整體釬桿釬頭端疲勞分析和程序載荷譜預(yù)估

于嘉君，呂 闖

（1.貴州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550025；2.長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012）

1 前言

硬質(zhì)合金整體釬， 是我國(guó)自1984年以來(lái)投放市場(chǎng)的鑿巖釬具產(chǎn)品，在國(guó)內(nèi)外采掘工業(yè)中擁有巨大的市場(chǎng)。硬質(zhì)合金整體釬的發(fā)展是釬具工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，它的推廣使用有力促進(jìn)了采掘工業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。

在釬桿壽命試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用原程序載荷譜對(duì)整體釬進(jìn)行壽命試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)釬頭端較一般活釬頭成品釬斷裂頻繁，為此進(jìn)行了以下相關(guān)的理論分析及實(shí)驗(yàn)研究。

2 理論分析

一般錐體連接成品釬和整體釬在能量傳遞過(guò)程中的主要區(qū)別在于前者通過(guò)錐形接頭實(shí)現(xiàn)能量傳遞；而后者直接進(jìn)行能量傳遞，其力學(xué)模型和應(yīng)力波傳播狀況如圖1 所示。

圖1 錐體連接桿和整體釬的應(yīng)力傳播

圖1 中入射波σi的波幅值為6，錐形接頭的透射系數(shù)反射系數(shù)則其能量傳遞效率ηJ=TJ2=0.694； 巖石端反射系數(shù)0.667， 錐形連接釬桿由于接頭處的反射，使入射應(yīng)力波產(chǎn)生分流，形成接頭透射波σt和接頭反射波σJr， 其透射波σt和其后在釬頭端產(chǎn)生的反射波σr均低于整體釬桿直接傳播的情況，造成釬頭端最大應(yīng)力σRm（入射和反射合成應(yīng)力 σt+σr和 σi+σr） 的顯著區(qū)別。 圖示σi+σr較 σt+σr高出 20%， 在此情況下按釬桿疲勞特性S8.3·N=C 計(jì)，整體釬釬頭端失效時(shí)間僅為錐形連接釬桿的1/4.51=0.222 倍，這是造成整體釬在試驗(yàn)臺(tái)上檢測(cè)，釬頭端早期損壞的原因。 同時(shí)可以看到，受接頭能量傳遞效率的影響， 整體釬到達(dá)巖石端的能量E 大大高于錐形連接釬桿 （圖示情況約高44%）， 這是整體桿鑿速顯著高于錐形連接釬桿的主要原因（鑿速一般認(rèn)為正比于沖擊能量）。 表1 列出了兩種釬桿的應(yīng)力分析和能量傳遞特性。

3 室內(nèi)模擬試驗(yàn)

表1 錐形連接和整體釬的應(yīng)力分析和能量傳遞特性

為比較錐形連接釬桿和整體釬的應(yīng)力波傳播特性， 進(jìn)行了室內(nèi)模擬試驗(yàn)。

3.1 試驗(yàn)釬桿

試驗(yàn)釬桿如圖2 所示。

錐形連接釬桿： 采用一般H22 成品釬和試驗(yàn)臺(tái)用模擬釬頭。

整體釬：試驗(yàn)桿不鑲嵌合金，采用和產(chǎn)品相同的材質(zhì)、工藝和尺寸。

3.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)系統(tǒng)如圖3 所示：釬桿由螺旋座水平支承，釬頭端作用于釬鋼壽命試驗(yàn)臺(tái)的巖石模擬裝置，用擺錘在釬尾端進(jìn)行模擬加載。在釬桿中部和釬頭端部（距端部75 mm， 斷面與桿體一致的地方），分別粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成橋路，通過(guò)YE3810 直流放大器，適當(dāng)?shù)胤糯?，送入BC-Ⅱ波形存儲(chǔ)器采樣記錄，最后由X-Y 函數(shù)記錄儀和數(shù)字電壓表分別給出波形和峰值記錄。

圖2 試驗(yàn)釬桿

圖3 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)時(shí)保持?jǐn)[錘-釬桿-巖石模擬裝置良好的對(duì)中， 擺錘落高0.4 m，重3.68 kg，沖擊能量14.4 J.巖石模擬裝置供以0.8 MPa 的壓氣保持和實(shí)驗(yàn)臺(tái)工作時(shí)相同的工況。

測(cè)試前兩種釬桿同一位置的應(yīng)變片橋路在系統(tǒng)上進(jìn)行精確的標(biāo)定，使之具有同樣的靈敏系數(shù)，以保證測(cè)試結(jié)果的可比性。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)兩種釬桿的中部和釬頭端部應(yīng)力波分別進(jìn)行了測(cè)定，每個(gè)部位取三次（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）測(cè)試結(jié)果，如圖 4 和圖 5 所示 （圖中各峰值點(diǎn)注明實(shí)測(cè)電壓值mV）。 測(cè)試數(shù)據(jù)的比較見(jiàn)表2。

測(cè)試結(jié)果表明：

(1)由釬桿中部檢測(cè)應(yīng)力波形可以看出整體釬和錐體連接釬的桿體中部最大入射應(yīng)力幅值無(wú)明顯差別，但由于接頭的影響，在錐體連接釬桿中頭部出現(xiàn)反射波，特別由于錐體連接端面呈自由端的影響，導(dǎo)致產(chǎn)生反射波，幅值在入射應(yīng)力峰值的29%以上， 而對(duì)于整體釬則不存在。

表2 錐體連接釬桿和整體釬桿測(cè)試值的比較

（2）在釬頭端入射波和反射波的疊加構(gòu)成其合應(yīng)力，整體釬由于沒(méi)有接頭的影響，其端部應(yīng)力值較錐體連接釬桿明顯增加，約高出23%，相當(dāng)于錐體連接釬桿頭部最大應(yīng)力與接頭反射波應(yīng)力之和。

（3） 釬頭端整體釬桿應(yīng)力的增加，造成整體釬在試驗(yàn)臺(tái)上（由于能量不能充分吸收）的早期失效；但同時(shí)由于整體釬頭端載荷的增加（由于沒(méi)有接頭能量損失）將有助于提高鑿速（根據(jù)巖石鑿入特性，鑿深正比于載荷；鑿速正比于鑿深），其預(yù)期值亦將為23%。

4 疲勞損傷分析

取錐體連接釬桿和整體釬桿釬頭端三次載荷歷程由(圖4，圖5)，采用峰值計(jì)數(shù)，由各對(duì)應(yīng)峰值點(diǎn)的均值構(gòu)成其變幅應(yīng)力過(guò)程（圖6）。

圖4 釬桿中部的測(cè)試結(jié)果

圖5 釬桿釬頭端的測(cè)試結(jié)果

根據(jù)釬桿試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)得到的S-N 曲線(xiàn)

式中 S ——應(yīng)力幅值

N ——在對(duì)應(yīng)載荷作用下產(chǎn)生破壞的循環(huán)次數(shù)，相當(dāng)于疲勞壽命

C、m——常數(shù)，隨材料和構(gòu)件特征而變，對(duì)于釬桿，實(shí)測(cè)m=8.3

將各級(jí)載荷循環(huán)視為均勻分布，按Miner累積損傷理論可估測(cè)其損傷量

式中 ni——載荷循環(huán)次數(shù)（均勻分布時(shí)ni=n）

Ni——按S—N 曲線(xiàn)確定的各級(jí)載荷破壞循環(huán)次數(shù)

Si——各階應(yīng)力幅值

計(jì)算可得其相對(duì)損傷量。

錐體連接釬桿：

整體釬桿：

其損傷量之比

則釬桿在試驗(yàn)臺(tái)上的壽命比

式中LI和La分別為整體和錐體連接釬在試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)測(cè)壽命值。

5 整體釬室內(nèi)壽命試驗(yàn)方案

(1)理論和試驗(yàn)研究表明，整體釬釬肩處的工作載荷譜和在壽命試驗(yàn)臺(tái)上實(shí)施的強(qiáng)化加載可認(rèn)為和原錐體連接成品釬的情況基本一致，關(guān)鍵在于試驗(yàn)臺(tái)上（采用巖石模擬裝置）整體釬和錐體連接釬在釬頭端強(qiáng)化加載的比例不一致，前者明顯增大，導(dǎo)致其損傷量成倍增加，造成早期失效，故對(duì)整體釬而言，其釬頭端和桿體的加速等效試驗(yàn)不能在同一測(cè)試試驗(yàn)中得出，釬頭端和桿體的失效判定在試驗(yàn)臺(tái)上應(yīng)分別進(jìn)行。

(2)采用原程序載荷譜進(jìn)行釬頭端的等效加速試驗(yàn)，其和桿體一致的等效時(shí)間

式中 T——釬頭端在試驗(yàn)臺(tái)上失效的實(shí)際時(shí)間

(3)如果釬頭端失效的時(shí)間過(guò)快，分辨率不夠；此時(shí)在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)可將原程序載荷譜降壓進(jìn)行。

由于釬桿損傷量Q∝S8.3·n，釬桿中之應(yīng)力S 正比于液壓沖擊器活塞沖擊末速度；而液壓沖擊器活塞沖擊末速度和頻率分別正比于其工作壓力，故有

為使整體釬釬頭端破壞和錐體釬釬頭端破壞具有相同的時(shí)間（相同的應(yīng)力強(qiáng)化系數(shù)）， 由損傷比ξ 可以得出其降壓比

（4） 由原程序載荷譜的各級(jí)載荷Sn（86，92，100，108） 和降壓比 K 可以得到試驗(yàn)整體釬釬頭的各級(jí)載荷值84，90)其程序載荷譜如圖7 所示。

圖7 整體釬釬頭端試驗(yàn)程序載荷譜

6 結(jié)論

（1）理論分析和試驗(yàn)測(cè)試表明：在沖擊載荷作用下，整體釬和錐體連接釬的桿體中部最大應(yīng)力幅值無(wú)明顯差別；但后者存在接頭的反射波，由于接頭使入射應(yīng)力波提前分流，在釬頭端，錐體連接釬的應(yīng)力較整體釬明顯降低。

（2）由釬桿中部應(yīng)力波測(cè)試結(jié)果看出：整體釬和錐體連接釬的釬頭端部應(yīng)力有明顯差異，前者約高出23%。 巖石鑿入特性表明：鑿深正比于載荷；而鑿速和鑿深成正比。 故整體釬的鑿速將優(yōu)于錐體連接釬，亦約增加23%，整體釬在使用中具有優(yōu)勢(shì)。

[1]趙統(tǒng)武.沖擊鉆進(jìn)動(dòng)力學(xué)[M].冶金工業(yè)出版社，1996.

[2]張國(guó)櫸，張漢斌.硬質(zhì)合金整體釬子在我國(guó)的應(yīng)用前景[J].鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2000(3).