液压凿岩机活塞应力分析

高波，徐雪锋，夏剑辉

(1.长沙矿冶研究院责任有限公司，湖南 长沙410012；2.深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室，湖南 长沙410012；3.浙江开山重工股份有限公司，浙江 衢州324002)

1 前言

液压凿岩机与气动凿岩机相比，在同等凿岩工效下，具有能耗低（仅为气动凿岩机的1/4～1/3）、作业环境好（噪声小、无油雾）、主要零件寿命长等优势，而且便于实现凿岩作业自动化，使凿岩作业朝着大功率的方向发展。活塞是液压凿岩机的关键部件，在高压油的推动作用下实现高频、高速的运动。活塞撞击钎杆，在钎杆中形成一系列冲击应力波,并以纵波的形式传递给钎头，从而达到破碎岩石的目的。由于液压凿岩机活塞位于机体内部，且是高速运动部件，直接测试很不方便,难以对活塞的真实受力进行准确分析，目前关于凿岩机活塞应力的测定和分析还鲜见报道。近年来，应力波法测试凿岩机冲击能在行业中得到了广泛的应用，它除了给出冲击能、冲击频率等性能参数外，同时给出了钎杆应力。本文借助应力波法测试液压凿岩机冲击性能得出的钎杆应力，根据钎杆应力波和活塞应力波的关系，分析了4种型号液压凿岩机活塞的应力。

2 钎杆应力和活塞应力的关系

当活塞以速度VP撞击钎杆时（见图1）,此时在活塞和钎杆中将分别产生活塞应力波σh和钎杆应力波σR。

界面上边界条件：

（1）作用力等于反作用力；

（2）界面上质点速度相等。

图1 钎杆应力和活塞应力

可导出

式中 E——弹性模量

c——波速

R——钎杆/活塞断面比

由此得到σh=R·σR

即活塞应力正比于钎杆应力，活塞应力值等于钎杆应力乘以断面比，这样可根据测试得出的钎杆应力确定活塞应力。

3 测试工作

3.1 测试系统

液压凿岩机冲击性能测试系统如图2所示，被测样机、带测杆的吸能器安装在卧式或立式台架上，推进缸给凿岩机施加推力[1]。

3.2 测试结果

采用上述冲击性能测试系统，分别对HYD300、YYG138（1238）、DZYG38B 和TWYG173（1838）液压凿岩机进行了测试。测试结果见表1，应力波曲线和连续25次冲击测试记录见图3-图9。

4 活塞应力分析

4.1 活塞形状

几种液压凿岩机活塞形状见图10-图13所示。

4.2 活塞应力分析

根据活塞形状和测试得出的钎杆应力，得到液压凿岩机对应于不同工作压力下的活塞应力（见表2）。

图2 液压凿岩机械冲击性能测试系统

表1 冲击性能试验结果

由表2看出：

（1）活塞应力和钎杆应力随工作压力的增加而增大；

（2）工作压力在19-20 MPa 的情况下，大部分液压凿岩机活塞纵向应力约为210 MPa；

（3）活塞应力随钎杆直径增大而增大，TWYG173 液压凿岩机采用φ45 钎杆，具有最大的活塞纵向应力，接近300MPa。

图3

图4

图5

图6

图7

图8

5 结语

（1）本文给出了一种根据钎杆应力确定活塞应力的方法，钎杆应力可由应力波法检测得出。

（2）对采用钎杆φ38 的3种液压凿岩机活塞应力分析表明：活塞应力随工作压力的增加而增大，在工作压力19-20 MPa，其活塞应力约为220 MPa左右（为纵向应力），考虑弯曲波和反射波等因素的影响，其合应力约为310 MPa；在工作压力23 MPa时，其活塞应力约为244 MPa左右（为纵向应力），考虑弯曲波和反射波等因素的影响，其合应力约为344 MPa；合应力值可供活塞材质选择、结构设计和疲劳寿命估测时参考。

图9

（3）对采用钎杆φ45 的液压凿岩机活塞应力分析表明： 活塞应力随冲击能量的增加而增大，在TWYG173 液压凿岩机350 J（工作压力22 MPa），其活塞应力约为310 MPa左右（为纵向应力），考虑弯曲波和反射波等因素的影响，其合应力约为400 MPa左右。

图10 HYD300型液压凿岩机活塞形状

图11 YYG138（1238）型液压凿岩机活塞形状

图12 DZYG38B型液压凿岩机活塞形状

图13 TWYG173（1838）型液压凿岩机活塞形状

表2 液压凿岩机的活塞应力

（4）液压凿岩机活塞应力正比于钎杆/活塞断面比R，对同一类型的液压凿岩机，采用大直径钎杆将提高活塞应力，这一点在选配钎杆时应予以注意。