電錘氣缸氣孔對鉆孔效率的影響

譚華

(湖南理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖南岳陽414000)

電錘一般可分為沖擊式電錘和旋轉(zhuǎn)式電錘兩種。沖擊式電錘 (國內(nèi)稱電鎬)適用于鎬釬或其他適當(dāng)?shù)母郊玷徸?、鏟等對混凝土、磚石結(jié)構(gòu)、瀝青路面進(jìn)行破碎、鑿平、挖掘、開槽、切削等作業(yè);旋轉(zhuǎn)式電錘是為了在混凝土、大理石、人造或天然石料或類似材料上鉆孔而設(shè)計的。旋轉(zhuǎn)式電錘只是在沖擊式電錘上增加了旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，兩者都有利用沖擊能量將材料鑿碎或振裂的功能外［1-2］，旋轉(zhuǎn)式電錘還有利用旋轉(zhuǎn)能量 (轉(zhuǎn)矩)切削材料的功能，以致能達(dá)到高精度鉆孔的目的。作者只對旋轉(zhuǎn)式電錘的有關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究。

對于旋轉(zhuǎn)式電錘，電機(jī)和減速箱的設(shè)計就決定了電錘的沖擊次數(shù) (頻率)與鉆桿旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的匹配，即錘轉(zhuǎn)比。比值以除不盡的小數(shù)為佳 (但要避免接近于整數(shù))，可以使鉆頭每旋轉(zhuǎn)一周都能錯過一定的夾角，使大夾角順序地或跳躍地再分度，直至獲得合適的夾角，以充分利用沖擊和旋轉(zhuǎn)能量，文中選擇的錘轉(zhuǎn)比為6.195。為了獲得良好的鉆孔效率，在錘轉(zhuǎn)比一定的條件下，主要依賴于沖擊結(jié)構(gòu)的參數(shù) (對氣墊式電錘來說，如活塞壓縮行程、氣缸截面積、沖擊錘大小和質(zhì)量以及配氣孔的大小和位置等)來獲取某一鉆孔規(guī)格所需要的合理沖擊能量［3］。文中主要對氣缸上的配氣孔進(jìn)行研究。

1 沖擊結(jié)構(gòu)建模和參數(shù)設(shè)計

利用長春電動工具廠原有產(chǎn)品ZIC-32電錘，在電機(jī)參數(shù)以及減速箱結(jié)構(gòu)不變的條件下，調(diào)節(jié)氣缸排氣孔和溢流孔的位置和大小來提高鉆孔效率。圖1是該電錘的沖擊部分。

圖1 沖擊結(jié)構(gòu)

原ZIC-32電錘的氣動回路屬于阻尼式柱塞吸、排氣做功氣動回路［4］，當(dāng)原有電錘結(jié)構(gòu)輸出參數(shù)不變時，做功沖程滿足活塞與撞錘間最大壓強(qiáng)為5個大氣壓時，方能滿足輸出沖擊功在5 J以上，也符合市場標(biāo)稱直徑32孔位電錘鑿碎率為40 cm3/min的要求。

曲柄運(yùn)動一圈可分為做功沖程和復(fù)位沖程兩部分，做功沖程又可以分為高、中、低壓三部分，如圖2所示。令撞錘在高壓帶時被激發(fā)，由電錘原有結(jié)構(gòu)決定偏心結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)速為3 200 r/min，所以偏心軸轉(zhuǎn)過高壓帶時間為0.003 15 s，假設(shè)令撞錘在該時間內(nèi)末位移為0;即做功沖程中，活塞與撞錘的相對距離由30 mm變?yōu)? mm。

圖2 曲柄高中低壓帶分布

根據(jù)氣體壓強(qiáng)公式:

壓縮過程時間非常短，可忽略該過程的溫度變化，所以壓縮前后壓強(qiáng)比等于空氣體積的反比，即:

式中:p1為壓縮前壓強(qiáng)，即大氣壓p;

p2為壓縮后壓強(qiáng)。

所以當(dāng)p2=6p時，在氣動回路中0.003 15 s內(nèi)從溢流孔處將最多溢出一個大氣壓氣體量，即此氣動回路中的壓強(qiáng)p2=5p。根據(jù)“可壓縮性氣體通過節(jié)流小孔的流量”計算原理:p＞1.893p1時，流速在聲速區(qū)，即:

式中:q為氣體流量(L/min);

S為有效截面積(mm2);

p為活塞與撞錘間壓強(qiáng) (MPa);

T為正常工作氣缸熱力學(xué)溫度 (K)。

設(shè)電錘氣缸正常氣缸溫度為350 K，可得出聲速區(qū)溢流孔有效面積不得大于0.78 mm2，即溢流孔直徑不得大于1mm;同樣為了能在高速區(qū)才能激發(fā)撞錘，所以溢流孔有效截面積不得小于0.196 mm2，即溢流孔直徑不得小于0.5 mm。由原有結(jié)構(gòu)輸出參數(shù)不變，根據(jù)阻尼式柱塞吸、排氣動回路原理，構(gòu)成氣缸吸、排氣孔直徑在13 mm間。

2 試驗方法和條件

試驗首先要求基本符合實(shí)際操作條件，結(jié)論才能更有實(shí)效，這是針對產(chǎn)品研究 (不是純理論性的研究)的基本點(diǎn)。作者采用實(shí)際的 (不是模擬的)產(chǎn)品，對電錘常用標(biāo)號的混凝土試件進(jìn)行實(shí)際鉆孔試驗?；炷猎嚰臉?biāo)號為300號 (根據(jù)抗壓試驗報告確定)，尺寸為200 mm×500 mm×1 000 mm，質(zhì)量約200 kg，具有足夠的穩(wěn)定性，足以替代實(shí)際混凝土墻和混凝土地面［5-6］。

為了縮短準(zhǔn)備周期、節(jié)省費(fèi)用，從優(yōu)化氣壓和空氣流量考慮，作者選擇符合要求的吸、排氣孔直徑為1.5、2、2.5、3 mm，溢流孔直徑為0.6、0.7、0.8、 0.9 mm，將其組合并編號如表1。

表1 吸、排氣孔與溢流孔組合編號 mm

所以作者準(zhǔn)備了8個氣缸，在同一臺電錘上進(jìn)行試驗，避免多臺電錘試驗所產(chǎn)生的誤差，對常用孔φ16、φ18、φ20、φ22、φ24、φ26、φ28、φ30、φ32 mm分別進(jìn)行測試。

試驗在專門設(shè)計的鉆架上進(jìn)行。鉆架上設(shè)有電錘卡緊和升降裝置，該裝置可以縱向和橫向移動，并能鎖緊定位。混凝土試件 (由其自重)穩(wěn)固地置于架框中間。試驗時，電錘卡緊裝置的橫梁上掛有質(zhì)量10 kg的重錘，掛重的作用是克服電錘在鉆孔試驗時的軸向跳動，對電錘的沖擊能量并無影響。在升降裝置的導(dǎo)柱上刻有鑿進(jìn)標(biāo)尺，以確保每次鉆孔深度一致。鉆架雖然只有使電錘垂直向下的單一位置，但對相同條件下試驗比較鉆孔效率并無影響［7-8］。

試驗采用1 kVA調(diào)壓器，隨時使電源電壓誤差穩(wěn)定在±1 V的范圍之內(nèi)，以減少電機(jī)的波動，滿足試驗要求。記下每次鉆孔時間，求取平均鉆孔速度和鉆孔工作效率，即每分鐘鑿碎的混凝土體積，如:

式中:D為鉆孔直徑(mm);

h為鉆孔深度(mm);

t為鉆單個孔的時間 (s);

N為輸入功率(W)。

3 試驗分析

試驗結(jié)果詳見表2、圖3。表2為在ZIC-32電錘(原機(jī))傳動機(jī)構(gòu)不變的條件下，8種氣缸，不同吸、排氣孔和溢流孔位配置下電錘鑿碎混凝土效率的對比;圖3是在表2所列數(shù)值的基礎(chǔ)上積聚成圖表形式，比表格形式更為醒目，能方便地看出在各吸、排氣孔和溢流孔的配置下工作效率的高低，從而也可以看出各種配置下電機(jī)功率的消耗情況。

表2 各配置不同孔位鉆孔效率實(shí)驗匯總表

圖3 各配置不同孔位鉆孔效率比較

從圖3可看出:4號配置接近理想情況，整條曲線較其他曲線平穩(wěn)，標(biāo)稱孔徑32鑿碎率超過行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)40 cm3/min，其他孔徑鑿碎率都較穩(wěn)定，是一個較好的配置;8號配置氣缸壓比下降較快，沖程氣壓遠(yuǎn)沒有達(dá)到5個標(biāo)壓壓強(qiáng)，所以打大孔時效率下降很快，原因是在氣動回路中吸排氣孔所吸收的氣量未達(dá)到缸徑28 mm所要求的吸氣量，使得撞錘復(fù)位不夠，導(dǎo)致整個啟動回路系統(tǒng)改變，沖程時活塞還未進(jìn)入高壓帶時，撞錘已經(jīng)被激發(fā)，撞錘所獲得加速度急劇減小，加速位移也相對減少，最終撞錘所獲得的能量是電機(jī)所提供沖擊能量的1/4都不到，所以各孔位效率都較低;1號配置由于吸排氣孔孔徑過小使得吸氣量太少，而8號配置由于吸排氣孔孔徑過大使得吸氣量太多，都導(dǎo)致撞錘在回程中前后壓比過大，使得撞錘回程位移過多，越過溢流孔位，做功沖程時溢流孔沒有起到補(bǔ)氣壓作用，活塞越過高壓帶后的某個時刻才激發(fā)撞錘，使得整個工作效率下降;而其他配置，打小孔效率較高，但是打大孔時效率下降較快，且都沒有達(dá)到標(biāo)稱要求;各孔相對效率浮動較大，對電機(jī)所提供的功率消耗不完全，特別是大孔。而市場32孔位的電錘都是用來打大孔，所以這些配置都不符合要求。從圖3可以看出4號配置無論是大孔還是小孔，效率都比較平穩(wěn)，由此可以推斷該配置在氣動回路中已接近缸徑為28 mm所要求的吸排氣量。

4 結(jié)論

在優(yōu)化選擇孔徑時，所制定的步長偏大，電錘氣缸中氣動回路對吸、排氣孔和溢流孔，特別是溢流孔非常敏感，在加工中很有可能幾個絲的差值都會對整個回路造成一定的影響。

電錘工況苛刻，若配置電錘“性能”在原始參數(shù)構(gòu)成輸入和輸出參數(shù)不變時，參數(shù)鏈不匹配都會導(dǎo)致電錘鑿碎率低、故障率高的弊端。

此次在長春某電動工具廠原有電錘ZIC-32上做氣動回路配置實(shí)驗，從鉆孔效率來看，該配置已達(dá)到一定的水平，但與國外產(chǎn)品，如BOSCH4-32和4DFE相比，還存在一定的差距。

通過實(shí)驗研究，雖然取得了一定的成果，對原產(chǎn)品改進(jìn)和新產(chǎn)品設(shè)計有參考價值，但對不同產(chǎn)品的不同沖擊夾角與選擇氣缸配置氣孔所產(chǎn)生的沖擊功的關(guān)系，因時間和條件的限制，研究不深入。作者堅信在條件允許的情況下，通過CAE建模，對氣流進(jìn)行動態(tài)分析，能更進(jìn)一步細(xì)化、精確試驗數(shù)據(jù)，再結(jié)合試驗驗證，這樣就能給實(shí)際研制、生產(chǎn)起到一定指導(dǎo)作用。

【1】劉德順，李夕兵，朱萍玉.沖擊機(jī)械動力學(xué)與反演設(shè)計［M］.北京:科學(xué)出版社，2007:22-36.

【2】吳愷民，王家駒.電錘沖擊機(jī)構(gòu)參數(shù)對沖擊功和鉆孔效率的影響［J］.電動工具，2000(1):11-15.

【3】成英，李慧萍，李強(qiáng).一種沖擊式電錘:中國，CN201685231U［P］.2010-12-29.

【4】HETCHER Jason D，BAUER David R，MARINKOVICH Dragomir C，et al.Rotary Hammer:US，7032683［P］.2006-04-25.

【5】王德言，李曉鋼.電錘式三軸六自由度振動試驗裝置:中國，CN201749019U［P］.2011-02-16.

【6】LAUTERWALD Martin.Rotary Hammer:US，6015017［P］.2000-01-18.

【7】許黎明，鄧琦林，徐俊杰，等.往復(fù)類電動工具性能測試系統(tǒng)［J］.機(jī)床與液壓，2003(6):272-274.

【8】韓偉，張立祥，寧貽江，等.電動工具用轉(zhuǎn)子軸切痕長優(yōu)化設(shè)計［J］.機(jī)床與液壓，2011，39(10):29-31.