交變氣動沖擊錘瞬態沖擊動力特性研究

章策

摘要：交變氣動沖擊錘是一種手持式的氣動沖擊機械，隨著信息技術與網絡技術不斷進步，交變氣動沖擊錘的智能化和瞬態沖擊動力特性越來越好，應用越來越廣泛。我國對交變氣動沖擊錘的研究時間較晚，在交變氣動沖擊錘瞬態沖擊動力特性的研究中，相關學者用波動力學理論和實驗，證實了活塞沖擊反彈狀態與工作介質物理特性之間的關系。本文將通過對于交變氣動沖擊錘的瞬態沖擊動力特性進行研究，提高交變氣動沖擊錘在實際工作中的應用價值。

關鍵詞：交變氣動沖擊錘；瞬態沖擊；動力特性

不同的物理特性對交變氣動沖擊錘的瞬態特性有不同的影響，在研究過程中根據活塞的沖擊反彈狀態辨識工作介質特征。在進一步的研究和改進中，提高交變氣動沖擊錘的機械性能，使交變氣動沖擊錘不斷應用于人們的日常生活和工農業生產中，促進機械化與智能化的社會發展。

1氣動沖擊機械的研究

在科學技術不斷發展的時代背景中，氣動沖擊機械的基礎理論、新材料應用、制造工藝和結構設計變得更加的完善。在市場經濟體制的不斷改革下，各大企業為了提高市場競爭力，不斷引進先進的技術。在企業的推動下，氣動鑿巖機、氣動沖擊錘、氣鎬等氣動機械設備的性能和產品質量得到很大的提升，近幾年，我國的氣動沖擊機械產業的發展速度越來越快。隨著氣動沖擊機械的研究技術也越來越精進，產品向自動化、智能化和多功能化發展[1]。

2交變氣動沖擊錘的組成結構

交變氣動沖擊錘是能夠將氣體的壓力能轉化為機械能的氣動沖擊機械，其工作原理是以壓力大小呈現周期性變化的氣體作為介質，通過沖擊系統實現壓力能到機械能的轉變。交變氣動沖擊錘具有安全可靠、操作簡單、維修方便等優點，能夠改善作業條件，提高工作人員的效率。目前，我國交互氣動沖擊錘的生產研發技術主要處于仿制改進階段，產品的綜合質量差。加強對交變氣動沖擊錘的研究，能夠促進交變氣動沖擊錘的多功能和高智能化方向發展。

配氣系統、驅動系統以及沖擊系統是組成交變氣動沖擊錘的三個主要部分，其主要的組成結構有：電機、減速機構、曲柄活塞機構、壓氣活塞、氣缸、沖桿和快速裝夾裝置等。沖擊系統是交變氣動沖擊錘的核心部分，沖擊系統中的沖桿、釬具和沖擊活塞不僅能將沖擊能傳遞到釬具中，還能阻止雜質進入到沖擊系統，影響系統的正常工作。交變氣動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閥配氣式；按照額定工作壓力的高低可分為高風壓式和低風壓式[2]。

3交變氣動沖擊錘瞬態沖擊動力特性研究

在沖擊機械瞬態沖擊動力的特性研究中加大對波動過程的研究，利用波動力學的方式探究沖擊機械系統中釬桿和沖錘的撞擊問題，通過三維有限元法研究桿件橫向效應和能量散射對沖擊機械鑿巖效率的影響。根據不同的沖擊機械種類采取不同的技術研究方式。柔性桿、阻尼器、質量塊和彈簧是沖擊系統彈性波動力學模型的組成元件。柔性桿是沖擊機械產生波動的基本力學元件，能夠將沖擊能量輸出。以柔性桿為核心建立機械沖擊系統的力學模型，能夠突出系統的波動特性。在建立沖擊系統的力學模型中，其工作狀態下的形變情況能夠忽略不計的元件如錘頭、鉆頭等等，可以用加速度與合力、質量的關系來表示剛體的狀態。一般將彈性較大，質量可以忽略不計的元件計成為彈簧，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動和消耗振動能量的部件，一般阻尼器都是與彈簧結合在一起使用，阻尼器的作用力與速度差的關系式：

F=j（v1v2）

公式中的F為阻尼力，j為阻尼系統，v1、v2阻尼器兩端的速度。

根據動力學理論能夠對交變氣動沖擊錘的瞬態沖擊響應進行動力學分析，還原應力波在各個柔性桿中的傳播過程，獲得微元速度和各樁節接觸面撞擊力的變化規律，建立沖擊系統的力學模型。交變氣動沖擊錘的沖擊系統具有沖擊效率高、釬具短和測試難度大的特點，在工作過程中沖擊活塞撞擊柔性桿能夠發生擾動，以強間斷應力波的形式在系統內傳播。當應力波傳到波組突變截面或撞擊接觸面時，其能夠產生波的反射、透射、撞擊力、撞擊變響應以及能量的瞬態傳遞、耗散效益等[3]。

4建立交變氣動沖擊錘沖擊系統模型

根據交變氣動沖擊錘的組成結構和工作原理，能夠知道錘體受到外向力，發生軸向推力現象能夠在沖擊活塞撞擊沖桿的瞬時，釬尾與沖桿處于緊密接觸狀態。

在建立交變氣動沖擊錘的沖擊系統模型時需要保證各個沖擊部件的材料均勻，并且都是等截面的柔性桿。因此在撞擊過程中，每個部件的橫截面能夠受到均勻分布的軸向應力作用。氣室內的驅動氣壓釋放出來后，不會對系統瞬態沖擊響應產生干涉。

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，桿1的頭部埋沒在剛性介質中，釬頭處于固定約束的狀態。忽略桿件周邊黏性阻尼的影響，將沖擊活塞首次接觸桿1的時間作為起始點，設i（i=1，2）分別代表了裝置釬具和活塞，得到的沖擊系統縱向一維度、波動方程式為：

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；t是時間坐標。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力邊界的條件：

U1（0，t），σ2（l2，t）=0

交變氣動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隨時間發生相應的變化。

5結語

本文通過分析交變氣動沖擊錘的結構組成及其工作的原理，掌握了交變氣動沖擊錘中的沖擊系統瞬態沖擊特性，在對不同波阻比進行分析的過程中發現沖錘和柔性桿產生的應力波波形特性。在波動力學的計算和推導中，發現柔性桿一維應力波控制方程和應力波在波阻突變界面的透射與反射關系。在不斷的實驗認證中，掌握了交變氣動錘的瞬態沖擊動力特性，為同類型的沖擊機械提供了智能辨識和參考的資料。

參考文獻：

[1]丁問司，丁元文，范亞軍，等.交變氣動沖擊錘瞬態沖擊特性分析[J].機械工程學報，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.發射器沖擊載荷作用下土的動力性能分析[J].價值工程，2014，（31）：2325.