王建祖，賈如磊，李權(quán)

（1.天水風動機械有限公司，甘肅天水741020；2.蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院，甘肅蘭州730060）

1 前言

氣動鑿巖機是一種廣泛應用于礦山、交通、冶金等部門的鉆孔設(shè)備。為了驗證產(chǎn)品的性能，保證產(chǎn)品質(zhì)量，針對目前國內(nèi)氣動鑿巖機測試工作的現(xiàn)狀、結(jié)合當前測試系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，天水風動機械有限公司與蘭州石化職業(yè)技術(shù)學院、蘭州理工大學合作開發(fā)了基于位移傳感器的潛孔沖擊器沖擊功測試方法。

目前鑿巖機沖擊能量的測試方法主要有：沖擊變形法，應力波法、示功圖法、末速度法、光電位移微分法、電磁感應法、觸點法、氣壓法、示功圖法和能量法等[1]。

沖擊力法采用YD序列壓電石英測力傳感器作為機-電信號轉(zhuǎn)換元件，采集沖錘打擊砧子的沖擊力信號，再計算液動旋沖接頭的單次沖擊功。壓電石英測力傳感器是利用電介質(zhì)-石英晶體的壓電效應，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傳感器的歸一化處理，可使計算簡便，放大輸出直接反映沖錘打擊鐵砧時的沖擊力值[2]。由于這種方法對傳感器破壞甚為嚴重，故只能用于試驗或測試。

應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變片，當沖擊活塞沖擊釬桿后在釬桿上產(chǎn)生應力波，通過測定應變片上應力波的波形來測定沖擊能。由波動力學理論可知，活塞沖擊釬尾時，沖擊能量以應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力波能量計算沖擊功。這種方法的缺點在于測試效率低下，同時對于操作者的技能與經(jīng)驗有較高要求。因此也不能作為工業(yè)化檢驗使用。

在國內(nèi)，常用的另一種沖擊性能測試法是感應式線速度傳感器法，簡稱線速度法。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殼體上的螺旋線圈組成。當磁棒隨沖擊活塞往復運動時，磁棒在線圈中運動，由電磁感應原理，螺旋線圈中產(chǎn)生感應電動勢，在磁棒與螺旋線圈的材料和尺寸確定以后，感應電動勢僅與磁棒運動速度(即沖擊活塞運動速度)有關(guān)[3]。此種測試方法要破壞沖擊器的原有結(jié)構(gòu)才能測出，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試方法[4]。

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

1 測試原理

首先設(shè)計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。每個波峰代表每次沖擊的最大位移。通過統(tǒng)計波峰數(shù)量和作用時間就可以得到?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壓力、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

當初始壓力、溫度、氣體介質(zhì)特性等因素確定時，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)學公式來描述這種關(guān)系，將非常復雜。另外數(shù)學解析式也容易受其他一些因素干擾，產(chǎn)生較大誤差。因此，考慮采用多項式函數(shù)來擬合這個函數(shù)關(guān)系，應該能夠達到需要的精度。即表達為

2 測試方法

先進行測試裝置的標定，分以下幾步：

（1）先在實驗室測定不少于4臺（實際取4臺，就能保證精度）沖擊器的沖擊功（分別為W1，W2，W3，W4）。

（2）再將沖擊器放到測試裝置上，然后測得對應位移量（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)驗函數(shù)關(guān)系。

測試階段：將待檢測沖擊器固定到測試裝置上，位移傳感器測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

本測試裝置采用單片機進行數(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間關(guān)系曲線。采樣頻率要求達到活塞振動頻率（即潛孔沖擊器的沖擊頻率）10倍以上。也就是用不少于10個點來描述一個周期。潛孔沖擊器的沖擊頻率最高在30Hz左右，因此，單片機的采樣頻率要求在300Hz以上。同時對位移傳感器的響應頻率也提出要求。采用相鄰采樣值進行比較，以獲得位移峰值。通過對單位時間峰值數(shù)的計數(shù)，以獲得沖擊頻率。

4 小結(jié)

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

[1]王維華.液壓鑿巖機沖擊能量的測試——光電位移測量系統(tǒng)的應用[J].建井科技文集，2004(1).

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

[3]狄志勇.液壓鑿巖機沖擊性能測試方法的對比分析[J].鑿巖機械氣動工具，1995(3).

[4]王塞生，翟應虎，蔡鏡倉.沖擊力法測試液動沖擊器單次沖擊功的研究[J].振動與沖擊，1996(15).

[5]錢華，陸敏恂，徐寶富等.大型氣動穿孔機沖擊功的測試方法研究[J].同濟大學學報(自然科學版)，2006(10).