去冒口錘沖擊功的計算與驗證

姚繼成，包艷青，宋立波

（1.國機鑄鍛機械有限公司，山東濟南 250306；2.濟南鑄鍛所檢驗檢測科技有限公司，山東濟南 250306）

去冒口錘是我公司設計制造的去除鑄件冒口的設備。經過用戶廠家的試用，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則是沖擊功[1]，其對廠家選擇所去除冒口的尺寸有指導作用，因而，去冒口錘沖擊功的計算與驗證是非常有必要的。

圖1　去冒口錘活塞行程示意

1　最大沖擊功的計算

1.1　沖擊運動的分析

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，儲能腔內的氣體通過進氣口群由快速進氣閥迅速進入到無桿腔內，活塞由A到B的過程中，由于有桿腔內的氣體可以通過排氣口群由快排控制閥快速排出，這個行程內活塞的運動可以認為是勻加速運動，而在活塞由B到C的過程中，活塞密封圈封住了排氣口群，有桿腔的氣體無法排出，有桿腔內氣體壓力升高，而此時無桿腔氣體壓力依然是系統壓力，活塞實際上是做變加速運動，在活塞由C到D的過程中，無桿腔氣體會通過排氣口群由快排控制閥排出，氣體壓力下降，而有桿腔內氣體壓力繼續升高，活塞開始做減速運動。由上所述，在活塞到達C點時，活塞具有最大的能量，最大的沖擊速度，即此時的沖擊功是最大的。

活塞行程接近C點時，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過程中活塞左端面受到的力（N）；

F2——A到B過程中活塞右端面受到的力（N）；

F3——B到C過程中活塞右端面受到的力（N）；

Ke——沖擊功修正系數，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械損失的數值，一般Ke值在0.45～0.55之間，取Ke=0.5。

A到C過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過程中活塞左端面受到的力（N）；

P1——無桿腔內氣體壓力（Pa）；

S1——工作行程時活塞左端面受壓面積（m2）；

D——活塞直徑（m）。A到B過程中活塞右端面受到的力為：

式中F2——A到B過程中活塞右端面受到的力（N）；

P2——有桿腔內氣體壓力（Pa）；

S2——工作行程時活塞右端面受壓面積（m2）；

D——活塞桿直徑（m）。

一定系統壓力的氣體進入腔室，在初始一段時間內，腔室內的氣體質量隨時間呈線性增加。這一點已得到實驗證實，由于進氣速度較快，因而進氣過程中的氣體溫度不變。根據理想氣體狀態方程PV=(M/μ)RT得知，腔室內的氣體壓力與腔室內的氣體質量成正比。即在初始一段時間內，腔室內的氣體壓力隨時間增加呈線性上升。當進氣持續一段時間后，腔室內的氣體壓力與系統壓力相同[2]。由于該快進快排結構的一個重要特點就是有一個足夠大的儲能腔并且儲能腔內氣體始終維持特定壓力，活塞開始移動時由于儲能腔的氣體瞬間進入無桿腔內，所以在活塞由A到C的過程中，無桿腔內的氣體壓力可以認定為系統壓力。去冒口錘工作時氣體壓力為6×105Pa，所以可以認定為P1=6×105Pa。該快進快排型結構的另外一個重要特點就是有一個快排控制閥，活塞由A到B過程中，有桿腔內的氣體可以通過快排控制閥快速排出，所以有桿腔內的氣體壓力可以近似的認為等同于大氣壓力，即P2=1×105Pa。

而在活塞由B到C的過程中,有桿腔內氣體壓力為：

P3=[（CD+BC）/（AB+BC+CD-L）]P2

B到C過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　最大沖擊功計算結果

按照缸徑尺寸去冒口錘規格分為Q91200，Q91160和Q91100三種。

（1）Q91200去冒口錘以上各項參數值如下：

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

Q91200最大沖擊功為：

（2）Q91160去冒口錘以上各項參數值如下：

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

Q91160最大沖擊功為：

（3）Q91100去冒口錘以上各項參數值如下：

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

Q91100最大沖擊功為：

表1　去冒口錘技術參數

Q91系列去冒口錘的理論最大沖擊功見表1。

2　最大沖擊功的驗證

2.1　驗證方法

驗證方法采用鐓粗鉛柱測定沖擊功的方法[3]。鉛柱材料應符合GB/T 469-2005中的1號鉛，其尺寸應符合表2的規定，一次打擊后鉛柱的高度不應大于表2的規定。鐓粗鉛柱測定沖擊功的試驗示意圖見圖2。

表2　鉛柱尺寸規格

圖2　鐓粗鉛柱測定沖擊功的試驗示意圖

2.2　驗證過程

將標準鉛柱試樣底部加工M6的螺紋孔，固定在工裝上，如圖3所示，錘頭對準鉛柱表面，測去冒口錘在0.6MPa下鉛柱試樣壓縮后高度h1。每種規格的去冒口錘分別做三次試驗，取其平均值得出每種規格的標準鉛柱被擊打后的高度h1，然后根據以下公式計算去冒口錘實際沖擊功：

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　結論

試驗得出的沖擊功值大于理論計算的數值，直接表明了沖擊功修正系數Ke>0.5，儲能腔、快速進氣閥、氣缸、快速排氣閥以及密封圈的選擇優化了氣缸中壓力變化、前腔反壓力、活塞行程和機械損失等因素對去冒口錘沖擊功的影響，最終反映了去冒口錘設備結構設計的合理性。

表3　去冒口錘實際沖擊功

圖3　試樣固定工裝

參考文獻：

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

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

[3] 王詠梅,等.GB/T 25721-2010,空氣錘技術條件[S].北京:中國標準出版社，2010.