交变气动冲击锤瞬态冲击动力特性研究

章策

摘要：交变气动冲击锤是一种手持式的气动冲击机械，随着信息技术与网络技术不断进步，交变气动冲击锤的智能化和瞬态冲击动力特性越来越好，应用越来越广泛。我国对交变气动冲击锤的研究时间较晚，在交变气动冲击锤瞬态冲击动力特性的研究中，相关学者用波动力学理论和实验，证实了活塞冲击反弹状态与工作介质物理特性之间的关系。本文将通过对于交变气动冲击锤的瞬态冲击动力特性进行研究，提高交变气动冲击锤在实际工作中的应用价值。

关键词：交变气动冲击锤；瞬态冲击；动力特性

不同的物理特性对交变气动冲击锤的瞬态特性有不同的影响，在研究过程中根据活塞的冲击反弹状态辨识工作介质特征。在进一步的研究和改进中，提高交变气动冲击锤的机械性能，使交变气动冲击锤不断应用于人们的日常生活和工农业生产中，促进机械化与智能化的社会发展。

1气动冲击机械的研究

在科学技术不断发展的时代背景中，气动冲击机械的基础理论、新材料应用、制造工艺和结构设计变得更加的完善。在市场经济体制的不断改革下，各大企业为了提高市场竞争力，不断引进先进的技术。在企业的推动下，气动凿岩机、气动冲击锤、气镐等气动机械设备的性能和产品质量得到很大的提升，近几年，我国的气动冲击机械产业的发展速度越来越快。随着气动冲击机械的研究技术也越来越精进，产品向自动化、智能化和多功能化发展[1]。

2交变气动冲击锤的组成结构

交变气动冲击锤是能够将气体的压力能转化为机械能的气动冲击机械，其工作原理是以压力大小呈现周期性变化的气体作为介质，通过冲击系统实现压力能到机械能的转变。交变气动冲击锤具有安全可靠、操作简单、维修方便等优点，能够改善作业条件，提高工作人员的效率。目前，我国交互气动冲击锤的生产研发技术主要处于仿制改进阶段，产品的综合质量差。加强对交变气动冲击锤的研究，能够促进交变气动冲击锤的多功能和高智能化方向发展。

配气系统、驱动系统以及冲击系统是组成交变气动冲击锤的三个主要部分，其主要的组成结构有：电机、减速机构、曲柄活塞机构、压气活塞、气缸、冲杆和快速装夹装置等。冲击系统是交变气动冲击锤的核心部分，冲击系统中的冲杆、钎具和冲击活塞不仅能将冲击能传递到钎具中，还能阻止杂质进入到冲击系统，影响系统的正常工作。交变气动冲击锤的分类方式有很多种，按照配气方式可分为有阀配气式与无阀配气式；按照额定工作压力的高低可分为高风压式和低风压式[2]。

3交变气动冲击锤瞬态冲击动力特性研究

在冲击机械瞬态冲击动力的特性研究中加大对波动过程的研究，利用波动力学的方式探究冲击机械系统中钎杆和冲锤的撞击问题，通过三维有限元法研究杆件横向效应和能量散射对冲击机械凿岩效率的影响。根据不同的冲击机械种类采取不同的技术研究方式。柔性杆、阻尼器、质量块和弹簧是冲击系统弹性波动力学模型的组成元件。柔性杆是冲击机械产生波动的基本力学元件，能够将冲击能量输出。以柔性杆为核心建立机械冲击系统的力学模型，能够突出系统的波动特性。在建立冲击系统的力学模型中，其工作状态下的形变情况能够忽略不计的元件如锤头、钻头等等，可以用加速度与合力、质量的关系来表示刚体的状态。一般将弹性较大，质量可以忽略不计的元件计成为弹簧，如冲击锤中的气垫、桩帽等等。弹簧的受力公式为：

F=k（u1u2）

公式中的F为弹簧产生的弹力，k是弹簧刚度，u1、u2分别是弹簧两端位移。阻尼器是阻碍部件运动和消耗振动能量的部件，一般阻尼器都是与弹簧结合在一起使用，阻尼器的作用力与速度差的关系式：

F=j（v1v2）

公式中的F为阻尼力，j为阻尼系统，v1、v2阻尼器两端的速度。

根据动力学理论能够对交变气动冲击锤的瞬态冲击响应进行动力学分析，还原应力波在各个柔性杆中的传播过程，获得微元速度和各桩节接触面撞击力的变化规律，建立冲击系统的力学模型。交变气动冲击锤的冲击系统具有冲击效率高、钎具短和测试难度大的特点，在工作过程中冲击活塞撞击柔性杆能够发生扰动，以强间断应力波的形式在系统内传播。当应力波传到波组突变截面或撞击接触面时，其能够产生波的反射、透射、撞击力、撞击变响应以及能量的瞬态传递、耗散效益等[3]。

4建立交变气动冲击锤冲击系统模型

根据交变气动冲击锤的组成结构和工作原理，能够知道锤体受到外向力，发生轴向推力现象能够在冲击活塞撞击冲杆的瞬时，钎尾与冲杆处于紧密接触状态。

在建立交变气动冲击锤的冲击系统模型时需要保证各个冲击部件的材料均匀，并且都是等截面的柔性杆。因此在撞击过程中，每个部件的横截面能够受到均匀分布的轴向应力作用。气室内的驱动气压释放出来后，不会对系统瞬态冲击响应产生干涉。

冲击活塞用初始速度v0沿着x轴反方向公轴撞击杆钎尾。在撞击开始时，杆1的头部埋没在刚性介质中，钎头处于固定约束的状态。忽略杆件周边黏性阻尼的影响，将冲击活塞首次接触杆1的时间作为起始点，设i（i=1，2）分别代表了装置钎具和活塞，得到的冲击系统纵向一维度、波动方程式为：

2uit2=C2i2uix2i，i=1，2

式中ci是纵波波速；Ei、ρi分别是杆i（i=1，2）的材料弹性模量与密度；ui是杆i（i=1，2）微元的轴向位移；xi是是杆i（i=1，2）的空间坐标；t是时间坐标。若钎具头部为固定单，冲击活塞非撞击端为自由端，需要满足以下位移和应力边界的条件：

U1（0，t），σ2（l2，t）=0

交变气动冲击锤的冲击活塞和钎具材料的特性基本相同，冲击活塞横截面积比钎具的横截面积大，两者之间的波阻比z2/z1>1。冲锤和钎具撞击接触面的撞击力会随时间发生相应的变化。

5结语

本文通过分析交变气动冲击锤的结构组成及其工作的原理，掌握了交变气动冲击锤中的冲击系统瞬态冲击特性，在对不同波阻比进行分析的过程中发现冲锤和柔性杆产生的应力波波形特性。在波动力学的计算和推导中，发现柔性杆一维应力波控制方程和应力波在波阻突变界面的透射与反射关系。在不断的实验認证中，掌握了交变气动锤的瞬态冲击动力特性，为同类型的冲击机械提供了智能辨识和参考的资料。

参考文献：

[1]丁问司，丁元文，范亚军，等.交变气动冲击锤瞬态冲击特性分析[J].机械工程学报，2015，（3）：7379.DOI：10.3901/JME.2015.03.073.

[2]《探矿工程（岩土钻掘工程）》2000年总目次[J].探矿工程岩土钻掘工程，2000，（6）：6870.

[3]胡桂梅，张亚娟.发射器冲击载荷作用下土的动力性能分析[J].价值工程，2014，（31）：2325.