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        落錘標(biāo)定系統(tǒng)研究

        2012-01-25 01:48:36熊家澤于嘉軍甘海仁王建華
        鑿巖機械氣動工具 2012年3期
        關(guān)鍵詞:落錘標(biāo)定波形

        熊家澤于嘉軍甘海仁王建華

        (1、首鋼貴陽特殊鋼有限公司,貴州貴陽550005;2、貴州大學(xué)機械工程學(xué)院,貴州貴陽550005;3、長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司,湖南長沙410012)

        1 動態(tài)標(biāo)定的目的和原理

        釬鋼在實際工作和高頻試驗中的應(yīng)力歷程均是隨時間快速變化的動態(tài)應(yīng)力,其測試均需在動態(tài)應(yīng)力試驗系統(tǒng)上進行。為了確定動態(tài)應(yīng)力測試輸出量化值n(一般為電壓)所代表的應(yīng)力值必須對同一試驗系統(tǒng)進行標(biāo)定,即測試在標(biāo)準(zhǔn)(已知)輸入應(yīng)力σΒ下輸出量化值,從而得出應(yīng)力標(biāo)定系數(shù)(單位量化值所代表的應(yīng)力):

        在動態(tài)應(yīng)力試驗中,根據(jù)測試得出的實際量化值nT,乘以標(biāo)定系數(shù),即可得到試驗動態(tài)應(yīng)力σT=BσnT。

        為了使標(biāo)定結(jié)果更為準(zhǔn)確,標(biāo)定裝置產(chǎn)生的動態(tài)應(yīng)力特征(幅值及其波形)應(yīng)盡量接近真實應(yīng)力特征。在釬鋼動態(tài)應(yīng)力測試中,一般采用國際標(biāo)準(zhǔn)所建議的落錘標(biāo)定。由落錘自給定高度撞擊測桿,給出其產(chǎn)生最大應(yīng)力的計算值[1]:

        式中ψmax——最大應(yīng)力系數(shù)

        E——彈性模量

        g——重力加速度

        C——波速

        h——落錘高度

        V——落錘末速度

        2 落錘標(biāo)定試驗臺

        圖1 落錘試驗臺的兩種形式

        在釬鋼試驗中,常用的落錘試驗臺有中心鋼繩導(dǎo)向和鋼管導(dǎo)向兩種形式(圖1):中心鋼繩導(dǎo)向充分利用了中空鋼中心有孔的特點,對中性較好,但拆卸更換試件比較麻煩;鋼管導(dǎo)向靠鋼管的內(nèi)壁導(dǎo)向,在其上端常附設(shè)落錘釋放機構(gòu),使用和更換試件方便,但需要人工對中,對中性稍差,考慮我們試驗時更換試件的要求,選用鋼管導(dǎo)向。

        3 落錘結(jié)構(gòu)

        3.1 落錘斷面

        在釬桿動態(tài)試驗中,一般采用和試件等直徑(斷面波動慣量相等)的落錘進行標(biāo)定,此時釬桿試件入射應(yīng)力波為矩形波。測試最大應(yīng)力波可有波頂多個采樣點用統(tǒng)計方法準(zhǔn)確地獲得,此時得到的應(yīng)力標(biāo)定系統(tǒng)具有較高的精度,其波值系數(shù)

        式中R——試件和落錘斷面的波動慣量比,R=1

        采用鋼管導(dǎo)向標(biāo)定系統(tǒng),很難做到鋼管內(nèi)徑和試件直徑相等,一般采用比試件直徑大的落錘,或有導(dǎo)向環(huán)的等直徑落錘進行標(biāo)定,此時由于應(yīng)力波在落錘和試件界面透反射的影響,其入射應(yīng)力波形將變得比較復(fù)雜,其最大應(yīng)力峰值為一尖峰。目前試驗系統(tǒng)采用有導(dǎo)向環(huán)的等直徑落錘,其波值系數(shù)須由計算確定。

        3.2 落錘長度L

        落錘長度L的選擇要考慮下述三方面的因素:

        (1)在可能的情況下,落錘質(zhì)量應(yīng)盡量接近實際工作中與(鑿巖機)沖擊能相當(dāng);同時,足夠的落錘質(zhì)量亦保證了落錘有足夠的重力下落,減少了摩擦等阻力的影響,使標(biāo)定結(jié)果更為真實。

        (2)由于我們按一維波動方程計算,應(yīng)保證足夠落錘長徑比r(落錘長度/落錘直徑),一般取r≥5以符合一維波的傳播規(guī)律,減少橫向效應(yīng)的影響,避免出現(xiàn)波在傳播過程中的彌散。

        (3)落錘長度L不應(yīng)超過測桿(試件)長度l的1/2~1/3(L≤l/2~l/3)以避免桿端反射波對入射波的影響,保證測試結(jié)果的正確。由于試件為l=400mm~500mm,這一點尤為重要,故L一般不應(yīng)超出200mm。

        綜合考慮上述因素,選用落錘結(jié)構(gòu)如圖2所示:

        圖2 落錘結(jié)構(gòu)

        落錘采用臺式結(jié)構(gòu),由細(xì)長的桿體和兩個凸臺構(gòu)成。柄體和試件的直徑相等,以使其入射波形盡量接近矩形,減少波長,避免反射波的疊加;兩個凸臺的外徑和導(dǎo)管內(nèi)徑相匹配,用于落錘的導(dǎo)向,臺寬Lp盡量取窄(Lp=12mm),并做成齒形,以減少其波動慣量及其引發(fā)的透、反射影響。落錘總長度150mm~200mm,滿足小于1/2試件長度(l=450mm,l/2=225mm)的要求。

        4 落錘入射應(yīng)力波值系數(shù)的確定

        入射應(yīng)力波形函數(shù)σr(t)采用波值系數(shù)表達式:

        式中σRi——剛體活塞撞擊釬桿(試件)產(chǎn)生的最大應(yīng)力值:

        落錘為雙臺圓柱形狀,其應(yīng)力波透射、反射情況比較復(fù)雜,一般將落錘劃分為若干等間距的界面,采用數(shù)值計算方法[1],得到試件入射應(yīng)力波形如圖3所示:

        圖3 試件入射應(yīng)力波形

        其波形特點:

        1.入射應(yīng)力為一階梯波,其各階持續(xù)時間為應(yīng)力波在臺部往返傳播的時間

        △tp1=2LP/C=2x0.012/5100=4.706μs

        2.由于落錘柄部和試件等直徑,其頭二階應(yīng)力波具有和等直徑落錘相同的波值系數(shù),ψ=0.5,其后由于兩個臺部透反射的結(jié)果,出現(xiàn)兩次應(yīng)力峰值,兩個尖峰的間隔時間為應(yīng)力波在兩個臺間的往返傳播時間:

        △tp2=9.△tp1=42.35μs

        兩個峰值間的波值系數(shù),亦近于0.5,這是由于兩臺階之間亦具有和試件等直徑的柄部;最后,波形呈不單調(diào)的下降趨勢。

        3.入射應(yīng)力波波長及有效波值(即忽略ψ<0.005微小波值)的持續(xù)時間:

        tp=20.△tp1=94.12μs

        較無臺相同長度的等直徑落錘,入射波長(tp=15.△tp1=70.59μs)增加了5階波長5,△tp1=23.53μs(33%)。但其尾部(后5階)最大波幅僅為頭部波幅的15.59%(0.106/0.680)。尾部能量僅占入射波蘊含總能量的1.6%上述分析表明其尾部漏泄量很小,在試件足夠長的情況下,不會構(gòu)成疊加,即使有少許疊加,亦不會對測試結(jié)果(頭部應(yīng)力)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。

        4.最大應(yīng)力值產(chǎn)生于第三階(即應(yīng)力波的第一峰值),這是由于落錘波直前部臺/柄界面作為壓波反射的結(jié)果,第二峰值應(yīng)力是由于后部臺/柄界面的反射,但由于它到達試件之前,再次經(jīng)過了前部臺階的透反射,其峰值僅為第一峰值的93.5%(0.636/0.680),故入射波的最大理論波值系數(shù):

        ψTmax=0.5(1+q)=0.680

        5 試驗工作

        5.1 試驗?zāi)康?/h3>

        (1)驗證動態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)的可行性;

        (2)比較兩種落錘的測試結(jié)果,分析落錘長度對動態(tài)標(biāo)定結(jié)果的影響;

        (3)通過對測試結(jié)果(波形和數(shù)值)的分析,確定應(yīng)力標(biāo)定系數(shù)。

        5.2 試驗設(shè)置

        落錘:L=150mm,200mm的兩種

        落高:h=1.77m

        試樣:采用H22六角釬桿,斷面積3.86cm2和落錘柄部斷面積相等,長度LS=450mm

        5.3 實驗結(jié)果

        每種落錘分別采用存儲示波器和波形存儲器測試5次,試驗一般采用存儲示波器,采用波形存儲器的原因是為了便于和以往的實驗結(jié)果進行比較。兩種落錘的測試結(jié)果見表1:

        表1 標(biāo)定試驗結(jié)果

        (1)試驗結(jié)果離散不大,其變異系數(shù)CV(σn-1/)=0.013~0

        (2)短落錘的標(biāo)定輸出值略低于長落錘(0.4%~3.8%),可以認(rèn)為基本相近。

        6 波形分析和試驗最大波值系數(shù)的確定

        圖4 試驗入射應(yīng)力波形

        試驗放大的入射應(yīng)力波形如圖4所示:

        驗波形持續(xù)時間105μs略長于波形理論持續(xù)時間,這是由于波形受放大器通頻的影響,進一步彌散的原因。

        試驗波形中已看不到理論波形的兩個應(yīng)力尖峰,這是由于放大器的頻響限制目前放大器的頻響為10KC,其頻響特性見圖5[2]:

        當(dāng)f<10KC時,信號經(jīng)放大器后,可以不衰減的通過,為不失真的傳輸系統(tǒng),當(dāng)f>10KC后,信號即迅速被衰減。

        圖5 放大器的頻響特性

        諧波分析表明:入射應(yīng)力波(理論曲線)可以認(rèn)為是一系列幅值和頻率不等的正弦波疊加構(gòu)成。其波的整體持續(xù)時間約為100。峰值持續(xù)時間4.706。目前10KC的頻響,只能滿足波的主頻通過,而峰值(要求106/4.706≈20KC的通頻),在放大器后已全部被衰減,這是在試驗波形中不出現(xiàn)應(yīng)力峰值的原因。

        故在目前的系統(tǒng)中,其最大波值系數(shù)不能采用理論波形的最大峰值系數(shù)

        ψmax=0.5(1+q),只能采用由落錘柄部沖擊產(chǎn)生的波值系數(shù)ψmax=1/2,換就話說,對于具有窄臺的落錘可以不考慮窄臺的影響,仍可以將其視為等直徑落錘。

        7 應(yīng)力標(biāo)定系數(shù)及比較

        在落高h(yuǎn)=1.77m時的標(biāo)定應(yīng)力:

        根據(jù)表3的測試結(jié)果和Bσ=σB/n式得到標(biāo)定系數(shù)(表2):

        表2 標(biāo)定系數(shù)

        表4得到的標(biāo)定系數(shù)是在放大器增益為500的情況下的得出的,將表4得到的波存標(biāo)定系數(shù)統(tǒng)一列增益為200的情況(×2.5)和以前中心導(dǎo)向等直徑落錘得到的標(biāo)定系數(shù)進行比較(表3)

        表3表明:鋼管導(dǎo)向柄臺式?jīng)_擊錘的應(yīng)力標(biāo)定系數(shù)略高于中心鋼繩導(dǎo)向等直徑?jīng)_錘的應(yīng)力標(biāo)定系數(shù)(約高6%)。

        表3 標(biāo)定系數(shù)的比較※

        8 結(jié)語

        1、進行的試驗研究表明:建立鋼管導(dǎo)向,柄臺落錘試驗裝置和測試系統(tǒng)可以滿足進行高頻試驗研究動態(tài)標(biāo)定的需要。

        2、短落錘的標(biāo)定輸出和長落錘的標(biāo)定輸出基本接近,在標(biāo)定試驗中可以采用較短的落錘,以減少試樣長度和反射應(yīng)力波對入射波的疊加影響。

        3、柄臺落錘理論入射應(yīng)力波出現(xiàn)的兩個應(yīng)力尖峰,在放大器頻響設(shè)置為10KC的情況下,已全部被衰減,在標(biāo)定時,可以忽略窄臺的影響,仍將其作為等直徑落錘考慮,取得最大波值系數(shù)ψmax=1/2。

        4、本試驗得出應(yīng)力標(biāo)定系數(shù)和中心鋼繩導(dǎo)向等直徑落錘結(jié)果基本接近;和靜態(tài)標(biāo)定的輸出值亦十分相符,說明本研究提出的系統(tǒng)和方法已具備較高的可信度,可以提供標(biāo)定采用。

        [1]趙統(tǒng)武.沖擊鉆進動力學(xué)[M].冶金工業(yè)出版社,1996.

        [2]嚴(yán)普強,黃長藝.機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)[M].機械工業(yè)出版社,1991.

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