李衛(wèi)杰，王建祖

（天水鑿巖機械氣動工具研究所，甘肅 天水741020）

1 研發(fā)背景

沖擊類機械產(chǎn)品在我國鑿巖機械與氣動工具行業(yè)中占據(jù)主要地位，涵蓋鑿巖機、潛孔沖擊器、氣鎬、內(nèi)燃鎬、搗固鎬、氣動打釘機等多種類型的產(chǎn)品， 該類產(chǎn)品廣泛使用于鐵路、 公路、冶金、煤炭、水電、建材、建筑和機械制造等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。沖擊類機械產(chǎn)品性能測試系統(tǒng)作為監(jiān)控產(chǎn)品品質(zhì)、檢測產(chǎn)品性能參數(shù)的重要設(shè)備，必須吸收技術(shù)發(fā)展的最新成果，提升檢測系統(tǒng)的精確度和智能化水平，從而更好地助力機械產(chǎn)品高質(zhì)量健康發(fā)展。

鑿巖機械與氣動工具中的沖擊類機械產(chǎn)品性能參數(shù)主要包括沖擊能量、沖擊頻率、耗氣量和噪聲等參數(shù)，這些參數(shù)主要反映了沖擊類產(chǎn)品在使用過程中的做功效率和能耗指標。

早在上世紀五六十年代，我國就對鑿巖機械氣動工具的性能測試設(shè)備開始了研究，天水風(fēng)動工具研究所 （天水鑿巖機械氣動工具研究所前身）是最早開始這項研究的牽頭和承擔(dān)任務(wù)的單位。 1984年在天水風(fēng)動工具研究所初步研究建立了應(yīng)力波法測試系統(tǒng)， 應(yīng)用近代波形存儲-微機處理系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的初步采集和處理。 之后，也有些行業(yè)單位及同仁對鑿巖機械氣動工具性能檢測和試驗方法在此基礎(chǔ)上進行了探索研究[1]，但測試條件控制方式上基本停留在人工手動控制，某些參數(shù)的計算仍沿用人工查表和現(xiàn)場記錄等方式， 數(shù)據(jù)的準確性受人為因素影響較大。

基于現(xiàn)代科技的發(fā)展成果，本所運用當(dāng)前數(shù)字化、 信息化和智能化技術(shù)的最新發(fā)展成果，經(jīng)過不斷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計改進研發(fā)了沖擊類機械產(chǎn)品智能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用模塊化信號采集、調(diào)理整定和程序化數(shù)據(jù)處理方案，可視化操作界面，通過測試軟件參數(shù)設(shè)定，實現(xiàn)了控制系統(tǒng)精確控制測試條件下壓力自主觸發(fā)和壓力反饋的穩(wěn)態(tài)控制、壓氣流量分路的智能匹配，保證了測試條件的穩(wěn)定性和高精度性要求，采集過程結(jié)果可實時輸出，有效提高了測試系統(tǒng)的測試效率。該系統(tǒng)初步完成研發(fā)后經(jīng)過大量的技術(shù)數(shù)據(jù)的試驗驗證和對比分析，對發(fā)現(xiàn)的問題不斷改進完善，目前技術(shù)已成熟可靠，形成了測試系統(tǒng)的程序化、規(guī)范化指導(dǎo)手冊和作用指導(dǎo)書。

2 基本原理

2.1 沖擊能量的數(shù)據(jù)模型

沖擊波在鉆桿中傳播時具有一定的能量，在鉆桿中某一固定截面具有受力P， 速度v， 在dt時間內(nèi)做功為Pv·dt，則其總能量[2]

式中 A——鉆桿截面積

τ——波的持續(xù)時間

σ——鉆桿截面應(yīng)力

在活塞碰撞鉆桿截面積且鉆桿足夠長的情況下可實現(xiàn)完全的能量轉(zhuǎn)移。 則入射波能量

式中 Vp——活塞的碰撞速度

M——活塞質(zhì)量

m——釬桿波動慣量

根據(jù)公式（1），鑿巖機的沖擊能量可采用適當(dāng)?shù)乃矐B(tài)應(yīng)力記錄手段捕捉鉆桿中一點的應(yīng)力歷程，然后平方求積進行確定。

為了避免反射波的干涉以準確地獲得入射應(yīng)力波，鉆桿要有足夠的長度，其一端置于吸能裝置中，吸能裝置采用長管結(jié)構(gòu)[3]，內(nèi)部置以摩擦片和吸能材料，吸能裝置同時消除了鉆桿多余的振動，以提高測試精度和應(yīng)變片的使用壽命。

其工作原理符合ISO 2787:1984 和GB/T 5621—2008 所規(guī)定的沖擊能量試驗方法[4]，即應(yīng)力波法。 當(dāng)被檢樣機在試驗臺上工作時，樣機的沖擊能以應(yīng)力波的形式傳遞到粘貼有應(yīng)變片的吸能測試釬桿中，并以一維波動的方式在釬桿中傳遞，此應(yīng)力波稱為入射波。 當(dāng)入射波經(jīng)過貼有應(yīng)變片的釬桿截面時， 引起應(yīng)變片阻值的變化，此阻值的變化量與入射波的應(yīng)力幅值成正比，也與沖擊釬桿的沖擊能量成正比。利用動態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)，測試系統(tǒng)在測控主機內(nèi)置采集及調(diào)理模塊和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)控制下，捕獲并記錄測試釬桿中一點（即貼應(yīng)變片處）的瞬態(tài)應(yīng)力歷程，然后用足夠的積分點（至少30 個）積分出沖擊能量。

在本測試系統(tǒng)中，對入射應(yīng)力波能量函數(shù)作了技術(shù)處理， 即函數(shù)中的應(yīng)力值被轉(zhuǎn)化為電壓量，電壓量經(jīng)A／D 轉(zhuǎn)換成了數(shù)字量，省去計算的中間過程，最后，沖擊能量檢測的數(shù)學(xué)模型為：

式中 E——沖擊能，J

a——測試釬桿截面積，m2

ρ——測試釬桿材料密度，kg/m3

c——應(yīng)力波在測試釬桿中的傳播速度，m/s

B——應(yīng)力／單位量化值即標定系數(shù)

Δt——采樣時間，s

ni——第i 個應(yīng)力值對應(yīng)的測量電壓的數(shù)字量，單位為1 個數(shù)字

j——積分點的個數(shù)

在式（3）中，當(dāng)測試釬桿材料確定后，則a、ρ、c 的值也已確定，即為常數(shù)；當(dāng)采樣時間設(shè)定后，Δt 也為常數(shù)；當(dāng)標定系數(shù)B 確定后，沖擊能量E只與代表沖擊應(yīng)力的有關(guān)，由測試系統(tǒng)自動采集數(shù)據(jù)并計算出沖擊能量E。

測試系統(tǒng)在測試樣機沖擊能量的同時，測控主機控制系統(tǒng)自動采集一定時間范圍內(nèi)樣機活塞沖擊測試釬桿產(chǎn)生的應(yīng)力脈沖次數(shù)，從而由測試程序計算出樣機的沖擊頻率。

2.2 標定系數(shù)的確定

根據(jù)一定質(zhì)量的落錘及落錘高度

式中 h——落錘自由下落高度

l——落錘長度

h0——標定桿下端面至吸能測試釬桿釬尾上端面的距離

標定管體長度為2218 mm。

落錘具有一定高度的勢能，在落錘沖擊測試釬桿的瞬間全部轉(zhuǎn)化為動能即沖擊能。

式中 E——落錘勢能 （等于輸入測試系統(tǒng)的沖擊能），J

m——落錘質(zhì)量，kg

g——重力加速度，m/s2

h——落錘的下落高度，m

將式（5）所示的沖擊能作為已知的標準能量代入式（3）中，數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)自動進行數(shù)據(jù)處理，并進行計算，最后輸出標定系數(shù)B

3 系統(tǒng)的研制

對于沖擊類機械產(chǎn)品的性能測試，行業(yè)領(lǐng)域早已開展了相應(yīng)研究并開發(fā)了許多方法，其中包括高速攝影、位移傳感器、同位素測量、觸點、光學(xué)、示功圖、機械試驗臺等方法[5]。 這些方法除機械試驗臺在生產(chǎn)中應(yīng)用外，其他測定方法由于其各自在精度和操作方面的局限性，尚未能廣泛采用。直到上世紀六十年代隨著沖擊鉆進波動力學(xué)的研究，應(yīng)力波法測定沖擊能量的方法才開始逐漸被采用。

沖擊類機械產(chǎn)品智能測試系統(tǒng)基于動態(tài)應(yīng)變測量技術(shù)， 運用應(yīng)力波法測定沖擊能量的方式，通過采集測試釬桿上應(yīng)變片阻值變化信號及壓力、流量、溫度、振動和轉(zhuǎn)速等信號，經(jīng)測控主機控制系統(tǒng)對信號采集整定及模數(shù)轉(zhuǎn)化等一系列數(shù)據(jù)處理，實時輸出沖擊能量、沖擊頻率、轉(zhuǎn)速和耗氣量。

3.1 測試方法的選擇

沖擊性能是表征鑿巖機械具備破巖能力的首要指標，其關(guān)鍵參數(shù)為沖擊能量，截止目前，已根據(jù)不同測試原理發(fā)展了多種沖擊能量測試方法，如位移觀測法、測定速度法、示功圖法、氣壓法、機械法和應(yīng)力波法等[6]，見表1。

表1 沖擊能量測量方法[8]

目前主要采用的有兩種：

（a）測速法：記錄活塞速度曲線，測定活塞末速度V，然后由動能公式得出其沖擊能（m 為活塞的質(zhì)量）。 這種方法的優(yōu)點是可以直接獲得活塞的運動狀況，但給出的沖擊能量為樣機所能達到的最大額定值，不是輸出值[7]；且由于必須拆機裝置測桿，受到被測樣機結(jié)構(gòu)限制，對產(chǎn)品檢測不適用。

（b）應(yīng)力波法：由被測樣機釬桿入射應(yīng)力波蘊含的能量確定沖擊能量。 通過應(yīng)變片、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機處理器進行檢測。 這種方法直接給出了樣機的輸出能量， 能直接反映出做功能力，其優(yōu)點是測試精度高，可以不拆機對樣機實行檢測。

目前國內(nèi)外鑿巖機械、沖擊類工具等產(chǎn)品廣泛應(yīng)用應(yīng)力波法檢測沖擊能，并且是國際標準和國家標準規(guī)定的檢測方法[9]。 本系統(tǒng)采用應(yīng)力波法測試沖擊能量的方法，充分利用應(yīng)力波法測試的突出優(yōu)點，結(jié)合測試系統(tǒng)整體設(shè)計思路，使測試系統(tǒng)達到測試精度高、重復(fù)性好、測試時間短、便于操作的效果。

3.2 系統(tǒng)的組成

本系統(tǒng)由測控主機控制系統(tǒng)、壓力控制和流量測量裝置、 沖擊能立式試驗臺和吸能器組組成，見圖1。 測控主機控制系統(tǒng)用于信號的采集和處理及對執(zhí)行元件的控制，壓力控制和流量測量裝置用于壓力的穩(wěn)態(tài)控制及流量的測量，沖擊能立式試驗臺用于樣機的固定、系統(tǒng)的標定和轉(zhuǎn)速的測定，吸能器組用于吸收和衰減樣機所產(chǎn)生的沖擊能量。

圖1 系統(tǒng)組成示意圖

3.2.1 測控主機控制系統(tǒng)

測控主機控制系統(tǒng)由信號采集輸入端 （應(yīng)變、流量、壓力、溫度、振動和轉(zhuǎn)速）、測控主機、控制器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和打印設(shè)備組成，見圖2。

圖2 測控主機控制系統(tǒng)組成示意圖

測控系統(tǒng)交互界面采用可視化操作界面（見圖3）， 控制器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)基于模塊化集成設(shè)計，由測控主機、同步數(shù)據(jù)采集模塊、信號調(diào)理模塊、測試系統(tǒng)專用軟件組成，各功能模塊集成于測控主機，即組成了6 通道數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了應(yīng)變、壓力、流量、轉(zhuǎn)速、溫度和振動速度等數(shù)據(jù)的實時采集和處理?？刂破骷皵?shù)據(jù)處理系統(tǒng)設(shè)定測試系統(tǒng)的觸發(fā)壓力和流量預(yù)估范圍，測試主機根據(jù)系統(tǒng)流量預(yù)估范圍智能控制開啟相應(yīng)壓氣管路的電磁閥為樣機供氣，同時測試主機接收來自各傳感器的信號，如應(yīng)變信號、流量信號、壓力信號、溫度信號、振動信號、轉(zhuǎn)速信號等，調(diào)理模塊將采集的模擬信號通過模數(shù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號貯存于采集模塊，采集模塊對比分析控制器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)定，控制電動調(diào)節(jié)閥開度使壓力達到系統(tǒng)設(shè)定壓力值，實現(xiàn)壓力反饋和控制的閉式循環(huán)。測試主機采集和貯存數(shù)據(jù)到一定頻數(shù)后將采集數(shù)據(jù)傳入控制器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，控制器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)通過內(nèi)置數(shù)據(jù)算法運算，輸出樣機的沖擊能量、沖擊頻率、耗氣量和轉(zhuǎn)速等，實現(xiàn)了計算結(jié)果的實時輸出，采樣數(shù)據(jù)從壓力觸發(fā)到結(jié)果輸出時間僅需3 秒。

圖3 測試系統(tǒng)操作界面

3.2.2 壓力控制和流量測量裝置

壓力控制和流量測量裝置由貯氣罐、并聯(lián)的旁通測試分路和壓力調(diào)節(jié)分路及流量測試分路組成，見圖4。

圖4 壓力控制和流量測量裝置

在測試過程中，壓力的穩(wěn)態(tài)控制是各項性能參數(shù)是否準確的保證。本系統(tǒng)采用人工手動調(diào)節(jié)調(diào)壓閥和控制系統(tǒng)自動調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥的兩級調(diào)壓方式，人工手動調(diào)節(jié)調(diào)壓閥實現(xiàn)壓力的粗調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力到一定壓力值（測試壓力加系統(tǒng)壓降）， 控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥到系統(tǒng)預(yù)設(shè)壓力值，實現(xiàn)測試壓力的精確控制。 貯氣罐用于衰減壓氣脈沖， 保證輸入樣機的壓力狀態(tài)穩(wěn)定，貯氣罐上接有壓力變送器， 檢測輸入樣機的壓力，壓力變送器實時輸出反饋信號至處理器反映系統(tǒng)輸入樣機的壓力，控制器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)根據(jù)接收壓力信號比對預(yù)設(shè)壓力值，根據(jù)壓力差值實時輸出信號控制電動調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)貯氣罐前段輸入壓力，實現(xiàn)測試壓力的穩(wěn)態(tài)控制。 旁通測試分路作為備用測試分路，用于系統(tǒng)壓力手動調(diào)節(jié)測試狀態(tài)。

流量測試采用并聯(lián)流量測試分路，流量測試分路根據(jù)流量計量程不同而設(shè)置，測試系統(tǒng)根據(jù)樣機耗氣量范圍預(yù)估值， 智能匹配流量測試分路，開啟相應(yīng)分路，保證了流量測試的精度。

在測試的整個過程中，測控主機實時采集流量計、 壓力變送器和溫度變送器的反饋信號，控制器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)運用相應(yīng)算法實時計算和記錄被測樣機的壓力和流量。

本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計集成壓力反饋和控制、流量和溫度的實時采集，大大提高了數(shù)據(jù)采集的智能化、實時性和高效性，解決了以往系統(tǒng)流量人工計算、 壓力手動控制和現(xiàn)場記錄復(fù)雜繁瑣工作，大大提高了工作效率和測量結(jié)果的準確性。

3.2.3 吸能器組

吸能器組包含4 個不同吸能等級的吸能器（見圖5），各吸能器結(jié)構(gòu)相同，根據(jù)吸能等級的不同其吸能器殼體、吸能圓片及相關(guān)零件尺寸不同。 吸能器主要用于吸收沖擊能量、消除釬桿多余振動和消除釬桿反射波，以達到國際標準要求吸能器裝置反射能量不應(yīng)超過入射能量20%的規(guī)定。

圖5 吸能器實物圖

吸能裝置性能是否達到國際標準的要求，是整個測試系統(tǒng)的關(guān)鍵問題之一。吸能裝置采用長管結(jié)構(gòu)，內(nèi)部置以摩擦片和吸能材料，由多個較低摩擦系數(shù)片組合串聯(lián)來實現(xiàn)衰減和吸收反射波的作用。

為了準確地測得吸能裝置反射波能量與初始入射波能量之比，釬桿長度及應(yīng)變片粘貼位置應(yīng)保證在測試點得到的初始入射波不受吸能裝置反射波的影響，又要保證吸能裝置的反射波不受釬尾重新反射的影響，應(yīng)根據(jù)釬桿的波速計算出合適的釬桿長度及應(yīng)變片的粘貼位置。

由波形存儲器對釬桿入射波及吸能裝置反射波采樣，處理器對兩個波形加以區(qū)分，并分別計算各自的能量及其比值。為了消除應(yīng)變片及系統(tǒng)各儀器給定的參數(shù)的不精確引入的誤差，盡可能地提高測試精度，需要對系統(tǒng)沖擊能量進行標定。本測試系統(tǒng)沖擊能量的校準，采用GB/T 5621推薦的標準能量法即自由落錘法。對于測試系統(tǒng)中采用不同量程的吸能器，均要按此方法分別進行校準。

經(jīng)測定，本系統(tǒng)吸能器裝置反射能量與入射能量比值在8%-10%之間，遠遠超過了國際標準要求20%的規(guī)定。

3.2.4 沖擊能立式試驗臺

沖擊能立式試驗臺是對被測樣機的施加壓力和固定相對位置及系統(tǒng)標定的設(shè)備， 由立柱、橫臂、落錘標定裝置、氣頂壓緊裝置、樣機進氣管路和測速裝置組成。

在測試過程中將樣機置于吸能裝置釬桿伸出桿上，擺動橫臂到合適位置，使氣頂爪垂直壓住被測樣機，根據(jù)樣機重量及相關(guān)性能參數(shù)查表確定最優(yōu)推力，調(diào)節(jié)調(diào)壓閥壓力至最優(yōu)推力。 落錘標定裝置用于被測樣機在測試前標定能量系數(shù)時使用。

立式試驗臺底座采用樁基礎(chǔ)全埋式地腳螺栓緊固，立柱采用無縫鋼管承載力強、抗扭曲性能良好，提升裝置可以調(diào)整壓緊及回轉(zhuǎn)輔助支撐裝置的高度以適應(yīng)不同樣機高度的要求，壓緊及回轉(zhuǎn)輔助支撐裝置和標定裝置可以回轉(zhuǎn)至不同吸能器測試釬桿位置，滿足不同沖擊能量范圍測試的樣機壓緊和系統(tǒng)標定。

4 結(jié)束語

鑿巖機械氣動工具是我國采礦、 土石方工程、 路基工程和隧道工程等作業(yè)用重要設(shè)備，其性能質(zhì)量的提升將帶動我國上述工程領(lǐng)域功效的全面提高。沖擊類機械產(chǎn)品智能測試系統(tǒng)的研發(fā)成功并投入使用， 提高了產(chǎn)品性能測試的效率、測試精度和測量結(jié)果的客觀性，對于助力行業(yè)研發(fā)的新產(chǎn)品在技術(shù)含量的提升、性能質(zhì)量的提高等方面發(fā)揮巨大的作用。

本系統(tǒng)的廣泛使用，可助力本行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量與技術(shù)含量的進一步提升，從而使本行業(yè)產(chǎn)品發(fā)揮更大的優(yōu)勢，為我國的礦山、基建、水電、國防等相關(guān)行業(yè)提供效率更高的作業(yè)工具，同時還可在本行業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)方面為國家節(jié)約大量的材料和能源消耗，在本行業(yè)的產(chǎn)品使用時，能進一步改善作業(yè)環(huán)境和減輕工人勞動強度，帶來良好的社會效益，為推動行業(yè)產(chǎn)品的研發(fā)提供可靠客觀的數(shù)據(jù)依據(jù)，從而推動本行業(yè)產(chǎn)品邁向市場產(chǎn)業(yè)鏈的高端，促使民族產(chǎn)業(yè)更具市場競爭力。

圖6 沖擊能立式試驗臺