何小宏 张凤琴 时林
（山东天瑞重工有限公司 山东 潍坊 261041）
摘要：本文在参考经验公式的基础上，构建了配气间隙与潜孔冲击器气体泄漏量之间的关系，并通过制造试验样机的方法得到了配气间隙与凿岩速度的关系。利用MATLAB对潜孔冲击器的工作状态进行动力学仿真，得到了不同配气间隙时冲击器的性能变化情况。
潜孔冲击器广泛应用于基建地锚、锚索固定、矿山爆破等作业。潜孔冲击器结构简单，便于制造使用和维护，且能在多种复杂地质层中正常使用，并且具有互换性，可在多种钻机上使用。凭借以上优点，潜孔冲击器广泛应用于多个行业领域。
1、潜孔冲击器配气间隙对活塞运动的影响
潜孔冲击器配气间隙对活塞运动的影响主要表现在：当间隙过小时，活塞运动阻力增大，潜孔冲击器机械效率降低，甚至发生研缸、闷车和零件磨损等问题；当间隙过大时，工作气室与非工作气室之间会发生严重的窜气现象，使得高压气体大量泄漏，工作气室压力下降，活塞受力面积减小，进而在增大了耗气量的同时降低了冲击器性能。
2、气体泄漏量的计算方法
经潜孔冲击器气缸与活塞的配气间隙而泄露的压缩空气，因间隙及压力差较小，因此可近似地利用水力学的公式计算： (1)。将（1）式中参数的单位转化成潜孔冲击器设计中常用的单位，可得到下式： （2）。（2）式为气缸与活塞同心时的气体泄漏量计算方法，当活塞与气缸发生偏心时，泄漏量将增大，最大可达2.5倍。以TRC55G型潜孔冲击器为例，可以得出：。通过活塞气缸间隙的压缩气体泄漏量如表1；活塞和导向套的间隙泄露情况也按同样方法计算，可得表表1和表2中的总耗气量通过气动冲击器性能参数检测台获得。上表数据不包括通过排气孔和其他间隙的泄漏量。
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从上面的计算实例可以看出，压缩气体泄漏量与配气间隙的三次方成正比，即配气间隙每增大一倍，气体泄漏量将增大八倍；当配气间隙为0.1mm时，压缩气体泄漏量占总耗气量的4.7%左右，当间隙增大到0.2mm时，气体泄漏量将占总耗气量的31%左右。工作气室漏气现象的发生使得工作气室压力下降，潜孔冲击器的冲击功、冲击频率显著下降，同时耗气量显著上升，工作效率大打折扣。
3、凿岩速度试验
使用潜孔冲击器进行试验，通过逐步磨削活塞直径的办法，逐步改变配气间隙值。通过统计凿岩15分钟后的钻孔深度探究配气间隙对潜孔冲击器凿岩速度的影响。经过多次重复实验，得到如下曲线。
从图中可以看出：当配气间隙大于0.1mm时，凿岩速度会有较明显的降低；当配气间隙小于0.06mm时，凿岩速度有明显降低。当配气间隙在0.06~0.1mm之间时，潜孔冲击器的性能最佳。
4、潜孔冲击器冲击器性能仿真
4.1 仿真模型的假设
根据潜孔冲击器的工作原理和具体结构尺寸建立活塞运动微分方程，从而建立起冲击器仿真模型。但由于真实工作条件下情况复杂，因此要在保持一定精度的前提下对工况进行适当简化，因此作出如下假设：（1）工作气体为理想气体，冲击器内气体的变化过程为绝热过程；（2）气腔封闭时气体的膨胀或压缩过程视作气体的绝热过程；（3）将经由活塞与外缸塞与导向套间隙的泄露量占总耗气量的百分比和活塞运动过程中的压力损失视为线性关系；（4）活塞与内外缸之间的滑动摩擦力忽略不计。
4.2 活塞的动力学微分方程
活塞的加速度方程：(1)。(2)活塞速度方程：。（3）。（4）气体状态方程：；（5）气体流动方程：。记临界压力比为ε，则有：。
（6）气体能量平衡方程：；气室内气体温度平衡方程为：
。（7）动量守恒方程为：；
。（8）瞬时气室压力损失方程：
4.3 仿真分析
以活塞碰撞钻头的位置为起点，以活塞回程方向为正方向，初始压力为2.2MPa，气体温度333K，气源密度23.02kg/m3，时间步长为0.006ms，活塞质量为15.86kg，进行动力学仿真，统计不同配气间隙下潜孔冲击器的冲击末速度、冲击能和较无间隙时的冲击能占比，得到下表：
表3 潜孔冲击器配气间隙与气体泄漏和性能数据统计表
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4.4 结果分析
由仿真数据得到，潜孔冲击器配气间隙为0.10mm时，冲击末速度约为11.405m/s，冲击能损失约为3.6%，若考虑摩擦阻力等因素损失会更大。当配气间隙为0.155mm时，冲击末速度为10.5m/s，此时冲击能损失约为20%，随着配气间隙不断增大，冲击能损失不断增大。
5、结论
潜孔冲击器的配气间隙与活塞、内缸、外缸的制造精度有密切关系。为了尽可能减少气体泄漏量，应减小配气间隙，其间隙的最小极限取决于零件的尺寸公差与形位公差（圆柱度、同轴度）。但较小的配气间隙会带来一些不良影响，如装配困难、装配过程中易损坏配合面、活塞运动过程中发生研缸等故障。同时，间隙较小时的形位精度误
差会对潜孔冲击器造成如下影响：（1）使活塞运动阻力增大，降低了机械效率；（2）不能发挥小间隙的阻止气体泄露作用。（3）形位精度不良会造成活塞偏心，增大了泄露系数k，使得同等间隙下泄漏量增大。
当选用的间隙过大时，工作气室内的高压气体经过配气间隙泄漏到非工作气室内，使工作气室压力急剧下降，冲击器效率显著降低。另外，较大的间隙使活塞在运动过程中易发生偏斜，会使气缸表面发生磨损，同时增大活塞运动阻力。综合凿岩速度曲线和对潜孔冲击器活塞动力学仿真的数据，当潜孔冲击器配气间隙在0.06~0.10mm时，潜孔冲击器的性能最好。
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参考文献
[1] 张国忠.气动冲击设备及其设计[M].1.机械工业出版社, 1991.
[2] 江涛,李锻能.基于仿真计算的气动潜孔冲击器性能分析[J].机床与液压, 2010(3).
[3] 吕 闯,甘海仁.潜孔冲击器动力学实验研究[J].金属材料与冶金工程, 2012(40).