壓氣式電錘交變沖擊特性檢測方法研究

第一作者丁問司男，博士，教授，1968年生

壓氣式電錘交變沖擊特性檢測方法研究

丁問司，范亞軍，丁元文

(華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣州510640)

摘要：由于壓氣式電錘交變沖擊特性檢測對研究沖擊活塞運動規(guī)律、分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、檢驗產(chǎn)品指標(biāo)、提高產(chǎn)品性能等有重要意義，據(jù)工程需求，提出基于電磁感應(yīng)效應(yīng)的沖擊特性測量方法，構(gòu)建壓氣式電錘測量試驗臺，開發(fā)電錘沖擊特性測試系統(tǒng)。通過試驗、分析，檢測氣缸內(nèi)活塞的沖擊特性，掌握其運動規(guī)律，并精確獲得沖擊頻率、沖擊能等特性參數(shù)；實測值與理論計算值誤差在5%以內(nèi)。該檢測方法簡便快捷，檢測結(jié)果精確可靠，可為產(chǎn)品性能檢測、質(zhì)量檢驗提供有效依據(jù)。

關(guān)鍵詞：壓氣式電錘；沖擊特性；電磁感應(yīng)；檢測方法；測試系統(tǒng)

基金項目：國家自然科學(xué)基金(11272122)

收稿日期：2014-04-18修改稿收到日期：2014-08-19

中圖分類號:TG315.3+2文獻標(biāo)志碼：A

Detecting method for alternating impact performance of compressed air electric hammer

DINGWen-si,FANYa-jun,DINGYuan-wen(School of Mechanical & Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Abstract:The detection of alternating impact performance of compressed air electric hammer has great significance for studying impact piston motion, analyzing product structure, testing product index, upgrading product performance, and so forth. In order to satisfy the engineering requirement, a new method was put forward to detect the impact performance of pneumatic hammer based on the electromagnetic induction theory, and a test-bed and a testing system scheme were designed. According to the testing and analysis results, the impact performance of impact piston inside the air cylinder and the motion law were detected and summed up, and related impact characteristic parameters, such as impact frequency and impact energy, were calculated accurately. The pattern of results indicates that the error between the measured value and the theoretically calculated value is within 5%. The convenient and efficient testing method and the accurate and reliable testing results provide an effective basis for performance detection and quality inspection for products.

Key words:compressed air electric hammer; impact performance; electromagnetic; detection method; testing system

壓氣式電錘作為旋轉(zhuǎn)沖擊式手持電動工具，主要用于混凝土、磚石、金屬、木材、陶瓷及塑料鉆孔、開槽作業(yè)，建筑安裝施工等不可或缺[1]。

作為直線往復(fù)運動的交變沖擊機構(gòu)特性參數(shù)測定主要針對其沖擊能及沖擊頻率。沖擊能、沖擊頻率分別反映沖擊機構(gòu)破碎能力及速度兩重要參數(shù)。針對高頻交變直線往復(fù)沖擊特性測量，據(jù)不同沖擊機構(gòu)特點分別提出多種測量方法[2]，即：

(1)末速度法。通過檢測活塞質(zhì)量M及活塞在沖程階段末期速度(撞擊速度)，利用公式E=Mv2/2計算獲得沖擊能。其中質(zhì)量M可簡單可靠測得，但末速度v測量則復(fù)雜、困難。測量活塞末速度方法分為接觸式(觸點測量法)、非接觸式(活塞端面反射光測量法、光電位移微分測量法、高速攝影法)。

(2)示功圖法。利用力(F)-位移(s)曲線所圍面積表示活塞沖擊能，用公式E=Fs計算沖擊能。F為活塞沖程時所受作用力，s為在該作用力下活塞沖程所走距離。由于活塞受力F在沖擊過程中為變量，需用積分法求出沖擊能E=∫Fds。活塞受力F一般用壓力傳感器測得，但活塞位移測量較復(fù)雜、困難。

(4)機械測量法。有兩種：①彈性變形測量法，即用沖擊活塞沖擊彈簧，測量彈簧變形，通過標(biāo)定推算沖擊能。②塑性變形測量法，即用沖擊活塞沖擊標(biāo)準(zhǔn)金屬塊，測量其塑性變形，通過標(biāo)定推算沖擊能。

(5)氣壓測試法[3]。該法為非接觸測量方法，即通過沖擊機構(gòu)活塞尾部加裝密閉氮氣腔，活塞沖擊時在密閉氣腔中高速往復(fù)運動，導(dǎo)致氣腔壓力周期性變化。通過采集氣腔壓力，并利用絕熱過程氣態(tài)方程推導(dǎo)活塞運動位置。通過微分求出活塞速度，推算出活塞打擊時的沖擊能。

以上各測量方法中，末速度法所測活塞沖擊能較準(zhǔn)確，但對交變往復(fù)運動沖擊錘實現(xiàn)困難；示功圖法無論測量或計算均較困難；機械測量法所測沖擊能不夠準(zhǔn)確，但測量方法簡便易行，可出廠檢驗用，而作為定性分析試驗時較亦有效。氮氣室壓力測量法簡便易行，但對無氮氣輔助室的沖擊機構(gòu)無法使用。應(yīng)力波法己列入往復(fù)式氣動沖擊性能試驗的國際標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)力波測量法所用設(shè)備、儀器及測試步驟進行規(guī)定。該法無需改動沖擊錘結(jié)構(gòu)，但在釬桿上粘貼應(yīng)變片較困難，沖擊活塞的劇烈振動易引起應(yīng)變片松動、脫落，導(dǎo)致測量結(jié)果失效。

基于以上方法的交變沖擊機構(gòu)沖擊能檢測既困難又費時費力且成本高。由于無統(tǒng)一的檢測方法及標(biāo)準(zhǔn)，所測結(jié)果準(zhǔn)確性、重復(fù)性、可比性較差，易引起爭論。許多沖擊裝備制造商在樣本或技術(shù)文件中僅提供沖擊頻率，不標(biāo)注沖擊能。對壓氣式電錘而言，因測試方法均有嚴(yán)格的適用性條件，且操作復(fù)雜、設(shè)備昂貴[4]，無法對空間狹小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的手持壓氣式電錘沖擊特性測定。有關(guān)測試壓氣式電錘交變沖擊特性參數(shù)研究較少，更無統(tǒng)一測試方法及規(guī)范。

本文基于壓氣式電錘結(jié)構(gòu)復(fù)雜緊湊特點，以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，對壓氣式電錘沖擊活塞交變沖擊特性檢測方法進行研究。利用改造后永磁式?jīng)_擊活塞的往復(fù)運動，使線圈切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，據(jù)線圈切割磁感應(yīng)線速度與感應(yīng)電動勢正相關(guān)原理及電動勢與活塞沖擊速度標(biāo)定關(guān)系，獲得沖擊活塞往復(fù)沖擊速度。較其它方法，該方法具有非接觸式測量、簡單易行、適合動態(tài)測量、測量線性度高、輸出阻抗小、精確可靠、工作頻帶較寬等優(yōu)點。

1檢測原理

壓氣式交變沖擊電錘特性檢測基于法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象，將輸入的運動速度轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢[5]。導(dǎo)體線元dl切割磁感應(yīng)線時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為

(1)

式中：e為感應(yīng)電動勢；B為磁場強度；v為切割磁感應(yīng)線速度；dl為切割磁感線導(dǎo)體線元。

線圈匝數(shù)為n時，感應(yīng)電動勢e=nBvl。可以看出，若任意時刻n，B，l均為定值，且B，v為互相垂直關(guān)系，則感應(yīng)電動勢e值大小僅與線圈在磁場中的相對運動速度v成線性關(guān)系，即e=kv，k為感應(yīng)電動勢e與速度v之系數(shù)比。

2檢測裝置動態(tài)特性

圖1　測量裝置動態(tài)特性原理 Fig.1 Principle of dynamic characteristics of measuring device

恒磁通電磁傳感速度檢測裝置主要有動鐵式、動圈式兩種結(jié)構(gòu)形式。據(jù)壓氣式電錘結(jié)構(gòu)，設(shè)計中采用外力驅(qū)動的動鐵式結(jié)構(gòu)。理想傳感器輸入端存在機械阻抗，輸出端存在電阻抗，其電磁傳感速度檢測裝置動態(tài)特性原理見圖1。

2.1機械阻抗傳遞矩陣

圖2　沖擊活塞受力簡化模型 Fig.2 Simplified mechanical model of impact piston

帶永磁體的沖擊活塞往復(fù)運動時可近似視為質(zhì)量m、彈簧剛度k、阻尼系數(shù)c的單自由度機械振動系統(tǒng)，此時沖擊活塞受外力F、慣性力Fm、彈性力Fk、阻尼力Fc及電磁力Ft作用，受力簡化模型見圖2。

設(shè)在力F作用下產(chǎn)生的振動速度為v，其力平衡方程為

(2)

設(shè)機械系統(tǒng)存在“機械阻抗”，定義為Za=ΣF/v，則

c+jmω,(k→0)

(3)

該測量裝置機械阻抗傳遞函數(shù)矩陣為

(4)

2.2理想傳感器傳遞矩陣

據(jù)電磁感應(yīng)定律，有Ft=nBitl,et=nBlvt，該測量裝置理想傳感器傳遞矩陣為

(5)

2.3電阻抗傳遞矩陣

圖3　基本電路 Fig.3 Basic circuit

考慮傳感器線圈有電阻抗，設(shè)線圈電感為L、內(nèi)電阻為R，則Zb=R+jlω。傳感器與測量電路輸入端相連，電路輸入阻抗即為傳感器負(fù)載阻抗，設(shè)為ZL=RL，基本電路見圖3。

據(jù)電路圖，傳感器電阻抗傳遞矩陣為

(6)

實際工作狀況下該測量裝置傳遞矩陣為

(7)

2.4動態(tài)特性

設(shè)F為由壓氣活塞運動速度v0產(chǎn)生、作用在沖擊活塞的等效激振力，即

F=jmωv0

(8)

電磁傳感速度檢測裝置輸出電動勢為e=iZL，則

(9)

3測量裝置設(shè)計

電磁傳感速度檢測裝置為非接觸式間接測量，主要由線圈與測量活塞組成，基本結(jié)構(gòu)見圖4。圖中1為電機，2為減速器，3為曲柄，4為連桿，5為壓氣活塞，6為永磁體，7為沖擊活塞，8為軸套定位孔，9為定位鋼球，10為鉆頭，11為線圈，12為氣缸，13為密封圈，14為線圈。底架線圈繞在線圈底架上，選粗細合適的導(dǎo)線，并充分考慮線圈品質(zhì)因數(shù)及分布電容兩個參數(shù)，使其損耗小、穩(wěn)定性高[6]。安裝時在保證線圈牢靠前提下需注意與氣缸保持適當(dāng)距離，使補氣孔、通氣孔能正常工作；亦應(yīng)保證活塞運動測量范圍與線圈感應(yīng)電壓信號高線性度區(qū)域一致。活塞為特制永磁型沖擊活塞，并均布永磁體。永磁體極性均保持極性一致，并垂直于活塞軸線安裝。考慮需減少磁體對沖擊活塞結(jié)構(gòu)影響，磁體采用強永磁材料汝鐵硼。由此形成的沖擊活塞磁性強、剩磁力大、矯頑力大，抗干擾能力強，能實現(xiàn)結(jié)構(gòu)小型化，較好滿足測試需求。

圖4　壓氣式電錘測量裝置結(jié)構(gòu) Fig.4 Structure diagram of measuring device

4測量試驗

4.1測量試驗臺

壓氣式電錘測量試驗臺由試驗臺架、壓氣式電錘速度傳感檢測裝置、沖擊及緩沖裝置及夾持支撐臺等組成，見圖5。圖中1為試驗臺架，2為支撐夾具平臺，3為壓氣式電錘，4為鉆頭，5為沖擊墊塊，6為彈簧，7為沖擊對象支撐臺，8為鎖緊螺母。

圖5　壓氣式電錘試驗臺及結(jié)構(gòu) Fig.5 Structure schematic of the test-bed

4.2測試系統(tǒng)

圖6　測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig.6 Structure diagram of testing system

壓氣式電錘交變沖擊特性測試系統(tǒng)由壓氣式電錘試驗臺、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機及分析軟件等構(gòu)成，主要完成沖擊數(shù)據(jù)采集、分析、處理。測試系統(tǒng)見圖6。壓氣式電錘沖擊速度信號由電磁傳感速度檢測裝置獲取并轉(zhuǎn)化為電壓信號，通過數(shù)據(jù)采集卡完成對被測輸入信號預(yù)處理[7](采集、放大、A/D轉(zhuǎn)換等)后，傳輸?shù)轿C中進行顯示、分析、儲存及打印等操作。

4.3測量裝置標(biāo)定

由于壓氣式電錘沖擊活塞高頻振動，準(zhǔn)確獲取實際沖擊速度信號需對電磁傳感速度檢測裝置進行精確標(biāo)定，以便確定速度與電壓信號的對應(yīng)關(guān)系，從而保證測量不失真。

為減少其它不確定因素影響，直接在壓氣式電錘試驗臺實施標(biāo)定，可將電錘中調(diào)速電機作為標(biāo)定專用設(shè)備。壓氣式電錘活塞驅(qū)動機構(gòu)見圖7，據(jù)幾何關(guān)系可得壓氣活塞運動速度。

圖7　壓氣式電錘活塞驅(qū)動機構(gòu) Fig.7 Schematic diagram of impact mechanism

(10)

聯(lián)立，解得

(11)

式中：L1為曲柄長度(m)；L2為連桿長度(m)；S為壓氣活塞位移(m)；n為曲柄轉(zhuǎn)速(r/min)；t為曲柄轉(zhuǎn)動時間(s)；α為曲柄轉(zhuǎn)動角度(rad)；β為連桿轉(zhuǎn)動角度(rad)。

對位移S求導(dǎo)，得壓氣活塞速度計算公式為

(12)

式中：v為壓氣活塞速度(m/s)。

圖8　活塞速度與電壓值關(guān)系圖 Fig.8 Voltage-velocity relation of the piston

標(biāo)定過程中，由于壓氣活塞為標(biāo)準(zhǔn)諧波運動，可將沖擊活塞與壓氣活塞固接實現(xiàn)同步諧波運動。標(biāo)定過程中調(diào)節(jié)電錘驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速，使活塞最大速度由0 m/s以0.5 m/s步長逐步升到5 m/s測試電壓信號，記錄活塞最大速度值與電壓信號最大值，據(jù)最小二乘法原理進行數(shù)據(jù)擬合，獲得活塞速度與電壓值關(guān)系，見圖8。由圖8看出，二者關(guān)系成正比，比例系數(shù)k=4.138。

4.4測試系統(tǒng)軟件設(shè)計

用測試系統(tǒng)軟件控制整個試驗臺測試流程，總體結(jié)構(gòu)流程見圖9。系統(tǒng)基本功能為：①實時顯示測試對象測量的各項參數(shù)指標(biāo)，并在線進行參數(shù)設(shè)置與頻譜分析等；②據(jù)用戶設(shè)置采集試驗信號，選合適的文件格式類型保存；③對采集的信號進行離線分析，如時域分析(特征參數(shù)、積分曲線、相關(guān)分析等)、頻域分析(頻譜校正分析、包絡(luò)譜分析、細化譜分析、倒頻譜分析等)；④與外部設(shè)備通訊，實現(xiàn)分析結(jié)果傳輸及測試報告打印。

圖9　測試系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu) Fig.9 Total structure diagram of the test system software

4.5測試實例

以基于氣壓往復(fù)驅(qū)動高速、高加速變化的國產(chǎn)某電錘為研究對象，其性能參數(shù)指標(biāo)見表1。

表1　某型電錘結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)

試驗條件為：驅(qū)動電機試驗轉(zhuǎn)速n=11100 r/min，即經(jīng)減速機構(gòu)變速后曲柄轉(zhuǎn)速n=1800 r/min，沖擊頻率f=30 Hz；時間t=10 s；彈簧剛度k=1000 N/m。

壓氣式電錘實際測量試驗臺見圖5(b)。所采電壓信號通過計算轉(zhuǎn)化為速度信號，見圖10。由圖10看出，速度信號曲線清楚標(biāo)識出活塞運動周期中回程加速、回程減速、沖程、沖擊反彈各運動狀態(tài)；沖擊活塞平均最高沖擊速度為5.94 m/s。經(jīng)FFT變換后得沖擊活塞運動過程頻率分布見圖11，其中沖擊頻率為29.23 Hz，分析結(jié)果與名義輸入沖擊頻率誤差在3%以內(nèi)。

圖10　沖擊活塞實測速度曲線 Fig.10 Measured motion diagram of the impact piston

圖11　沖擊活塞運動特性頻譜圖 Fig.11 Frequency spectrum diagram of the impact piston

將所測活塞瞬時打擊速度換算的沖擊能與動力學(xué)仿真計算[8]所得沖擊能對比知，相對誤差小于5%，表明測試結(jié)果可靠性較高。

5結(jié)論

(1)設(shè)計的壓氣式電錘電磁傳感速度檢測裝置可精確提取基于氣壓往復(fù)驅(qū)動的高速、高加速變化電錘氣缸內(nèi)沖擊活塞的沖擊特性，掌握沖擊活塞運動規(guī)律，并能準(zhǔn)確計算沖擊頻率、沖擊能等參數(shù)。

(2)試驗臺具有測量裝置簡單、檢測方法簡便、檢測結(jié)果準(zhǔn)確、沖擊參數(shù)誤差小、工作穩(wěn)定可靠及一定抗干擾能力等優(yōu)點。該檢測方法不僅能用于實驗研究，亦能用于生產(chǎn)線大批量對產(chǎn)品性能參數(shù)及出廠檢驗，為行之有效的沖擊特性檢測方法。

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