落錘標(biāo)定系統(tǒng)研究

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(jī)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(dòng)態(tài)標(biāo)定的目的和原理

釬鋼在實(shí)際工作和高頻試驗(yàn)中的應(yīng)力歷程均是隨時(shí)間快速變化的動(dòng)態(tài)應(yīng)力，其測(cè)試均需在動(dòng)態(tài)應(yīng)力試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行。為了確定動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)試輸出量化值n（一般為電壓）所代表的應(yīng)力值必須對(duì)同一試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，即測(cè)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(dòng)態(tài)應(yīng)力試驗(yàn)中，根據(jù)測(cè)試得出的實(shí)際量化值nT,乘以標(biāo)定系數(shù)，即可得到試驗(yàn)動(dòng)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(dòng)態(tài)應(yīng)力特征（幅值及其波形）應(yīng)盡量接近真實(shí)應(yīng)力特征。在釬鋼動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)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(cè)桿，給出其產(chǎn)生最大應(yīng)力的計(jì)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(yàn)臺(tái)

圖1 落錘試驗(yàn)臺(tái)的兩種形式

在釬鋼試驗(yàn)中，常用的落錘試驗(yàn)臺(tái)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(diǎn)，對(duì)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(jī)構(gòu)，使用和更換試件方便,但需要人工對(duì)中，對(duì)中性稍差，考慮我們?cè)囼?yàn)時(shí)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(dòng)態(tài)試驗(yàn)中，一般采用和試件等直徑（斷面波動(dòng)慣量相等）的落錘進(jìn)行標(biāo)定，此時(shí)釬桿試件入射應(yīng)力波為矩形波。測(cè)試最大應(yīng)力波可有波頂多個(gè)采樣點(diǎn)用統(tǒng)計(jì)方法準(zhǔn)確地獲得，此時(shí)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(dòng)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(jìn)行標(biāo)定，此時(shí)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(yàn)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(jì)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(shí)際工作中與（鑿巖機(jī)）沖擊能相當(dāng)；同時(shí)，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(shí)。

（2）由于我們按一維波動(dòng)方程計(jì)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(cè)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(duì)入射波的影響，保證測(cè)試結(jié)果的正確。由于試件為l=400mm～500mm，這一點(diǎn)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(tái)式結(jié)構(gòu)，由細(xì)長的桿體和兩個(gè)凸臺(tái)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(gè)凸臺(tái)的外徑和導(dǎo)管內(nèi)徑相匹配，用于落錘的導(dǎo)向，臺(tái)寬Lp盡量取窄（Lp=12mm），并做成齒形，以減少其波動(dòng)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(dá)式：

式中σRi——?jiǎng)傮w活塞撞擊釬桿（試件）產(chǎn)生的最大應(yīng)力值：

落錘為雙臺(tái)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(jì)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(diǎn)：

1.入射應(yīng)力為一階梯波，其各階持續(xù)時(shí)間為應(yīng)力波在臺(tái)部往返傳播的時(shí)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(gè)臺(tái)部透反射的結(jié)果，出現(xiàn)兩次應(yīng)力峰值，兩個(gè)尖峰的間隔時(shí)間為應(yīng)力波在兩個(gè)臺(tái)間的往返傳播時(shí)間：

△tp2=9.△tp1=42.35μs

兩個(gè)峰值間的波值系數(shù)，亦近于0.5，這是由于兩臺(tái)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(shì)。

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(shí)間：

tp=20.△tp1=94.12μs

較無臺(tái)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?jī)H占入射波蘊(yùn)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(huì)構(gòu)成疊加，即使有少許疊加，亦不會(huì)對(duì)測(cè)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(tái)/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(tái)/柄界面的反射，但由于它到達(dá)試件之前，再次經(jīng)過了前部臺(tái)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(yàn)工作

5.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

（1）驗(yàn)證動(dòng)態(tài)標(biāo)定系統(tǒng)的可行性；

（2）比較兩種落錘的測(cè)試結(jié)果，分析落錘長度對(duì)動(dòng)態(tài)標(biāo)定結(jié)果的影響；

（3）通過對(duì)測(cè)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(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果

每種落錘分別采用存儲(chǔ)示波器和波形存儲(chǔ)器測(cè)試5次，試驗(yàn)一般采用存儲(chǔ)示波器，采用波形存儲(chǔ)器的原因是為了便于和以往的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。兩種落錘的測(cè)試結(jié)果見表1：

表1 標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果

（1）試驗(yàn)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(yàn)最大波值系數(shù)的確定

圖4 試驗(yàn)入射應(yīng)力波形

試驗(yàn)放大的入射應(yīng)力波形如圖4所示：

驗(yàn)波形持續(xù)時(shí)間105μs略長于波形理論持續(xù)時(shí)間，這是由于波形受放大器通頻的影響，進(jìn)一步彌散的原因。

試驗(yàn)波形中已看不到理論波形的兩個(gè)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(shí)，信號(hào)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(hào)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(shí)間約為100。峰值持續(xù)時(shí)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(yàn)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(duì)于具有窄臺(tái)的落錘可以不考慮窄臺(tái)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(shí)的標(biāo)定應(yīng)力：

根據(jù)表3的測(cè)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(jìn)行比較（表3）

表3表明：鋼管導(dǎo)向柄臺(tái)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(jìn)行的試驗(yàn)研究表明：建立鋼管導(dǎo)向，柄臺(tái)落錘試驗(yàn)裝置和測(cè)試系統(tǒng)可以滿足進(jìn)行高頻試驗(yàn)研究動(dòng)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(yàn)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(duì)入射波的疊加影響。

3、柄臺(tái)落錘理論入射應(yīng)力波出現(xiàn)的兩個(gè)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(shí)，可以忽略窄臺(tái)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(yàn)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(jìn)動(dòng)力學(xué)[M].冶金工業(yè)出版社,1996.

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