气动凿岩机能量利用率的计算

郑苏录，高波

（1.衢州市特种设备检验中心，浙江 衢州324002；2.长沙矿冶研究院责任有限公司，湖南 长沙410012；3.深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室，湖南 长沙 410012）

1 前言

1844年，英国人发明了以压缩空气为动力的凿岩机，但存在一定的缺陷，实用性不好；1857年，意大利人对以往凿岩机进行改进并宣布成功研制出新一代凿岩机 （公认为气动凿岩机诞生年），并在上世纪50年代在国外普遍采用；随后20余年发展较快，生产厂商较多且品种繁多。我国气动凿岩机是在解放后逐步发展起来的，虽然潜孔钻机（其中潜孔冲击器为气动）和液压凿岩钻车应用取得了长足的进步，但在凿岩爆破工程中的应用和产品的品种及产量上，气动凿岩机仍占主要地位，气动凿岩机由于自身结构比较成熟，目前国内该产品技术性能指标及使用可靠性和质量、寿命等较国外产品差距不大，其在国内的市场占有率达90%以上，并有一定批量产品出口，其整体质量已达到国际水平，但在产品的噪声和振动及能量利用率方面尚有差距。

气动凿岩机主要包括：手持式凿岩机、气腿式凿岩机、手持气腿两用凿岩机、向上式凿岩机、导轨式凿岩机等系列，广泛应用于矿业开采、开山筑路、兴修水利、开凿隧道、边坡处理和国防施工建设及其它土石方工程。

气动凿岩机结构简单、容易维修、使用方便、价格低廉，但相对于液压凿岩机能耗较大。因此在全球重视节能降耗的今天，气动凿岩机能量利用率的计算显得尤为重要。然而，由于气动凿岩机气动动力过程较为复杂，目前没有一种能给出准确和清晰结果的计算方法，对气动凿岩机能量利用率往往只有大概和模糊的概念，缺失准确的量化数值。本文通过计算气动凿岩机的输入功率和输出功率，得出气动凿岩机的能量利用率，为气动凿岩机的参数设计、合理选用和气动凿岩机的能耗评价提供参考。

2 计算

2.1 计算方法

（1）冲击功率

式中NO——冲击功率，kW

E——冲击能量，J

F——冲击频率，Hz

（2）输入功率

根据文献[1]，气动系统中压缩空气的有效能定义为：以大气温度和压力状态为外界基准，压缩空气具有的对外做功能力，即压缩空气所含焓中可转换成机械能的部分，该部分能量称为压缩空气的有效能。该有效能是一个相对于大气状态基准的相对量，是建立在气动系统都工作在大气环境下这样一个事实基础上。空气流动时，空气流束所含的有效能表现为动力形式，称之为气动动力。有效能可表达为等温膨胀下的作功能力（理想作功能力）

式中EI——等温膨胀下的作功，kJ

P——工作状态压缩空气的绝对压力，MPa

V——工作状态的空气体积,L

P0——大气压力,MPa

Vo——标准状态的空气体积,L

压缩空气流束所含的有效气动动力为

式中Ni——压缩空气流束所含的有效气动动力，kW

Q——标准状态压缩空气容积流量(耗气量)，L/s

上式可以用来计算系统中各过程的压缩空气有效能和凿岩机械气动工具产品的输入功率。

为了计算方便，将凿岩机械气动工具产品常用压力的k值列出见表1。

表1 常用压力k值

(3）能量利用率

2.2 计算结果

应用上述公式计算了手持式凿岩机（含手持气腿两用凿岩机）、气腿式凿岩机、向上式凿岩机等气动凿岩机的冲击部分能量利用率。为了方便计算，本文对气动凿岩机性能参数选用天水凿岩机械气动工具研究所编写的凿岩机械气动工具产品目录（根据企业提供的资料），对后续新推出的产品性能参数则采用企业标示值，所以表内的性能参数不能作为气动凿岩机的性能比对资料，仅用于本文能量利用率的计算。因为导轨式凿岩机的耗气量有些含回转和排粉耗气量，导轨式凿岩机未计算冲击能量利用率，部分气动凿岩机冲击能量利用率的计算结果见表2至表4。

为了分析气动凿岩机不同工作压力的能量利用率变化规律，选用了三种气腿式凿岩机实测数据进行能量利用率的计算，其结果如表5所示。

表2 手持式凿岩机计算结果 工作气压：0.4MPa

表3 气腿式凿岩机计算结果 工作气压：0.63MPa

表4 向上式凿岩机计算结果 工作气压：0.63MPa

表5 三种样机不同工作压力计算结果

3 结语

（1）本文在我国凿岩机械行业内提出了一种新的气动凿岩机的能量利用率计算方法，可用于气动凿岩机的参数设计、合理选用和能耗评价；

（2）计算结果表明：手持式凿岩机和手持气腿两用凿岩机能量利用率为17.82%～21.87%，气腿式凿岩机和向上式凿岩机能量利用率为12.93%～18.53%，均低于液压凿岩机的能量利用率（50%左右）；

（3）通过三种气动凿岩机能量利用率的计算，表明其能量利用率的变化规律取决于气动凿岩机的结构参数；

（4）本文能量利用率的计算方法，亦可用于气动工具（冲击和回转类）和潜孔冲击器等产品能量利用率的计算。

参考文献：

[1]Maolin Cai，Kenji Kawashima，Toshiharu Kagawa.Power Assessment of Flowing Compressed Air［J］.Journal of FluidsEngineering，2006，128(2):402-405.