去冒口錘沖擊功的計(jì)算與驗(yàn)證

姚繼成，包艷青，宋立波

（1.國(guó)機(jī)鑄鍛機(jī)械有限公司，山東濟(jì)南 250306；2.濟(jì)南鑄鍛所檢驗(yàn)檢測(cè)科技有限公司，山東濟(jì)南 250306）

去冒口錘是我公司設(shè)計(jì)制造的去除鑄件冒口的設(shè)備。經(jīng)過(guò)用戶廠家的試用，性能可靠，使用方便，能夠大大提高鑄件廠家在去除鑄件冒口工序上的效率。反映去冒口錘工作能力最直接的參數(shù)則是沖擊功[1]，其對(duì)廠家選擇所去除冒口的尺寸有指導(dǎo)作用，因而，去冒口錘沖擊功的計(jì)算與驗(yàn)證是非常有必要的。

圖1　去冒口錘活塞行程示意

1　最大沖擊功的計(jì)算

1.1　沖擊運(yùn)動(dòng)的分析

去冒口錘的沖擊功指的是單次沖擊功，在某種程度上它能表明去冒口錘的工作能力。如圖1所示，儲(chǔ)能腔內(nèi)的氣體通過(guò)進(jìn)氣口群由快速進(jìn)氣閥迅速進(jìn)入到無(wú)桿腔內(nèi)，活塞由A到B的過(guò)程中，由于有桿腔內(nèi)的氣體可以通過(guò)排氣口群由快排控制閥快速排出，這個(gè)行程內(nèi)活塞的運(yùn)動(dòng)可以認(rèn)為是勻加速運(yùn)動(dòng)，而在活塞由B到C的過(guò)程中，活塞密封圈封住了排氣口群，有桿腔的氣體無(wú)法排出，有桿腔內(nèi)氣體壓力升高，而此時(shí)無(wú)桿腔氣體壓力依然是系統(tǒng)壓力，活塞實(shí)際上是做變加速運(yùn)動(dòng)，在活塞由C到D的過(guò)程中，無(wú)桿腔氣體會(huì)通過(guò)排氣口群由快排控制閥排出，氣體壓力下降，而有桿腔內(nèi)氣體壓力繼續(xù)升高，活塞開(kāi)始做減速運(yùn)動(dòng)。由上所述，在活塞到達(dá)C點(diǎn)時(shí)，活塞具有最大的能量，最大的沖擊速度，即此時(shí)的沖擊功是最大的。

活塞行程接近C點(diǎn)時(shí)，活塞具有的能量，即沖擊功為：

式中e——最大沖擊功（J）；

L——活塞有效沖擊行程（m）；

F1——A到C過(guò)程中活塞左端面受到的力（N）；

F2——A到B過(guò)程中活塞右端面受到的力（N）；

F3——B到C過(guò)程中活塞右端面受到的力（N）；

Ke——沖擊功修正系數(shù)，考慮氣缸中壓力變化和前腔反壓力的影響以及活塞行程和機(jī)械損失的數(shù)值，一般Ke值在0.45～0.55之間，取Ke=0.5。

A到C過(guò)程中活塞左端面受到的力為：

F1=P1S1=∏*D2*P1/4 （N）（2）式中F1——A到C過(guò)程中活塞左端面受到的力（N）；

P1——無(wú)桿腔內(nèi)氣體壓力（Pa）；

S1——工作行程時(shí)活塞左端面受壓面積（m2）；

D——活塞直徑（m）。A到B過(guò)程中活塞右端面受到的力為：

式中F2——A到B過(guò)程中活塞右端面受到的力（N）；

P2——有桿腔內(nèi)氣體壓力（Pa）；

S2——工作行程時(shí)活塞右端面受壓面積（m2）；

D——活塞桿直徑（m）。

一定系統(tǒng)壓力的氣體進(jìn)入腔室，在初始一段時(shí)間內(nèi)，腔室內(nèi)的氣體質(zhì)量隨時(shí)間呈線性增加。這一點(diǎn)已得到實(shí)驗(yàn)證實(shí)，由于進(jìn)氣速度較快，因而進(jìn)氣過(guò)程中的氣體溫度不變。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV=(M/μ)RT得知，腔室內(nèi)的氣體壓力與腔室內(nèi)的氣體質(zhì)量成正比。即在初始一段時(shí)間內(nèi)，腔室內(nèi)的氣體壓力隨時(shí)間增加呈線性上升。當(dāng)進(jìn)氣持續(xù)一段時(shí)間后，腔室內(nèi)的氣體壓力與系統(tǒng)壓力相同[2]。由于該快進(jìn)快排結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要特點(diǎn)就是有一個(gè)足夠大的儲(chǔ)能腔并且儲(chǔ)能腔內(nèi)氣體始終維持特定壓力，活塞開(kāi)始移動(dòng)時(shí)由于儲(chǔ)能腔的氣體瞬間進(jìn)入無(wú)桿腔內(nèi)，所以在活塞由A到C的過(guò)程中，無(wú)桿腔內(nèi)的氣體壓力可以認(rèn)定為系統(tǒng)壓力。去冒口錘工作時(shí)氣體壓力為6×105Pa，所以可以認(rèn)定為P1=6×105Pa。該快進(jìn)快排型結(jié)構(gòu)的另外一個(gè)重要特點(diǎn)就是有一個(gè)快排控制閥，活塞由A到B過(guò)程中，有桿腔內(nèi)的氣體可以通過(guò)快排控制閥快速排出，所以有桿腔內(nèi)的氣體壓力可以近似的認(rèn)為等同于大氣壓力，即P2=1×105Pa。

而在活塞由B到C的過(guò)程中,有桿腔內(nèi)氣體壓力為：

P3=[（CD+BC）/（AB+BC+CD-L）]P2

B到C過(guò)程中活塞右端面受到的力為：F3=[（CD+BC）/（AB+BC+CD-L）]P2S2=

[（CD+BC）/（AB+BC+CD-L）]F2（N）

1.2　最大沖擊功計(jì)算結(jié)果

按照缸徑尺寸去冒口錘規(guī)格分為Q91200，Q91160和Q91100三種。

（1）Q91200去冒口錘以上各項(xiàng)參數(shù)值如下：

D=0.2m，d=0.1m，AB=0.462m，BC=0.025m，CD=0.131m。

Q91200最大沖擊功為：

（2）Q91160去冒口錘以上各項(xiàng)參數(shù)值如下：

D=0.16m，d=0.08m，AB=0.414m，BC=0.02m，CD=0.118m。

Q91160最大沖擊功為：

（3）Q91100去冒口錘以上各項(xiàng)參數(shù)值如下：

D=0.1m，d=0.05m，AB=0.232m，BC=0.05m，CD=0.05m。

Q91100最大沖擊功為：

表1　去冒口錘技術(shù)參數(shù)

Q91系列去冒口錘的理論最大沖擊功見(jiàn)表1。

2　最大沖擊功的驗(yàn)證

2.1　驗(yàn)證方法

驗(yàn)證方法采用鐓粗鉛柱測(cè)定沖擊功的方法[3]。鉛柱材料應(yīng)符合GB/T 469-2005中的1號(hào)鉛，其尺寸應(yīng)符合表2的規(guī)定，一次打擊后鉛柱的高度不應(yīng)大于表2的規(guī)定。鐓粗鉛柱測(cè)定沖擊功的試驗(yàn)示意圖見(jiàn)圖2。

表2　鉛柱尺寸規(guī)格

圖2　鐓粗鉛柱測(cè)定沖擊功的試驗(yàn)示意圖

2.2　驗(yàn)證過(guò)程

將標(biāo)準(zhǔn)鉛柱試樣底部加工M6的螺紋孔，固定在工裝上，如圖3所示，錘頭對(duì)準(zhǔn)鉛柱表面，測(cè)去冒口錘在0.6MPa下鉛柱試樣壓縮后高度h1。每種規(guī)格的去冒口錘分別做三次試驗(yàn)，取其平均值得出每種規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)鉛柱被擊打后的高度h1，然后根據(jù)以下公式計(jì)算去冒口錘實(shí)際沖擊功：

式中W——沖擊功（J）；

d0——打擊前鉛柱直徑（mm）；

h0——打擊前鉛柱高度（mm）；

h1——一次打擊后鉛柱高度（mm）；

a=(h0-h1)/h0；

K=0.01 J/mm3。

3　結(jié)論

試驗(yàn)得出的沖擊功值大于理論計(jì)算的數(shù)值，直接表明了沖擊功修正系數(shù)Ke>0.5，儲(chǔ)能腔、快速進(jìn)氣閥、氣缸、快速排氣閥以及密封圈的選擇優(yōu)化了氣缸中壓力變化、前腔反壓力、活塞行程和機(jī)械損失等因素對(duì)去冒口錘沖擊功的影響，最終反映了去冒口錘設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。

表3　去冒口錘實(shí)際沖擊功

圖3　試樣固定工裝

參考文獻(xiàn)：

[1]包艷青，姚繼成，宋立波.去冒口錘的結(jié)構(gòu)和原理[J].中國(guó)鑄造裝備與技術(shù)，2016（5）:65-67.

[2]石永泉.無(wú)閥潛孔錘沖擊功和沖擊頻率的計(jì)算[J].工程科技I輯.礦業(yè)工程，1999（01）:38-39.

[3] 王詠梅,等.GB/T 25721-2010,空氣錘技術(shù)條件[S].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.