液壓鑿巖機(jī)活塞應(yīng)力分析

高波，徐雪鋒，夏劍輝

(1.長沙礦冶研究院責(zé)任有限公司，湖南 長沙410012；2.深海礦產(chǎn)資源開發(fā)利用技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙410012；3.浙江開山重工股份有限公司，浙江 衢州324002)

1 前言

液壓鑿巖機(jī)與氣動鑿巖機(jī)相比，在同等鑿巖工效下，具有能耗低（僅為氣動鑿巖機(jī)的1/4～1/3）、作業(yè)環(huán)境好（噪聲小、無油霧）、主要零件壽命長等優(yōu)勢，而且便于實(shí)現(xiàn)鑿巖作業(yè)自動化，使鑿巖作業(yè)朝著大功率的方向發(fā)展。活塞是液壓鑿巖機(jī)的關(guān)鍵部件，在高壓油的推動作用下實(shí)現(xiàn)高頻、高速的運(yùn)動?；钊矒翕F桿，在釬桿中形成一系列沖擊應(yīng)力波,并以縱波的形式傳遞給釬頭，從而達(dá)到破碎巖石的目的。由于液壓鑿巖機(jī)活塞位于機(jī)體內(nèi)部，且是高速運(yùn)動部件，直接測試很不方便,難以對活塞的真實(shí)受力進(jìn)行準(zhǔn)確分析，目前關(guān)于鑿巖機(jī)活塞應(yīng)力的測定和分析還鮮見報道。近年來，應(yīng)力波法測試鑿巖機(jī)沖擊能在行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，它除了給出沖擊能、沖擊頻率等性能參數(shù)外，同時給出了釬桿應(yīng)力。本文借助應(yīng)力波法測試液壓鑿巖機(jī)沖擊性能得出的釬桿應(yīng)力，根據(jù)釬桿應(yīng)力波和活塞應(yīng)力波的關(guān)系，分析了4種型號液壓鑿巖機(jī)活塞的應(yīng)力。

2 釬桿應(yīng)力和活塞應(yīng)力的關(guān)系

當(dāng)活塞以速度VP撞擊釬桿時（見圖1）,此時在活塞和釬桿中將分別產(chǎn)生活塞應(yīng)力波σh和釬桿應(yīng)力波σR。

界面上邊界條件：

（1）作用力等于反作用力；

（2）界面上質(zhì)點(diǎn)速度相等。

圖1 釬桿應(yīng)力和活塞應(yīng)力

可導(dǎo)出

式中 E——彈性模量

c——波速

R——釬桿/活塞斷面比

由此得到σh=R·σR

即活塞應(yīng)力正比于釬桿應(yīng)力，活塞應(yīng)力值等于釬桿應(yīng)力乘以斷面比，這樣可根據(jù)測試得出的釬桿應(yīng)力確定活塞應(yīng)力。

3 測試工作

3.1 測試系統(tǒng)

液壓鑿巖機(jī)沖擊性能測試系統(tǒng)如圖2所示，被測樣機(jī)、帶測桿的吸能器安裝在臥式或立式臺架上，推進(jìn)缸給鑿巖機(jī)施加推力[1]。

3.2 測試結(jié)果

采用上述沖擊性能測試系統(tǒng)，分別對HYD300、YYG138（1238）、DZYG38B 和TWYG173（1838）液壓鑿巖機(jī)進(jìn)行了測試。測試結(jié)果見表1，應(yīng)力波曲線和連續(xù)25次沖擊測試記錄見圖3-圖9。

4 活塞應(yīng)力分析

4.1 活塞形狀

幾種液壓鑿巖機(jī)活塞形狀見圖10-圖13所示。

4.2 活塞應(yīng)力分析

根據(jù)活塞形狀和測試得出的釬桿應(yīng)力，得到液壓鑿巖機(jī)對應(yīng)于不同工作壓力下的活塞應(yīng)力（見表2）。

圖2 液壓鑿巖機(jī)械沖擊性能測試系統(tǒng)

表1 沖擊性能試驗(yàn)結(jié)果

由表2看出：

（1）活塞應(yīng)力和釬桿應(yīng)力隨工作壓力的增加而增大；

（2）工作壓力在19-20 MPa 的情況下，大部分液壓鑿巖機(jī)活塞縱向應(yīng)力約為210 MPa；

（3）活塞應(yīng)力隨釬桿直徑增大而增大，TWYG173 液壓鑿巖機(jī)采用φ45 釬桿，具有最大的活塞縱向應(yīng)力，接近300MPa。

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

5 結(jié)語

（1）本文給出了一種根據(jù)釬桿應(yīng)力確定活塞應(yīng)力的方法，釬桿應(yīng)力可由應(yīng)力波法檢測得出。

（2）對采用釬桿φ38 的3種液壓鑿巖機(jī)活塞應(yīng)力分析表明：活塞應(yīng)力隨工作壓力的增加而增大，在工作壓力19-20 MPa，其活塞應(yīng)力約為220 MPa左右（為縱向應(yīng)力），考慮彎曲波和反射波等因素的影響，其合應(yīng)力約為310 MPa；在工作壓力23 MPa時，其活塞應(yīng)力約為244 MPa左右（為縱向應(yīng)力），考慮彎曲波和反射波等因素的影響，其合應(yīng)力約為344 MPa；合應(yīng)力值可供活塞材質(zhì)選擇、結(jié)構(gòu)設(shè)計和疲勞壽命估測時參考。

圖9

（3）對采用釬桿φ45 的液壓鑿巖機(jī)活塞應(yīng)力分析表明： 活塞應(yīng)力隨沖擊能量的增加而增大，在TWYG173 液壓鑿巖機(jī)350 J（工作壓力22 MPa），其活塞應(yīng)力約為310 MPa左右（為縱向應(yīng)力），考慮彎曲波和反射波等因素的影響，其合應(yīng)力約為400 MPa左右。

圖10 HYD300型液壓鑿巖機(jī)活塞形狀

圖11 YYG138（1238）型液壓鑿巖機(jī)活塞形狀

圖12 DZYG38B型液壓鑿巖機(jī)活塞形狀

圖13 TWYG173（1838）型液壓鑿巖機(jī)活塞形狀

表2 液壓鑿巖機(jī)的活塞應(yīng)力

（4）液壓鑿巖機(jī)活塞應(yīng)力正比于釬桿/活塞斷面比R，對同一類型的液壓鑿巖機(jī)，采用大直徑釬桿將提高活塞應(yīng)力，這一點(diǎn)在選配釬桿時應(yīng)予以注意。