氣腿式鑿巖機(jī)性能對(duì)H22釬桿的壽命影響

余志勇 ，鄭軍 ，高波 ，呂闖 ，周斌

（1.衢州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)中心，浙江 衢州 324002；2.山東鑿巖釬具有限公司，山東陽(yáng)谷252311；3.長(zhǎng)沙礦冶研究院責(zé)任有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012；4.深海礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙410012）

1 前言

目前我國(guó)雖然在潛孔鉆機(jī)和液壓鑿巖鉆車應(yīng)用上取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但在鑿巖爆破工程中的應(yīng)用和產(chǎn)品產(chǎn)量上，氣腿式鑿巖機(jī)仍占主要地位，與之配套的鑿巖用錐體連接中空六角形釬桿，在釬具中也是產(chǎn)量最大。

一般來(lái)說(shuō)，鑿孔速度正比于鑿巖機(jī)的沖擊能量和沖擊頻率，故從鑿巖速度的角度希望鑿巖機(jī)具有較高的沖擊能量和頻率，但隨著鑿巖機(jī)沖擊功率的加大，勢(shì)必增大釬桿的應(yīng)力幅值和頻率，受釬桿疲勞特性的制約，將導(dǎo)致釬桿疲勞壽命的降低，故對(duì)鑿入系統(tǒng)的整體功能而言，鑿巖速度和疲勞壽命二者必須綜合考慮。

2 釬桿工作應(yīng)力

兩個(gè)波串之間的間隔時(shí)間T對(duì)應(yīng)于鑿巖機(jī)沖擊頻率f

每個(gè)波串中相鄰峰值間隔時(shí)間T′對(duì)應(yīng)于釬桿的基頻fr

圖1 釬桿應(yīng)力歷程

釬桿應(yīng)力歷程主要包括上述兩個(gè)基頻成份（f，fr）,可近似視為一低頻信號(hào)疊加于高頻波上的調(diào)制過(guò)程。

3 鑿巖機(jī)沖擊性能測(cè)試

3.1 測(cè)試系統(tǒng)

氣腿式鑿巖機(jī)沖擊性能測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示，被測(cè)樣機(jī)、測(cè)桿和吸能裝置安裝在立式臺(tái)架上。推進(jìn)缸給氣動(dòng)鑿巖機(jī)施加推力。在上述測(cè)試系統(tǒng)上，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5621-2008規(guī)定要求，測(cè)桿采用3 m長(zhǎng)H22釬桿，按照標(biāo)準(zhǔn)要求不施加扭矩，將尾柄車圓（φ22.4），在距尾柄端面約為750 mm處粘貼應(yīng)變片以檢測(cè)縱向應(yīng)力波，以準(zhǔn)確地捕獲入射應(yīng)力波形，避免反射波的干擾，其一端置于吸能裝置中。吸能裝置采用長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)，內(nèi)置摩擦片和吸能材料，模擬實(shí)際工作過(guò)程中能量被不斷吸收的情況，并消除了釬桿的多余振動(dòng)，也提高了應(yīng)變片的使用壽命。

在釬桿上采用兩組應(yīng)變片相對(duì)粘貼于釬桿兩側(cè)，串聯(lián)作為半橋的一臂檢測(cè)釬桿中之縱波。橋路中測(cè)取的電壓經(jīng)應(yīng)變儀適當(dāng)放大，輸入到波形存儲(chǔ)器分析儀，依次準(zhǔn)確地俘獲每次沖擊的入射應(yīng)力波，經(jīng)A/D變換，通過(guò)接口輸入微機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。得到連續(xù)25次沖擊的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并由打印機(jī)給出相應(yīng)的數(shù)字結(jié)果和四條應(yīng)力波形采樣曲線。

圖2 沖擊性能測(cè)試系統(tǒng)

3.2 測(cè)試結(jié)果

在測(cè)試系統(tǒng)上按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 5621-2008規(guī)定要求，采用應(yīng)力波法檢測(cè)了各種氣腿式鑿巖機(jī)連續(xù)25次測(cè)桿最大應(yīng)力、沖擊能量、沖擊頻率及統(tǒng)計(jì)值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見(jiàn)圖3、圖4和表1。由于被測(cè)樣機(jī)為非標(biāo)準(zhǔn)樣機(jī)，而且生產(chǎn)時(shí)間不同，不能作為氣腿式鑿巖機(jī)的性能比對(duì)資料，僅用于本文釬桿壽命系數(shù)的計(jì)算。

4 釬桿壽命估測(cè)

線性累積損傷理論的破壞條件

Fault Diagnosis of Marine Diesel Engine Based on Principal Component Analysis

圖3 S82--0.5MPa測(cè)試結(jié)果

圖4 S82--0.63MPa測(cè)試結(jié)果

式中ni——在變幅載荷過(guò)程中第i階載荷的循環(huán)次數(shù)

Ni——第i階載荷在材料S-N曲線上的破壞循環(huán)次數(shù)

上式表明：各階載荷在構(gòu)件中產(chǎn)生相應(yīng)的分損傷量，當(dāng)其累積損傷達(dá)到1時(shí)，導(dǎo)致構(gòu)件損傷。

各階載荷σi產(chǎn)生的損傷量

表1 氣腿式鑿巖機(jī)性能參數(shù)測(cè)試結(jié)果

由S-N曲線

式中c，m——材料常數(shù)

對(duì)釬桿 c=1300MPa，m=2，則總損傷量

式中Z——單位時(shí)間有效應(yīng)力峰值數(shù)

Pi——各階載荷的相對(duì)頻率

釬桿壽命

由上述分析可以看出：釬桿損傷正比于其載荷（應(yīng)力）的平方次冪和頻率，即：

由于釬桿壽命反比于釬桿應(yīng)力的平方次冪，在每次沖擊應(yīng)力波串中可忽略其后續(xù)低幅波的影響，近似取其應(yīng)力值σi為測(cè)試中的釬桿最大應(yīng)力σmax，其作用頻率即為鑿巖機(jī)沖擊頻率f，則有

式中 σmax、f為其它型號(hào)鑿巖機(jī)測(cè)試得到的最大釬桿應(yīng)力和沖擊頻率。

根據(jù)測(cè)試結(jié)果得出的各型號(hào)鑿巖機(jī)的釬桿壽命系數(shù)如表2所示：

表2 釬桿壽命系數(shù)

壽命系數(shù)的物理意義是該型號(hào)鑿巖機(jī)配用H22釬桿對(duì)應(yīng)于YT24鑿巖機(jī)配用H22釬桿工作壽命的倍數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

（1）壽命系數(shù)的比較表明：高的沖擊性能將導(dǎo)致H22釬桿工作壽命的顯著降低，相對(duì)于YT24鑿巖機(jī)比較，在工作氣壓0.5 MPa時(shí)，S82鑿巖機(jī)配用H22釬桿的壽命系數(shù)為0.655，在工作氣壓0.63 MPa時(shí)，YT29A鑿巖機(jī)配用H22釬桿的壽命系數(shù)為0.672，即在2種氣壓下，釬桿壽命分別降低為YT24鑿巖機(jī)的0.655和0.672倍，這點(diǎn)在鑿巖機(jī)和釬桿設(shè)計(jì)、使用中，必須充分注意。

（2）由于釬桿的材質(zhì)和加工，反映到其S-N曲線上具有較大的隨機(jī)離散特性，本文采用壽命系數(shù)是一種宏觀統(tǒng)計(jì)定性的比較，并不能準(zhǔn)確反映每支釬桿個(gè)體的壽命特征。

參考文獻(xiàn)：

[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．