氣動沖擊器機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計探析
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摘要:在巖土工程穿鑿作業(yè)中，氣動沖擊器被廣泛應(yīng)用于多種中、高硬的可鉆性差的堅韌性巖石開鑿。開鑿過程中，要求氣動沖擊器具備良好的排巖效果、低的巖渣重復(fù)破碎率、高的鉆頭耐磨性和鉆進(jìn)效率。通過對HC80型氣動沖擊器的優(yōu)化設(shè)計，利用最新鑿巖理論進(jìn)行設(shè)計計算，驗(yàn)證證實(shí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后具有理想能量傳遞效果，具有鑿巖速度快、耗風(fēng)量低的優(yōu)點(diǎn)。氣動沖擊器采用先進(jìn)的熱處理工藝，保證穩(wěn)定的使用性能、較高使用壽命。優(yōu)化后前接頭和與外缸采用多頭螺紋連接結(jié)構(gòu)設(shè)計，方便鉆頭拆卸和維修維護(hù)。
關(guān)鍵詞:氣動沖擊器;沖擊工作機(jī)制;機(jī)械結(jié)構(gòu);優(yōu)化設(shè)計
0引言
沖擊器的設(shè)計和應(yīng)用理論基礎(chǔ)是沖擊鉆進(jìn)巖石過程中的力－鑿深特性和能耗傳遞特性。同時，也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、裝置配備及預(yù)測鑿速的重要依據(jù)，更是智能控制策略制定的重要根據(jù)。漢陽大學(xué)機(jī)械工程系Hak－SoonKang等［1］開發(fā)了沖擊能分析工具，分析了不同巖石硬度下對鉆孔速度和沖擊能力的影響。韓國機(jī)械與材料研究所JahoSeo等［2］建立了一套實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，評估了沖擊能耗和沖擊頻率等關(guān)鍵性能參數(shù)。我國開山重工股份余永高等［3］設(shè)計研發(fā)了QCK90型中氣壓快沖型沖擊器。優(yōu)化后的沖擊器增加了沖擊活塞和沖擊氣缸的工作壽命，極大降低了沖擊釬頭尾部的斷裂幾率。中南大學(xué)徐海良等［4］利用數(shù)值分析軟件對氣動沖擊器活塞運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行了解析，總結(jié)出了活塞運(yùn)動影響因素，得到了機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和沖擊性能間的聯(lián)系，提高了沖擊器工作可靠性和效率。
1沖擊器優(yōu)化設(shè)計過程
1.1沖擊器工作原理簡介
氣動沖擊器在撞擊釬頭進(jìn)行鑿巖的過程中，壓縮空氣驅(qū)動活塞墻體內(nèi)的活塞做沖程－回程的往復(fù)運(yùn)動。沖擊過程中的沖擊動能以應(yīng)力波［5］的方式傳遞到?jīng)_擊釬頭，沖擊釬頭獲得高速沖擊初速度，然后沖擊巖層，達(dá)到破碎效果。與此同時，通過沖擊活塞中通孔的一部分壓縮空氣在沖擊孔底形成吹散面，將巖石碎屑排出，提高了沖擊效果。
1.2沖擊活塞運(yùn)動分析
對沖擊器活塞受力進(jìn)行簡化，忽略阻尼力等。氣動沖擊器工作時，沖頭朝下，根據(jù)牛頓第二定律可知沖擊活塞運(yùn)動加速度方程如下式中，a為沖擊活塞的加速度，單位m·s－2;M為沖擊活塞質(zhì)量，單位kg;pi為沖擊器缸體和活塞之間構(gòu)成的各腔體內(nèi)壓縮空氣壓力，單位MPa;Ai為沖擊氣缸各腔體內(nèi)壓縮空氣壓力作用面積，單位m2;g為重力加速度，單位m·s－2。式(1)中的壓縮空氣壓力大小需要根據(jù)氣態(tài)方程來確定，而對應(yīng)的作用面積由沖擊器機(jī)械結(jié)構(gòu)決定。
1.3沖擊器關(guān)鍵零部件材料選擇和技術(shù)要求
(1)沖擊活塞。沖擊器的活塞能夠把壓縮空氣的壓縮能轉(zhuǎn)化為沖擊動能。材料選取為35CrMo-VA，活塞表面進(jìn)行滲碳處理，層厚為1.6～2.2mm，整體活塞進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度為60～63HRC。(2)導(dǎo)向套。導(dǎo)向套把沖擊活塞的運(yùn)動限制在其中，起到?jīng)_擊活塞運(yùn)動方向引導(dǎo)作用，保證沖擊活塞和釬頭沖擊過程中的同心度，要求耐磨抗拉花。材料選為40Cr，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的硬度為40～46HRC。
2優(yōu)化設(shè)計結(jié)果分析
通過對沖擊器沖擊活塞運(yùn)動進(jìn)行分析，得到?jīng)_擊活塞運(yùn)動的位移和速度。在求解過程中，考慮巖石硬度為6～20HRC下的回彈性的不同，造成沖擊速度也不同，優(yōu)化出合適的沖擊速度，進(jìn)而確定沖擊器的活塞質(zhì)量為3.2kg、釬套直徑為80mm，耗氣量大約為5m3·min－1、沖擊頻率不小于14Hz以及沖擊能為87J，配套的釬頭重量約為2.5kg。優(yōu)化設(shè)計得到的HC80型氣動沖擊器裝配圖，如圖1所示。
3結(jié)論
基于牛頓第二方程建立的沖擊器沖擊活塞運(yùn)動，從沖擊活塞的加速度、速度以及位移求解著手，優(yōu)化確定沖擊器氣缸行程。再對沖擊器頭部和尾部的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)和釬頭連接、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，最后得到整體機(jī)械結(jié)構(gòu)。
作者:李東方 王向平 周明安 徐壬六 許中琛 吳騰飛 單位:衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 衢州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測中心
