液壓鑿巖機具性能測試系統的建立

黃增陽，許中琛，高波

（1.衢州市計量質量檢驗研究院，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

液壓鑿巖機具性能參數測試系統是保證其性能質量的必不可少的技術手段，國外許多大公司如：Epiroc 公司、Sandvic 公司、Secoma 公司等均建有完備的液壓鑿巖機具測試系統。目前我國的有些檢測機構如：機械工業鑿巖機械氣動工具產品質量監督檢測中心、國家空壓機及鑿巖機械質量監督檢測中心、國家冶金工業釬具質量監督檢測中心、煤炭工業北京鑿巖機具產品質量監督檢測中心等建有相應的檢測系統。

按照GB/T 5621-2008 鑿巖機械與氣動工具性能試驗方法及相關產品標準，在現有應力波法測試系統基礎上，建立了液壓鑿巖機具產品種類較全的性能測試系統，實現了對液壓鑿巖機具性能的多參數測試，其測試系統包括：沖擊性能測試系統（含：用于導軌式液壓鑿巖機測試的臥式臺和用于支腿式液壓鑿巖機、液壓鎬、液壓錘測試的立式臺）、回轉性能測試系統、液壓動力站（含泵站、油箱、流量檢測臺、控制臺）、鑿巖測試臺（和臥式臺架共用）、測控系統（儀器儀表和傳感器、儀表臺、數據采集和處理）。測試系統分布如圖1 所示，測試內容和范圍見表1。

表1 液壓鑿巖機具性能參數測試系統測試內容及范圍

圖1 測試系統分布圖

2 測試系統

2.1 沖擊性能

沖擊性能是表征液壓鑿巖機具破巖能力的首要指標，其關鍵參數為沖擊能量，截止目前，已根據不同測試原理發展了多種沖擊能量測試方法。但目前液壓鑿巖機具測試主要采用末速度和應力波測試方法，應力波法直接給出了鑿巖機的輸出能量，能直接反映機器的做功能力，其優點是測試精度高，可以不拆機對機器實行檢測，對于產品檢驗非常適用。目前這種方法已納入國際標準（ISO2787）和國家標準（GB/T 5621），在我國鑿巖機和氣動工具檢測中已大量推廣使用。

液壓鑿巖機具沖擊過程是由高速運動的沖擊體（沖錘）對工具施加撞擊，轉化為一高幅值脈沖力，以應力波的形式，通過工具將能量傳遞給破碎對象。

根據波動理論，通過沖擊工具中給定截面的總能量

式中 A——工具截面積

C——波速

E——彈性模量

tp——脈沖持續時間

σi——入射應力波

t——時間

波速C=5080 m/s，彈性模量E=2.07×1011Pa。

根據上式，沖擊能量可采用適當的瞬態應力記錄手段捕獲測桿中一點的應力歷程，然后平方求積進行確定。

實際測試中，將依指定采樣速度（間隔時間Δt）給出應力波形各點的采樣值，將上式按辛卜生公式轉化為數值積分，則有

式中 Qk——應力波各采樣點的量化值

Aσ——應力標定系數（即單位采樣值對應的應力值）

沖擊性能測試系統如圖2 所示[1]，被測樣機、帶測桿的吸能器安裝在臥式或立式臺上。推進缸給鑿巖機械施加推力。測桿需要足夠的長度，以準確地捕獲入射應力波形，避免反射波的干擾，其一端置于吸能器中。

圖2 液壓鑿巖機具沖擊性能測試系統

在測點要正確捕獲釬桿的入射應力波，必須消除反射波的影響，否則會對測試結果構成嚴重影響，故在國際標準和國家標準中，都對吸能器有嚴格的要求。

吸能器的主要作用是：

（1）消除桿端反射波的影響，以獲得正確的入射應力波形及相應沖擊能量。

（2）吸收沖擊器的沖擊能量。

（3）消除釬桿多余振動，這對提高測試精度和應變片的使用壽命是有利的。

吸能裝置應具有良好的吸能特性，要求應力波通過吸能裝置后，其能量盡多地轉變為摩擦漏損，有最少的透射和反射能量。

一般吸能裝置多采用長管結構，內部置以摩擦片和吸能材料（見圖3），由多個較低摩擦系數點（f1，f2，f3，…，fm）組合串聯來實現上述要求。

圖3 吸能器裝置

沖擊應力和沖擊能標定采用國際標準和國家標準規定的自由落錘標定，標定工作在立式臺架進行。

2.2 回轉性能測試系統

液壓鑿巖機回轉性能測試系統[2]由測試臺位、動力站、扭矩儀和微機數據采集處理等單元組成，可測試的參數為壓力、溫度、流量、扭矩和轉速，根據扭矩和轉速參數可得到功率值。

測試臺位上裝有轉矩轉速傳感器、磁粉制動器、軸承座、支承座、聯軸器和裝卡液壓鑿巖機的裝置。泵站或管路上裝有壓力、溫度傳感器，在正轉回油管路上安裝流量計。

測試中壓力、溫度分別由壓力傳感器和銅熱電阻傳感器檢測，經各自的數字顯示儀表輸出電壓信號，并與檢測的流量計輸出的電信號一起經模擬量輸入口送入扭矩儀中。這些信號與扭矩、轉速信號一起通過RS232 通訊接口與微機相連，微機控制扭矩儀進行數據采集和處理，并由打印機輸出測試結果。采用磁粉制動器作為負載，通過調節直流穩壓電源施加激磁電流而產生不同的制動力。

2.3 鑿巖測試系統

鑿巖測試系統如圖4 所示。液壓鑿巖機鑿孔速度的測試共用沖擊性能臥式臺，配加巖石移動車，用于變換鑿孔孔位，巖石移動車包括：壓石板、框架、巖石托架。滾輪、升降輪裝在框架上，巖石托架上放置試驗巖石，通過升降輪和液壓支柱實現巖石塊的升降（Y 方向），而滾輪組件和卡軌器實現巖石塊的水平移動（X 方向），壓石板和四個長螺桿、螺母將巖石固定在巖石托架上。當變換鑿孔排距完成后，在巖石托架底部和框架的空間放置墊塊，利用托架上巖石和托架的自重壓在墊塊上與巖石移動車形成一整體。整個巖石移動車采用卡軌器固定在與地基成一體的鋼軌上，可承受鑿巖作業帶來的巨大沖擊力和振動，以實現鑿巖機鑿巖速度參數的測試。液壓動力站輸出液壓油供給液壓鑿巖機和推進缸，在臺架上設有位移傳感器，配以數據采集系統計時，以檢測鑿孔速度，液壓參數的采集與沖擊性能測試參數相同。

圖4 鑿巖測試系統

2.4 液壓系統

液壓系統由4 個（沖擊、旋轉、緩沖、推進）獨立的液壓回路構成。全部采用開式回路。液壓系統如圖5 所示。

圖5 液壓系統圖

沖擊和旋轉回路分別有兩個大功率（45 kW,30 kW）軸向柱塞變量泵，通過對應配油板，連接溢流閥，比例溢流閥，單向閥和電液換向閥對液壓鑿巖機沖擊和旋轉部分供油，其壓力可由溢流閥或比例溢流閥實施整定。

緩沖和推進回路由一個雙聯齒輪泵，分別通過對應配油板、連接溢流閥、比例溢流閥、電磁換向閥供給液壓鑿巖機緩沖部和推進缸，其壓力可由溢流閥或比例溢流閥實施整定。

沖擊和旋轉回路均直接回油（不經換向閥）；其余油路經換向閥回油。沖擊進油、回油和旋轉回油路中均設置濾油器，過濾液壓油，在沖擊回油路中設置板式冷卻器對系統冷卻。

2.5 數據采集系統和測試程序及監控系統

研制了專用數據采集系統。數據采集系統基于ARMRCortexTM-M4 為內核的STM32F4 系列高性能微控制器(MCU)，采用控制器集成的AD 轉換器（轉換精度12 位），共16 個外部信號源（即16 通道），可以滿足本項目性能參數測試需要，每次轉換結束，產生中斷，具備可編程的采樣時間，最小采樣時間為1 微秒，通道轉換期間有DMA 請求。

數據采集系統將應變片、傳感器等輸出轉化為電信號，由于信號電平比較低，需要經過信號調理單元進行信號放大、濾波及噪聲消除。經過調理的信號將送到微控制器的AD 轉換器進行轉換，得到數字量的數據，然后經過DMA 傳輸通道將數據送到內存中，當完成規定數據的采集后，DMA 通道將產生一個中斷，告訴MCU 對數據進行處理，MCU將對數據進行濾波，電平檢測，對滿足預設條件的數據進行分析并保存。同時MCU 還可以通過串口通信方式將波形數據發送到上位計算機。

設計的測試程序具備打開文件、新建文件、參數設置、標定、測試、查看數據、保存等功能，可以實時采集并顯示沖擊能量、沖擊頻率、最大應力、流量、壓力、溫度、鑿巖速度、頻率等測試參數和實時繪制應力波曲線。所有界面中，實驗日期自動生成。

監控系統采用CS-C3W-1B2WFR 網絡高清攝像頭作為智能攝像頭控制系統的視頻采集設備，主要負責信息的采集，通過在檢測室搭建移動4G 網絡基站，為視頻采集設備提供穩定、高速的網絡支持，通過搭載Micro SD 卡的方式實現視頻數據的24 小時存儲和回放功能，并通過配套的終端軟件，實現電腦、手機等多用戶對測試現場的實時監控。

3 測試結果

3.1 沖擊性能

采用沖擊性能測試系統對液壓鎬、液壓錘、支腿式液壓鑿巖機、導軌式液壓鑿巖機、高爐開口液壓鑿巖機等產品按照GB/T5621-2008 鑿巖機械與氣動工具性能試驗方法國家標準的規定進行了測試，沖擊性能的部分測試結果見表2。

表2 沖擊性能測試結果

按照GB/T 5621-2008 鑿巖機械與氣動工具性能試驗方法國家標準的規定，應記錄25 個入射波，由此逐一計算岀能量，并取平均值。圖6～圖9 給出連續25 次沖擊的測桿最大應力、沖擊能、沖擊頻率的平均值和方差及不同的顏色的四條應力波形采樣曲線，并和記錄中該次的數據相對應（1，9，17，25）。

圖6 QL-Y28 支腿式液壓鑿巖機測試結果

3.2 回轉性能

采用沖擊性能測試系統對導軌式液壓鑿巖機進行了測試，測試結果見表3 和圖10。

圖7 H＊28 導軌式液壓鑿巖機（進口）測試結果

圖8 仿＊1840 導軌式液壓鑿巖機測試結果

圖9 YYG250B 高爐開口液壓鑿巖機測試結果

圖10 D＊700 導軌式液壓鑿巖機扭矩-轉速，功率-轉速曲線

表3 扭矩測試結果