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1、北京科技大学液压凿岩机性能测试系统目录1性能指标测试方法31.1冲击机构性能测试方法31.2回转机构性能测试方法42测试系统与微机辅助测试原理52.1测试系统52.2数据采集处理原理62.3实时测试数据处理程序框图73测试信号的标定84测试系统技术方案设计94.1信号采集传感器清单94.2测试与数据采集处理技术方案框图104.2测试与数据采集处理仪器仪表清单115凿岩机测试计算参数13液压凿岩机性能测试与数据采集处理技术方案液压凿岩机的主要性能指标有冲击能、冲击频率、钎杆转速、钎杆转矩、推进力等。这些性能指标会影响凿岩机的凿岩速度，进而影响到凿岩的生产效率。因此设计一个良好的液压凿岩机性能指标
2、测试系统，正确测定凿岩机性能参数，有利于液压凿岩机的技术提高、性能改进，提高液压凿岩机的质量和使用寿命，对提高生产效率具有非常重要的作用。1性能指标测试方法凿岩机的性能指标测试主要包括冲击机构和回转机构两部分。冲击能和冲击频率是凿岩机的两个主要参数，是衡量凿岩机性能优劣的关键，凿岩机的设计主要围绕这两个参数进行，必须对其准确测量。1.1冲击机构性能测试方法常用的液压凿岩机性能参数的测试方法主要有：应力波法、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。应力波法测试原理简单，可保持整机的原形，适合实验室采用。应力波法是指冲击活塞冲击钎杆后在钎杆上产生应力波，然后通过测定应力波的
3、波形来测定冲击能。但其需要在钎杆上粘贴应变片，操作复杂，同时也存在着其它一些不足，因此对其进行改进，通过压电式传感器测试冲击力来得到液压凿岩机的冲击功和冲击频率。图1 冲击力法测冲击能系统原理方框图压电传感器是利用有些晶体的压电效应制造而成，其动态响应好，特别适合测试周期变比的冲击力，其在外力作用下，表面上产生电荷，其电荷量是和所受力成正比，因此在测试过程中，通过采集电荷并经过放大处理，即可得到冲击力。根据冲击力的变化就可得到冲击频率。根据冲量定理：Ft=mv （1）式中，F：液压凿岩机的冲击力，m：液压凿岩机的冲锤活塞质量，v：液压凿岩机的冲击速度，D t：为冲击时间。在测试过程当中可以采集
4、到液压凿岩机打击铁砧的冲击力，冲锤活塞质量已知，同时又由于每次冲击的时间确定，那么冲击力F和冲击速度v就成对应关系，通过公式E即可算出冲击功。使用这种方法测试冲击功，传感器的标定是十分重要的，采用国际标准所规定的自由落锤标定方式在室内实验台上进行即可。冲击力法的测试原理类似于应力波法，但是这种方法很好的解决了应力波法的不足，主要有（1）用压电石英传感器代替了应变片，压电传感器的动态响应好，并且不会发生应变片的脱落。（2）保证了液压凿岩机在测试的过程当中机构是在无损的状态下进行的。降低了成本，使实验台能够测试不同类型的液压凿岩机。（3）传感器虽然要做标定，预压等前期准备，但是较之在钎杆上粘贴应变
5、片来说，安装传感器的操作更简单。应用软件进行数据采集，通过计算机统计计算得到液压凿岩机的冲击频率。利用这种方法简化了应力波法的测试工序，并且能够较为准确的反应液压凿岩机的性能参数。1.2回转机构性能测试方法钎杆转速和钎杆转矩是回转机构的两个主要性能指标。转钎转矩常用测定回转马达工作压力（进油口与回油口压力差）与流量的方法，把测定值与相似条件下标定之比较。测试台架如图2所示。其中旋转加载系统由变速机构和加载泵系统组成。钎杆驱动变速机构，再由变速机构带动加载泵，在加载泵的液压回路中，通过调节回路载荷实现液压加载。该台架也可做冲击性能实验和凿岩机寿命试验。图2 冲击回转试验台架1-有橡胶减震机构的机
6、架；2-液压凿岩机；3-护罩；4-钎杆；5-旋转加载系统；6-液压受冲器2测试系统与微机辅助测试原理2.1测试系统以微机为中心，实现对液压凿岩机冲击机构各类参数的自动测试与分析，自动输出测试结果及曲线图表示，并实现数据的存储与再现，以便了解和研究冲击机构内部各部工作参数的变化规律，以及相互影响。图3 微机辅助测试系统图1-活塞前腔压力传感器；2-活塞后腔压力传感器；3-换向阀左腔压力传感器；4-换向阀右腔压力传感器；5-高压蓄能器压力传感器；6-低压蓄能器压力传感器；7-回油蓄能器压力传感器；8冲击力传感器；9-系统压力信号输出；10-系统流量信号输出；11-系统温度信号输出2.2数据采集处理
7、原理实验台在采集实时数据之后，需要通过对测试数据的分析和处理，研究液压凿岩机的性能，因此参数的采集和处理具有重要的意义。参数采集和处理包括：数据采集、数据处理、数据输出几个模块。数据采集使用美国NI公司数据采集卡，具体设计数据采集结构和数据传输方式。软件系统可采用LabVIEW进行编程，软件系统应包括以下功能:（1）多通道同时采集处理，可在同一屏幕内显示多项参数的对比结果；（2）比例增益分为1、2、4、8四档，采样可按滑动平均、离散、最小值、最大值4种方式处理；（3）比例系数任意设定，使软件在处理不同信号时可反映出真实的压力、加速度及与这两参数相关的各种数据及曲线；（4）采样速率任意设定，最大
8、采样速率为 250kHz，即采样最小时间为 4s；（5）具有数据回放及再处理功能；（6）具有数据、图表输出、打印等功能。对二次仪表输出的电参量进行采集转换，把模拟信号变成离散的数字量，然后送入微机进行处理。多通道数据采集，需要微机具有较大的内存容量。由采样定理可知，要如实地反映被测信号的规律，采样频率至少要大于被测信号频谱中最大频率的两倍，这要求采样系统要由较高的采集速度满足采样点的实时性。图4 微机采集原理2.3实时测试数据处理程序框图图5 实时测试数据处理程序框图3测试信号的标定采用国际标准所规定的自由落锤标定方式在室内实验台上进行标定。1、垫板 2、传感器 图6 标定系统示意图冲锤做自由
9、落体运动，冲击垫板及传感器，传感器输出的信号经过电荷放大器放大，数据采集卡采集后输入计算机处理后得出不同高度下传感器的输出值，此输出值与不同高度下冲锤的势能成比例关系；E=a+ bv （2）式中，E冲击功；V冲击速度；a， b为常数；a、b由冲锤在不同高度的势能和传感器对应的输出值经过线性规划处理得到。将式（2）作为标定公式计算冲击功。4测试系统技术方案设计4.1信号采集传感器清单表1 压力变送器清单序号测量参数代号量程MPa电源输出信号测量仪器要求1冲击进油压力PBI0-2524V DC0-10V变送器与压力表存储、记录2冲击回油压力PBO0-524V DC0-10V变送器与压力表存储、记录
10、3缓冲进油压力PCI0-1524V DC0-10V变送器与压力表存储、记录4回转进油压力PRI0-2124V DC0-10V变送器与压力表存储、记录5回转回油压力PRO0-524V DC0-10V变送器与压力表存储、记录6推进进油压力PTI0-1024V DC0-10V变送器与压力表存储、记录7受冲器内部压力PTI0-1024V DC0-10V变送器与压力表存储、记录8润滑油雾压力PLA0-0.524V DC0-10V变送器与压力表存储、记录9冲洗水压力PFI0-2.524V DC0-10V变送器与压力表存储、记录10凿岩机前腔压力PPF0-2524V DC0-10V变送器与压力表存储、记录1
11、1凿岩机后腔压力PPR0-2524V DC0-10V变送器与压力表存储、记录12高压蓄能器压力PAI0-2524V DC0-10V变送器与压力表存储、记录13缓冲蓄能器压力PAC0-1524V DC0-10V变送器与压力表存储、记录14回油蓄能器压力PAO0-524V DC0-10V变送器与压力表存储、记录15左阀腔压力PVL0-2524V DC0-10V变送器与压力表存储、记录16右阀腔压力PVR0-2524V DC0-10V变送器与压力表存储、记录表2 流量变送器清单序号测量参数代号量程L/min电源输出信号测量仪器1冲击进油流量QBI11-14024V DC0-10V流量变送器存储、记录
12、2冲击回油流量QBO11-14024V DC0-10V流量变送器存储、记录3缓冲进油流量QCI0.6-624V DC0-10V流量变送器存储、记录4冲击泄漏流量QBL0.1-1224V DC0-10V流量变送器存储、记录5回转回油流量QRO7.5-8524V DC0-10V流量变送器存储、记录表3 温度变送器清单序号测量参数代号量程 电源输出信号测量仪器1液压油温TTO0-8024V DC0-10VPT100带变送器与温度表存储、记录表4 力学参数传感器清单序号测量参数代号量程电源DC输出信号测量仪器1回转速度VR0-250 rpm24V0-10V转矩转速传感器存储、打印2回转扭矩MR100-
13、2000 Nm24V0-10V转矩转速传感器存储、打印3冲击频率FB10-60 Hz24V0-10V频率计存储、打印4凿岩速度VD0-0.3m/s24V 0-10V磁致伸缩速度传感器MDS-L（量程：2m，线缆10m）存储、打印5活塞速度VP0-13 m/s24V0-10V磁致伸缩速度传感器MDS-L（量程：0.5m，线缆10m）存储、打印6冲击力0-300KN24V0-10V压电石英力传感器存储、打印4.2测试与数据采集处理技术方案框图液压凿岩机计算机测试系统由数据采集卡、工控机、激光打印机、外围传感器、信号转换隔离模块、高精度稳压电源、中间继电器、开关电源、按钮及旋钮、电磁阀、变频器、电机等几部分组成，系统硬件原理图如图所示。图7 系统硬件原理图图7 液压凿岩机测试系统软件方案4.2测试与数据采集处理仪器仪表清单序号名称数量要求规格型号备注1工控机1CPU：双核，2.4G以上内存：4G及以上PCI插槽：2个及以上电源：ATX电源研华或研祥工控机2液晶显示器124英寸飞利浦244EL2SB/9
