第一作者丁問(wèn)司男，博士，教授，1968年生

壓氣式電錘交變沖擊特性檢測(cè)方法研究

丁問(wèn)司，范亞軍，丁元文

(華南理工大學(xué)機(jī)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(cè)對(duì)研究沖擊活塞運(yùn)動(dòng)規(guī)律、分析產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、檢驗(yàn)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(cè)量方法，構(gòu)建壓氣式電錘測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)，開發(fā)電錘沖擊特性測(cè)試系統(tǒng)。通過(guò)試驗(yàn)、分析，檢測(cè)氣缸內(nèi)活塞的沖擊特性，掌握其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并精確獲得沖擊頻率、沖擊能等特性參數(shù)；實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值誤差在5%以內(nèi)。該檢測(cè)方法簡(jiǎn)便快捷，檢測(cè)結(jié)果精確可靠，可為產(chǎn)品性能檢測(cè)、質(zhì)量檢驗(yàn)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(cè)方法；測(cè)試系統(tǒng)

基金項(xiàng)目：國(guó)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(hào):TG315.3+2文獻(xiàn)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(dòng)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(yùn)動(dòng)的交變沖擊機(jī)構(gòu)特性參數(shù)測(cè)定主要針對(duì)其沖擊能及沖擊頻率。沖擊能、沖擊頻率分別反映沖擊機(jī)構(gòu)破碎能力及速度兩重要參數(shù)。針對(duì)高頻交變直線往復(fù)沖擊特性測(cè)量，據(jù)不同沖擊機(jī)構(gòu)特點(diǎn)分別提出多種測(cè)量方法[2]，即：

(1)末速度法。通過(guò)檢測(cè)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(jì)算獲得沖擊能。其中質(zhì)量M可簡(jiǎn)單可靠測(cè)得，但末速度v測(cè)量則復(fù)雜、困難。測(cè)量活塞末速度方法分為接觸式(觸點(diǎn)測(cè)量法)、非接觸式(活塞端面反射光測(cè)量法、光電位移微分測(cè)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(jì)算沖擊能。F為活塞沖程時(shí)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(guò)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(cè)得，但活塞位移測(cè)量較復(fù)雜、困難。

(4)機(jī)械測(cè)量法。有兩種：①?gòu)椥宰冃螠y(cè)量法，即用沖擊活塞沖擊彈簧，測(cè)量彈簧變形，通過(guò)標(biāo)定推算沖擊能。②塑性變形測(cè)量法，即用沖擊活塞沖擊標(biāo)準(zhǔn)金屬塊，測(cè)量其塑性變形，通過(guò)標(biāo)定推算沖擊能。

(5)氣壓測(cè)試法[3]。該法為非接觸測(cè)量方法，即通過(guò)沖擊機(jī)構(gòu)活塞尾部加裝密閉氮?dú)馇?，活塞沖擊時(shí)在密閉氣腔中高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致氣腔壓力周期性變化。通過(guò)采集氣腔壓力，并利用絕熱過(guò)程氣態(tài)方程推導(dǎo)活塞運(yùn)動(dòng)位置。通過(guò)微分求出活塞速度，推算出活塞打擊時(shí)的沖擊能。

以上各測(cè)量方法中，末速度法所測(cè)活塞沖擊能較準(zhǔn)確，但對(duì)交變往復(fù)運(yùn)動(dòng)沖擊錘實(shí)現(xiàn)困難；示功圖法無(wú)論測(cè)量或計(jì)算均較困難；機(jī)械測(cè)量法所測(cè)沖擊能不夠準(zhǔn)確，但測(cè)量方法簡(jiǎn)便易行，可出廠檢驗(yàn)用，而作為定性分析試驗(yàn)時(shí)較亦有效。氮?dú)馐覊毫y(cè)量法簡(jiǎn)便易行，但對(duì)無(wú)氮?dú)廨o助室的沖擊機(jī)構(gòu)無(wú)法使用。應(yīng)力波法己列入往復(fù)式氣動(dòng)沖擊性能試驗(yàn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)對(duì)應(yīng)力波測(cè)量法所用設(shè)備、儀器及測(cè)試步驟進(jìn)行規(guī)定。該法無(wú)需改動(dòng)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(dòng)易引起應(yīng)變片松動(dòng)、脫落，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果失效。

基于以上方法的交變沖擊機(jī)構(gòu)沖擊能檢測(cè)既困難又費(fèi)時(shí)費(fèi)力且成本高。由于無(wú)統(tǒng)一的檢測(cè)方法及標(biāo)準(zhǔn)，所測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確性、重復(fù)性、可比性較差，易引起爭(zhēng)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(duì)壓氣式電錘而言，因測(cè)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(wú)法對(duì)空間狹小、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的手持壓氣式電錘沖擊特性測(cè)定。有關(guān)測(cè)試壓氣式電錘交變沖擊特性參數(shù)研究較少，更無(wú)統(tǒng)一測(cè)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(diǎn)，以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)，對(duì)壓氣式電錘沖擊活塞交變沖擊特性檢測(cè)方法進(jìn)行研究。利用改造后永磁式?jīng)_擊活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使線圈切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，據(jù)線圈切割磁感應(yīng)線速度與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)正相關(guān)原理及電動(dòng)勢(shì)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(cè)量、簡(jiǎn)單易行、適合動(dòng)態(tài)測(cè)量、測(cè)量線性度高、輸出阻抗小、精確可靠、工作頻帶較寬等優(yōu)點(diǎn)。

1檢測(cè)原理

壓氣式交變沖擊電錘特性檢測(cè)基于法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象，將輸入的運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[5]。導(dǎo)體線元dl切割磁感應(yīng)線時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為

(1)

式中：e為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；B為磁場(chǎng)強(qiáng)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(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e=nBvl?？梢钥闯觯羧我鈺r(shí)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(dòng)勢(shì)e值大小僅與線圈在磁場(chǎng)中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v成線性關(guān)系，即e=kv，k為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與速度v之系數(shù)比。

2檢測(cè)裝置動(dòng)態(tài)特性

圖1　測(cè)量裝置動(dòng)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(cè)裝置主要有動(dòng)鐵式、動(dòng)圈式兩種結(jié)構(gòu)形式。據(jù)壓氣式電錘結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)中采用外力驅(qū)動(dòng)的動(dòng)鐵式結(jié)構(gòu)。理想傳感器輸入端存在機(jī)械阻抗，輸出端存在電阻抗，其電磁傳感速度檢測(cè)裝置動(dòng)態(tài)特性原理見圖1。

2.1機(jī)械阻抗傳遞矩陣

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

帶永磁體的沖擊活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)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(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，此時(shí)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(jiǎn)化模型見圖2。

設(shè)在力F作用下產(chǎn)生的振動(dòng)速度為v，其力平衡方程為

(2)

設(shè)機(jī)械系統(tǒng)存在“機(jī)械阻抗”，定義為Za=ΣF/v，則

c+jmω,(k→0)

(3)

該測(cè)量裝置機(jī)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(cè)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(zhǎng)、內(nèi)電阻為R，則Zb=R+jlω。傳感器與測(cè)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(shí)際工作狀況下該測(cè)量裝置傳遞矩陣為

(7)

2.4動(dòng)態(tài)特性

設(shè)F為由壓氣活塞運(yùn)動(dòng)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(cè)裝置輸出電動(dòng)勢(shì)為e=iZL，則

(9)

3測(cè)量裝置設(shè)計(jì)

電磁傳感速度檢測(cè)裝置為非接觸式間接測(cè)量，主要由線圈與測(cè)量活塞組成，基本結(jié)構(gòu)見圖4。圖中1為電機(jī)，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(xì)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(gè)參數(shù)，使其損耗小、穩(wěn)定性高[6]。安裝時(shí)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(bǔ)氣孔、通氣孔能正常工作；亦應(yīng)保證活塞運(yùn)動(dòng)測(cè)量范圍與線圈感應(yīng)電壓信號(hào)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?？紤]需減少磁體對(duì)沖擊活塞結(jié)構(gòu)影響，磁體采用強(qiáng)永磁材料汝鐵硼。由此形成的沖擊活塞磁性強(qiáng)、剩磁力大、矯頑力大，抗干擾能力強(qiáng)，能實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)小型化，較好滿足測(cè)試需求。

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

4測(cè)量試驗(yàn)

4.1測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)

壓氣式電錘測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)由試驗(yàn)臺(tái)架、壓氣式電錘速度傳感檢測(cè)裝置、沖擊及緩沖裝置及夾持支撐臺(tái)等組成，見圖5。圖中1為試驗(yàn)臺(tái)架，2為支撐夾具平臺(tái)，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(duì)象支撐臺(tái)，8為鎖緊螺母。

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

4.2測(cè)試系統(tǒng)

圖6　測(cè)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(cè)試系統(tǒng)由壓氣式電錘試驗(yàn)臺(tái)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微機(jī)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(cè)試系統(tǒng)見圖6。壓氣式電錘沖擊速度信號(hào)由電磁傳感速度檢測(cè)裝置獲取并轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡完成對(duì)被測(cè)輸入信號(hào)預(yù)處理[7](采集、放大、A/D轉(zhuǎn)換等)后，傳輸?shù)轿C(jī)中進(jìn)行顯示、分析、儲(chǔ)存及打印等操作。

4.3測(cè)量裝置標(biāo)定

由于壓氣式電錘沖擊活塞高頻振動(dòng)，準(zhǔn)確獲取實(shí)際沖擊速度信號(hào)需對(duì)電磁傳感速度檢測(cè)裝置進(jìn)行精確標(biāo)定，以便確定速度與電壓信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而保證測(cè)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(yàn)臺(tái)實(shí)施標(biāo)定，可將電錘中調(diào)速電機(jī)作為標(biāo)定專用設(shè)備。壓氣式電錘活塞驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)見圖7，據(jù)幾何關(guān)系可得壓氣活塞運(yùn)動(dòng)速度。

圖7　壓氣式電錘活塞驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu) Fig.7 Schematic diagram of impact mechanism

(10)

聯(lián)立，解得

(11)

式中：L1為曲柄長(zhǎng)度(m)；L2為連桿長(zhǎng)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(dòng)時(shí)間(s)；α為曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)角度(rad)；β為連桿轉(zhuǎn)動(dòng)角度(rad)。

對(duì)位移S求導(dǎo)，得壓氣活塞速度計(jì)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(guò)程中，由于壓氣活塞為標(biāo)準(zhǔn)諧波運(yùn)動(dòng)，可將沖擊活塞與壓氣活塞固接實(shí)現(xiàn)同步諧波運(yùn)動(dòng)。標(biāo)定過(guò)程中調(diào)節(jié)電錘驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速，使活塞最大速度由0 m/s以0.5 m/s步長(zhǎng)逐步升到5 m/s測(cè)試電壓信號(hào)，記錄活塞最大速度值與電壓信號(hào)最大值，據(jù)最小二乘法原理進(jìn)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(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

用測(cè)試系統(tǒng)軟件控制整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試流程，總體結(jié)構(gòu)流程見圖9。系統(tǒng)基本功能為：①實(shí)時(shí)顯示測(cè)試對(duì)象測(cè)量的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)，并在線進(jìn)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(yàn)信號(hào)，選合適的文件格式類型保存；③對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行離線分析，如時(shí)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(xì)化譜分析、倒頻譜分析等)；④與外部設(shè)備通訊，實(shí)現(xiàn)分析結(jié)果傳輸及測(cè)試報(bào)告打印。

圖9　測(cè)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(cè)試實(shí)例

以基于氣壓往復(fù)驅(qū)動(dòng)高速、高加速變化的國(guó)產(chǎn)某電錘為研究對(duì)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(yàn)條件為：驅(qū)動(dòng)電機(jī)試驗(yàn)轉(zhuǎn)速n=11100 r/min，即經(jīng)減速機(jī)構(gòu)變速后曲柄轉(zhuǎn)速n=1800 r/min，沖擊頻率f=30 Hz；時(shí)間t=10 s；彈簧剛度k=1000 N/m。

壓氣式電錘實(shí)際測(cè)量試驗(yàn)臺(tái)見圖5(b)。所采電壓信號(hào)通過(guò)計(jì)算轉(zhuǎn)化為速度信號(hào)，見圖10。由圖10看出，速度信號(hào)曲線清楚標(biāo)識(shí)出活塞運(yùn)動(dòng)周期中回程加速、回程減速、沖程、沖擊反彈各運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)過(guò)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(shí)測(cè)速度曲線 Fig.10 Measured motion diagram of the impact piston

圖11　沖擊活塞運(yùn)動(dòng)特性頻譜圖 Fig.11 Frequency spectrum diagram of the impact piston

將所測(cè)活塞瞬時(shí)打擊速度換算的沖擊能與動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算[8]所得沖擊能對(duì)比知，相對(duì)誤差小于5%，表明測(cè)試結(jié)果可靠性較高。

5結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)的壓氣式電錘電磁傳感速度檢測(cè)裝置可精確提取基于氣壓往復(fù)驅(qū)動(dòng)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(yùn)動(dòng)規(guī)律，并能準(zhǔn)確計(jì)算沖擊頻率、沖擊能等參數(shù)。

(2)試驗(yàn)臺(tái)具有測(cè)量裝置簡(jiǎn)單、檢測(cè)方法簡(jiǎn)便、檢測(cè)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(diǎn)。該檢測(cè)方法不僅能用于實(shí)驗(yàn)研究，亦能用于生產(chǎn)線大批量對(duì)產(chǎn)品性能參數(shù)及出廠檢驗(yàn)，為行之有效的沖擊特性檢測(cè)方法。

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