大型气动穿孔机冲击功的测试方法研究
地下穿孔机是利用气动冲击原理进行作业的非开挖施工机械.冲击功是气动穿孔机主要性能参数,直接影响穿孔机的工作性能.传统的冲击功的测量方法有光电法、磁电感应法、触电测试法,都是通过测量活塞杆尾部撞击达到的最大末速度来计算冲击功的.而大型气动穿孔机的冲击功可以达到20 kN·m以上,通常的测试方法难以完成.因此采用一种新方法,通过测量被撞击物的弹性变形量来计算穿孔机冲击功(这里的被撞击物为压缩橡胶弹簧),为穿孔机特别是大型穿孔机的冲击功测试提供了可行的测试方案[1].
1 工作原理及冲击功的测试
1.1 工作原理
图1为气动穿孔机结构简图.一般其主要由冲击柱塞、壳体、导阀等零件组成,由气压驱动,空气压力pH=0.6~0.7 MPa,通过气管向穿孔机供应高压空气.在气压驱动下,冲击柱塞在缸筒内往复运动,并以高速冲击壳体,对外输出冲击力,将力传给钢管,驱动钢管前进形成孔道.工作原理为:高压气体pH从进气管进入穿孔机冲击柱塞的后腔,柱塞在后腔高压下向前加速运动,当气孔(直径d)运动到台阶l1时,A2腔封闭,其内的气体被绝热压缩,冲击柱塞的加速度减小,但速度仍然增加;当气孔越过台阶l2后,A2腔与高压相通,由于A2>A1,冲击柱塞减速运动,并以高速撞击壳体,完成冲程运动;然后,冲击柱塞在A2腔的高压作用下,加速回程[2,3].
1.2 冲击功的测试
由于所研究的气动穿孔机是一种低频大功率的冲击器,冲击功很大,采用一般的测试方法势必要建造又大又厚的反力墙,很难实现.因此采用冲击弹簧法测量冲击功.
该方法的原理是利用大型弹簧作为冲击物,测量撞击的瞬态参数和弹簧的变形量,利用弹簧的变形能量计算出穿孔机的输出冲击功,利用动量定理和能量转化推算出穿孔机冲击活塞的冲击功.该方法的优点,一是能方便地测出弹簧的位移,简单有效;二是可减少反力的破坏,避免设置很大的冲击墙;三是通过瞬态数据的记录,可得出穿孔机撞击的动态波形[4].
穿孔机的冲击功是输出能量,一般以内部冲击柱塞的能量Wp表示.通过测试弹簧的变形来得到输出冲击功W,再根据能量原理来推算Wp.
式中:mp为冲击柱塞的质量,kg;v2为冲击柱塞撞击缸体前方工作头的速度,m·s-1.
测试的基本过程是:穿孔机的冲击柱塞mp以速度v2冲击穿孔机冲击头mc和钢管ms,使mc,ms得到瞬时速度u2,而mc和钢管ms以速度u2同时开始压缩弹簧,当弹簧压缩到最大位移时,mc和ms的动能转化为弹簧的势能.通过测试弹簧的变形得到输出冲击功W.
由冲击活塞和缸筒的碰撞结果可以知道,缸筒和钢管获得的初速度为
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