基于應(yīng)變法和光電法的液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能試驗(yàn)分析

劉 忠，陳 忠，李源周，龔東昌，張明勛，洛桑達(dá)娃，陳 順

（1. 桂林航天工業(yè)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學(xué)大學(xué)機(jī)械與控制工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；3. 桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西 桂林 541004；4.國(guó)網(wǎng)西藏電力有限公司，西藏 拉薩 850000；5.四川電力設(shè)計(jì)咨詢有限責(zé)任公司，四川 成都 610000）

0 引言

液壓鑿巖機(jī)是一種通過(guò)沖擊、回轉(zhuǎn)、推進(jìn)、沖洗復(fù)合作業(yè)進(jìn)行鑿巖鉆孔的工程裝備。在對(duì)不同巖石進(jìn)行鉆鑿作業(yè)時(shí)，沖擊和回轉(zhuǎn)功率的適當(dāng)匹配能獲得更好的鑿巖效果。此外，釬桿的裝卸也是利用鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)作用，所以回轉(zhuǎn)性能液壓鑿巖機(jī)的重要性能參數(shù)。

目前，對(duì)于液壓鑿巖機(jī)的研究主要聚焦于沖擊機(jī)構(gòu)和沖擊性能上，對(duì)于回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)及其測(cè)試方法的研究較少。其中Atlas Copco 公司創(chuàng)建了沖擊-回轉(zhuǎn)測(cè)試試驗(yàn)臺(tái)，可以測(cè)試出液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)性能參數(shù)；郭孝先[1]對(duì)液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)性能及其評(píng)價(jià)做了初步研究和探索；同年，王路[2]通過(guò)模擬負(fù)載試驗(yàn)測(cè)試得到了測(cè)試液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能數(shù)據(jù)；席汝凱[3]根據(jù)最優(yōu)鑿巖角理論，通過(guò)控制器程序控制液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)速度與沖擊頻率相匹配，實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓鑿巖機(jī)最優(yōu)轉(zhuǎn)角的實(shí)時(shí)控制；呂闖[4，5]對(duì)小流量和大流量2 種狀態(tài)下的液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能參數(shù)進(jìn)行了測(cè)試，得到了回轉(zhuǎn)進(jìn)油壓力、回轉(zhuǎn)扭矩和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速之間的特性曲線。

綜上所述，液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)性能優(yōu)劣對(duì)鑿巖效率有著重要影響，調(diào)節(jié)液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)性能參數(shù)使之與沖擊性能匹配，可使得鑿巖機(jī)的鑿巖速度提升20%～30%，甚至更高[6，7]。但國(guó)內(nèi)外對(duì)液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)性能的研究較少，重視程度不高。國(guó)內(nèi)的鑿巖機(jī)通常基于液壓馬達(dá)的參數(shù)來(lái)標(biāo)示液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能[5-8]，這種方式忽略了回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)中部分因素對(duì)于回轉(zhuǎn)性能的影響，不能準(zhǔn)確地反應(yīng)液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)性能。為了研發(fā)更高性能的液壓鑿巖機(jī)和提高鑿巖技術(shù)，本文提出了一種成本低、操作簡(jiǎn)單、可重復(fù)性強(qiáng)的液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能測(cè)試系統(tǒng)。因此通過(guò)液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能測(cè)試方法對(duì)鑿巖機(jī)進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)研發(fā)更高性能的液壓鑿巖機(jī)和提高液壓鑿巖技術(shù)有著重要意義。

1 液壓鑿巖機(jī)工作原理及回轉(zhuǎn)性能參數(shù)

1.1 液壓鑿巖機(jī)工作原理

液壓鑿巖機(jī)工作原理為沖擊活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)沖擊釬尾，利用沖擊動(dòng)載荷使巖石局部應(yīng)力集中發(fā)生脆性破碎，同時(shí)液壓油驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，經(jīng)由齒輪減速機(jī)構(gòu)來(lái)帶動(dòng)釬尾、釬桿的轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)巖石剪切作用使得巖體分離，沖洗機(jī)構(gòu)利用水（或空氣）將炮眼內(nèi)的巖石碎屑沖洗出來(lái)[8]。液壓鑿巖機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 液壓鑿巖機(jī)結(jié)構(gòu)示意

液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)原理如圖2所示，由液壓泵、溢流閥、電液比例閥、壓力表、流量計(jì)、液壓馬達(dá)、馬達(dá)齒輪、轉(zhuǎn)套齒輪、釬桿等組成。

圖2 液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)液壓控制系統(tǒng)原理

液壓泵給液壓馬達(dá)提供動(dòng)力，通過(guò)控制電液比例閥的閥芯位移控制液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)向、壓力和流量，由此控制液壓馬達(dá)的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速和回轉(zhuǎn)扭矩；壓力表和流量計(jì)檢測(cè)檢測(cè)液壓馬達(dá)進(jìn)、回油油路的壓力值和流量大小；液壓馬達(dá)帶動(dòng)馬達(dá)齒輪旋轉(zhuǎn)，經(jīng)由轉(zhuǎn)套齒輪帶動(dòng)釬桿回轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)作業(yè)。

1.2 液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能參數(shù)

液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能參數(shù)直接影響著鑿巖機(jī)的鑿巖效率，其中最主要的兩項(xiàng)參數(shù)為回轉(zhuǎn)扭矩和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

通常認(rèn)為釬桿回轉(zhuǎn)剪切巖石時(shí)受到的阻力矩為液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)扭矩。液壓馬達(dá)作為液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的源動(dòng)件，其驅(qū)動(dòng)力矩的大小決定著釬桿回轉(zhuǎn)阻力矩的大小，其中，液壓馬達(dá)輸出的驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算式為：

式中：M為液壓馬達(dá)的驅(qū)動(dòng)力矩，N·m；△p為液壓馬達(dá)進(jìn)出油口壓力差，Pa；V為液壓馬達(dá)的排量，m3/rev；ηm為液壓馬達(dá)的機(jī)械效率。

當(dāng)釬桿處于勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，釬桿的回轉(zhuǎn)受到的阻力矩表示為：

式中：i為齒輪減速機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比；ηi為減速機(jī)構(gòu)的機(jī)械效率。

由式（2）可知，釬桿回轉(zhuǎn)剪切巖石時(shí)受到的阻力矩與液壓馬達(dá)進(jìn)出油口的壓力差有關(guān)，液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的大小決定鑿巖機(jī)釬桿在每?jī)蓚€(gè)沖擊鑿巖做功時(shí)間內(nèi)釬桿的轉(zhuǎn)動(dòng)間距，該間距又稱為轉(zhuǎn)釬數(shù)。在工作狀態(tài)下，液壓鑿巖機(jī)能否達(dá)到與沖擊性能相匹配的轉(zhuǎn)釬數(shù)和鉆鑿不同性質(zhì)的巖石所需要的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速均對(duì)鑿巖機(jī)的鑿孔效率有很大影響[9]。

2 液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能測(cè)試方法

2.1 液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能測(cè)試方案

液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)扭矩的測(cè)試方案為：根據(jù)液壓鑿巖機(jī)釬桿的受力情況，將應(yīng)變片粘貼在釬桿中段的位置上，當(dāng)釬桿受扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生形變時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變形，電阻發(fā)生變化，其變化量產(chǎn)生的電信號(hào)通過(guò)相應(yīng)的模塊轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)測(cè)試計(jì)算機(jī)的信號(hào)處理得到被測(cè)物體的應(yīng)力、應(yīng)變值，最后在測(cè)試軟件中顯示出對(duì)應(yīng)的回轉(zhuǎn)扭矩。

液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的測(cè)試方案為：利用光電效應(yīng)，當(dāng)鑿巖機(jī)的釬桿旋轉(zhuǎn)，傳感器發(fā)出的光線被反光標(biāo)簽反射，傳感器接收并將之轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，相應(yīng)的信號(hào)處理模塊對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理，從而得到釬桿的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能測(cè)試方案如圖3 所示。

圖3 液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能測(cè)試方案

液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能測(cè)試系統(tǒng)主要由鋼板、釬桿、路由器、應(yīng)力信號(hào)采集模塊、激光測(cè)速傳感器、液壓鑿巖機(jī)組、轉(zhuǎn)速信號(hào)采集模塊、測(cè)試計(jì)算機(jī)、應(yīng)變片、電源供電模塊和反光標(biāo)簽等組成。通過(guò)應(yīng)力片和激光測(cè)速傳感器分別檢測(cè)液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)扭矩、回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，檢測(cè)信號(hào)被送入對(duì)應(yīng)信號(hào)采集模塊中，傳輸?shù)綔y(cè)試計(jì)算機(jī)上，測(cè)試軟件對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理得到對(duì)應(yīng)的回轉(zhuǎn)扭矩和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速曲線。液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能測(cè)試系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)如圖4 所示。

圖4 液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能測(cè)試系統(tǒng)

液壓鑿巖機(jī)的釬桿在進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作前頂在負(fù)載鋼板上，負(fù)載鋼板與鑿巖機(jī)釬桿接觸的摩擦力作為被測(cè)鑿巖機(jī)的負(fù)載，通過(guò)增加液壓鑿巖機(jī)的推進(jìn)力提高其負(fù)載的大小；為了避免應(yīng)力信號(hào)采集模塊因被測(cè)液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)振動(dòng)造成某種程度的損壞，應(yīng)力信號(hào)采集模塊和電源供電模塊需要用膠帶綁定在釬桿上。

2.1.1 應(yīng)變法測(cè)量液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)扭矩

該測(cè)試方法采用兩個(gè)電阻應(yīng)變片來(lái)測(cè)量液壓鑿巖機(jī)釬桿的扭矩信號(hào)，采用雙片集中軸向?qū)ΨQ的半橋貼片方式，如圖5 所示。

圖5 應(yīng)變片貼片方式示意

圖6 光電法測(cè)試原理

兩個(gè)應(yīng)變片相互垂直，其敏感柵中心分別處于同一截面周邊的鄰近兩個(gè)點(diǎn)上，組成半橋的相鄰兩臂。根據(jù)材料力學(xué)理論，在將一個(gè)轉(zhuǎn)矩作用在軸上時(shí)，軸發(fā)生變形，與軸線呈45°、135°角的方向形變最大，為主要受力方向，成為主應(yīng)力。

在轉(zhuǎn)軸受轉(zhuǎn)矩Mk作用下，轉(zhuǎn)軸產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，應(yīng)變片形變，其變形量與轉(zhuǎn)矩Mk成正比例關(guān)系。推導(dǎo)計(jì)算過(guò)程為：

在與軸線45°角相交的方向去貼電阻應(yīng)變片，即可測(cè)得此處的應(yīng)變?chǔ)牛鶕?jù)廣義虎克定律：

式中：E為釬桿的彈性模量，MPa；μ為泊松比，無(wú)量綱；ε為釬桿受扭矩產(chǎn)生的應(yīng)變值。

由材料力學(xué)可知，在純扭的受力情況下，釬桿軸表面的主應(yīng)力方向與軸線呈45°角，且主應(yīng)力在數(shù)值上等于剪切應(yīng)力，那么釬桿受到的最大剪應(yīng)力為：

式中：τmax為最大切應(yīng)力，MPa；Gp為彈性轉(zhuǎn)軸的剪切彈性模量，MPa；εmax為最大切應(yīng)變，無(wú)量綱。

釬桿的抗扭截面系數(shù)為：

式中：Wp為抗扭截面系數(shù)，mm3；D為釬桿的外徑，mm；d為釬桿的內(nèi)徑，mm。

液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)扭矩為：

式中：T為回轉(zhuǎn)扭矩，N·m。

2.1.2 光電法測(cè)量液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速

該測(cè)試方法是通過(guò)在液壓鑿巖機(jī)釬桿和釬尾的連接處的軸面上貼上一片細(xì)長(zhǎng)的反光標(biāo)簽，當(dāng)釬桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，激光測(cè)速傳感器打出的光源經(jīng)過(guò)反光標(biāo)簽的反射，會(huì)被傳感器內(nèi)部的光敏電阻等元件獲取并轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，通過(guò)轉(zhuǎn)速信號(hào)采集模塊電子計(jì)數(shù)器記錄發(fā)送給測(cè)試計(jì)算機(jī)，顯示出相應(yīng)的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。

2.2 液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能測(cè)試試驗(yàn)分析

回轉(zhuǎn)性能測(cè)試平臺(tái)搭建完成后，以YZY-1 型液壓鑿巖機(jī)為測(cè)試對(duì)象，應(yīng)用于本次的試驗(yàn)研究，在大氣壓力101 kPa 及室溫25°的條件下，通過(guò)試驗(yàn)完成了對(duì)該液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)扭矩和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的測(cè)量[10]。

回轉(zhuǎn)性能測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖7 所示。回轉(zhuǎn)性能測(cè)試試驗(yàn)分別在6 MPa 和10 MPa 的液壓馬達(dá)進(jìn)油壓力下，測(cè)量了在無(wú)推進(jìn)力、有推進(jìn)力兩種負(fù)載的情況下液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)扭矩和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。測(cè)試所得曲線圖如圖8 所示。

圖7 回轉(zhuǎn)性能測(cè)試試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

圖8 回轉(zhuǎn)扭矩測(cè)試曲線

由圖8 的（a）和（b）及（c）和（d）可知，隨著回轉(zhuǎn)壓力的增大，負(fù)載也隨之增大，進(jìn)一步驗(yàn)證了回轉(zhuǎn)扭矩與系統(tǒng)的壓力有關(guān)。液壓馬達(dá)的回轉(zhuǎn)扭矩隨著推進(jìn)力的增加而增大，回轉(zhuǎn)的最大扭矩為160 N·m。

在一定的負(fù)載下，液壓馬達(dá)進(jìn)油壓力從6 MPa 升到10 MPa，可以同時(shí)顯示測(cè)得的回轉(zhuǎn)扭矩和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，如圖9 所示。

圖9 變壓測(cè)試曲線

由圖9 可以得出，在變壓測(cè)試下，回轉(zhuǎn)扭矩隨著壓力的增大而增大，由于采用閥門開(kāi)度控制壓力和流量的大小，可以得出該系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速隨著閥門開(kāi)度的增大而增大。

3 結(jié)論

針對(duì)液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)性能測(cè)試方法不完善的問(wèn)題，提出了液壓鑿巖機(jī)回轉(zhuǎn)性能測(cè)試方法，采用應(yīng)變法和光電法測(cè)試液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)扭矩和回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。和現(xiàn)有的測(cè)試方法對(duì)比，成本更低，可重復(fù)性更好，測(cè)試步驟更簡(jiǎn)單，操作難度更小，更適合進(jìn)行大批量鑿巖機(jī)性能測(cè)試。經(jīng)理論分析和試驗(yàn)測(cè)試可得如下結(jié)論：

（1）在液壓馬達(dá)的參數(shù)確定情況下，釬桿回轉(zhuǎn)剪切巖石時(shí)受到的阻力矩與液壓馬達(dá)進(jìn)出油口的壓差成正比。

（2）從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，液壓鑿巖機(jī)在無(wú)推進(jìn)力和有推進(jìn)力時(shí)，液壓鑿巖機(jī)的回轉(zhuǎn)扭矩隨著回轉(zhuǎn)液壓系統(tǒng)的壓力增大而增大，且在有推進(jìn)力的回轉(zhuǎn)扭矩?cái)?shù)值比無(wú)推進(jìn)力時(shí)要大。該回轉(zhuǎn)性能測(cè)試方法為液壓鑿巖機(jī)的優(yōu)化提供了重要技術(shù)支撐。