液压凿岩机回转特性分析及试验研究.pdf

收稿日期2019-12-22 项目基金国家重点研发计划 （973计划） 项目 （编号 2016YFC0304102-2） 。 作者简介吕闯 （1986） ， 男， 工程师， 硕士。 液压凿岩机回转特性分析及试验研究 吕闯 1， 21 （1. 长沙矿冶研究院有限责任公司， 湖南 长沙 410012； 2. 深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室， 湖南 长沙 410012） 摘要液压凿岩机的回转机构一般采用独立外回转机构， 较之于冲击机构， 很少有人进行过这方面的研究。 本研究在对液压凿岩机主要回转性能参数包括回转扭矩、 回转转速、 回转功率等进行理论分析的基础上， 依据国家 标准的要求， 特制了一套液压凿岩机回转性能测试系统， 并以某小型号液压凿岩机为试验样机， 对其回转性能进行 了试验测试， 试验分别测试了小流量和大流量2种状态下的回转性能参数。通过数据分析及曲线拟合表明 回转 扭矩和回转进油压力具有很好的线性关系， 在一定的回转扭矩范围内， 其扭矩转速曲线保持很好硬特性 （转速稳 定） ， 负载超出此扭矩， 回转转速急速下降。 关键词液压凿岩机回转特性理论分析性能参数 中图分类号TD421.2文献标志码A文章编号1001-1250 （2020） -04-154-05 DOI10.19614/ki.jsks.202004024 Analysis and Experimental Study on Rotary Perance of Hydraulic Rock Drill L Chuang1， 21 （1.Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy CO.， Ltd.， Changsha 410012， China； 2. State Key Laboratory of Deep-sea Mineral Resources Development and Utilization Technology， Changsha 410012， China） AbstractThe hydraulic rock drill generally adopts the independent external rotating mechanism. Compared to the im⁃ pact mechanism，there are few researches on it. Based on the theoretical analysis of the main rotary perance parameters of hydraulic rock drill，including rotary torque，rotary speed，rotary power，etc.，and according to the requirements of na⁃ tional standards，a set of rotary perance test system of hydraulic rock drill is developed in this study，and a small-type hydraulic rock drill is used as the test model to test its rotary perance under low flow and large flow. The data analysis and curve fittingshows that there is a good linear relationship between rotary torque and rotary oil inlet pressure. Within a cer⁃ tain range of rotary torque，the torque-speed curve keeps a good perance speed is stable，where the load exceeds the torque， and the rotary speed drops rapidly. KeywordsHydraulic rock drill， Rotary characteristics， Theoretical analysis， Perance parameters 液压凿岩机属于冲击旋转钻孔工具， 其以高 压液体为动力， 具有能量利用率高、 凿岩速度快、 机 械性能好等特点， 在矿山开采、 交通、 隧道、 铁路修建 中等应用广泛 ［1］。人们在进行液压凿岩机的产品设 计、 改进或性能评价时， 大多只关注其冲击机构和性 能， 特别是冲击机构优化设计、 动力学仿真模型及研 究、 冲击性能检测以及零部件优化设计等方面， 已有 学者做过大量的工作 ［2-10］。而对于液压凿岩机的回 转性能， 其中重视程度并不高， 只有极少的公开资料 显示进行了液压凿岩机回转机构及其功能参数的分 析研究， 其中郭孝先 ［11］对液压凿岩机的回转机构的 重要作用、 回转性能参数影响因素以及回转性能评 价三方面进行深入的探讨， 提出对液压凿岩机回转 机构的考核目标应是以获得高凿孔速度并具有一定 可靠性为前提， 在较低的回转机构功率消耗下， 能有 一定的扭矩、 转钎数与输出功率； 席汝凯 ［12］等对液压 凿岩机的回转速度控制系统进行了深入研究， 其研 究基于LabVIEW平台开发的冲击频率提取功能可实 时提取液压凿岩机冲击信号， 通过控制器程序实现 对液压凿岩机回转速度调节的目的。 总第 526 期 2020 年第 4 期 金属矿山 METAL MINE Series No. 526 April 2020 154 实际上， 由于现今几乎所有的液压凿岩机都是 采用独立外回转机构， 即采用独立的液压马达驱动 一套传动系统实现转钎 ［13］， 人们常应用液压马达的 的参数来评价液压凿岩机的回转性能。但笔者认 为， 由于液压凿岩机的回转机构存在零件加工精度、 装配精度及零部件清洁度上的差异 ［14］， 仅用液压马 达的性能参数来表征液压凿岩机整机回转性能是不 准确的。 1回转性能参数 液压凿岩机回转性能主要参数包括回转扭矩T （N m） 、 回转转速n （r/min） 、 回转功率P （kW） 。三者 之间的关系为 2πn 60 T 1 000P.（1） 由于P、 T和n均属于变量， 且三者存在一定的耦 合关系， 很难从式 （1） 中得出三者直观的变化规律， 这其中回转转速对液压凿岩机的整体钻孔性能有较 大影响， 液压凿岩机在正常工作时， 其回转转速 （转 钎数） 是否达到了要求值是很重要的， 在JB/T 7169- 2017 导轨式液压凿岩机 标准中， 对其进行了明确 规定。 液压凿岩机的回转机构主要采用独立外回转机 构， 用液压马达驱动一套齿轮装置， 带动钎具回转， 其回转机构示意见图1所示。 液压凿岩机的回转扭矩可表示为 T TMiηj，（2） 式中，TM为液压马达的输出扭矩；i为液压凿岩机转钎 机构齿轮传动比；ηj为液压凿岩机转钎机构机械效率。 TM 1.56ΔPqηm，（3） 式中，ΔP为液压马达进、 出油口之间的压力差；q为 液压马达的排量；ηm为液压马达的机械效率。 由式 （2） 和式 （3） 可以看出 （1） 液压马达的机械效率ηm以及液压凿岩机转 钎机构的机械效率ηj都会直接影响液压凿岩机的回 转性能。很显然， 即使对于同一型号和同一结构的 液压凿岩机， 使用同一型号液压马达， 由于存在零件 加工精度、 装配精度及零部件清洁度上的差异， 其回 转性能参数也不是完全相同的。 （2） 对于同一台液压凿岩机， 其输出回转扭矩的 大小只与液压马达进、 出油口之间的压力差ΔP和液 压马达的排量q有关， 若是在液压马达的排量q不变 的情况下， 其输出回转扭矩的大小应与液压马达进、 出油口之间的压力差ΔP呈正线性相关。 2回转性能测试 进行回转性能测试的目的在于获取最直观的回 转性能特征， 由式 （2） 、 式 （3） 可以看出 由于液压凿 岩机的回转扭矩并不等于液压马达的输出扭矩， 其 受零部件加工精度、 装配精度等因素影响， 为了规避 这些因素， 液压凿岩机的回转扭矩必须直接测量， 而 不能由液压马达的输出扭矩值间接推导计算。 2. 1回转性能测试系统建立 为了进行液压凿岩机回转性能测试试验， 特制了 一套测试系统。根据国家标准 GB/T 5621-2008 凿 岩机械与气动工具性能试验方法 的要求， 采用转矩 转速传感器 ［15-16］检测液压凿岩机的扭矩、 转速， 检测 信号被送入微机扭矩仪中； 磁粉制动器通过联轴器与 转矩转速传感器联结， 用于给被测凿岩机施加负载， 以吸收液压凿岩机的回转输出功率， 通过调节控制器 电流来控制负载的大小； 为了避免转矩转速传感器因 直接联结被测液压凿岩机而因振动造成某种程度的 损坏， 被测液压凿岩机通过齿轮箱将旋转动力1 ∶ 1传 递到转矩转速传感器， 其原理见图2所示。 旋转进油管路上装有压力传感器， 旋转回油管 路上装有流量计， 用于检测回转进油压力和回油流 量等工作参数， 这些信号经由相应的二次仪表后， 均 馈入到扭矩仪中。 吕闯等 液压凿岩机回转特性分析及试验研究2020年第4期 155 所有馈入扭矩仪的信号参数， 经过扭矩仪的数 据变换， 并与计算机连接通讯， 由计算机程序控制扭 矩仪进行相应的数据采集、 处理， 自动进行相关参数 的存储和绘制特性曲线。 图3是回转性能测试试验现场， 磁粉制动器、 转 矩转速传感器、 齿轮箱均安装在独立的底座上， 液压 凿岩机安装在滑轨上， 以方便对液压凿岩机的装卸 和调整， 四者必须保持中心轴 （孔） 对中， 以确保测试 无侧向摩擦力或其他外力干扰。 由于本试验属于研究性试验， 为了减小因高压、 强振动等因素造成的各种不可预知的风险， 故采用 某一特小型液压凿岩机作为试验对象， 其整机重量 仅27 kg。 2. 2试验过程分析 由于液压凿岩机的回转进油压力会随着回转扭 矩而改变， 本身就是变量， 所以在本次试验中， 使用 定量泵给旋转马达供油， 设定初始旋转进油流量 （即 液压旋转马达在未加负载的空载转速下） 为定值， 以 研究回转性能参数的变化特性， 以及不同旋转进油 流量下回转参数的对比， 鉴于被测液压凿岩机本身 属于小型液压凿岩机， 则分别设定一小进油流量值 和一较大旋转进油流量值进行试验。试验过程中， 通过调节磁粉制动器控制器的电流大小逐步增加负 载， 获取被测液压凿岩机的旋转工作参数和回转性 能参数。 试验1 初始旋转进油流量10 L/min。 试验2 初始旋转进油流量20 L/min。 2. 2. 1测试结果 表1给出了试验1、 试验2的测试参数。 注 这些参数由测试程序直接给出， 结果中扭矩出现的负值是磁粉制动器未加负载时， 即被测液压凿岩机回转功率为0左右时的随机数， 可 以忽略。 金属矿山2020年第4期总第526期 156 从表1中可以直观地看出 随着负载增大， 回转 进油压力逐渐增大， 回转扭矩逐渐增大， 回转转速逐 渐降低， 回转扭矩与回转转速呈负相关， 最大回转功 率出现在回转转速、 回转扭矩均是中间某值的时候， 而非极值端， 回转进油压力随着回转转速转速下降 而逐渐升高， 流量则随着转速下降而减小。 对比试验1和试验2， 可以看出 （1） 试验1和2中回转功率变化趋势基本一致， 但总体上试验2的回转功率值偏高。 （2） 试验1和2中回转进油压力变化趋势基本一 致， 均随着回转转速下降而降低， 说明回转进油压力 随着负载增大而增大， 与流量的变化趋势相反， 但与 流量数值大小没有绝对关系。 （3） 试验1和2中回转扭矩变化趋势基本一致， 均随着回转转速下降而增高， 与流量的变化趋势相 反， 但与流量数值大小没有绝对关系。 （4） 未加负载时， 流量小于输入流量， 说明存在 液压马达存在泄漏。 2. 2. 2参数拟合曲线 所测得各参数值经程序拟合， 其关系曲线见图 4、 图5所示。 从图4和图5中可以直观看出 （1） 被测液压凿岩机的最大适用回转扭矩为60 N m， 在此扭矩范围内， 其扭矩转速曲线保持很好硬 特性 （转速稳定） ， 负载超出此扭矩， 回转转速急速下 降； （2） 回转扭矩和回转进油压力呈现很好的线性 关系， 但在试验1即小流量情况下斜率较大， 即在同 样负载情况下， 所需供油压力要小， 其回转转速也比 较低。 以上试验数据的分析， 是对前述理论的补充 液 压凿岩机会在一定扭矩范围内， 一定程度上保持某 一较高转速， 而此时， 回转功率即随着回转扭矩的增 大而增大， 与转速没有必然关系。在实际钻孔作业 时， 应让液压凿岩机保持在这一较高转速状态， 以达 到旋转切削的目的， 并符合 JB/T 7169-2017 导轨式 液压凿岩机 标准中关于转速的要求。 3结语 （1） 在对液压凿岩机主要回转性能参数进行理 论分析的基础上， 以某小型液压凿岩机为试验样机， 对其回转性能进行了试验测试。试验分别测试了小 流量和大流量2种状态下的回转性能参数， 通过数据 分析及曲线拟合， 得到了回转性能参数的变化特征 规律及参数相互影响关系。试验表明 在实际钻孔 作业时， 应让液压凿岩机保持在某一较高转速状态； 研究结果对液压凿岩机实际钻孔作业具有一定的指 导价值。 （2） 依据国家标准的要求， 特制了一套液压凿岩 机回转性能测试系统， 可用于液压凿岩机回转性能 测试， 方便技术人员对液压凿岩机回转机构的性能 评价， 并提供改进依据， 对提高液压凿岩技术具有重 要意义。 吕闯等 液压凿岩机回转特性分析及试验研究2020年第4期 157 ［1］ ［2］ ［3］ ［4］ ［5］ ［6］ ［7］ ［8］ ［9］ ［10］ ［11］ ［12］ ［13］ ［14］ ［15］ ［16］ 参 考 文 献 王运敏. 中国采矿设备手册 ［M］ . 北京 科学出版社， 2010. Wang Yunmin. China Mining Equipment Manual［M］ . Beijing Sci⁃ ence Press， 2010. 陈时平.基于多目标优化的液压凿岩系统配置研究 ［D］ . 长沙 长沙矿冶研究院， 2017. Chen Shiping. Configuration of Hydraulic Drilling System Based on Multi-Objective Optimization［D］ . Changsha Changsha Institute of Mining and Metallurgy， 2017. 田文元 . 轻型独立回转液压凿岩机的研究 ［D］ . 沈阳 东北大 学， 2005. Tian Wenyuan. Research on Light Independent Rotary Hydraulic Drill［D］ . Shenyang Northeast University， 2005. 张小鹏. YZ45型液压凿岩机的结构设计与性能研究 ［D］ . 湘潭 湘潭大学， 2014. Zhang Xiaopeng. Structural Design and Perance Research of YZ45 Hydraulic Rock Drill［D］ . Xiangtan Xiangtan University， 2014. 张凯.无阀控液压凿岩机的设计研究及优化 ［D］ . 徐州 中国 矿业大学， 2015. Zhang Kai. Design Research and Optimization of Valveless Hydrau⁃ lic Rock Drill［D］ . Xuzhou China University of Mining and Tech⁃ nology， 2015. 扶跃华， 刘建魁， 杜浩斌， 等. 两种液压凿岩机缓冲装置的分析 与仿真比较 ［J］ . 凿岩机械气动工具， 2017 （1） 44-48. Fu Yuehua，Liu Jiankui，Du Haobin，et al. Analysis and simula⁃ tion comparison of buffer devices for two kinds of hydraulic rock drills［J］ . Pneumatic Tools for Rock Drilling Machinery，2017 （1） 44-48. 陈时平， 高波.液压凿岩机冲击机构动力特性参数的近似计 算 ［J］ . 凿岩机械气动工具， 2016 （3） 38-41. Chen Shiping， Gao Bo. Approximate calculation of dynamic charac⁃ teristic parameters of impact mechanism of hydraulic rock drill［J］ . Pneumatic Tools for Rock Drilling Machinery， 2016（3） 38-41. 李亮.液压凿岩机冲击系统动力学特性分析与实验研究 ［D］ . 湘潭 湖南科技大学， 2014. Li Liang.Dynamic Characteristics Analysis and Experimental Study of Impact System of Hydraulic Rock Drill［D］ .Xiangtan Hunan University of Science and Technology， 2014. 舒敏飞， 何清华， 赵宏强， 等. 液压凿岩机冲击压力及冲击性能 仿真研究 ［J］ . 武汉理工大学学报， 2011， 33 （8） 133-137. Shu Minfei， He Qinghua， Zhao Hongqiang， et al. Simulation study on impact pressure and impact perance of hydraulic rock drill ［J］ . Journal of Wuhan University of Technology，2011，33（8） 133-137. 王雪， 龚进， 邹湘伏， 等.液压冲击器的研究状况和发展趋 势 ［J］ .凿岩机械气动工具， 2006 （3） 19-23. Wang Xue，Gong Jin，Zou Xiangfu，et al. Research status and de⁃ velopment trend of hydraulic impactor［J］ . Pneumatic Tools for Rock Drilling Machinery， 2006（3） 19-23. 郭孝先 . 液压凿岩机回转功能初探 ［J］ . 凿岩机械气动工具， 1991 （2） 46-50. Guo Xiaoxian. Preliminary study on rotary function of hydraulic rock drill［J］ . Pneumatic Tools for Rock Drilling Machinery，1991 （2） 46-50. 席汝凯， 李东明， 张永玺. 液压凿岩机回转速度控制系统 ［J］ . 金 属矿山， 2017 （3） 153-156. Xi Rukai，Li Dongming，Zhang Yongxi. Rotary speed control sys⁃ tem of hydraulic rock drill［J］ . Metal Mine， 2017（3） 153-156. 周志鸿， 等.地下凿岩设备 ［M］ . 北京冶金工业出版社， 2004. Zhou Zhihong，et al. Underground Drilling Equipment［M］ . Bei⁃ jing Metallurgical Industry Press， 2004. 王路.液压凿岩机回转性能测试方法的试验研究 ［J］ . 煤矿自 动化， 1991 （4）45-49. Wang Lu. Test and research on test of rotary perance of hydraulic rock drill［J］ . Coal Mine Automation， 1991（4） 45-49. 陈德海， 仲卫东. JCZ型转矩转速传感器输出信号的相位差检测 技术 ［J］ . 仪表技术与传感器， 2008 （9） 89-90. Chen Dehai，Zhong Weidong. Phase difference detection technolo⁃ gy for the output signal of JCZ torque and speed sensor［J］ . Instru⁃ ment Technology and Sensor， 2008（9） 89-90. 张娇， 金鹏 . JC 型转矩转速传感器输出信号的处理方法 ［J］ .电子科技， 2014， 27 （9） 132-136. Zhang Jiao，Jin Peng. Processing of output signal of JC torque and speed sensor［J］ .Electronic Science and Technology， 2014， 27（9） 132-136. 金属矿山2020年第4期总第526期 158