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气动破碎机性能检测试验台研究 郑丛芳 ， 张明柱 ， 张国栋 1 ． 河南科技大学机 电工程学院； 2 ． 河南洛阳风动工具有限公司 摘 要 气动破碎机性能测试对检验和鉴定产品结构， 分析新产品设计的合理性以及探究 新的改进方案等方面具有重要意义。针对在生产线上对产品进行大批量出厂检验， 设计了气动 破碎机性能检测试验台。介绍试验台的基本结构组成 ， 提出一种以计算机为核心的综合测试和 数字自动显示的检测系统方案。该检测系统由传感器、 信号调理电路、 单片机、 计算机和打印机 等组成， 可检测出气动破碎机的冲击能量、 冲击频率、 冲击功率、 气压、 耗气量等重要性能参数。 与传统的现场破碎检测试验对比表明， 检测快捷、 可靠， 检测结果准确， 劳动强度低， 并可有效判 定产品质量， 提高了破碎机的出厂检验水平。 关键词 气动破碎机； 检测系统； 冲击能量 ； 冲击频率 气动破碎机是一种用于矿山大块岩石二次破碎 的凿岩机械 ， 它还广泛应用于市政建筑的开凿基岩、 拆毁钢筋混凝土结构 、破碎冻土 以及整治各种混凝 土结构的路基与路面等 。气动破碎机是 以压缩空气 为动力 的工具 ，压缩空气由气压阀控制交替接通到 缸体的两端， 使活塞进行往复运动冲击钎杆尾部， 将 钎杆凿入混凝土层中， 使其分裂开。 为取得较高的破 碎效率 ， 钎杆必须与混凝土层有 良好的接触 ， 因此钎 杆在破碎土层的同时 ， 存在一定的回转运动 ， 其转动 速度对破碎效率有一定的影响。 气动破碎机在出厂前的运行试验性能检测是保 证其质量的重要检核手段。 过去， 国内主要通过现场 凿岩试验检测 ， 这种方法不仅存在费工 、 费时、 试 验 条件不尽一致等缺点 ，更重要的是难于提供准确的 检测结果 ， 还会造成不必要的浪费 ， 操作工人劳动强 度大 ， 生产效率也很低 。 针对上述问题，为了实现对气动破碎机性能参 数的室内测试分析， 同时又考虑到便于应用， 研制了 气动破碎机性能检测系统 ，实现产品出厂前的质量 检验。 该检测系统由试验台、 传感器、 信号调理电路、 单片机、 计算机和打印机等组成。 检测快捷、 可靠， 提 高了破碎机的出厂检验水平。 l 气动破碎机试验台的结构组成 气动破碎机试验 台主要由台架 、 缓冲系统、 速度 传感 器 磁芯 、 线圈组成 、 质量 一弹簧 一阻尼系统 吸能块、 阻尼垫、 弹簧组件 等构成， 如图 1 所示。 1 ． 钎杆 2 ． 阻尼垫 3 ． 吸能块 4 ． 磁芯 5 ． 线圈 6 ． 弹簧 7 ． 缸体 8 ． 水泥墩 9 ． 地簧 图 1 气动破碎机试验台结构简图 作者简介 郑丛芳 1 9 8 4 一 ， 女， 河南洛阳人， 在读硕士， 研究方向 现代数控装备设计与技术。 一 2 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 性能的前提下 ，采用由磁芯 4和线圈 5组成 的速度 传感器 ，将吸能块受冲击后获得的运动速度转换成 电信号输出。 2 测试系统方案 气动破碎机冲击性能检测系统主要 由测试试验 台、 单片机 、 P C机 、 打印机和 由 VC软件设计的测试 程序组成。 测试 系统采用主从式结构 ， 主从机通过 U S B接 口实现通讯 。主机采用 P C机 ， 主要完成对从机采集 的数据进行处理和计算 ， 并 向用户提供测试界面。 从 机部分采用 C 8 0 5 1 F 3 2 0 ／ 1 单片机， 与 8 0 5 1 单片机完 全兼容 ， 传输速度较快， 处理能力较强 ， 同时其本身 也具备 多路 A ／ D转换 ， 构成 系统的电路 简单 ， 调试 方便 ， 电磁兼容性好 ， 性价 比高 ， 应用方便。 测试系统是一个由单片机和 P C机构成的两级 测试系统 。下位机 单片机系统 通过模拟量和数字 量输入通道完成气动破碎机各性能参数 的数据采集 工作 。 上位机 P C机系统 通过 U S B接 口接收单片机 采集到的各种性能参数 ，完成具体的数据处理 、 存 储、 显示和测试报告打印等工作 。同时， 通过 串行 口 向单片机系统传送控制命令。测试系统的原理框图 如图 2 所示。 气动破碎机活塞冲击钎杆的速度信号通过电磁 感应速度传感器获得， 经信号调理 放大、 滤波 处理 后 ， 送人带有 A ／ D转换的单片机进行数据采样 ， 然后 由单片机直接将采样结果传给计算机 ，计算机能够 对气动破碎机在运行试验 台上的运行参数 ，如冲击 频率、 冲击能量、 冲击功率、 耗气量和气压等信号进 行 自 动采集、 计算、 处理和判别， 待到设定的运行时 间后 ， 自动切断气 源 ， 气动破碎机停止运行 ， 并打印 图 2测试 系统原理框 图 出全部测结果 。 2 ． 1 从机部分设计 从机 单片机 的作用是完成对被测信号的采集 和 A ／ D转换。 单片机接受主机的命令后， 按主机的要 求进行数据采集和 A ／ D转换 ，并将转换后的数据存 储在 R A M的数据缓冲区里； 在主机需要时， 将数据 缓冲区的数据发送到主机。 2 ． 2 冲击性能参数的测量 2 ． 2 ． 1 冲击能量的测量 冲击能量是评价冲击式机械工作能力的主要性 能参数。冲击过程瞬间完成， 是一个相当复杂的过 程。单纯用理论估算设备冲击能的方法与实际情况 有较大出入。目 前， 国际上尚没有标准的冲击器测试 方法。 常用的冲击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 、 末速度法 触点 法 、 气压法 、 示功图法 、 高速摄影法和能量法等。 综合以上方法的优缺点，结合该试验台自身的 特点 ， 采用 电磁感应法 ， 即采用安装于吸能块上的磁 芯与线圈备架上绕制的线圈所组成 的电磁感应速度 传感器系统。 磁芯随钎杆冲击吸能块往复运动时， 线 圈切割磁力线而产生的感应电动势大小为 e B L v 1 式 中 磁 感应 强度 ， 该 参数 大小 由该试验 台 采用的线圈和磁芯型号所决定 ， T ； 线圈切割磁力线时导体等效长度 ， m m； 磁芯与线圈的相对运动速度 ； m ／ s 。 其 中 曰和 是不变的 ， 由测得的感应电动势 e ， 计算得到磁芯速度 。冲击能量计算公式为 E a m ； 2 一 2 3 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 式中 活塞的冲击能量 ， J ； 活塞的质量 ， k g ； 钎杆速度与磁芯速度 的换算系数 。 取多次冲击的最大能量的平均值为破碎机的实 际冲击能。 活塞质量 p V 3 a 式中 r活塞材料的密度 ， k g ／ m ； 活塞的体积， m 。 速度信号测量过程如图 3 所示。速度传感器输 出模拟信号， 经信号放大、 滤波、 A ／ D高速转换后得 到数字信号， 存储在单片机内， 进而由U S B接口传 送到 P C机 。 速 度 模 信 A 数 蓖 拟 号 J 滤 D 三 片 传 - -- - - 一 - - 一 - - 一 感 信 放 波 转 信 机 号 大 换 号 器 图 3 速度信号调理框图 频谱分析后，可设计出数字滤波器以滤除噪声 等干扰信号， 从而得到瞬时冲击速度值， 进而求得冲 击能量。其信号调理电路如图5 所示。该信号调理 当前 ， M A T L A B已发展成为由基本语言 、 工作环 境、 图形处理系统、 数学函数库以及应用程序等组成 的强大应用型软件 ， 特别适应于解决工程问题。 其数 据采集工具箱提供 了与数据采集系统软硬件交互的 简便方法 ， 该检测系统采用 了 MA T L A B的数据采集 工具箱实现对速度信号的数据采集，波形图如图4 所示 。 图 4 信号采集波形 图 电路图包括信号放大和滤波电路， 并结合实际情况， 可应用于 3 种不同冲击性能的破碎机产品的检测。 图 5 信号调理电路 图 2 ．2 ．2 冲击频率的测量 国际标准规定，冲击频率可以用任何能清楚地 表明与工具的冲击次数有关的信号进行测量，如作 业工具的运动或应力脉冲次数。在测试 冲击能量 的 一 2 4一 P1 ． 6 同时，通过记录单位时间内冲击速度超过一定阈值 的最大值变化次数， 直接计算出实际冲击频率。 2 ．2 -3 冲击功率的计算 气动破碎机的功率系指它的冲击功率， 是评价 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 破碎机工作能力的综合性指标， 在 已知冲击能量 和 冲击频率的前提下， 计算冲击功率 P 1 0 E 4 式中 P冲击功率， k w； E 冲击能量 ， J ； 厂 冲击频率 ， Hz 。 2 ． 2 ． 4 气压的测量方法 压缩气体 的压力 P是气动破碎机工作 的一项重 要指标。在 I S 0 3 8 5 7和 I S 0 2 7 8 7等标准中规定优先 采用压力表测试 ，小 型气 动破碎机 的压力 通常为 0 ． 6 3 M P a 。测量时选用压力表 ， 应能清楚地读 出满量 程时的 0 ． 5 ％的压力值 ， 所测压力值应在压力表最大 读数的 1 ／ 4至 3 ／ 4之间。 2 ． 2 ． 5 耗气量的测量 在规定条件下 ，气动破碎机设备在单位时间内 消耗 的、在标准状态下的 自由空气的体积量 即为耗 气量。自由空气指的是现场大气条件下的空气。 该试验台采用空气耗用量表测量其耗气量。单 位一般用 L ／ s 的 自由空气表示 ， 测量方法是把测得 的 机器进气 口的流量 ，转换成基准大气的 自由空气进 行计算 ，基准大气的条件为压力 1 0 0 k P a ，温度 2 0 ℃， 湿度 6 5 ％。 2 ． 3 主机软件设计 测控系统软件控制着整个测试流程。本系统软 件采用模块化结构 ， 主要包含数据录入 、 采集 、 处理、 显示 、 通讯及测试报告打印等程序模块。 不仅能准确 可靠地完成规定的任务 ， 还具有执行速度快、 占用 内 存少、 修改扩展方便等特点。 图 6为测控软件的总体结构框图。 在主菜单 中， 用户可以选择进行测试或者退 出系统 。选择测试项 后 ， 要求用户输人有关数据 检验员代号 、 破碎机型 号、 机号与测试时间等 ， 输人完毕， 用户可以确认或 重输。 确认以后进入测试菜单， 实时显示各测试数据 每隔 8 s 数据刷新 。测试完毕， 自动测试打印机工 作状态 是否联机，是否缺纸等 ， 若正常工作 ， 可 自 动 打印测试报告 ， 然后 回到主菜单。在测试过程 中， 用 户可以按 E S C键放弃本次测试， 使系统返回主测试 界 面 。 3 试验结果 通过对 1 0 0台某型气动破碎机进行试验台和现 图6 测控软件总体结构 场破碎检核对 比试验。 试验条件力求两者接近， 工作 气压为 0 ．6 3 M P a ， 其检测指标如下 1 冲击频率 f I3 4 H z ， 此指标为气动破碎机冲 击活塞是否正常工作的判定条件； 2 冲击功率 P I9 0 0 W，此指标反映出单位 时 间内冲击活塞做功的快慢，是评价气动破碎机工作 一 25 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 1 产品检测部分 结果 机号 冲击功率／ W 钎杆转速 ／ r ／ m i n 有效冲击频率 ／ I- I z 平均冲击能 ／ J I 1 3 1 1 78 41 3 4． 6 5 3 4． 0 1l 4 1 00 3 4 3 35．9O 27 ． 9 l1 5 1 06 4 4 4 41 ． o 0 2 8- 2 1 1 6 1 5 0 6 4 2 3 7 ． 2 O 3 4 ．0 1 3 3 8 8 6 4 1 3 5 ． 8 0 2 4 ． 7 l 3 5 l 0 2 l 4 0 3 8 ． 5 0 2 7 ． 5 1 39 1 07 7 3 7 3 7． 2 0 28．0 1 4 0 1 03 2 4 0 3 3- 3 6 3 0 ． 9 注 总检验台数 1 0 0台， 合格台数 9 7台， 合格率 9 7 ％ 表 2 运行试验 台和现场破碎试验的对 比结果 l 运 行 试 验台 检 测 现 场 破 碎 检 核 对 应 样 机台 数 合格 合格 9 7 不合格 合格 1 不合格 不合格 2 能力的综合性能指标 ； 3 钎杆转速 ≥3 5 r ／ m i n ，此指标反映出钎杆 的工作运行情况以及破碎效率。 产品检测部分结果如表 1 所示 。 利用上述指标综合对破碎机产 品进行 质量 判 定， 其中任一项达不到要求即为不合格产品。该运行 试验台和现场破碎试验的对 比结果如表 2所示。 运行试验台对气动破碎机的运行检核有着 良好 的鉴别能力。 对比试验结果表明 试验台判定为不合 格的产品在现场破碎检核中也不合格 ，但试验台还 检测出了现场破碎检核 中没有检查 出来 的不合格产 品 ， 从而降低 了检测误差率 ， 而以前这种产品作为合 格品出了厂， 既影响了厂家的商誉， 又给用户造成经 济损失。运行试验台有效地提高 了气动破碎机的出 厂质量检验 ，避免了不合格产品出厂后返修 的现象 发生。 4 结论 气动破碎机性能测控系统 的研究，改变 了传统 的破碎机检测手段 ， 提高了测试精度和试验效率。 为 检验产品质量、鉴定分析新产品的性能等提供了科 学有效的测试方法 。 利用计算机系统的强大功能和突出的性能价格 比， 结合相应的硬件， 可大大突破传统仪器在数据处 一 2 6一 理、 显示、 传送 、 存储等方面的限制。 用基于单片机和 P C机的性能检测系统对冲击 过程 中的钎杆速度 、 冲击频率等参数进行 自动检测 ， 经过实践表明，该检测系统在实际生产中发挥 了重 要作用 工作稳定可靠 ， 具有良好的抗干扰能力， 同 时， 操作工人劳动强度也得以降低， 生产效率大大提 高 ， 改善了作业环境 ， 并可迅速得到较全面的破碎机 质量信息 ， 利于提高破碎机的质量水平 。 参考 文献 【 1 ]曹克强． 气动凿岩机微机监控运行试验台[ J J ． 矿冶工程， 1 9 9 9 2 5 1 5 4 ． 【 2 】彭立新． 凿岩机测试 系统新发展【 J ] ． 矿 山机械 ， 1 9 9 8 1 2 2 3-2 4． [ 3 ]曹克强， 张孟平． 电动凿岩机运行试验台[ J ] ． 矿冶工程， 2 0 0 0 6 3 - 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