氣動鑿巖機能量利用率的計算

鄭蘇錄，高波

（1.衢州市特種設備檢驗中心，浙江 衢州324002；2.長沙礦冶研究院責任有限公司，湖南 長沙410012；3.深海礦產資源開發利用技術國家重點實驗室，湖南 長沙 410012）

1 前言

1844年，英國人發明了以壓縮空氣為動力的鑿巖機，但存在一定的缺陷，實用性不好；1857年，意大利人對以往鑿巖機進行改進并宣布成功研制出新一代鑿巖機 （公認為氣動鑿巖機誕生年），并在上世紀50年代在國外普遍采用；隨后20余年發展較快，生產廠商較多且品種繁多。我國氣動鑿巖機是在解放后逐步發展起來的，雖然潛孔鉆機（其中潛孔沖擊器為氣動）和液壓鑿巖鉆車應用取得了長足的進步，但在鑿巖爆破工程中的應用和產品的品種及產量上，氣動鑿巖機仍占主要地位，氣動鑿巖機由于自身結構比較成熟，目前國內該產品技術性能指標及使用可靠性和質量、壽命等較國外產品差距不大，其在國內的市場占有率達90%以上，并有一定批量產品出口，其整體質量已達到國際水平，但在產品的噪聲和振動及能量利用率方面尚有差距。

氣動鑿巖機主要包括：手持式鑿巖機、氣腿式鑿巖機、手持氣腿兩用鑿巖機、向上式鑿巖機、導軌式鑿巖機等系列，廣泛應用于礦業開采、開山筑路、興修水利、開鑿隧道、邊坡處理和國防施工建設及其它土石方工程。

氣動鑿巖機結構簡單、容易維修、使用方便、價格低廉，但相對于液壓鑿巖機能耗較大。因此在全球重視節能降耗的今天，氣動鑿巖機能量利用率的計算顯得尤為重要。然而，由于氣動鑿巖機氣動動力過程較為復雜，目前沒有一種能給出準確和清晰結果的計算方法，對氣動鑿巖機能量利用率往往只有大概和模糊的概念，缺失準確的量化數值。本文通過計算氣動鑿巖機的輸入功率和輸出功率，得出氣動鑿巖機的能量利用率，為氣動鑿巖機的參數設計、合理選用和氣動鑿巖機的能耗評價提供參考。

2 計算

2.1 計算方法

（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

根據文獻[1]，氣動系統中壓縮空氣的有效能定義為：以大氣溫度和壓力狀態為外界基準，壓縮空氣具有的對外做功能力，即壓縮空氣所含焓中可轉換成機械能的部分，該部分能量稱為壓縮空氣的有效能。該有效能是一個相對于大氣狀態基準的相對量，是建立在氣動系統都工作在大氣環境下這樣一個事實基礎上。空氣流動時，空氣流束所含的有效能表現為動力形式，稱之為氣動動力。有效能可表達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——工作狀態壓縮空氣的絕對壓力，MPa

V——工作狀態的空氣體積,L

P0——大氣壓力,MPa

Vo——標準狀態的空氣體積,L

壓縮空氣流束所含的有效氣動動力為

式中Ni——壓縮空氣流束所含的有效氣動動力，kW

Q——標準狀態壓縮空氣容積流量(耗氣量)，L/s

上式可以用來計算系統中各過程的壓縮空氣有效能和鑿巖機械氣動工具產品的輸入功率。

為了計算方便，將鑿巖機械氣動工具產品常用壓力的k值列出見表1。

表1 常用壓力k值

(3）能量利用率

2.2 計算結果

應用上述公式計算了手持式鑿巖機（含手持氣腿兩用鑿巖機）、氣腿式鑿巖機、向上式鑿巖機等氣動鑿巖機的沖擊部分能量利用率。為了方便計算，本文對氣動鑿巖機性能參數選用天水鑿巖機械氣動工具研究所編寫的鑿巖機械氣動工具產品目錄（根據企業提供的資料），對后續新推出的產品性能參數則采用企業標示值，所以表內的性能參數不能作為氣動鑿巖機的性能比對資料，僅用于本文能量利用率的計算。因為導軌式鑿巖機的耗氣量有些含回轉和排粉耗氣量，導軌式鑿巖機未計算沖擊能量利用率，部分氣動鑿巖機沖擊能量利用率的計算結果見表2至表4。

為了分析氣動鑿巖機不同工作壓力的能量利用率變化規律，選用了三種氣腿式鑿巖機實測數據進行能量利用率的計算，其結果如表5所示。

表2 手持式鑿巖機計算結果 工作氣壓：0.4MPa

表3 氣腿式鑿巖機計算結果 工作氣壓：0.63MPa

表4 向上式鑿巖機計算結果 工作氣壓：0.63MPa

表5 三種樣機不同工作壓力計算結果

3 結語

（1）本文在我國鑿巖機械行業內提出了一種新的氣動鑿巖機的能量利用率計算方法，可用于氣動鑿巖機的參數設計、合理選用和能耗評價；

（2）計算結果表明：手持式鑿巖機和手持氣腿兩用鑿巖機能量利用率為17.82%～21.87%，氣腿式鑿巖機和向上式鑿巖機能量利用率為12.93%～18.53%，均低于液壓鑿巖機的能量利用率（50%左右）；

（3）通過三種氣動鑿巖機能量利用率的計算，表明其能量利用率的變化規律取決于氣動鑿巖機的結構參數；

（4）本文能量利用率的計算方法，亦可用于氣動工具（沖擊和回轉類）和潛孔沖擊器等產品能量利用率的計算。

參考文獻：

[1]Maolin Cai，Kenji Kawashima，Toshiharu Kagawa.Power Assessment of Flowing Compressed Air［J］.Journal of FluidsEngineering，2006，128(2):402-405.