整体钎杆钎头端疲劳分析和程序载荷谱预估

于嘉君，吕 闯

（1.贵州大学机械工程学院，贵州 贵阳 550025；2.长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012）

1 前言

硬质合金整体钎， 是我国自1984年以来投放市场的凿岩钎具产品，在国内外采掘工业中拥有巨大的市场。硬质合金整体钎的发展是钎具工业现代化的重要标志，它的推广使用有力促进了采掘工业的技术进步。

在钎杆寿命试验台应用原程序载荷谱对整体钎进行寿命试验时，发现钎头端较一般活钎头成品钎断裂频繁，为此进行了以下相关的理论分析及实验研究。

2 理论分析

一般锥体连接成品钎和整体钎在能量传递过程中的主要区别在于前者通过锥形接头实现能量传递；而后者直接进行能量传递，其力学模型和应力波传播状况如图1 所示。

图1 锥体连接杆和整体钎的应力传播

图1 中入射波σi的波幅值为6，锥形接头的透射系数反射系数则其能量传递效率ηJ=TJ2=0.694； 岩石端反射系数0.667， 锥形连接钎杆由于接头处的反射，使入射应力波产生分流，形成接头透射波σt和接头反射波σJr， 其透射波σt和其后在钎头端产生的反射波σr均低于整体钎杆直接传播的情况，造成钎头端最大应力σRm（入射和反射合成应力 σt+σr和 σi+σr） 的显著区别。 图示σi+σr较 σt+σr高出 20%， 在此情况下按钎杆疲劳特性S8.3·N=C 计，整体钎钎头端失效时间仅为锥形连接钎杆的1/4.51=0.222 倍，这是造成整体钎在试验台上检测，钎头端早期损坏的原因。 同时可以看到，受接头能量传递效率的影响， 整体钎到达岩石端的能量E 大大高于锥形连接钎杆 （图示情况约高44%）， 这是整体杆凿速显著高于锥形连接钎杆的主要原因（凿速一般认为正比于冲击能量）。 表1 列出了两种钎杆的应力分析和能量传递特性。

3 室内模拟试验

表1 锥形连接和整体钎的应力分析和能量传递特性

为比较锥形连接钎杆和整体钎的应力波传播特性， 进行了室内模拟试验。

3.1 试验钎杆

试验钎杆如图2 所示。

锥形连接钎杆： 采用一般H22 成品钎和试验台用模拟钎头。

整体钎：试验杆不镶嵌合金，采用和产品相同的材质、工艺和尺寸。

3.2 试验系统

试验系统如图3 所示：钎杆由螺旋座水平支承，钎头端作用于钎钢寿命试验台的岩石模拟装置，用摆锤在钎尾端进行模拟加载。在钎杆中部和钎头端部（距端部75 mm， 断面与杆体一致的地方），分别粘贴电阻应变片构成桥路，通过YE3810 直流放大器，适当地放大，送入BC-Ⅱ波形存储器采样记录，最后由X-Y 函数记录仪和数字电压表分别给出波形和峰值记录。

图2 试验钎杆

图3 试验系统

试验时保持摆锤-钎杆-岩石模拟装置良好的对中， 摆锤落高0.4 m，重3.68 kg，冲击能量14.4 J.岩石模拟装置供以0.8 MPa 的压气保持和实验台工作时相同的工况。

测试前两种钎杆同一位置的应变片桥路在系统上进行精确的标定，使之具有同样的灵敏系数，以保证测试结果的可比性。

3.3 试验结果

对两种钎杆的中部和钎头端部应力波分别进行了测定，每个部位取三次（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）测试结果，如图 4 和图 5 所示 （图中各峰值点注明实测电压值mV）。 测试数据的比较见表2。

测试结果表明：

(1)由钎杆中部检测应力波形可以看出整体钎和锥体连接钎的杆体中部最大入射应力幅值无明显差别，但由于接头的影响，在锥体连接钎杆中头部出现反射波，特别由于锥体连接端面呈自由端的影响，导致产生反射波，幅值在入射应力峰值的29%以上， 而对于整体钎则不存在。

表2 锥体连接钎杆和整体钎杆测试值的比较

（2）在钎头端入射波和反射波的叠加构成其合应力，整体钎由于没有接头的影响，其端部应力值较锥体连接钎杆明显增加，约高出23%，相当于锥体连接钎杆头部最大应力与接头反射波应力之和。

（3） 钎头端整体钎杆应力的增加，造成整体钎在试验台上（由于能量不能充分吸收）的早期失效；但同时由于整体钎头端载荷的增加（由于没有接头能量损失）将有助于提高凿速（根据岩石凿入特性，凿深正比于载荷；凿速正比于凿深），其预期值亦将为23%。

4 疲劳损伤分析

取锥体连接钎杆和整体钎杆钎头端三次载荷历程由(图4，图5)，采用峰值计数，由各对应峰值点的均值构成其变幅应力过程（图6）。

图4 钎杆中部的测试结果

图5 钎杆钎头端的测试结果

根据钎杆试验统计得到的S-N 曲线

式中 S ——应力幅值

N ——在对应载荷作用下产生破坏的循环次数，相当于疲劳寿命

C、m——常数，随材料和构件特征而变，对于钎杆，实测m=8.3

将各级载荷循环视为均匀分布，按Miner累积损伤理论可估测其损伤量

式中 ni——载荷循环次数（均匀分布时ni=n）

Ni——按S—N 曲线确定的各级载荷破坏循环次数

Si——各阶应力幅值

计算可得其相对损伤量。

锥体连接钎杆：

整体钎杆：

其损伤量之比

则钎杆在试验台上的寿命比

式中LI和La分别为整体和锥体连接钎在试验台的实测寿命值。

5 整体钎室内寿命试验方案

(1)理论和试验研究表明，整体钎钎肩处的工作载荷谱和在寿命试验台上实施的强化加载可认为和原锥体连接成品钎的情况基本一致，关键在于试验台上（采用岩石模拟装置）整体钎和锥体连接钎在钎头端强化加载的比例不一致，前者明显增大，导致其损伤量成倍增加，造成早期失效，故对整体钎而言，其钎头端和杆体的加速等效试验不能在同一测试试验中得出，钎头端和杆体的失效判定在试验台上应分别进行。

(2)采用原程序载荷谱进行钎头端的等效加速试验，其和杆体一致的等效时间

式中 T——钎头端在试验台上失效的实际时间

(3)如果钎头端失效的时间过快，分辨率不够；此时在进行试验时可将原程序载荷谱降压进行。

由于钎杆损伤量Q∝S8.3·n，钎杆中之应力S 正比于液压冲击器活塞冲击末速度；而液压冲击器活塞冲击末速度和频率分别正比于其工作压力，故有

为使整体钎钎头端破坏和锥体钎钎头端破坏具有相同的时间（相同的应力强化系数）， 由损伤比ξ 可以得出其降压比

（4） 由原程序载荷谱的各级载荷Sn（86，92，100，108） 和降压比 K 可以得到试验整体钎钎头的各级载荷值84，90)其程序载荷谱如图7 所示。

图7 整体钎钎头端试验程序载荷谱

6 结论

（1）理论分析和试验测试表明：在冲击载荷作用下，整体钎和锥体连接钎的杆体中部最大应力幅值无明显差别；但后者存在接头的反射波，由于接头使入射应力波提前分流，在钎头端，锥体连接钎的应力较整体钎明显降低。

（2）由钎杆中部应力波测试结果看出：整体钎和锥体连接钎的钎头端部应力有明显差异，前者约高出23%。 岩石凿入特性表明：凿深正比于载荷；而凿速和凿深成正比。 故整体钎的凿速将优于锥体连接钎，亦约增加23%，整体钎在使用中具有优势。

[1]赵统武.冲击钻进动力学[M].冶金工业出版社，1996.

[2]张国榉，张汉斌.硬质合金整体钎子在我国的应用前景[J].凿岩机械气动工具，2000(3).