歲月無情人有情。今年是我服從需要參與籌辦湘潭風動機械廠,肩負氣動鑿巖機上馬重任50周年,感慨萬千,茲賦小詩一首為念:
奔南闖北雖殊榮,不識其間有深功。五十年來如一日,只緣心系此機中。
我雖已退休多年,但仍把研究氣動鑿巖機技術(shù)作為終身的理想和樂趣。由于老伴身體原因,我只能邊照料邊學習、工作,還想利用晚年的余熱回報社會。我對鑿巖機的感情頗深,正因如此,我既未打回老家(廣東)去,亦未返回原高校工作。沒有想到,我自當年受命研發(fā)“無閥”,一干就是五十年,至今仍未停歇。其間,在八、九十年代交替時節(jié),前后約有五年時間,還擔當完成了國家 “八五” 科技重點攻關課題——導軌式液壓鑿巖機,促進“氣動鑿巖機-液壓鑿巖機”互動,加上后來“有閥-無閥”、“氣動鑿巖機-水壓鑿巖機”互動,對我設計理念的轉(zhuǎn)變與技術(shù)攻關都有所幫助。
1969年前后,正是文革期間,氣動鑿巖機產(chǎn)品規(guī)格雜、質(zhì)量差,國家采取了一系列措施。1972年3月到7月我參加國家計委與一機部組織的全國鑿巖機質(zhì)量調(diào)查組赴全國19 ?。ㄊ校?0多個礦山單位進行調(diào)訪,緊接著便舉行行業(yè)第一次質(zhì)量集中檢查,8月至10月參加北京大安山礦舉行的全國氣腿式鑿巖機(簡稱氣動鑿巖機)集中工業(yè)性試驗(俗稱“行業(yè)大比武”),12月工程機械行業(yè)會議在湘潭市召開,宣布氣動鑿巖機產(chǎn)品定型的決定。1975年推出了第一個部標準:《氣腿式鑿巖機型式、基本參數(shù)與技術(shù)條件》(JB1674-1675-75),此后開始標準的貫徹、落實與開展產(chǎn)品創(chuàng)優(yōu)、經(jīng)驗交流等一系列行業(yè)活動。這些活動我都有幸親歷了。這些活動對行業(yè)產(chǎn)品質(zhì)量有較大的促進與提高,我個人也得到了鍛練和充實。我還記得當年受訪的遼寧華銅銅礦的代表提出了鑿巖機產(chǎn)品技術(shù)上深層次的問題(如潤滑、油霧和斷釬等)?!盁o閥”在國內(nèi)起步較晚,產(chǎn)品定型后,經(jīng)過第一個十年全廠職工的共同努力,受到用戶的歡迎。同行業(yè)龍頭廠一樣,1983年YTP26 榮獲其中一塊國優(yōu)產(chǎn)品“銀質(zhì)獎”(俗稱“銀牌”)。在銀牌之后數(shù)十年,我把經(jīng)典力學與現(xiàn)代波動力學相結(jié)合應用于氣動鑿巖機研發(fā)中,致力于無閥配氣的深化、挖潛,并作了一些大膽的嘗試。在市高新區(qū)6年完成了其中一部分,如YT26A、YT26W 等。有些成功了,有的暫未成功,但有希望。2006年后,我先后獲得兩個產(chǎn)品的發(fā)明專利,2010年經(jīng)國家 “雙創(chuàng)”中心評定列為國家重點扶植推廣項目,并榮獲國家首批創(chuàng)新基金70萬元。但由于種種復雜原因,致使國家扶植未落到實處。項目雖好,轉(zhuǎn)化成生產(chǎn)力卻難!難在哪?關鍵在于合作雙方思想認識差距大、目標不一致。經(jīng)多年積淀后,我仍有技術(shù)自信,反思當年的方案是可行的。接著又與北方某公司合作,比較順利地完成了新產(chǎn)品樣機試制和工業(yè)試驗任務,得到用戶好評與喜愛。初步完成了產(chǎn)品的升級、轉(zhuǎn)型。
為了補短,重新復核和計算壓氣在氣室內(nèi)的流動與狀態(tài)變化等,在髦耋之年,我又重新學習多種計算機算法語言與編程,終于把我歷經(jīng)數(shù)十年來研發(fā)的氣動無閥鑿巖機的電算摸擬程序在原來基礎上完善了。我的電算摸擬是在吸取國內(nèi)外前輩精華[1,2,3,4]的基礎上博采眾長的思想指導下完成的。氣腿式鑿巖系統(tǒng)電算模擬主要包含七個方面:應用活塞運動方程;應用理想氣體狀態(tài)方程;應用氣體流動質(zhì)量流量方程;應用能量平衡方程;應用非完全彈性體機械碰撞,引入回彈、接觸、瞬停等理念;應用波動力學原理,通過活塞(幾何形狀)設計調(diào)控輸出沖擊應力波形;摸擬計算中采用新的國家標準。例如耗氣量:(1)按新國標,20℃時標準大氣壓下氣體重度為1.205 kg/m3(舊標準中該數(shù)值為1.293 kg/m3);(2)耗氣量是指排出到大氣中的氣量,不宜以進氣量代替,兩者有較大差別。尤其值得注意的是,國家標準規(guī)定:氣腿式鑿巖機的沖擊能是在無扭矩條件下用應力波法測定的,而其它技術(shù)參數(shù)(如沖擊頻率、耗氣量等)則是在鑿巖條件下測定的。也就是說,兩種工況是完全不同的。對氣腿式鑿巖機,這點很特殊,很容易被忽視,應分開處理。采用什么方法去摸擬兩種工況?經(jīng)過多年探索,似已找到一點途徑,現(xiàn)正在作更多的驗證。
上述電算模擬主要內(nèi)容后面幾點是筆者結(jié)合實際補充、完善的。
當無閥鑿巖系統(tǒng)電算摸擬框架基本確定,本著繼承與改進、創(chuàng)新相結(jié)合的理念,針對實踐中提出的問題改進、豐富,主要體現(xiàn)在無閥配氣、擴大功能與基礎件攻關、改進等方面。為搞好產(chǎn)品研發(fā),數(shù)十年如一日,在理論與實踐結(jié)合上獲得了初步成效。筆者的主要工作與收獲可概括為一句話,即三調(diào)控、一改型、三改進、一創(chuàng)新。
第一控,是精心設計活塞的幾何形狀,調(diào)控輸出沖擊應力波(入射)波形與控制最大應力值。第二控,是調(diào)控鑿巖機“內(nèi)排氣”與“外排氣”的相對合理位置。第三控,是應用波動力學原理,降低沖擊背壓,釋放沖擊能。由波動力學基本原理可知,細長桿具有優(yōu)化的波形,或者說:無閥活塞具有類似細長桿的效應。應力波具有的能量W 可由下式確定
式中 σ——應力波振幅
τ——應力波持續(xù)時間
A——釬桿截面積
C——應力波在釬桿中的傳播速度
E——釬桿的彈性模量
由上式可見,應力波的能量取決于應力波振幅σ與持續(xù)時間τ,即取決于應力波圖形。
無閥活塞,由于其尾桿直徑小,且中圓柱長度(LH)也較短,其入射應力波形與雙圓柱活塞相似,也是一階梯波,由計算分析和實測可知,一般情況二階應力波具有最大值σR2。且有
τ=2Ls/C
Ls——活塞柄桿長
C——波速
最大應力值
q2、q1——雙圓柱(三圓柱)活塞柄部-頭部界面、活塞柄部-釬桿界面的反射系數(shù)
Up——活塞對釬桿撞擊速度q1、q2大小與對應的活塞柄部、頭部截面積A1、A2相關。
按理說無閥的頭部(中圓)較大,為何σR2反而?。繂栴}的關鍵是由于活塞頭部具有特殊的結(jié)構(gòu)與幾何形狀(呈“薄殼”形)。由于無閥活塞柄桿長、頭部空槽大(波阻?。?,則τ↑、σR2↓,因此無閥活塞可以通過精心設計獲得較好的應力波形。上世紀80年代中南工大賴教授曾委托我設計制造了12 件無閥鑿巖機的活塞,并在實驗室做過模擬實驗,驗證了活塞的不同幾何形狀會影響輸出沖擊應力波能量[5]。1972年全國氣腿式鑿巖機行業(yè)集中在北京大安山礦進行工業(yè)性對比試驗,目標是累計進尺2000 米,結(jié)果湘潭風動廠(首先完成2504.07 m)、天水風動(2395.35 m)、沈風風動(2257 m),分獲1、2、3名。從當時公布的一些記錄數(shù)據(jù)[9]看,其中斷釬數(shù):湘潭(無閥)7根、衢機(無閥)5根、天水66根、沈風73根。無閥鑿巖機的斷釬數(shù)是有閥鑿巖機的1/10。何解?我認為與活塞輸出沖擊應力波有一定關系。又如,在2007年2月,我們在湖南新龍礦業(yè)公司作新產(chǎn)品YT26W試驗,操作工人反映比YT28(天水產(chǎn)品)快一點,而且不易斷釬。這點在實際使用中與用戶的普遍反映是一致的。釬具損耗少是無閥鑿巖機具有的顯著優(yōu)勢之一,應得到繼承和發(fā)揚!
氣動鑿巖機產(chǎn)品應力波最大應力值(天水所測試)情況,見表1。
一般“內(nèi)排”比“外排”要超前些,這對鑿巖機排除機內(nèi)雜質(zhì)、改善潤滑、降溫散熱等是有利的,但若超前過多則有礙壓氣膨脹,削弱了沖擊能。我對YTP26 作了改進,提高鑿速(平均)約14%。我在某公司研發(fā)的YT26A 等就是應用“二控”理念設計的。據(jù)用戶反映,改進設計很成功。它比YTP26 好,主要特點是勁大、鑿速快。
由電算模擬計算可知在0.5 MPa時由 “三控”理念可提高沖擊能約10.4%。
由于在“三控”理念下實施改進,設計出的新型樣機不但缸徑小(φ90)、振動小而且沖擊能提高的幅度卻比較大。例如,在P=0.5 MPa時,原YTP26 沖擊能E=66.37(模擬值),實測68.40 J;現(xiàn)YT28W 沖擊能E=84.57 J(摸擬值)。τ=72微秒,σR2=262.83 MPa。
YT28W 在鑿巖工況下技術(shù)參數(shù)見表2,YT28W 用應力波法測定的技術(shù)參數(shù)見表3。
由上可見“三控”的調(diào)控目標實質(zhì)是在一定的頻率范圍內(nèi)實現(xiàn)沖擊能最優(yōu)(波形峰值低)。
YTP26→YT25DY→YT28W。由“高頻”轉(zhuǎn)為“中頻”,再升級轉(zhuǎn)型為“節(jié)能、無油霧、低耗”型。YTP26是高頻機,其特點是:(A)高效,鑿速快、扭矩大;(B)節(jié)能、省氣,利用壓氣膨脹作功,鑿巖經(jīng)濟性優(yōu)化;(C)結(jié)構(gòu)簡單,使用、維修方便。在二十世紀中后期,YTP26 等“無閥”機在煤礦基建(特別是“快速掘進”)中具有較大影響,但頻率偏高、振動大是主要缺點,且對某些零件(如青銅件)材質(zhì)、工藝要求較高。在取得“銀牌”之后,我們首先針對YTP26 頻率偏高、振動大等問題,采取了綜合整改措施,并與長沙礦冶研究院合作研發(fā)出YT25DY 鑿巖機,降頻減振效果顯著,工人可操作性明顯改善。我們與長沙礦冶院、北京航天工業(yè)部702所對四種鑿巖機主機手把加速度作了測定,結(jié)果見表4。
表1
YT25DY(中頻)機用戶使用結(jié)果反饋與測試情況是相符的,得到好評與歡迎,但還有一些不足之處,如“轉(zhuǎn)動套與釬套合一”的結(jié)構(gòu)設計,用戶不樂于接受。
隨著社會的發(fā)展與進步,特別是國家提出建設“兩型”社會的要求,產(chǎn)品要與時俱進。同時我們對鑿巖機技術(shù)的認識亦不斷深入,于是對原有無閥鑿巖機已不滿足。我們先后以兩個產(chǎn)品(YTP26-高頻、YT25DY-中頻)為抓手進行改進。缸徑φ95:YTP26→YT26A→YT26W;缸徑φ90:YT25DY→YT28W。首先以YTP26 為基礎,改進分兩步進行:(一)以“降頻”和優(yōu)化配氣為手段,達到更節(jié)能、增效,提高鑿速,研發(fā)出的YT26A 深受用戶歡迎,使用人員一致認為改進很成功,主要特點是勁大了,鑿速快了。每個班下來鑿孔進尺都高于YTP26。(二)在此基礎上,進一步擴大功能,如改變潤滑方式,把油氣分開,實現(xiàn)排氣無油霧,研發(fā)出節(jié)能、無油霧的YT26W 氣動鑿巖機,獲得了第一個發(fā)明專利的授權(quán)。對于氣動鑿巖機,這是國內(nèi)外前所未有的。工人第一次使用,感覺很新鮮:環(huán)境清爽、從頭到腳都很干凈;耗油少,每班作業(yè)不需再加油,加上“無閥”原本具有鑿速快、斷釬少的優(yōu)點,工人都爭搶著用。不過這里有個前提,就是開始要有人稍加指導。但后來一擴大,結(jié)果就不圓滿了。主要缺失是新產(chǎn)品開發(fā)太急于求成,只有銷售卻無售后服務。首次一大批產(chǎn)品出來,用戶不會用。幸好,我們在設計上采取了“可逆式兩用”的方案。為了推廣,經(jīng)認真反思,吸取教訓,后來在此基礎上又與另一家合作,繼續(xù)研發(fā)節(jié)能、無油霧、低耗型產(chǎn)品。其特點是:(1)目標函數(shù):在F=35-40 Hz 條件下Ep→max,且波形好;(2)缸徑減??;(3)前、后油室獨設(不連通),分別加油;(4)油量調(diào)控,可調(diào)與定量或兩相結(jié)合。YT28W 在工業(yè)試驗中深受礦工歡迎與喜愛。至此“無閥”氣動鑿巖機的優(yōu)點在鑿速快,節(jié)能、省氣,結(jié)構(gòu)簡單、維修方便的基礎上又增加了幾點:沖擊應力波形好,最大沖擊應力值較小,對釬具耗損較少;活塞后支承摩擦副可轉(zhuǎn)移(尾桿),使中圓懸空,實現(xiàn)排氣無油霧。
表2
表3
表4
2.2.1 活塞
活塞是氣動鑿巖機的關鍵件。
改進要點:(1)在配氣上進行三項優(yōu)化。(2)對低碳合金鋼活塞使用壽命進行攻關。在熱處理上重點提高心部強度,適當調(diào)整表面硬度,重視控制碳濃度;同時針對類似細長桿的特點在熱處理過程中,尤其在滲碳工序中控制其彎曲變形(全長跳動≤0.3mm)。材質(zhì)有普通與高精兩種。用普通材質(zhì),比較經(jīng)濟實惠,質(zhì)量穩(wěn)定,平均使用壽命為四千多鉆米。(3)“液壓鑿巖機-氣動鑿巖機”互動,實施“八五”技術(shù)攻關“類移植”。九十年代初,我們在完成國家“八五”重點科技攻關項目(液壓鑿巖機)中,選取CrNiMo 系低碳高合金鋼制造沖擊活塞,雖然熱處理工藝技術(shù)要點大致同上,但有些工序難于達到預期目標。在參閱國內(nèi)外有關技術(shù)資料的基礎上,多次摸索試驗后終于確定了較優(yōu)的工藝方案。把沖擊活塞的試制件與國外樣品作了全面剖析對比,除心部硬度梯度一項(受設備條件所限)不如國外樣品外,其余皆達到同等水平。在裝機試驗中使用壽命達到2.5萬多鉆米(仍比較完好),得到專家的好評。后來,我們在氣動鑿巖機上也作過攻關技術(shù)“類移植”試驗??紤]到原材料供應和經(jīng)濟成本,尚未推廣。
2.2.2 導套
國內(nèi)外氣動鑿巖機、液壓鑿巖機都有這個基礎零件。其主要功能是支承、導向與密封,對于氣動鑿巖機還有控制“內(nèi)排氣”合理位置的作用。導套的結(jié)構(gòu)形狀雖比較簡單,而它的內(nèi)徑、外徑尺寸精度、形位公差卻要求較高。特別是壓裝到導向體后內(nèi)孔變形、與活塞作相對摩擦運動熱脹變形難于掌控,因此,對摩擦副的間隙難調(diào)控:既要保證性能,具有一定的氣密作用,又要保持其相對運動,不發(fā)生咬合。這不只單純?nèi)Q于內(nèi)徑、外徑尺寸問題,還涉及到選材問題。國內(nèi)外的氣動鑿巖機、液壓鑿巖機的導套材質(zhì)主要有兩種:一種是鋼制的,另一種是青銅件(國外大都是高錫青銅)。八十年代中期在中南大學舉行的一次中外專家技術(shù)交流會上,一位美國專家說過,整體青銅套對于鑿巖機來說并不是很理想的,理由是青銅的熱脹系數(shù)大,預留初始間隙大。青銅易損件,我認為最難之處還在于用戶使用更換后間隙更難掌控,對性能影響大。為了解決此問題,人們一直在追求、探索著。數(shù)十年來我曾先后對不同材質(zhì)和多種結(jié)構(gòu)型式的導套作過試驗,結(jié)果各有利弊,不盡人意。后來,我提出“鋼套+復合處理(減摩層深度0.08~0.12mm)”的技術(shù)新方案。經(jīng)過工業(yè)試驗驗證,使用成效比較顯著。特點是:(1)磨損極小,經(jīng)過兩千多鉆米后還不易檢測出磨損來;(2)內(nèi)孔表面潤滑充分(實現(xiàn)混合雙潤滑);(3)內(nèi)孔表面光滑照人,無研傷、咬合痕跡;(4)由有關青銅與滲碳鋼孔相對活塞摩擦副對比試驗得知,其徑向磨損量約為5:1,因此,本件不再是易損件了,而且使用壽命可以實現(xiàn)以1 頂4。既節(jié)約資源又降低經(jīng)濟成本,還有效提高了產(chǎn)品質(zhì)量。初步看來,本方案較為圓滿,有可取之處,對鑿巖機行業(yè)具有一些現(xiàn)實意義。
2.2.3 青銅件
螺旋母(花鍵套)。之所以把兩件列為同一類,是因為經(jīng)過幾十年的實際觀測,它們的磨損與失效情況差別不大(這與“有閥”的螺旋母有差別)。從1969年起,我在生產(chǎn)中遇到的第一個難題就是它,此后數(shù)十年我便一直在琢磨這個棘手的問題。依傳統(tǒng)習慣國外大都選用高錫青銅,國內(nèi)(可能當年受原蘇聯(lián)影響)都選用錫磷青銅(QSn7-0.2)。我認為前者雖好,但當時國內(nèi)市場無供應,而且經(jīng)濟成本高;后者含磷,不但對其成分、含量要求高(更不能偏析),尤其對冷作(冷拔)再結(jié)晶退火工藝要求嚴格,否則易生(磷共晶)裂紋源發(fā)生斷裂。我們老廠也搞過多年攻關,特別為了“銀牌”產(chǎn)品保質(zhì)量,下過不少功夫。雖有提高,但工藝質(zhì)量難穩(wěn)定,代價太大,經(jīng)濟成本高。而過去生產(chǎn)銅材的洛銅、沈銅φ40mm 以上的冷拔棒材不生產(chǎn),只按行業(yè)標準(HB≤70)供貨。更何況這些馳名老廠早已轉(zhuǎn)產(chǎn)多年!從實際出發(fā),不能不另選材了。在八十年代末,恰巧我們在國家“八五”科技重點攻關項目中用無錫青銅作液壓鑿巖機的釬尾花鍵套,使用效果不錯,未出現(xiàn)裂紋,使用壽命最低的也在1.5萬鉆米,折合到氣動鑿巖機零件(花鍵套)失效極限使用壽命約為六七千鉆米(這是依據(jù)之一)。于是選用它作為螺旋母的材料,考慮實際情況,攻關第一步把材料(零件)硬度初定為中硬(HB=150)。在2010年批量投入前先后做過兩次工業(yè)性試驗,平均使用壽命分別為2160和2643 鉆米。從投入使用的約2 千多件來看,用戶反映正常??上驳氖窃摬馁|(zhì)在使用中從未出現(xiàn)裂紋和開裂現(xiàn)象,這與原QSn7-0.2 相比有很大改變,裂紋、斷裂問題得到了基本解決。至于進一步提高強硬度問題,可通過熱處理調(diào)控實現(xiàn)(這是依據(jù)之二)。由于攻關觸動了供應鏈上的利益,遭到了某些人的抵制和干擾,使我(全自費攻關)損失不小。得到寬慰的是攻關第一步目標——零件不裂、不斷,具有一定的耐磨性還是達到了。下一步攻關目標是在此基礎上提高使用壽命。當時的設想是通過調(diào)整工藝提高零件的強度、硬度(達到“八五”攻關水平),本有望實現(xiàn),后來情況發(fā)生變化,后續(xù)攻關暫停。我回憶早年(八十年代)曾經(jīng)對螺旋摩擦副作過研討、探索,氣動鑿巖機屬沖擊回轉(zhuǎn)類產(chǎn)品,根據(jù)剛體轉(zhuǎn)動力學與達朗貝爾原理,在回轉(zhuǎn)運動中會引起質(zhì)量增量和質(zhì)量增大系數(shù),它與摩擦副材質(zhì)密切相關,且直接影響產(chǎn)品性能。因此,在確定下一步攻關目標時,應把摩擦系數(shù)最小納入優(yōu)選考慮之列。經(jīng)檢索發(fā)現(xiàn),恰有一種強度高、減摩性好的材料是目前國內(nèi)高錫耐磨青銅的代用品。后續(xù)的攻關升級目標是改善性能、穩(wěn)定提高使用壽命、有效降低經(jīng)濟成本。可以預計,長期以來困擾市場的問題,有望獲得解決。
“一創(chuàng)新”是改變潤滑方式,把傳統(tǒng)的“油氣混合”變?yōu)橛蜌夥珠_,油不進入氣缸體,實現(xiàn)排氣無油霧,使產(chǎn)品轉(zhuǎn)變?yōu)椤肮?jié)能、環(huán)保”型。
為什么要改變傳統(tǒng)的潤滑方式實現(xiàn)排氣無油霧?根據(jù)有以下五點:
(1)是建設“兩型”社會的需要,是環(huán)保與生態(tài)文明的要求;
(2)國外金屬礦山對空氣中含油量有比較嚴格的要求,并制定了標準,規(guī)定為5 mg/m3;
(3)不少國內(nèi)外專家、學者認為傳統(tǒng)的潤滑方式(油氣混合)不但污染環(huán)境且有浪費資源之嫌(有的幾乎快把潤滑油充當動力介質(zhì)了);
(4)實踐證明,排氣無油霧對作業(yè)施工質(zhì)量、安全、勞動保護都有利;
(5)是國內(nèi)礦山、工程作業(yè)工人的迫切要求與強烈呼聲。
排氣無油霧有以下特色:
(1)把氣缸(體)設置為無油區(qū),氣缸不進油,排氣無油霧,并由此帶來一系列變革(優(yōu)越性);
(2)耗油量大大減少,可節(jié)省3/4~4/5;
(3)取消了注油器(只需利用零件空間設儲油室);
(4)作業(yè)班中一般不需再加油;萬一要加油,也只停機不停氣,簡便多了。
(5)對作業(yè)施工的質(zhì)量、安全、勞動保護都有利;
(6)氣缸孔表面無摩擦、不磨損。
應注意把握好三個環(huán)節(jié):
(1)從設計、制造上提供活塞尾桿正常(又不過量)的潤滑是前提、是關鍵,其中還有一個難點是對油量的掌控和超微小孔加工問題,我們是在北京外協(xié)解決的。一般前、后油室有效容積為60-70,25-30 毫升為宜;前、后油室的節(jié)流超微小孔為0.15-0.2 與0.1 mm 左右;
(2)做好班前的三處加油(除前、后油室外,在裝接氣管時,不要忘了往進氣彎管注入少許油,約十多毫升);
(3)判別是否缺油的方法要作相應改變:應把手掌置于機頭前。
本產(chǎn)品除了節(jié)能省氣外,還可節(jié)省大量潤滑油、省去注油器、易損件少、釬具損耗較少。為此我申報的第2個發(fā)明專利是“無油霧、節(jié)能、低耗”型氣腿式鑿巖機,2016年7月經(jīng)國家批準授權(quán),專利號:201410181797.X。
上述技術(shù)原理亦適用于其它無閥配氣型氣動鑿巖機。