電錘氣缸氣孔對鉆孔效率的影響

譚華

(湖南理工學院機械工程學院，湖南岳陽414000)

電錘一般可分為沖擊式電錘和旋轉式電錘兩種。沖擊式電錘 (國內稱電鎬)適用于鎬釬或其他適當的附件，如鑿子、鏟等對混凝土、磚石結構、瀝青路面進行破碎、鑿平、挖掘、開槽、切削等作業;旋轉式電錘是為了在混凝土、大理石、人造或天然石料或類似材料上鉆孔而設計的。旋轉式電錘只是在沖擊式電錘上增加了旋轉運動，兩者都有利用沖擊能量將材料鑿碎或振裂的功能外［1-2］，旋轉式電錘還有利用旋轉能量 (轉矩)切削材料的功能，以致能達到高精度鉆孔的目的。作者只對旋轉式電錘的有關技術進行研究。

對于旋轉式電錘，電機和減速箱的設計就決定了電錘的沖擊次數 (頻率)與鉆桿旋轉轉速的匹配，即錘轉比。比值以除不盡的小數為佳 (但要避免接近于整數)，可以使鉆頭每旋轉一周都能錯過一定的夾角，使大夾角順序地或跳躍地再分度，直至獲得合適的夾角，以充分利用沖擊和旋轉能量，文中選擇的錘轉比為6.195。為了獲得良好的鉆孔效率，在錘轉比一定的條件下，主要依賴于沖擊結構的參數 (對氣墊式電錘來說，如活塞壓縮行程、氣缸截面積、沖擊錘大小和質量以及配氣孔的大小和位置等)來獲取某一鉆孔規格所需要的合理沖擊能量［3］。文中主要對氣缸上的配氣孔進行研究。

1 沖擊結構建模和參數設計

利用長春電動工具廠原有產品ZIC-32電錘，在電機參數以及減速箱結構不變的條件下，調節氣缸排氣孔和溢流孔的位置和大小來提高鉆孔效率。圖1是該電錘的沖擊部分。

圖1 沖擊結構

原ZIC-32電錘的氣動回路屬于阻尼式柱塞吸、排氣做功氣動回路［4］，當原有電錘結構輸出參數不變時，做功沖程滿足活塞與撞錘間最大壓強為5個大氣壓時，方能滿足輸出沖擊功在5 J以上，也符合市場標稱直徑32孔位電錘鑿碎率為40 cm3/min的要求。

曲柄運動一圈可分為做功沖程和復位沖程兩部分，做功沖程又可以分為高、中、低壓三部分，如圖2所示。令撞錘在高壓帶時被激發，由電錘原有結構決定偏心結構轉速為3 200 r/min，所以偏心軸轉過高壓帶時間為0.003 15 s，假設令撞錘在該時間內末位移為0;即做功沖程中，活塞與撞錘的相對距離由30 mm變為5 mm。

圖2 曲柄高中低壓帶分布

根據氣體壓強公式:

壓縮過程時間非常短，可忽略該過程的溫度變化，所以壓縮前后壓強比等于空氣體積的反比，即:

式中:p1為壓縮前壓強，即大氣壓p;

p2為壓縮后壓強。

所以當p2=6p時，在氣動回路中0.003 15 s內從溢流孔處將最多溢出一個大氣壓氣體量，即此氣動回路中的壓強p2=5p。根據“可壓縮性氣體通過節流小孔的流量”計算原理:p＞1.893p1時，流速在聲速區，即:

式中:q為氣體流量(L/min);

S為有效截面積(mm2);

p為活塞與撞錘間壓強 (MPa);

T為正常工作氣缸熱力學溫度 (K)。

設電錘氣缸正常氣缸溫度為350 K，可得出聲速區溢流孔有效面積不得大于0.78 mm2，即溢流孔直徑不得大于1mm;同樣為了能在高速區才能激發撞錘，所以溢流孔有效截面積不得小于0.196 mm2，即溢流孔直徑不得小于0.5 mm。由原有結構輸出參數不變，根據阻尼式柱塞吸、排氣動回路原理，構成氣缸吸、排氣孔直徑在13 mm間。

2 試驗方法和條件

試驗首先要求基本符合實際操作條件，結論才能更有實效，這是針對產品研究 (不是純理論性的研究)的基本點。作者采用實際的 (不是模擬的)產品，對電錘常用標號的混凝土試件進行實際鉆孔試驗。混凝土試件的標號為300號 (根據抗壓試驗報告確定)，尺寸為200 mm×500 mm×1 000 mm，質量約200 kg，具有足夠的穩定性，足以替代實際混凝土墻和混凝土地面［5-6］。

為了縮短準備周期、節省費用，從優化氣壓和空氣流量考慮，作者選擇符合要求的吸、排氣孔直徑為1.5、2、2.5、3 mm，溢流孔直徑為0.6、0.7、0.8、 0.9 mm，將其組合并編號如表1。

表1 吸、排氣孔與溢流孔組合編號 mm

所以作者準備了8個氣缸，在同一臺電錘上進行試驗，避免多臺電錘試驗所產生的誤差，對常用孔φ16、φ18、φ20、φ22、φ24、φ26、φ28、φ30、φ32 mm分別進行測試。

試驗在專門設計的鉆架上進行。鉆架上設有電錘卡緊和升降裝置，該裝置可以縱向和橫向移動，并能鎖緊定位。混凝土試件 (由其自重)穩固地置于架框中間。試驗時，電錘卡緊裝置的橫梁上掛有質量10 kg的重錘，掛重的作用是克服電錘在鉆孔試驗時的軸向跳動，對電錘的沖擊能量并無影響。在升降裝置的導柱上刻有鑿進標尺，以確保每次鉆孔深度一致。鉆架雖然只有使電錘垂直向下的單一位置，但對相同條件下試驗比較鉆孔效率并無影響［7-8］。

試驗采用1 kVA調壓器，隨時使電源電壓誤差穩定在±1 V的范圍之內，以減少電機的波動，滿足試驗要求。記下每次鉆孔時間，求取平均鉆孔速度和鉆孔工作效率，即每分鐘鑿碎的混凝土體積，如:

式中:D為鉆孔直徑(mm);

h為鉆孔深度(mm);

t為鉆單個孔的時間 (s);

N為輸入功率(W)。

3 試驗分析

試驗結果詳見表2、圖3。表2為在ZIC-32電錘(原機)傳動機構不變的條件下，8種氣缸，不同吸、排氣孔和溢流孔位配置下電錘鑿碎混凝土效率的對比;圖3是在表2所列數值的基礎上積聚成圖表形式，比表格形式更為醒目，能方便地看出在各吸、排氣孔和溢流孔的配置下工作效率的高低，從而也可以看出各種配置下電機功率的消耗情況。

表2 各配置不同孔位鉆孔效率實驗匯總表

圖3 各配置不同孔位鉆孔效率比較

從圖3可看出:4號配置接近理想情況，整條曲線較其他曲線平穩，標稱孔徑32鑿碎率超過行業標準40 cm3/min，其他孔徑鑿碎率都較穩定，是一個較好的配置;8號配置氣缸壓比下降較快，沖程氣壓遠沒有達到5個標壓壓強，所以打大孔時效率下降很快，原因是在氣動回路中吸排氣孔所吸收的氣量未達到缸徑28 mm所要求的吸氣量，使得撞錘復位不夠，導致整個啟動回路系統改變，沖程時活塞還未進入高壓帶時，撞錘已經被激發，撞錘所獲得加速度急劇減小，加速位移也相對減少，最終撞錘所獲得的能量是電機所提供沖擊能量的1/4都不到，所以各孔位效率都較低;1號配置由于吸排氣孔孔徑過小使得吸氣量太少，而8號配置由于吸排氣孔孔徑過大使得吸氣量太多，都導致撞錘在回程中前后壓比過大，使得撞錘回程位移過多，越過溢流孔位，做功沖程時溢流孔沒有起到補氣壓作用，活塞越過高壓帶后的某個時刻才激發撞錘，使得整個工作效率下降;而其他配置，打小孔效率較高，但是打大孔時效率下降較快，且都沒有達到標稱要求;各孔相對效率浮動較大，對電機所提供的功率消耗不完全，特別是大孔。而市場32孔位的電錘都是用來打大孔，所以這些配置都不符合要求。從圖3可以看出4號配置無論是大孔還是小孔，效率都比較平穩，由此可以推斷該配置在氣動回路中已接近缸徑為28 mm所要求的吸排氣量。

4 結論

在優化選擇孔徑時，所制定的步長偏大，電錘氣缸中氣動回路對吸、排氣孔和溢流孔，特別是溢流孔非常敏感，在加工中很有可能幾個絲的差值都會對整個回路造成一定的影響。

電錘工況苛刻，若配置電錘“性能”在原始參數構成輸入和輸出參數不變時，參數鏈不匹配都會導致電錘鑿碎率低、故障率高的弊端。

此次在長春某電動工具廠原有電錘ZIC-32上做氣動回路配置實驗，從鉆孔效率來看，該配置已達到一定的水平，但與國外產品，如BOSCH4-32和4DFE相比，還存在一定的差距。

通過實驗研究，雖然取得了一定的成果，對原產品改進和新產品設計有參考價值，但對不同產品的不同沖擊夾角與選擇氣缸配置氣孔所產生的沖擊功的關系，因時間和條件的限制，研究不深入。作者堅信在條件允許的情況下，通過CAE建模，對氣流進行動態分析，能更進一步細化、精確試驗數據，再結合試驗驗證，這樣就能給實際研制、生產起到一定指導作用。

【1】劉德順，李夕兵，朱萍玉.沖擊機械動力學與反演設計［M］.北京:科學出版社，2007:22-36.

【2】吳愷民，王家駒.電錘沖擊機構參數對沖擊功和鉆孔效率的影響［J］.電動工具，2000(1):11-15.

【3】成英，李慧萍，李強.一種沖擊式電錘:中國，CN201685231U［P］.2010-12-29.

【4】HETCHER Jason D，BAUER David R，MARINKOVICH Dragomir C，et al.Rotary Hammer:US，7032683［P］.2006-04-25.

【5】王德言，李曉鋼.電錘式三軸六自由度振動試驗裝置:中國，CN201749019U［P］.2011-02-16.

【6】LAUTERWALD Martin.Rotary Hammer:US，6015017［P］.2000-01-18.

【7】許黎明，鄧琦林，徐俊杰，等.往復類電動工具性能測試系統［J］.機床與液壓，2003(6):272-274.

【8】韓偉，張立祥，寧貽江，等.電動工具用轉子軸切痕長優化設計［J］.機床與液壓，2011，39(10):29-31.