内燃凿岩机运行试验台的研究

图1　内燃凿岩机运行试验台的结构

1.1　缓冲系统
　　缓冲系统由缓冲器、承冲件和空气压缩机组成。其作用是代替室外岩石，承受内燃凿岩机工作时的冲击力。当内燃凿岩机工作时，活塞打击钎杆，钎杆冲击承冲件，承冲件把冲击力传递给缓冲器活塞，压缩气缸中的压气，实现缓冲。气缸中的压气由专用的空气压缩机提供。
　　气垫缓冲系统可简化为一带阻尼的弹簧质量系统(见图2)。

图2　冲击系统的线性近似
1.凿岩机活塞　2.气垫活塞

　　图2中凿岩机活塞质量为m，气垫活塞质量为M，弹性系数为K，粘性阻尼系数为ξ。
　　当凿岩机活塞碰撞气垫活塞后，由碰撞理论可以得出气垫活塞速度：

(1)

式中　v_C——气垫活塞的速度，m/s
　　　m——凿岩机活塞的质量，kg
　　　M——气垫活塞的质量，kg
　　　v_P——凿岩机活塞的速度，m/s
　　在时

(2)

　　气垫活塞的初始动能为：

　　　　　　(3)

式中　E_C——气垫活塞的初始动能，J
　　　E_P——凿岩机活塞的冲击能量，J
　　气垫活塞的位移响应为：

　　　　　　(4)

式中　x(t)——气垫活塞的位移响应，m
　　　ξ——粘性阻尼系数
　　　t——时间，s
　　　ω_n——气垫活塞的固有圆频率，rad/s
　　当气垫活塞受到连续冲击时，位移响应为：

　　　　　　(5)

式中　T——凿岩机活塞的冲击周期，s
　　稳定的位移振幅Δ为：

　　　　　(6)

式中　ψ——无交迭作用的最大位移响应，m
　　　
　　　ω_D——凿岩机活塞冲击圆频率，rad/s

　　　K——弹性系数，N/m
　　每次冲击中由气垫所做的弹性功A：

　　　　　　(7)

式中　Z——振动阻尼项

　　由阻尼产生的气垫吸收功A_α为：

A_α=E_C(1-Z)　　　　　　　　(8)

　　从以上分析可以看出：气垫的位移振幅正比于v_C，气垫吸收功正比于v²_C，气垫活塞v_C主要取决于凿岩机和气垫活塞的质量比，故降低气垫活塞质量，对提高缓冲系统的响应，增加吸收功，降低气垫作用力将是有效的。
1.2　扭矩系统
　　试验台扭矩系统原理图如图3所示。

图3　试验台扭矩系统原理
1.变速箱　2.转钎

　　扭矩系统由齿轮变速箱、直流发电机等组成。扭矩系统是对内燃凿岩机施加等效扭矩的装置。内燃凿岩机工作时，旋转的钎杆通过钎杆套和齿轮变速箱带动直流发电机旋转。发电机由电阻作为外负荷，改变其负载电流，可对凿岩机施加设定的扭矩。
　　在钻进过程中，孔底岩石或孔壁对凿岩机产生外扭矩，这种扭矩负荷特性十分复杂，它随凿岩机冲击特性、所凿岩石状况、推进力、操作技术诸因素变化，迄今为止，国内外尚未给出确切的描述。运行试验台通过直流发电机对凿岩机钎杆施加一恒定扭矩，在试验中尽量使钎杆转速接近凿岩转速，从而模拟其正常运行状况。
1.3　推压装置
　　推压装置由气缸和压爪组成。其作用是给凿岩机施加一定的推压力，保持其正常的工作状态，同时防止工作时凿岩机转动。
　　推压气缸的作用主要是对凿岩机施加足够的推力，减少凿岩机的振动，使其保持正确的工作位置。如果推力不足，凿岩机振幅增加，将引起打击点位置改变及活塞行程增加，导致冲击频率降低。
　　凿岩机在工作中，活塞与钎尾碰撞后，有：

(9)

式中　v_P^′——活塞的反弹速度，m/s
　　活塞反弹通过凿岩机内部气室引起凿岩机机体的后冲，根据动量守恒：

M_Dv_D=mv_P^′(10)

式中　M_D——凿岩机的质量，kg
　　　v_D　——凿岩机的后冲速度，m/s
　　为了使凿岩机在一次冲击周期后恢复原位，必须满足：

　　　　(11)

式中　s——凿岩机后冲过程中的位移，m
　　　τ——考虑阻尼时的修正系数
　　　F——推压力，N
1.4　气路和电气系统
　　气路系统由空气压缩机、调压阀、电磁阀、胶管等组成。电气系统主要控制电磁阀动作。
　　由空气压缩机送来的压气分为两路：一路经调压阀调压后进入缓冲器；另一路经另一调压阀调压后进入推压气缸。气路中的电磁阀均采用三位中封式，以形成中位闭锁，防止突然断电时气路换向和泄漏，造成事故。
1.5　测控系统
　　测控系统由JK-87内燃凿岩机运行试验台监控仪、内燃凿岩机运行试验台自动测试及打印单元、内燃凿岩机发动机转速传感器、钎杆转速传感器等组成。
　　JK-87内燃凿岩机运行试验台监控仪的主要功能是采用电负荷产生可控的扭矩，实现对发动机转速和钎杆转速的连续测量及运行时间的自动累计。
　　内燃凿岩机的发动机转速和钎杆转速测量均采用磁电传感器作探头，实现非接触式测量，测试结果用数字显示。
　　自动测试及打印单元与监控仪相配合，对内燃凿岩机的运行参数，如发动机转速、钎杆转速、扭矩等信号进行自动采集、计算、处理，自动打印出测试结果。

2　试验结果

　　对64台内燃凿岩机进行了试验台运行和现场五孔凿岩考核的对比试验，对比结果见表1。试验的条件力求接近现场凿岩情况，检测指标是：
　　(1)发动机转速N_M≥2800r/min，此指标为发动机和冲击状态是否正常的判定条件。
　　(2)转钎速度N_R≥150r/min，此指标用来反映凿岩机旋转机构的运行情况。
　　利用上述两项指标对凿岩机运行质量进行判定，每台检测8min，其中任一项达不到要求即为不合格。

表1　试验台和现场凿岩试验的对比结果

3　结论

　　(1)本试验台采用气垫缓冲和电扭矩加载系统，并配合相应的监控仪和微机自动测试打印单元，实现了内燃凿岩机运行检测的室内模拟；
　　(2)试验台上十余年的产品检测表明：较之传统的现场凿岩试验方法，本试验系统由于消除了客观因素的影响，保证了检测条件一致，具有操作快捷、准确、经济的特点，对内燃凿岩机运行质量有明显的鉴别力；
　　(3)试验台经运行考核表明：工作稳定可靠、具有良好的抗干扰能力；
　　(4)本试验台代替现场凿岩试验，可大大减轻工人的劳动强度，改善作业环境，并可迅速得到较全面的凿岩机质量信息，提高出厂凿岩机的质量水平。试验台在内燃凿岩机生产厂家的推广应用具有重要的经济效益和社会效益；
　　(5)本试验台结合相应的检测规范，可应用于各类内燃凿岩机的运行试验，同时对研究凿岩机的性能特性也有重要的意义。