。靜壓加載的作用一是維持刀具與巖石的接觸，克服刀具在沖擊時的反彈，改善沖擊能量的傳遞條件，從而提高沖擊能量的有效利用率；二是使巖石內部形成預加應力場，參與實質性破巖運動。當巖石的破碎主要由沖擊載荷引起時，靜壓力主要用來克服沖擊反彈力，改善沖擊鉆具的工作性能，并給刀具靜力去切削破碎殘留下來的巖脊，其最佳切削效果就是保證在兩次沖擊之間形成的脊巖能夠被剪切掉。

沖擊加載裝置是由振動臺的控制器控制振動臺的上下振動從而產生沖擊載荷，同時主軸電機旋轉帶動皮帶傳動機構使鉆頭轉動，在沖擊載荷的作用下實現對巖石的沖擊破碎。系統中選用蘇州航天希爾測試技術有限公司生產的型號為L315M的振動臺，其正弦推力為300kg，沖擊推力為600kg，頻率為2Hz～4 000Hz，持續位移及沖擊位移均為25.4mm，重量為490kg，功放的最大輸出功率為3kW。振動臺是將電能轉換為機械能的換能器，采用正弦脈沖寬度調制技術，結合振動臺對功放的特殊要求，產生一個由正弦信號控制占空比的矩形波，矩形波控制功率開關，將直流電源斬波，再通過解調即可得到一個滿足振動臺強烈要求的正弦信號。

傳動裝置分為加靜壓加載傳動裝置和電機旋轉傳動裝置。靜壓加載傳動裝置中，靜壓伺服電機輸出軸與小帶輪連接，經過兩級帶傳動帶動絲杠轉動，從而加載靜壓力。在電機旋轉傳動裝置中，旋轉電機主軸與小帶輪連接，通過同步帶帶動鉆頭旋轉從而達到切削巖石的目的。

3 系統的數據采集

本設計中數據采集系統以計算機、臺灣研華公司的PCI-1716數據采集卡和桂林星辰伺服電機等為主要硬件，以美國NI公司的LabVIEW2011為軟件開發平臺，采用虛擬儀器技術及信號處理技術構建了能夠實現信號采集與信號處理的多功能虛擬儀器系統。硬件主要是為系統提供測量的平臺，它將被測量數據通過電壓、變形量等載體形式輸出，由計算機進行接收，最后交由軟件處理控制［2］；軟件主要實現數據的采集、標定、計算、實時顯示、存儲等功能，以形象直觀的界面方式與用戶交互，以便用戶完成被測量的測量，并能實時了解系統的工作狀態和整體運行情況［3］。軟、硬件的綜合運用形成功能強大的數據采集系統、通信控制系統和運動控制系統。

圖3為數據采集系統框圖。位移傳感器與數據采集卡連接后，采集卡采集其模擬電壓，經LabVIEW軟件得到鉆深與時間的關系。稱重傳感器經信號放大器連接到數據采集卡，采集卡采集模擬電壓，經LabVIEW軟件得出鉆壓與時間的關系。在此稱重傳感器的信號相當于靜壓電機的力反饋信號。旋轉電機的轉速、扭矩直接由PC機通過RS232-485轉換器讀取，從而得出鉆頭扭矩、轉速與時間的關系。靜壓電機經伺服驅動器也與采集卡模擬量通道連接，從而使PC機控制靜壓電機的壓力大小。

圖3 數據采集系統框圖

圖4為系統數據采集基本流程。在程序開始后，系統先進行初始化設置，然后進行數據的采集 ，將采集到的鉆深、鉆壓、扭矩和轉速分別在屏幕上顯示出來，并將數據及時保存以便進行歷史查詢與分析。

圖4 系統數據采集基本流程圖

4 試驗結果

以水泥塊為試驗對象，由于水泥塊的硬度值較小，所以設定鉆壓為2N，鉆速為25r/min，得到的結果如圖5所示。由圖5可知，設定鉆壓和實際鉆壓接近，設定鉆速和實際鉆速相差也不大，縱向坐標（即鉆深）滿足短時間內的深度要求。試驗結果表明巖石振動激勵模擬測試系統能夠進行數據采集并實時顯示。

圖5 水泥塊的動態曲線

5 結論

巖石振動激勵模擬測試系統可以實現動靜載荷組合方式下的破巖研究，數據采集卡與LabVIEW軟件的結合成功實現了數據采集功能并能直觀、形象地提供實時數據。本系統為研究巖石的破碎特性和研制新型鉆鑿破巖設備以及提高破巖效率提供了較好的試驗平臺。

［1］趙伏軍.動靜載荷耦合作用下巖石破碎理論及試驗研究［D］.長沙：中南大學，2004：37-42.

［2］薛林.高速PCI數據采集卡的設計與實現［D］.南京：南京理工大學，2009：15-18.

［3］梁國偉，陳方泉，林祖偉.基于LabVIEW的串口數據采集的實現及應用［J］.計算機應用，2009（5）：57-58.

［4］閆玲，方開翔，姚壽廣.基于LabVIEW的多功能數據采集與信號處理系統［J］.江蘇科技大學學報，2006（3）：15-20.