混凝土強度對電錘可靠性測試的影響及對比分析

羅雪蓮，倪俊芳

（ 蘇州大學 機電工程學院，江蘇 蘇州 215021 ）

0 引言

電錘由電機組件、傳動組件、沖擊組件和電子控制組件等部分組成，其壽命及可靠性受制于最薄弱的部分，包括硬件和軟件。電錘可靠性是指電錘在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。電錘的可靠性可以分為：功能可靠性，性能可靠性和安全可靠性[1]。新型電錘進入批量生產(chǎn)之前，都必須進行一系列的試驗。電錘測試的最終目的是得到其使用壽命及失效形式，找到產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)[2]。其中，鑿擊實用性試驗是重要環(huán)節(jié)之一，需要在混凝土上實施鉆孔、破碎等動作以模擬實際應用場景，借此綜合評估電錘的壽命及可靠性。該過程中需要消耗大量混凝土塊，測試成本高，試驗周期長。本文以C30和C40混凝土為例，進行了一系列的對比實驗，研究其強度對電動工具產(chǎn)品可靠性測試的影響。

1 試驗設計

1.1 試驗材料

試驗采用中聯(lián)產(chǎn)P．O42．5級普通硅酸鹽水泥、 S95級礦粉和Ⅰ級粉煤灰摻合料、5mm～10mm連續(xù)級配天然碎石、0mm～3mm河砂（河砂屬于Ⅱ區(qū)中沙，細度模數(shù)2．5，含泥量0．4%）。外加劑采用PT-IV聚羧酸高性能減水劑，試驗用水采用生活飲用水?；炷猎嚰颂枮镃30細石混凝土和C40細石混凝土。表1為試驗用基準材料配合比例。

表1 試驗用基準配合比（kg/m3）

混凝土立方體試塊尺寸為150mm× 150mm×150mm，立方體抗壓強度按照《普通混凝土物理力學性能試驗方法標準》（GB/T50081-2019）進行測試[3]。C30軸心抗壓強度設計值為14．3N/mm2，C40軸心抗壓強度設計值為19．1N/mm2。C30軸心抗壓強度標準值為20．1N/mm2，C40軸心抗壓強度標準值為26．8N/mm2。鑿擊試驗用的C30和C40細石混凝土尺寸為200mm×500mm× 1000mm．

1.2 試驗方案

為保證對比試驗準確性，試驗采用某型號5kg手持式旋轉無繩電錘，9Ah電池包，分別選用Φ25，Φ32鉆頭和25mm平鑿進行應用試驗，鉆孔深度為200mm。

測試所用鉆頭采用同一品牌同一批次，由操作者分別在C30和C40混凝土材料做相同的工作鉆孔和破碎工作。對工具作業(yè)在兩種材料上的工作電流，電池包放電時間，熱應力以及使用過程中工具主體及手柄處振動、實驗室內(nèi)部測試和用戶實際測試的失效時間進行對比。

2 試驗比對

2.1 電流

測試中，同一個操作人員使用同一臺電錘，分別在C30和C40水泥塊上進行鉆孔和破碎作業(yè)。技術人員用示波器記錄電錘在不同材料以及不同工況時的電流，每一個應用完成一個滿充電池的放電，記錄單電池包實際應用時間，記錄單電池包應用在不同材料上的電流曲線。圖1和圖2分別為在C30和C40材料上鉆孔（Φ25×200mm）獲得的電流曲線，圖3和圖4分別在C30和C40材料上鉆孔（Φ32×200mm）獲得的電流曲線，圖5和圖6分別為在C30和C40材料上以25mm平鑿進行破碎工作獲得的電流曲線。

根據(jù)抓取的數(shù)據(jù)計算出每種應用的單孔平均電流，時間和單個電池包放電時間見表2。從表3的整理結果來看，C30在鉆孔時間上高于C40，二者在工作電流和單個電池包的放電時間上基本一致。

2.2 溫度

采用J型熱電偶專用AB膠將熱電偶貼附在待測電錘上，溫度測量點選擇電錘的內(nèi)部關鍵部位、發(fā)熱量大的部位以及電子模塊和電錘的外表面，主要有電機、齒輪箱、夾頭、頭殼、氣缸、電池接口、控制電路板關鍵零件[4-5]。為保證測試數(shù)據(jù)具有可比性，定義一個實用性測試程序，如：

1）鉆孔Φ25×200mm 10個；

2）破碎材料10min；

3）鉆孔Φ28×200mm 10個；

4）破碎材料10min；

5）鉆孔Φ32×200mm 10個；

6）破碎材料10min。

對比測試由同一工人，同一臺電錘，分別在C30和C40上，按照以上的實用測試程序進行循環(huán)操作，持續(xù)運行四個周期，在工具測試運行過程中，通過熱電偶監(jiān)控測試過程中相關部件和位置的溫度。監(jiān)測C30和C40溫度曲線如圖7、圖8所示。

表2 混凝土鑿擊實驗結果

從曲線上來看在兩種材料測試對工具產(chǎn)生的熱應力趨勢基本一致，通過記錄的曲線整理出了兩種材料上各個測量點最高溫度值，見表3和表4。表中可見在C40上的測試整體溫度較C30高2℃～3℃，整機的最高溫度在主機箱、氣缸和夾頭位置，該溫度變化和溫度的最高值在實用性測試中是可以接受的范圍。

表3 C30各測量點最高溫度值（℃）

表4 C40各測量點最高溫度值（℃）

2.3 振動

采用2組3軸的振動傳感器，一組貼附在主手柄處，一組貼附在機器頭殼部分，如圖9所示，分別進行鉆孔測試和破壞測試。

試驗參照EN60745-2-6手持式電動工具 安全 電錘的特殊要求操作和取值[6]，由操作人員分別在C30和C40上操作，由傳感器接收三個軸向振動值，整理數(shù)據(jù)見表5。

表5 C30/C40振動試驗

表5中可見，主機外殼部分在C40上鉆孔時的振動值偏高，而在手柄處的振動值卻較低，這是由于在手柄結構上設計了減震彈簧，所以即使工具本體振動略有增加，但手柄處的振動并不受影響，相反存在一定的減少。對于破碎測試，由于應用破壞材料，其破碎方向以及反饋受較多因素影響，存在較大不穩(wěn)定性，所以破碎應用振動值僅供參考。振動測試的不確定度為2．5m/s2，通過比較可知，主機在C40上的振動值略高，該結果在實際測試中也在許可范圍內(nèi)。

2.4 綜合對比

將同一批次電錘，分別交于實際用戶使用，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與實驗室數(shù)據(jù)進行比對，收集得到的測試失效形式和平均失效時間見表6。

表6 失效形式和平均失效時間

在失效形式方面，實驗室用C40的模擬測試與實際用戶使用結果基本一致。實際用戶的使用情況多變且復雜，如使用過程中，因?qū)嶋H工程需要打孔的方向，水泥中的加固鋼筋，各地的溫度條件等，而實驗室的模擬測試都按照固定的流程和要求操作，環(huán)境溫度可控，測試條件相對固定，所以，實驗室測試時未發(fā)現(xiàn)風扇軸承失效，平均失效時間也較實際用戶的失效更久。由此可見，采用C40材料對于實驗室開展電錘模擬實用性實驗是可行和有效的，可較好地幫助工程人員在工具產(chǎn)品開發(fā)階段發(fā)現(xiàn)設計缺陷。

2.5 材料用量對比

在實用性測試中，以測試目標為100h來比較相應材料消耗量：以Φ25×200mm孔為例，查表2中在C30和C40上的單孔時間為28．11s和47．71s，孔數(shù)分別為12806和7547，采用C40替代C30，材料使用量可減少約41%；以Φ32×200mm孔為例，查表2中在C30和C40上的單孔時間為46．82s和98．73s，孔 數(shù) 分 別 為7689和3646，采用C40水泥塊替代C30，材料使用量可減少約53%。C40市場價格高于C30約15%，推算可知測試材料成本將由此減少30%左右。

3 結語

通過對兩種混凝土型號C30和C40的鉆削試驗，分析混凝土強度對電錘鉆孔時的電流曲線，溫度特征曲線、振動以及失效時間的影響，確定采用C40替代C30進行實用性模擬測試能夠顯著減少混凝土材料成本。在減少混凝土用量的同時可降低實驗材料存貯空間以及綜合測試成本，在實際應用中取得較好的經(jīng)濟效益和社會效益。