液壓鑿巖機回轉特性分析及試驗研究

呂 闖

（1.長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南長沙410012；2.深海礦產資源開發利用技術國家重點實驗室，湖南長沙410012）

液壓鑿巖機屬于沖擊—旋轉鉆孔工具，其以高壓液體為動力，具有能量利用率高、鑿巖速度快、機械性能好等特點，在礦山開采、交通、隧道、鐵路修建中等應用廣泛[1]。人們在進行液壓鑿巖機的產品設計、改進或性能評價時，大多只關注其沖擊機構和性能，特別是沖擊機構優化設計、動力學仿真模型及研究、沖擊性能檢測以及零部件優化設計等方面，已有學者做過大量的工作[2-10]。而對于液壓鑿巖機的回轉性能，其中重視程度并不高，只有極少的公開資料顯示進行了液壓鑿巖機回轉機構及其功能參數的分析研究，其中郭孝先[11]對液壓鑿巖機的回轉機構的重要作用、回轉性能參數影響因素以及回轉性能評價三方面進行深入的探討，提出對液壓鑿巖機回轉機構的考核目標應是以獲得高鑿孔速度并具有一定可靠性為前提，在較低的回轉機構功率消耗下，能有一定的扭矩、轉釬數與輸出功率；席汝凱[12]等對液壓鑿巖機的回轉速度控制系統進行了深入研究，其研究基于LabVIEW平臺開發的沖擊頻率提取功能可實時提取液壓鑿巖機沖擊信號，通過控制器程序實現對液壓鑿巖機回轉速度調節的目的。

實際上，由于現今幾乎所有的液壓鑿巖機都是采用獨立外回轉機構，即采用獨立的液壓馬達驅動一套傳動系統實現轉釬[13]，人們常應用液壓馬達的的參數來評價液壓鑿巖機的回轉性能。但筆者認為，由于液壓鑿巖機的回轉機構存在零件加工精度、裝配精度及零部件清潔度上的差異[14]，僅用液壓馬達的性能參數來表征液壓鑿巖機整機回轉性能是不準確的。

1 回轉性能參數

液壓鑿巖機回轉性能主要參數包括回轉扭矩T（N·m）、回轉轉速n（r/min）、回轉功率P（kW）。三者之間的關系為

由于P、T和n均屬于變量，且三者存在一定的耦合關系，很難從式（1）中得出三者直觀的變化規律，這其中回轉轉速對液壓鑿巖機的整體鉆孔性能有較大影響，液壓鑿巖機在正常工作時，其回轉轉速（轉釬數）是否達到了要求值是很重要的，在JB/T 7169-2017《導軌式液壓鑿巖機》標準中，對其進行了明確規定。

液壓鑿巖機的回轉機構主要采用獨立外回轉機構，用液壓馬達驅動一套齒輪裝置，帶動釬具回轉，其回轉機構示意見圖1所示。

液壓鑿巖機的回轉扭矩可表示為

式中，TM為液壓馬達的輸出扭矩；i為液壓鑿巖機轉釬機構齒輪傳動比；ηj為液壓鑿巖機轉釬機構機械效率。

式中，ΔP為液壓馬達進、出油口之間的壓力差；q為液壓馬達的排量；ηm為液壓馬達的機械效率。

由式（2）和式（3）可以看出：

（1）液壓馬達的機械效率ηm以及液壓鑿巖機轉釬機構的機械效率ηj都會直接影響液壓鑿巖機的回轉性能。很顯然，即使對于同一型號和同一結構的液壓鑿巖機，使用同一型號液壓馬達，由于存在零件加工精度、裝配精度及零部件清潔度上的差異，其回轉性能參數也不是完全相同的。

（2）對于同一臺液壓鑿巖機，其輸出回轉扭矩的大小只與液壓馬達進、出油口之間的壓力差ΔP和液壓馬達的排量q有關，若是在液壓馬達的排量q不變的情況下，其輸出回轉扭矩的大小應與液壓馬達進、出油口之間的壓力差ΔP呈正線性相關。

2 回轉性能測試

進行回轉性能測試的目的在于獲取最直觀的回轉性能特征，由式（2）、式（3）可以看出：由于液壓鑿巖機的回轉扭矩并不等于液壓馬達的輸出扭矩，其受零部件加工精度、裝配精度等因素影響，為了規避這些因素，液壓鑿巖機的回轉扭矩必須直接測量，而不能由液壓馬達的輸出扭矩值間接推導計算。

2.1 回轉性能測試系統建立

為了進行液壓鑿巖機回轉性能測試試驗，特制了一套測試系統。根據國家標準《GB/T 5621-2008鑿巖機械與氣動工具性能試驗方法》的要求，采用轉矩轉速傳感器[15-16]檢測液壓鑿巖機的扭矩、轉速，檢測信號被送入微機扭矩儀中；磁粉制動器通過聯軸器與轉矩轉速傳感器聯結，用于給被測鑿巖機施加負載，以吸收液壓鑿巖機的回轉輸出功率，通過調節控制器電流來控制負載的大小；為了避免轉矩轉速傳感器因直接聯結被測液壓鑿巖機而因振動造成某種程度的損壞，被測液壓鑿巖機通過齒輪箱將旋轉動力1∶1傳遞到轉矩轉速傳感器，其原理見圖2所示。

旋轉進油管路上裝有壓力傳感器，旋轉回油管路上裝有流量計，用于檢測回轉進油壓力和回油流量等工作參數，這些信號經由相應的二次儀表后，均饋入到扭矩儀中。

所有饋入扭矩儀的信號參數，經過扭矩儀的數據變換，并與計算機連接通訊，由計算機程序控制扭矩儀進行相應的數據采集、處理，自動進行相關參數的存儲和繪制特性曲線。

圖3是回轉性能測試試驗現場，磁粉制動器、轉矩轉速傳感器、齒輪箱均安裝在獨立的底座上，液壓鑿巖機安裝在滑軌上，以方便對液壓鑿巖機的裝卸和調整，四者必須保持中心軸（孔）對中，以確保測試無側向摩擦力或其他外力干擾。

由于本試驗屬于研究性試驗，為了減小因高壓、強振動等因素造成的各種不可預知的風險，故采用某一特小型液壓鑿巖機作為試驗對象，其整機重量僅27 kg。

2.2 試驗過程分析

由于液壓鑿巖機的回轉進油壓力會隨著回轉扭矩而改變，本身就是變量，所以在本次試驗中，使用定量泵給旋轉馬達供油，設定初始旋轉進油流量（即液壓旋轉馬達在未加負載的空載轉速下）為定值，以研究回轉性能參數的變化特性，以及不同旋轉進油流量下回轉參數的對比，鑒于被測液壓鑿巖機本身屬于小型液壓鑿巖機，則分別設定一小進油流量值和一較大旋轉進油流量值進行試驗。試驗過程中，通過調節磁粉制動器控制器的電流大小逐步增加負載，獲取被測液壓鑿巖機的旋轉工作參數和回轉性能參數。

試驗1：初始旋轉進油流量10 L/min。

試驗2：初始旋轉進油流量20 L/min。

2.2.1 測試結果

表1給出了試驗1、試驗2的測試參數。

注：這些參數由測試程序直接給出，結果中扭矩出現的負值是磁粉制動器未加負載時，即被測液壓鑿巖機回轉功率為0左右時的隨機數，可以忽略。

從表1中可以直觀地看出：隨著負載增大，回轉進油壓力逐漸增大，回轉扭矩逐漸增大，回轉轉速逐漸降低，回轉扭矩與回轉轉速呈負相關，最大回轉功率出現在回轉轉速、回轉扭矩均是中間某值的時候，而非極值端，回轉進油壓力隨著回轉轉速轉速下降而逐漸升高，流量則隨著轉速下降而減小。

對比試驗1和試驗2，可以看出：

（1）試驗1和2中回轉功率變化趨勢基本一致，但總體上試驗2的回轉功率值偏高。

（2）試驗1和2中回轉進油壓力變化趨勢基本一致，均隨著回轉轉速下降而降低，說明回轉進油壓力隨著負載增大而增大，與流量的變化趨勢相反，但與流量數值大小沒有絕對關系。

（3）試驗1和2中回轉扭矩變化趨勢基本一致，均隨著回轉轉速下降而增高，與流量的變化趨勢相反，但與流量數值大小沒有絕對關系。

（4）未加負載時，流量小于輸入流量，說明存在液壓馬達存在泄漏。

2.2.2 參數擬合曲線

所測得各參數值經程序擬合，其關系曲線見圖4、圖5所示。

從圖4和圖5中可以直觀看出：

（1）被測液壓鑿巖機的最大適用回轉扭矩為60 N·m，在此扭矩范圍內，其扭矩—轉速曲線保持很好硬特性（轉速穩定），負載超出此扭矩，回轉轉速急速下降；

（2）回轉扭矩和回轉進油壓力呈現很好的線性關系，但在試驗1即小流量情況下斜率較大，即在同樣負載情況下，所需供油壓力要小，其回轉轉速也比較低。

以上試驗數據的分析，是對前述理論的補充：液壓鑿巖機會在一定扭矩范圍內，一定程度上保持某一較高轉速，而此時，回轉功率即隨著回轉扭矩的增大而增大，與轉速沒有必然關系。在實際鉆孔作業時，應讓液壓鑿巖機保持在這一較高轉速狀態，以達到旋轉切削的目的，并符合《JB/T 7169-2017導軌式液壓鑿巖機》標準中關于轉速的要求。

3 結 語

（1）在對液壓鑿巖機主要回轉性能參數進行理論分析的基礎上，以某小型液壓鑿巖機為試驗樣機，對其回轉性能進行了試驗測試。試驗分別測試了小流量和大流量2種狀態下的回轉性能參數，通過數據分析及曲線擬合，得到了回轉性能參數的變化特征規律及參數相互影響關系。試驗表明：在實際鉆孔作業時，應讓液壓鑿巖機保持在某一較高轉速狀態；研究結果對液壓鑿巖機實際鉆孔作業具有一定的指導價值。

（2）依據國家標準的要求，特制了一套液壓鑿巖機回轉性能測試系統，可用于液壓鑿巖機回轉性能測試，方便技術人員對液壓鑿巖機回轉機構的性能評價，并提供改進依據，對提高液壓鑿巖技術具有重要意義。