王建祖，賈如磊，李權(quán)

（1.天水風(fēng)動(dòng)機(jī)械有限公司，甘肅天水741020；2.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州730060）

1 前言

氣動(dòng)鑿巖機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于礦山、交通、冶金等部門的鉆孔設(shè)備。為了驗(yàn)證產(chǎn)品的性能，保證產(chǎn)品質(zhì)量，針對(duì)目前國(guó)內(nèi)氣動(dòng)鑿巖機(jī)測(cè)試工作的現(xiàn)狀、結(jié)合當(dāng)前測(cè)試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)，天水風(fēng)動(dòng)機(jī)械有限公司與蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院、蘭州理工大學(xué)合作開發(fā)了基于位移傳感器的潛孔沖擊器沖擊功測(cè)試方法。

目前鑿巖機(jī)沖擊能量的測(cè)試方法主要有：沖擊變形法，應(yīng)力波法、示功圖法、末速度法、光電位移微分法、電磁感應(yīng)法、觸點(diǎn)法、氣壓法、示功圖法和能量法等[1]。

沖擊力法采用YD序列壓電石英測(cè)力傳感器作為機(jī)-電信號(hào)轉(zhuǎn)換元件，采集沖錘打擊砧子的沖擊力信號(hào)，再計(jì)算液動(dòng)旋沖接頭的單次沖擊功。壓電石英測(cè)力傳感器是利用電介質(zhì)-石英晶體的壓電效應(yīng)，即在外力作用下，電介質(zhì)表面上產(chǎn)生電荷，經(jīng)電荷放大器放大和對(duì)傳感器的歸一化處理，可使計(jì)算簡(jiǎn)便，放大輸出直接反映沖錘打擊鐵砧時(shí)的沖擊力值[2]。由于這種方法對(duì)傳感器破壞甚為嚴(yán)重，故只能用于試驗(yàn)或測(cè)試。

應(yīng)力波法是目前普遍采用的方法。這種方法是在釬桿上貼上應(yīng)變片，當(dāng)沖擊活塞沖擊釬桿后在釬桿上產(chǎn)生應(yīng)力波，通過測(cè)定應(yīng)變片上應(yīng)力波的波形來測(cè)定沖擊能。由波動(dòng)力學(xué)理論可知，活塞沖擊釬尾時(shí)，沖擊能量以應(yīng)力脈沖的形式自釬尾向釬桿、釬頭、巖石界面?zhèn)鬟f，根據(jù)沖擊器活塞形成的沖擊應(yīng)力波能量計(jì)算沖擊功。這種方法的缺點(diǎn)在于測(cè)試效率低下，同時(shí)對(duì)于操作者的技能與經(jīng)驗(yàn)有較高要求。因此也不能作為工業(yè)化檢驗(yàn)使用。

在國(guó)內(nèi)，常用的另一種沖擊性能測(cè)試法是感應(yīng)式線速度傳感器法，簡(jiǎn)稱線速度法。線速度傳感器由安裝于沖擊活塞上的磁棒與安裝于鑿巖機(jī)殼體上的螺旋線圈組成。當(dāng)磁棒隨沖擊活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁棒在線圈中運(yùn)動(dòng)，由電磁感應(yīng)原理，螺旋線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，在磁棒與螺旋線圈的材料和尺寸確定以后，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)僅與磁棒運(yùn)動(dòng)速度(即沖擊活塞運(yùn)動(dòng)速度)有關(guān)[3]。此種測(cè)試方法要破壞沖擊器的原有結(jié)構(gòu)才能測(cè)出，且受外界干擾因素較大，得出的結(jié)果不能很好地反映沖擊器的工作性能，因而也不是理想的測(cè)試方法[4]。

文獻(xiàn)中還能見到一種測(cè)試方法。該方法利用大型彈簧作為沖擊物，測(cè)量撞擊的瞬態(tài)參數(shù)和彈簧的變形量，利用彈簧的變形能量計(jì)算出穿孔機(jī)的輸出沖擊功[5]。

1 測(cè)試原理

首先設(shè)計(jì)了一種巖石模擬裝置，見圖1。該裝置使用壓縮空氣，類似氣體彈簧。并使其剛度盡量接近于巖石。通過壓緊氣缸模擬操作者將鑿巖機(jī)或沖擊器壓緊到巖石模擬裝置上，給沖擊器通氣使之工作，對(duì)巖石模擬裝置做功。巖石模擬裝置活塞受到?jīng)_擊后活塞產(chǎn)生位移。這種位移表現(xiàn)為一種波動(dòng)。每個(gè)波峰代表每次沖擊的最大位移。通過統(tǒng)計(jì)波峰數(shù)量和作用時(shí)間就可以得到?jīng)_擊頻率。位移量與沖擊功存在著某種函數(shù)關(guān)系。因此，需要找到一種非接觸式位移傳感器來測(cè)量和記錄活塞的位移量。

圖1 巖石模擬裝置

選用磁致伸縮位移傳感器檢測(cè)巖石模擬裝置活塞位移量。巖石模擬裝置的活塞位移量與氣缸初始?jí)毫?、溫度、氣體介質(zhì)特性、沖擊功等因素有關(guān)。

圖2 系統(tǒng)原理圖

當(dāng)初始?jí)毫Α囟?、氣體介質(zhì)特性等因素確定時(shí)，活塞位移量與沖擊功一定存在單調(diào)遞增函數(shù)關(guān)系。即系統(tǒng)輸入的沖擊功越大，位移量越大。但是如果采用數(shù)學(xué)公式來描述這種關(guān)系，將非常復(fù)雜。另外數(shù)學(xué)解析式也容易受其他一些因素干擾，產(chǎn)生較大誤差。因此，考慮采用多項(xiàng)式函數(shù)來擬合這個(gè)函數(shù)關(guān)系，應(yīng)該能夠達(dá)到需要的精度。即表達(dá)為

2 測(cè)試方法

先進(jìn)行測(cè)試裝置的標(biāo)定，分以下幾步：

（1）先在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定不少于4臺(tái)（實(shí)際取4臺(tái)，就能保證精度）沖擊器的沖擊功（分別為W1，W2，W3，W4）。

（2）再將沖擊器放到測(cè)試裝置上，然后測(cè)得對(duì)應(yīng)位移量（分別為S1，S2，S3，S4）。

（3）將W1，W2，W3，W4和S1，S2，S3，S4帶入（2）式，采用最小二乘法計(jì)算，解得（2）式系數(shù)a1，a2，a3，a4，從而得到位移量與沖擊功之間的經(jīng)驗(yàn)函數(shù)關(guān)系。

測(cè)試階段：將待檢測(cè)沖擊器固定到測(cè)試裝置上，位移傳感器測(cè)試得到巖石模擬裝置活塞位移量。將此位移量帶入前述方法所得函數(shù)關(guān)系式。即可得到?jīng)_擊器的沖擊功。

3 數(shù)據(jù)采集與處理

本測(cè)試裝置采用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理。為了獲得活塞位移峰值，需要完整描述沖擊過程活塞的位移與時(shí)間關(guān)系曲線。采樣頻率要求達(dá)到活塞振動(dòng)頻率（即潛孔沖擊器的沖擊頻率）10倍以上。也就是用不少于10個(gè)點(diǎn)來描述一個(gè)周期。潛孔沖擊器的沖擊頻率最高在30Hz左右，因此，單片機(jī)的采樣頻率要求在300Hz以上。同時(shí)對(duì)位移傳感器的響應(yīng)頻率也提出要求。采用相鄰采樣值進(jìn)行比較，以獲得位移峰值。通過對(duì)單位時(shí)間峰值數(shù)的計(jì)數(shù)，以獲得沖擊頻率。

4 小結(jié)

該方法及測(cè)試裝置目前已在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)通過測(cè)試，檢測(cè)效果良好，下一步將投入工業(yè)化使用。

[1]王維華.液壓鑿巖機(jī)沖擊能量的測(cè)試——光電位移測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用[J].建井科技文集，2004(1).

[2]郭清，王克雄，盛勇.液動(dòng)旋沖接頭沖擊功測(cè)試方法研究[J].油氣井測(cè)試，2006(12).

[3]狄志勇.液壓鑿巖機(jī)沖擊性能測(cè)試方法的對(duì)比分析[J].鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，1995(3).

[4]王塞生，翟應(yīng)虎，蔡鏡倉(cāng).沖擊力法測(cè)試液動(dòng)沖擊器單次沖擊功的研究[J].振動(dòng)與沖擊，1996(15).

[5]錢華，陸敏恂，徐寶富等.大型氣動(dòng)穿孔機(jī)沖擊功的測(cè)試方法研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006(10).