Vol.17 No.4 刘永才等：冲击凿岩数学模型及活塞失效分析 323. 200 一一一活塞中的计算力 一··活塞中的测试力 100 盖 0 ·6029120so82460506014200 -100 s -200 图4活塞中测试力和计算力比较 活塞和钎杆脱离，此时，活塞中残存的能量很少，应力幅值较低，并且此能量在活塞中来回 传递，形成了如图4所示的后续波形反复交变的形态，这便是活塞中的应力特征， 作者在文献[3中编制了连续冲击的计算机程序，对凿岩机进行了测试。其测试结果表 明，连续冲击的波形并不产生叠加，因而对活塞受力而言，连续冲击时的受力状态基本上等 同于单次冲击，通过对连续冲击的实测及理论结果比较（实测值：冲击末速度v=9.12m/s, 最大冲击力F=232.8509kN;电算结果：冲击末速度D=9.12ms,最大冲击力 Fmx=223.0711kN,误差4.2%)以及图3、4的实测及理论结果比较，可以证明数学模型 基本正确，最大冲击力只要测取其冲击末速度，即可用电算求得， 3活塞受力和失效形式分析 TYYG-20型凿岩机的活塞材料为30 CrMoV,抗拉极限强度o。=1080Nmm2,冲击韧性 ak=88N·m/cm,质量为5.5kg,最小截面积为1214mm2,冲击末速度为9.12ms.由电算 得：最大压缩力Pmax=223.0711kN;最大拉伸力Pm=-95.08kN,取负值；最大压应 力oYmx=183.75Nmm2;最大拉应力Lmx=-78.32N/mm2. 利用文献[4]中的方法确定疲劳极限： 对于cb=800~1300Nmm2结构热处理钢，弯曲疲劳极限为：[o-1w=0.383o,+94(N/mm2) 由此得30 CrMoV的弯曲疲劳极限：[a-k=0.383×1080+94=507.64(Nmm2). 再根据载荷形式对疲劳度的影响，交变拉压时，载荷因子C=08;得： [o-1Ly =CL [o-1 l =406.112 N/mm 2 从上述计算结果中可以看出，oLm和oYm都小于疲劳极限强度[a-ly;按Miner 理论，它应属于无限寿命设计，而实际使用过程中，活塞使用了一段时间后经常会劈裂或断 裂，根据受力分析，这些破坏形式不应属于普通的疲劳破坏，而是属于低应力脆性断裂·引 起脆性断裂的原因很多，主要原因是应力集中和应力腐蚀，失效活塞分析结果证明活塞断裂 是属于氢致断裂，证明了上述观点， 4提高活塞寿命的途径 4.1选材 由于活塞破坏不属于普通疲劳破坏，所以选材很关键.根据文献[]：高强度钢对微小裂Vb l . 17 N b . 4 刘永 才等: 冲击 凿岩 数学 模型及 活塞 失效 分 析 2 0 0 10 0 4 2 0() 一 10 () 0 之芝喝 一 20 0 图 4 活塞中测试力和计算力 比较 活塞和钎 杆脱 离 . 此 时 , 活塞 中残存 的 能量 很少 , 应 力幅 值较 低 , 并 且 此能量在 活塞 中来回 传递 , 形 成 了如 图 4 所示 的后 续 波形反 复交 变 的形 态 , 这便 是活 塞 中的应力 特征 . 作者 在文献 【3 ]中编制 了连续 冲击 的计算 机 程 序 , 对 凿 岩 机 进 行 了测 试 . 其测 试 结果表 明 , 连续 冲击 的波 形并 不产 生叠 加 , 因而 对活塞 受力 而言 , 连续冲 击 时的受 力状态 基本 上等 同于 单 次 冲 击 . 通 过 对 连 续 冲 击 的 实 测 及理 论结 果 比较 (实 测 值 : 冲 击 末 速 度 v 二 9 . 12 m / s, 最 大 冲 击 力 凡拟 = 2 32 . 8 5 0 9 k N ; 电 算 结 果 : 冲 击 末 速 度 。 = .9 12 m s/ , 最 大 冲 击 力 mF a 、 = 2 .3 07 1 1 k N , 误差 .4 2 % ) 以及 图 3 、 4 的实测 及理 论结 果 比较 , 可 以 证 明 数学 模 型 基本正确 , 最 大冲击 力 只要 测取 其 冲击末 速 度 , 即可 用 电算求 得 . 3 活塞 受 力和失 效形式分析 T Y Y G 一 20 型 凿 岩 机 的 活 塞 材 料 为 3 0C Mr o V , 抗拉 极 限强度 。 、 二 1 O80 N 加血早 , 冲击韧性 a , = 8 N · m /cm Z , 质量 为 .5 s gk , 最 小 截 面 积 为 1 Z 14 nr 早 , 冲 击 末 速 度 为 .9 12 m s/ . 由 电 算 得 : 最 大压 缩 力 vP ma 、 二 2 23 .0 71 1 k N ; 最大 拉 伸 力 尺~ = 一 95 .0 8 kN , 取 负 值 ; 最 大 压 应 力 a 、 ~ = 183 . 75 N / nmr Z ; 最大 拉 应力 a L ~ 二 一 78 . 32 N / unr 2 . 利用文 献 【4] 中 的方法 确 定疲 劳极 限 : 对于 a 。 二 80 0 一 130 o N / nI ’ 结构热处理钢 , 弯曲疲劳极限 为: 份 一 , ] w = 0 . 3 8 3 。 、 + 94 ( N n/ 功2 ) 由此得 3 0C rM o V 的弯曲疲 劳极 限 : [ a 一 , ] 、 = 0 . 3 8 3 x 1 0 80 + 9 4 = 50 7 . 64 (N / un Z ) . 再 根 据 载 荷 形 式 对 疲 劳 度 的 影 响 , 交 变 拉 压 时 , 载 荷 因 子 C L = .0 8 ; 得 : a[ 一 L ]。 = q [ 。 一 1 ] w = 4 o 6 . l l Z N / nI ’ 从 上 述 计算 结 果 中 可 以 看 出 , 。 L ~ 和 a y ~ 都 小 于 疲 劳 极 限 强 度 ! 。 一 l b ; 按 M ~ 理论 , 它应属于 无 限 寿命设计 , 而 实 际使用 过程 中 , 活塞 使用 了一段 时 间后经常 会劈裂 或断 裂 . 根据受 力分 析 , 这 些破 坏 形式 不应 属于 普通 的疲 劳破 坏 , 而是 属于 低 应力脆性 断裂 . 引 起脆 性断 裂 的原 因很多 , 主要原 因 是应 力集 中和 应力 腐蚀 , 失 效 活塞分 析 结果证 明活塞 断裂 是 属于氢 致断裂 , 证 明 了上述 观 点 . 4 提高活塞 寿命的途径 .4 1 选材 由于 活塞破 坏不 属 于普 通疲 劳破 坏 , 所 以 选 材很 关键 . 根 据文 献【5] : 高强 度钢 对微小 裂