基于位移传感器的潜孔冲击器冲击功测试方法研究

时间：2024-07-28

王建祖，贾如磊，李权

（1.天水风动机械有限公司，甘肃天水741020；2.兰州石化职业技术学院，甘肃兰州730060）

1 前言

气动凿岩机是一种广泛应用于矿山、交通、冶金等部门的钻孔设备。为了验证产品的性能，保证产品质量，针对目前国内气动凿岩机测试工作的现状、结合当前测试系统的发展趋势，天水风动机械有限公司与兰州石化职业技术学院、兰州理工大学合作开发了基于位移传感器的潜孔冲击器冲击功测试方法。

目前凿岩机冲击能量的测试方法主要有：冲击变形法，应力波法、示功图法、末速度法、光电位移微分法、电磁感应法、触点法、气压法、示功图法和能量法等[1]。

冲击力法采用YD序列压电石英测力传感器作为机-电信号转换元件，采集冲锤打击砧子的冲击力信号，再计算液动旋冲接头的单次冲击功。压电石英测力传感器是利用电介质-石英晶体的压电效应，即在外力作用下，电介质表面上产生电荷，经电荷放大器放大和对传感器的归一化处理，可使计算简便，放大输出直接反映冲锤打击铁砧时的冲击力值[2]。由于这种方法对传感器破坏甚为严重，故只能用于试验或测试。

应力波法是目前普遍采用的方法。这种方法是在钎杆上贴上应变片，当冲击活塞冲击钎杆后在钎杆上产生应力波，通过测定应变片上应力波的波形来测定冲击能。由波动力学理论可知，活塞冲击钎尾时，冲击能量以应力脉冲的形式自钎尾向钎杆、钎头、岩石界面传递，根据冲击器活塞形成的冲击应力波能量计算冲击功。这种方法的缺点在于测试效率低下，同时对于操作者的技能与经验有较高要求。因此也不能作为工业化检验使用。

在国内，常用的另一种冲击性能测试法是感应式线速度传感器法，简称线速度法。线速度传感器由安装于冲击活塞上的磁棒与安装于凿岩机壳体上的螺旋线圈组成。当磁棒随冲击活塞往复运动时，磁棒在线圈中运动，由电磁感应原理，螺旋线圈中产生感应电动势，在磁棒与螺旋线圈的材料和尺寸确定以后，感应电动势仅与磁棒运动速度(即冲击活塞运动速度)有关[3]。此种测试方法要破坏冲击器的原有结构才能测出，且受外界干扰因素较大，得出的结果不能很好地反映冲击器的工作性能，因而也不是理想的测试方法[4]。

文献中还能见到一种测试方法。该方法利用大型弹簧作为冲击物，测量撞击的瞬态参数和弹簧的变形量，利用弹簧的变形能量计算出穿孔机的输出冲击功[5]。

1 测试原理

首先设计了一种岩石模拟装置，见图1。该装置使用压缩空气，类似气体弹簧。并使其刚度尽量接近于岩石。通过压紧气缸模拟操作者将凿岩机或冲击器压紧到岩石模拟装置上，给冲击器通气使之工作，对岩石模拟装置做功。岩石模拟装置活塞受到冲击后活塞产生位移。这种位移表现为一种波动。每个波峰代表每次冲击的最大位移。通过统计波峰数量和作用时间就可以得到冲击频率。位移量与冲击功存在着某种函数关系。因此，需要找到一种非接触式位移传感器来测量和记录活塞的位移量。

图1 岩石模拟装置

选用磁致伸缩位移传感器检测岩石模拟装置活塞位移量。岩石模拟装置的活塞位移量与气缸初始压力、温度、气体介质特性、冲击功等因素有关。

图2 系统原理图

当初始压力、温度、气体介质特性等因素确定时，活塞位移量与冲击功一定存在单调递增函数关系。即系统输入的冲击功越大，位移量越大。但是如果采用数学公式来描述这种关系，将非常复杂。另外数学解析式也容易受其他一些因素干扰，产生较大误差。因此，考虑采用多项式函数来拟合这个函数关系，应该能够达到需要的精度。即表达为

2 测试方法

先进行测试装置的标定，分以下几步：

（1）先在实验室测定不少于4台（实际取4台，就能保证精度）冲击器的冲击功（分别为W1，W2，W3，W4）。

（2）再将冲击器放到测试装置上，然后测得对应位移量（分别为S1，S2，S3，S4）。

（3）将W1，W2，W3，W4和S1，S2，S3，S4带入（2）式，采用最小二乘法计算，解得（2）式系数a1，a2，a3，a4，从而得到位移量与冲击功之间的经验函数关系。

测试阶段：将待检测冲击器固定到测试装置上，位移传感器测试得到岩石模拟装置活塞位移量。将此位移量带入前述方法所得函数关系式。即可得到冲击器的冲击功。

3 数据采集与处理

本测试装置采用单片机进行数据采集与处理。为了获得活塞位移峰值，需要完整描述冲击过程活塞的位移与时间关系曲线。采样频率要求达到活塞振动频率（即潜孔冲击器的冲击频率）10倍以上。也就是用不少于10个点来描述一个周期。潜孔冲击器的冲击频率最高在30Hz左右，因此，单片机的采样频率要求在300Hz以上。同时对位移传感器的响应频率也提出要求。采用相邻采样值进行比较，以获得位移峰值。通过对单位时间峰值数的计数，以获得冲击频率。