氣動沖擊器機械結構優化設計探析
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摘要:在巖土工程穿鑿作業中，氣動沖擊器被廣泛應用于多種中、高硬的可鉆性差的堅韌性巖石開鑿。開鑿過程中，要求氣動沖擊器具備良好的排巖效果、低的巖渣重復破碎率、高的鉆頭耐磨性和鉆進效率。通過對HC80型氣動沖擊器的優化設計，利用最新鑿巖理論進行設計計算，驗證證實結構優化后具有理想能量傳遞效果，具有鑿巖速度快、耗風量低的優點。氣動沖擊器采用先進的熱處理工藝，保證穩定的使用性能、較高使用壽命。優化后前接頭和與外缸采用多頭螺紋連接結構設計，方便鉆頭拆卸和維修維護。
0引言
沖擊器的設計和應用理論基礎是沖擊鉆進巖石過程中的力－鑿深特性和能耗傳遞特性。同時，也是結構優化設計、裝置配備及預測鑿速的重要依據，更是智能控制策略制定的重要根據。漢陽大學機械工程系Hak－SoonKang等［1］開發了沖擊能分析工具，分析了不同巖石硬度下對鉆孔速度和沖擊能力的影響。韓國機械與材料研究所JahoSeo等［2］建立了一套實驗測試系統，評估了沖擊能耗和沖擊頻率等關鍵性能參數。我國開山重工股份余永高等［3］設計研發了QCK90型中氣壓快沖型沖擊器。優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。中南大學徐海良等［4］利用數值分析軟件對氣動沖擊器活塞運動規律進行了解析，總結出了活塞運動影響因素，得到了機械結構參數和沖擊性能間的聯系，提高了沖擊器工作可靠性和效率。
1沖擊器優化設計過程
1.1沖擊器工作原理簡介
氣動沖擊器在撞擊釬頭進行鑿巖的過程中，壓縮空氣驅動活塞墻體內的活塞做沖程－回程的往復運動。沖擊過程中的沖擊動能以應力波［5］的方式傳遞到沖擊釬頭，沖擊釬頭獲得高速沖擊初速度，然后沖擊巖層，達到破碎效果。與此同時，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沖擊活塞運動分析
對沖擊器活塞受力進行簡化，忽略阻尼力等。氣動沖擊器工作時，沖頭朝下，根據牛頓第二定律可知沖擊活塞運動加速度方程如下式中，a為沖擊活塞的加速度，單位m·s－2;M為沖擊活塞質量，單位kg;pi為沖擊器缸體和活塞之間構成的各腔體內壓縮空氣壓力，單位MPa;Ai為沖擊氣缸各腔體內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氣態方程來確定，而對應的作用面積由沖擊器機械結構決定。
1.3沖擊器關鍵零部件材料選擇和技術要求
(1)沖擊活塞。沖擊器的活塞能夠把壓縮空氣的壓縮能轉化為沖擊動能。材料選取為35CrMo-VA，活塞表面進行滲碳處理，層厚為1.6～2.2mm，整體活塞進行調質處理，硬度為60～63HRC。(2)導向套。導向套把沖擊活塞的運動限制在其中，起到沖擊活塞運動方向引導作用，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，進行調質處理的硬度為40～46HRC。
2優化設計結果分析
通過對沖擊器沖擊活塞運動進行分析，得到沖擊活塞運動的位移和速度。在求解過程中，考慮巖石硬度為6～20HRC下的回彈性的不同，造成沖擊速度也不同，優化出合適的沖擊速度，進而確定沖擊器的活塞質量為3.2kg、釬套直徑為80mm，耗氣量大約為5m3·min－1、沖擊頻率不小于14Hz以及沖擊能為87J，配套的釬頭重量約為2.5kg。優化設計得到的HC80型氣動沖擊器裝配圖，如圖1所示。
3結論
基于牛頓第二方程建立的沖擊器沖擊活塞運動，從沖擊活塞的加速度、速度以及位移求解著手，優化確定沖擊器氣缸行程。再對沖擊器頭部和尾部的進氣結構和釬頭連接、導向結構進行設計，最后得到整體機械結構。
作者:李東方 王向平 周明安 徐壬六 許中琛 吳騰飛 單位:衢州職業技術學院機電工程學院 衢州市質量技術監督檢測中心
