气动冲击器机械结构优化设计探析

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

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－SoonKang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JahoSeo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35CrMo-VA，活塞表面进行渗碳处理，层厚为1.6～2.2mm，整体活塞进行调质处理，硬度为60～63HRC。(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40～46HRC。

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6～20HRC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3.2kg、钎套直径为80mm，耗气量大约为5m3·min－1、冲击频率不小于14Hz以及冲击能为87J，配套的钎头重量约为2.5kg。优化设计得到的HC80型气动冲击器装配图，如图1所示。

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。

作者:李东方 王向平 周明安 徐壬六 许中琛 吴腾飞 单位:衢州职业技术学院机电工程学院 衢州市质量技术监督检测中心