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液压凿岩机活塞应力分析

2020-12-31高波徐雪锋夏剑辉

凿岩机械气动工具 2020年4期
关键词:凿岩活塞形状

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。

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