HC80型气动冲击器的优化设计探讨

液压与气压传动论文范文第三篇：HC80型气动冲击器的优化设计探讨

　　摘要：在岩土工程穿凿作业中，气动冲击器被广泛应用于多种中、高硬的可钻性差的坚韧性岩石开凿。开凿过程中，要求气动冲击器具备良好的排岩效果、低的岩渣重复破碎率、高的钻头耐磨性和钻进效率。通过对HC80型气动冲击器的优化设计，利用最新凿岩理论进行设计计算，验证证实结构优化后具有理想能量传递效果，具有凿岩速度快、耗风量低的优点。气动冲击器采用先进的热处理工艺，保证稳定的使用性能、较高使用寿命。优化后前接头和与外缸采用多头螺纹连接结构设计，方便钻头拆卸和维修维护。

　　关键词：气动冲击器；冲击工作机制；机械结构；优化设计；

　　作者简介：李东方（1986-），男，河南新蔡人，硕士，副教授，主要从事空气动力学机械设计开发及测试、智能装备技术研究。；

　　基金：浙江省教育厅高校国内访问工程师"校企合作项目"项目（FG2020219）；

　　Abstract:In rock and soil engineering,pneumatic hole impinger is widely used in many kinds of hard and tough rock with poor drillability. In the process of drilling,it is required that the pneumatic hole impinger has good effect of discharging rock,low rate of repeated crushing of rock slag,high wear resistance of the bit and drilling efficiency. The design and calculation based on the latest drilling theory has the ideal energy transfer effect,fast drilling speed and low air consumption. It adopts advanced heat treatment technology to ensure stable performance and high service life. The front connector and the outer cylinder are connected with multiple screw threads,which is convenient for bit disassembly and maintenance.

　　Keyword:pneumatic hole impinger; working mechanism of impulsion; mechanical structure; optimum design;

　　0 引言

　　冲击器的设计和应用理论基础是冲击钻进岩石过程中的力-凿深特性和能耗传递特性。同时，也是结构优化设计、装置配备及预测凿速的重要依据，更是智能控制策略制定的重要根据。汉阳大学机械工程系Hak-Soon Kang等[1]开发了冲击能分析工具，分析了不同岩石硬度下对钻孔速度和冲击能力的影响。韩国机械与材料研究所Jaho Seo等[2]建立了一套实验测试系统，评估了冲击能耗和冲击频率等关键性能参数。我国开山重工股份余永高等[3]设计研发了QCK90型中气压快冲型冲击器。优化后的冲击器增加了冲击活塞和冲击气缸的工作寿命，极大降低了冲击钎头尾部的断裂几率。中南大学徐海良等[4]利用数值分析软件对气动冲击器活塞运动规律进行了解析，总结出了活塞运动影响因素，得到了机械结构参数和冲击性能间的联系，提高了冲击器工作可靠性和效率。

　　1 冲击器优化设计过程

　　1.1 冲击器工作原理简介

　　气动冲击器在撞击钎头进行凿岩的过程中，压缩空气驱动活塞墙体内的活塞做冲程-回程的往复运动。冲击过程中的冲击动能以应力波[5]的方式传递到冲击钎头，冲击钎头获得高速冲击初速度，然后冲击岩层，达到破碎效果。与此同时，通过冲击活塞中通孔的一部分压缩空气在冲击孔底形成吹散面，将岩石碎屑排出，提高了冲击效果。

　　1.2 冲击活塞运动分析

　　对冲击器活塞受力进行简化，忽略阻尼力等。气动冲击器工作时，冲头朝下，根据牛顿第二定律可知冲击活塞运动加速度方程如下

　　式中，a为冲击活塞的加速度，单位m·s-2;M为冲击活塞质量，单位kg;pi为冲击器缸体和活塞之间构成的各腔体内压缩空气压力，单位MPa;Ai为冲击气缸各腔体内压缩空气压力作用面积，单位m2;g为重力加速度，单位m·s-2.

　　式（1）中的压缩空气压力大小需要根据气态方程来确定，而对应的作用面积由冲击器机械结构决定。

　　1.3 冲击器关键零部件材料选择和技术要求

　　（1）冲击活塞。冲击器的活塞能够把压缩空气的压缩能转化为冲击动能。材料选取为35 Cr MoVA,活塞表面进行渗碳处理，层厚为1.6~2.2 mm,整体活塞进行调质处理，硬度为60~63 HRC.

　　（2）导向套。导向套把冲击活塞的运动限制在其中，起到冲击活塞运动方向引导作用，保证冲击活塞和钎头冲击过程中的同心度，要求耐磨抗拉花。材料选为40Cr,进行调质处理的硬度为40~46 HRC.

　　2 优化设计结果分析

　　通过对冲击器冲击活塞运动进行分析，得到冲击活塞运动的位移和速度。在求解过程中，考虑岩石硬度为6~20 HRC下的回弹性的不同，造成冲击速度也不同，优化出合适的冲击速度，进而确定冲击器的活塞质量为3.2 kg、钎套直径为80 mm,耗气量大约为5 m3·min-1、冲击频率不小于14 Hz以及冲击能为87 J,配套的钎头重量约为2.5 kg.优化设计得到的HC80型气动冲击器装配图，如图1所示。

　　图1 HC80型气动冲击器装配图

　　1.后接头；2.顶头；3.逆止阀；4.弹簧；5.垫圈；6.胶圈；7.阀盖；8.阀片；9.导向管；10.阀座；11.气缸；12.外套管；13.活塞；14.导向套；15.前接头；16.胶堵；17.小弹簧；18.立销；19.横销

　　3 结论

　　基于牛顿第二方程建立的冲击器冲击活塞运动，从冲击活塞的加速度、速度以及位移求解着手，优化确定冲击器气缸行程。再对冲击器头部和尾部的进气结构和钎头连接、导向结构进行设计，最后得到整体机械结构。

　　参考文献

　　[1]Hak- Soon Kang,Geun-Ho Lee,Chang-Seop Song,et al. Modeling and Performance Analysis of Rock Drill Drifters for Rock Stiffness[J].International Journal of Precision Engineering and Manufacturing,2012, 13（12）：2187-2193.

　　[2]Jaho Seo,Dae-Kyung,Geun-Ho Lee,et al.A Percussion Performance Analysis for Rock-Drill Drifter Through Simulation Modeling and Experimental Validation[J] International Journal of Precision Engineering and Manufac turing,2016, 17（2）：163-170.

　　[3]余永高，徐雪锋，李勇涛，等。 QCK90快冲型中气压潜孔冲击器和KQG35B节能型高气压潜孔冲击器的设计开发[J].凿岩机械气动工具，2018（3）：44-49.

　　[4]徐海良，陈旺，赵宏强，等。反向扩孔气动冲击器内活塞结构的仿真研究与优化设计[J] .东北大学学报（自然科学版） , 2016,37（9）： 1293-129

　　[5]张晨，赵钰，吴何洪，等。潜孔冲击器结构性能参数优化研究[J] .石油机械， 2019,47（11）：32-37+58.