羅雪蓮，倪俊芳

（ 蘇州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215021 ）

0 引言

電錘由電機(jī)組件、傳動(dòng)組件、沖擊組件和電子控制組件等部分組成，其壽命及可靠性受制于最薄弱的部分，包括硬件和軟件。電錘可靠性是指電錘在規(guī)定的條件下、在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力。電錘的可靠性可以分為：功能可靠性，性能可靠性和安全可靠性[1]。新型電錘進(jìn)入批量生產(chǎn)之前，都必須進(jìn)行一系列的試驗(yàn)。電錘測試的最終目的是得到其使用壽命及失效形式，找到產(chǎn)品薄弱環(huán)節(jié)[2]。其中，鑿擊實(shí)用性試驗(yàn)是重要環(huán)節(jié)之一，需要在混凝土上實(shí)施鉆孔、破碎等動(dòng)作以模擬實(shí)際應(yīng)用場景，借此綜合評(píng)估電錘的壽命及可靠性。該過程中需要消耗大量混凝土塊，測試成本高，試驗(yàn)周期長。本文以C30和C40混凝土為例，進(jìn)行了一系列的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究其強(qiáng)度對(duì)電動(dòng)工具產(chǎn)品可靠性測試的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)采用中聯(lián)產(chǎn)P．O42．5級(jí)普通硅酸鹽水泥、 S95級(jí)礦粉和Ⅰ級(jí)粉煤灰摻合料、5mm～10mm連續(xù)級(jí)配天然碎石、0mm～3mm河砂（河砂屬于Ⅱ區(qū)中沙，細(xì)度模數(shù)2．5，含泥量0．4%）。外加劑采用PT-IV聚羧酸高性能減水劑，試驗(yàn)用水采用生活飲用水?；炷猎嚰?biāo)號(hào)為C30細(xì)石混凝土和C40細(xì)石混凝土。表1為試驗(yàn)用基準(zhǔn)材料配合比例。

表1 試驗(yàn)用基準(zhǔn)配合比（kg/m3）

混凝土立方體試塊尺寸為150mm× 150mm×150mm，立方體抗壓強(qiáng)度按照《普通混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T50081-2019）進(jìn)行測試[3]。C30軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為14．3N/mm2，C40軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為19．1N/mm2。C30軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為20．1N/mm2，C40軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為26．8N/mm2。鑿擊試驗(yàn)用的C30和C40細(xì)石混凝土尺寸為200mm×500mm× 1000mm．

1.2 試驗(yàn)方案

為保證對(duì)比試驗(yàn)準(zhǔn)確性，試驗(yàn)采用某型號(hào)5kg手持式旋轉(zhuǎn)無繩電錘，9Ah電池包，分別選用Φ25，Φ32鉆頭和25mm平鑿進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)，鉆孔深度為200mm。

測試所用鉆頭采用同一品牌同一批次，由操作者分別在C30和C40混凝土材料做相同的工作鉆孔和破碎工作。對(duì)工具作業(yè)在兩種材料上的工作電流，電池包放電時(shí)間，熱應(yīng)力以及使用過程中工具主體及手柄處振動(dòng)、實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部測試和用戶實(shí)際測試的失效時(shí)間進(jìn)行對(duì)比。

2 試驗(yàn)比對(duì)

2.1 電流

測試中，同一個(gè)操作人員使用同一臺(tái)電錘，分別在C30和C40水泥塊上進(jìn)行鉆孔和破碎作業(yè)。技術(shù)人員用示波器記錄電錘在不同材料以及不同工況時(shí)的電流，每一個(gè)應(yīng)用完成一個(gè)滿充電池的放電，記錄單電池包實(shí)際應(yīng)用時(shí)間，記錄單電池包應(yīng)用在不同材料上的電流曲線。圖1和圖2分別為在C30和C40材料上鉆孔（Φ25×200mm）獲得的電流曲線，圖3和圖4分別在C30和C40材料上鉆孔（Φ32×200mm）獲得的電流曲線，圖5和圖6分別為在C30和C40材料上以25mm平鑿進(jìn)行破碎工作獲得的電流曲線。

根據(jù)抓取的數(shù)據(jù)計(jì)算出每種應(yīng)用的單孔平均電流，時(shí)間和單個(gè)電池包放電時(shí)間見表2。從表3的整理結(jié)果來看，C30在鉆孔時(shí)間上高于C40，二者在工作電流和單個(gè)電池包的放電時(shí)間上基本一致。

2.2 溫度

采用J型熱電偶專用AB膠將熱電偶貼附在待測電錘上，溫度測量點(diǎn)選擇電錘的內(nèi)部關(guān)鍵部位、發(fā)熱量大的部位以及電子模塊和電錘的外表面，主要有電機(jī)、齒輪箱、夾頭、頭殼、氣缸、電池接口、控制電路板關(guān)鍵零件[4-5]。為保證測試數(shù)據(jù)具有可比性，定義一個(gè)實(shí)用性測試程序，如：

1）鉆孔Φ25×200mm 10個(gè)；

2）破碎材料10min；

3）鉆孔Φ28×200mm 10個(gè)；

4）破碎材料10min；

5）鉆孔Φ32×200mm 10個(gè)；

6）破碎材料10min。

對(duì)比測試由同一工人，同一臺(tái)電錘，分別在C30和C40上，按照以上的實(shí)用測試程序進(jìn)行循環(huán)操作，持續(xù)運(yùn)行四個(gè)周期，在工具測試運(yùn)行過程中，通過熱電偶監(jiān)控測試過程中相關(guān)部件和位置的溫度。監(jiān)測C30和C40溫度曲線如圖7、圖8所示。

表2 混凝土鑿擊實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從曲線上來看在兩種材料測試對(duì)工具產(chǎn)生的熱應(yīng)力趨勢基本一致，通過記錄的曲線整理出了兩種材料上各個(gè)測量點(diǎn)最高溫度值，見表3和表4。表中可見在C40上的測試整體溫度較C30高2℃～3℃，整機(jī)的最高溫度在主機(jī)箱、氣缸和夾頭位置，該溫度變化和溫度的最高值在實(shí)用性測試中是可以接受的范圍。

表3 C30各測量點(diǎn)最高溫度值（℃）

表4 C40各測量點(diǎn)最高溫度值（℃）

2.3 振動(dòng)

采用2組3軸的振動(dòng)傳感器，一組貼附在主手柄處，一組貼附在機(jī)器頭殼部分，如圖9所示，分別進(jìn)行鉆孔測試和破壞測試。

試驗(yàn)參照EN60745-2-6手持式電動(dòng)工具 安全 電錘的特殊要求操作和取值[6]，由操作人員分別在C30和C40上操作，由傳感器接收三個(gè)軸向振動(dòng)值，整理數(shù)據(jù)見表5。

表5 C30/C40振動(dòng)試驗(yàn)

表5中可見，主機(jī)外殼部分在C40上鉆孔時(shí)的振動(dòng)值偏高，而在手柄處的振動(dòng)值卻較低，這是由于在手柄結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)了減震彈簧，所以即使工具本體振動(dòng)略有增加，但手柄處的振動(dòng)并不受影響，相反存在一定的減少。對(duì)于破碎測試，由于應(yīng)用破壞材料，其破碎方向以及反饋受較多因素影響，存在較大不穩(wěn)定性，所以破碎應(yīng)用振動(dòng)值僅供參考。振動(dòng)測試的不確定度為2．5m/s2，通過比較可知，主機(jī)在C40上的振動(dòng)值略高，該結(jié)果在實(shí)際測試中也在許可范圍內(nèi)。

2.4 綜合對(duì)比

將同一批次電錘，分別交于實(shí)際用戶使用，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，收集得到的測試失效形式和平均失效時(shí)間見表6。

表6 失效形式和平均失效時(shí)間

在失效形式方面，實(shí)驗(yàn)室用C40的模擬測試與實(shí)際用戶使用結(jié)果基本一致。實(shí)際用戶的使用情況多變且復(fù)雜，如使用過程中，因?qū)嶋H工程需要打孔的方向，水泥中的加固鋼筋，各地的溫度條件等，而實(shí)驗(yàn)室的模擬測試都按照固定的流程和要求操作，環(huán)境溫度可控，測試條件相對(duì)固定，所以，實(shí)驗(yàn)室測試時(shí)未發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇軸承失效，平均失效時(shí)間也較實(shí)際用戶的失效更久。由此可見，采用C40材料對(duì)于實(shí)驗(yàn)室開展電錘模擬實(shí)用性實(shí)驗(yàn)是可行和有效的，可較好地幫助工程人員在工具產(chǎn)品開發(fā)階段發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷。

2.5 材料用量對(duì)比

在實(shí)用性測試中，以測試目標(biāo)為100h來比較相應(yīng)材料消耗量：以Φ25×200mm孔為例，查表2中在C30和C40上的單孔時(shí)間為28．11s和47．71s，孔數(shù)分別為12806和7547，采用C40替代C30，材料使用量可減少約41%；以Φ32×200mm孔為例，查表2中在C30和C40上的單孔時(shí)間為46．82s和98．73s，孔 數(shù) 分 別 為7689和3646，采用C40水泥塊替代C30，材料使用量可減少約53%。C40市場價(jià)格高于C30約15%，推算可知測試材料成本將由此減少30%左右。

3 結(jié)語

通過對(duì)兩種混凝土型號(hào)C30和C40的鉆削試驗(yàn)，分析混凝土強(qiáng)度對(duì)電錘鉆孔時(shí)的電流曲線，溫度特征曲線、振動(dòng)以及失效時(shí)間的影響，確定采用C40替代C30進(jìn)行實(shí)用性模擬測試能夠顯著減少混凝土材料成本。在減少混凝土用量的同時(shí)可降低實(shí)驗(yàn)材料存貯空間以及綜合測試成本，在實(shí)際應(yīng)用中取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。