交變氣動(dòng)沖擊錘瞬態(tài)沖擊動(dòng)力特性研究

章策

摘要：交變氣動(dòng)沖擊錘是一種手持式的氣動(dòng)沖擊機(jī)械，隨著信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷進(jìn)步，交變氣動(dòng)沖擊錘的智能化和瞬態(tài)沖擊動(dòng)力特性越來(lái)越好，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。我國(guó)對(duì)交變氣動(dòng)沖擊錘的研究時(shí)間較晚，在交變氣動(dòng)沖擊錘瞬態(tài)沖擊動(dòng)力特性的研究中，相關(guān)學(xué)者用波動(dòng)力學(xué)理論和實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了活塞沖擊反彈狀態(tài)與工作介質(zhì)物理特性之間的關(guān)系。本文將通過(guò)對(duì)于交變氣動(dòng)沖擊錘的瞬態(tài)沖擊動(dòng)力特性進(jìn)行研究，提高交變氣動(dòng)沖擊錘在實(shí)際工作中的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：交變氣動(dòng)沖擊錘；瞬態(tài)沖擊；動(dòng)力特性

不同的物理特性對(duì)交變氣動(dòng)沖擊錘的瞬態(tài)特性有不同的影響，在研究過(guò)程中根據(jù)活塞的沖擊反彈狀態(tài)辨識(shí)工作介質(zhì)特征。在進(jìn)一步的研究和改進(jìn)中，提高交變氣動(dòng)沖擊錘的機(jī)械性能，使交變氣動(dòng)沖擊錘不斷應(yīng)用于人們的日常生活和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，促進(jìn)機(jī)械化與智能化的社會(huì)發(fā)展。

1氣動(dòng)沖擊機(jī)械的研究

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代背景中，氣動(dòng)沖擊機(jī)械的基礎(chǔ)理論、新材料應(yīng)用、制造工藝和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更加的完善。在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的不斷改革下，各大企業(yè)為了提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，不斷引進(jìn)先進(jìn)的技術(shù)。在企業(yè)的推動(dòng)下，氣動(dòng)鑿巖機(jī)、氣動(dòng)沖擊錘、氣鎬等氣動(dòng)機(jī)械設(shè)備的性能和產(chǎn)品質(zhì)量得到很大的提升，近幾年，我國(guó)的氣動(dòng)沖擊機(jī)械產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度越來(lái)越快。隨著氣動(dòng)沖擊機(jī)械的研究技術(shù)也越來(lái)越精進(jìn)，產(chǎn)品向自動(dòng)化、智能化和多功能化發(fā)展[1]。

2交變氣動(dòng)沖擊錘的組成結(jié)構(gòu)

交變氣動(dòng)沖擊錘是能夠?qū)怏w的壓力能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的氣動(dòng)沖擊機(jī)械，其工作原理是以壓力大小呈現(xiàn)周期性變化的氣體作為介質(zhì)，通過(guò)沖擊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)壓力能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)變。交變氣動(dòng)沖擊錘具有安全可靠、操作簡(jiǎn)單、維修方便等優(yōu)點(diǎn)，能夠改善作業(yè)條件，提高工作人員的效率。目前，我國(guó)交互氣動(dòng)沖擊錘的生產(chǎn)研發(fā)技術(shù)主要處于仿制改進(jìn)階段，產(chǎn)品的綜合質(zhì)量差。加強(qiáng)對(duì)交變氣動(dòng)沖擊錘的研究，能夠促進(jìn)交變氣動(dòng)沖擊錘的多功能和高智能化方向發(fā)展。

配氣系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及沖擊系統(tǒng)是組成交變氣動(dòng)沖擊錘的三個(gè)主要部分，其主要的組成結(jié)構(gòu)有：電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)、曲柄活塞機(jī)構(gòu)、壓氣活塞、氣缸、沖桿和快速裝夾裝置等。沖擊系統(tǒng)是交變氣動(dòng)沖擊錘的核心部分，沖擊系統(tǒng)中的沖桿、釬具和沖擊活塞不僅能將沖擊能傳遞到釬具中，還能阻止雜質(zhì)進(jìn)入到?jīng)_擊系統(tǒng)，影響系統(tǒng)的正常工作。交變氣動(dòng)沖擊錘的分類方式有很多種，按照配氣方式可分為有閥配氣式與無(wú)閥配氣式；按照額定工作壓力的高低可分為高風(fēng)壓式和低風(fēng)壓式[2]。

3交變氣動(dòng)沖擊錘瞬態(tài)沖擊動(dòng)力特性研究

在沖擊機(jī)械瞬態(tài)沖擊動(dòng)力的特性研究中加大對(duì)波動(dòng)過(guò)程的研究，利用波動(dòng)力學(xué)的方式探究沖擊機(jī)械系統(tǒng)中釬桿和沖錘的撞擊問(wèn)題，通過(guò)三維有限元法研究桿件橫向效應(yīng)和能量散射對(duì)沖擊機(jī)械鑿巖效率的影響。根據(jù)不同的沖擊機(jī)械種類采取不同的技術(shù)研究方式。柔性桿、阻尼器、質(zhì)量塊和彈簧是沖擊系統(tǒng)彈性波動(dòng)力學(xué)模型的組成元件。柔性桿是沖擊機(jī)械產(chǎn)生波動(dòng)的基本力學(xué)元件，能夠?qū)_擊能量輸出。以柔性桿為核心建立機(jī)械沖擊系統(tǒng)的力學(xué)模型，能夠突出系統(tǒng)的波動(dòng)特性。在建立沖擊系統(tǒng)的力學(xué)模型中，其工作狀態(tài)下的形變情況能夠忽略不計(jì)的元件如錘頭、鉆頭等等，可以用加速度與合力、質(zhì)量的關(guān)系來(lái)表示剛體的狀態(tài)。一般將彈性較大，質(zhì)量可以忽略不計(jì)的元件計(jì)成為彈簧，如沖擊錘中的氣墊、樁帽等等。彈簧的受力公式為：

F=k（u1u2）

公式中的F為彈簧產(chǎn)生的彈力，k是彈簧剛度，u1、u2分別是彈簧兩端位移。阻尼器是阻礙部件運(yùn)動(dòng)和消耗振動(dòng)能量的部件，一般阻尼器都是與彈簧結(jié)合在一起使用，阻尼器的作用力與速度差的關(guān)系式：

F=j（v1v2）

公式中的F為阻尼力，j為阻尼系統(tǒng)，v1、v2阻尼器兩端的速度。

根據(jù)動(dòng)力學(xué)理論能夠?qū)蛔儦鈩?dòng)沖擊錘的瞬態(tài)沖擊響應(yīng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，還原應(yīng)力波在各個(gè)柔性桿中的傳播過(guò)程，獲得微元速度和各樁節(jié)接觸面撞擊力的變化規(guī)律，建立沖擊系統(tǒng)的力學(xué)模型。交變氣動(dòng)沖擊錘的沖擊系統(tǒng)具有沖擊效率高、釬具短和測(cè)試難度大的特點(diǎn)，在工作過(guò)程中沖擊活塞撞擊柔性桿能夠發(fā)生擾動(dòng)，以強(qiáng)間斷應(yīng)力波的形式在系統(tǒng)內(nèi)傳播。當(dāng)應(yīng)力波傳到波組突變截面或撞擊接觸面時(shí)，其能夠產(chǎn)生波的反射、透射、撞擊力、撞擊變響應(yīng)以及能量的瞬態(tài)傳遞、耗散效益等[3]。

4建立交變氣動(dòng)沖擊錘沖擊系統(tǒng)模型

根據(jù)交變氣動(dòng)沖擊錘的組成結(jié)構(gòu)和工作原理，能夠知道錘體受到外向力，發(fā)生軸向推力現(xiàn)象能夠在沖擊活塞撞擊沖桿的瞬時(shí)，釬尾與沖桿處于緊密接觸狀態(tài)。

在建立交變氣動(dòng)沖擊錘的沖擊系統(tǒng)模型時(shí)需要保證各個(gè)沖擊部件的材料均勻，并且都是等截面的柔性桿。因此在撞擊過(guò)程中，每個(gè)部件的橫截面能夠受到均勻分布的軸向應(yīng)力作用。氣室內(nèi)的驅(qū)動(dòng)氣壓釋放出來(lái)后，不會(huì)對(duì)系統(tǒng)瞬態(tài)沖擊響應(yīng)產(chǎn)生干涉。

沖擊活塞用初始速度v0沿著x軸反方向公軸撞擊桿釬尾。在撞擊開始時(shí)，桿1的頭部埋沒(méi)在剛性介質(zhì)中，釬頭處于固定約束的狀態(tài)。忽略桿件周邊黏性阻尼的影響，將沖擊活塞首次接觸桿1的時(shí)間作為起始點(diǎn)，設(shè)i（i=1，2）分別代表了裝置釬具和活塞，得到的沖擊系統(tǒng)縱向一維度、波動(dòng)方程式為：

2uit2=C2i2uix2i，i=1，2

式中ci是縱波波速；Ei、ρi分別是桿i（i=1，2）的材料彈性模量與密度；ui是桿i（i=1，2）微元的軸向位移；xi是是桿i（i=1，2）的空間坐標(biāo)；t是時(shí)間坐標(biāo)。若釬具頭部為固定單，沖擊活塞非撞擊端為自由端，需要滿足以下位移和應(yīng)力邊界的條件：

U1（0，t），σ2（l2，t）=0

交變氣動(dòng)沖擊錘的沖擊活塞和釬具材料的特性基本相同，沖擊活塞橫截面積比釬具的橫截面積大，兩者之間的波阻比z2/z1>1。沖錘和釬具撞擊接觸面的撞擊力會(huì)隨時(shí)間發(fā)生相應(yīng)的變化。

5結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析交變氣動(dòng)沖擊錘的結(jié)構(gòu)組成及其工作的原理，掌握了交變氣動(dòng)沖擊錘中的沖擊系統(tǒng)瞬態(tài)沖擊特性，在對(duì)不同波阻比進(jìn)行分析的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)沖錘和柔性桿產(chǎn)生的應(yīng)力波波形特性。在波動(dòng)力學(xué)的計(jì)算和推導(dǎo)中，發(fā)現(xiàn)柔性桿一維應(yīng)力波控制方程和應(yīng)力波在波阻突變界面的透射與反射關(guān)系。在不斷的實(shí)驗(yàn)認(rèn)證中，掌握了交變氣動(dòng)錘的瞬態(tài)沖擊動(dòng)力特性，為同類型的沖擊機(jī)械提供了智能辨識(shí)和參考的資料。

參考文獻(xiàn)：

[1]丁問(wèn)司，丁元文，范亞軍，等.交變氣動(dòng)沖擊錘瞬態(tài)沖擊特性分析[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2015，（3）：7379.DOI：10.3901/JME.2015.03.073.

[2]《探礦工程（巖土鉆掘工程）》2000年總目次[J].探礦工程巖土鉆掘工程，2000，（6）：6870.

[3]胡桂梅，張亞娟.發(fā)射器沖擊載荷作用下土的動(dòng)力性能分析[J].價(jià)值工程，2014，（31）：2325.