HC80型氣動(dòng)沖擊器機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

李東方，王向平，周明安，徐壬六，許中琛，吳騰飛

(1.衢州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，浙江 衢州 324000；2.衢州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測中心，浙江 衢州 324000)

0 引言

沖擊器的設(shè)計(jì)和應(yīng)用理論基礎(chǔ)是沖擊鉆進(jìn)巖石過程中的力-鑿深特性和能耗傳遞特性。同時(shí)，也是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、裝置配備及預(yù)測鑿速的重要依據(jù)，更是智能控制策略制定的重要根據(jù)。漢陽大學(xué)機(jī)械工程系Hak-Soon Kang等[1]開發(fā)了沖擊能分析工具，分析了不同巖石硬度下對(duì)鉆孔速度和沖擊能力的影響。韓國機(jī)械與材料研究所Jaho Seo等[2]建立了一套實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，評(píng)估了沖擊能耗和沖擊頻率等關(guān)鍵性能參數(shù)。我國開山重工股份余永高等[3]設(shè)計(jì)研發(fā)了QCK90型中氣壓快沖型沖擊器。優(yōu)化后的沖擊器增加了沖擊活塞和沖擊氣缸的工作壽命，極大降低了沖擊釬頭尾部的斷裂幾率。中南大學(xué)徐海良等[4]利用數(shù)值分析軟件對(duì)氣動(dòng)沖擊器活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行了解析，總結(jié)出了活塞運(yùn)動(dòng)影響因素，得到了機(jī)械結(jié)構(gòu)參數(shù)和沖擊性能間的聯(lián)系，提高了沖擊器工作可靠性和效率。

1 沖擊器優(yōu)化設(shè)計(jì)過程

1.1 沖擊器工作原理簡介

氣動(dòng)沖擊器在撞擊釬頭進(jìn)行鑿巖的過程中，壓縮空氣驅(qū)動(dòng)活塞墻體內(nèi)的活塞做沖程-回程的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。沖擊過程中的沖擊動(dòng)能以應(yīng)力波[5]的方式傳遞到?jīng)_擊釬頭，沖擊釬頭獲得高速?zèng)_擊初速度，然后沖擊巖層，達(dá)到破碎效果。與此同時(shí)，通過沖擊活塞中通孔的一部分壓縮空氣在沖擊孔底形成吹散面，將巖石碎屑排出，提高了沖擊效果。

1.2 沖擊活塞運(yùn)動(dòng)分析

對(duì)沖擊器活塞受力進(jìn)行簡化，忽略阻尼力等。氣動(dòng)沖擊器工作時(shí)，沖頭朝下，根據(jù)牛頓第二定律可知沖擊活塞運(yùn)動(dòng)加速度方程如下

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式中，a為沖擊活塞的加速度，單位m·s-2；M為沖擊活塞質(zhì)量，單位kg；pi為沖擊器缸體和活塞之間構(gòu)成的各腔體內(nèi)壓縮空氣壓力，單位MPa；Ai為沖擊氣缸各腔體內(nèi)壓縮空氣壓力作用面積，單位m2；g為重力加速度，單位m·s-2。

式(1)中的壓縮空氣壓力大小需要根據(jù)氣態(tài)方程來確定，而對(duì)應(yīng)的作用面積由沖擊器機(jī)械結(jié)構(gòu)決定。

1.3 沖擊器關(guān)鍵零部件材料選擇和技術(shù)要求

(1)沖擊活塞。沖擊器的活塞能夠把壓縮空氣的壓縮能轉(zhuǎn)化為沖擊動(dòng)能。材料選取為35 CrMoVA，活塞表面進(jìn)行滲碳處理，層厚為1.6～2.2 mm，整體活塞進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度為60～63 HRC。

(2)導(dǎo)向套。導(dǎo)向套把沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)限制在其中，起到?jīng)_擊活塞運(yùn)動(dòng)方向引導(dǎo)作用，保證沖擊活塞和釬頭沖擊過程中的同心度，要求耐磨抗拉花。材料選為40Cr，進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理的硬度為40～46 HRC。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果分析

通過對(duì)沖擊器沖擊活塞運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，得到?jīng)_擊活塞運(yùn)動(dòng)的位移和速度。在求解過程中，考慮巖石硬度為6～20 HRC下的回彈性的不同，造成沖擊速度也不同，優(yōu)化出合適的沖擊速度，進(jìn)而確定沖擊器的活塞質(zhì)量為3.2 kg、釬套直徑為80 mm，耗氣量大約為5 m3·min-1、沖擊頻率不小于14 Hz以及沖擊能為87 J，配套的釬頭重量約為2.5 kg。優(yōu)化設(shè)計(jì)得到的HC80型氣動(dòng)沖擊器裝配圖，如圖1所示。

1.后接頭；2.頂頭；3.逆止閥；4.彈簧；5.墊圈；6.膠圈；7.閥蓋；8.閥片；9.導(dǎo)向管；10.閥座；11.氣缸；12.外套管；13.活塞；14.導(dǎo)向套；15.前接頭；16.膠堵；17.小彈簧；18.立銷；19.橫銷圖1 HC80型氣動(dòng)沖擊器裝配圖

3 結(jié)論

基于牛頓第二方程建立的沖擊器沖擊活塞運(yùn)動(dòng)，從沖擊活塞的加速度、速度以及位移求解著手，優(yōu)化確定沖擊器氣缸行程。再對(duì)沖擊器頭部和尾部的進(jìn)氣結(jié)構(gòu)和釬頭連接、導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后得到整體機(jī)械結(jié)構(gòu)。

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