混凝土强度对电锤可靠性测试的影响及对比分析

罗雪莲，倪俊芳

（ 苏州大学 机电工程学院，江苏 苏州 215021 ）

0 引言

电锤由电机组件、传动组件、冲击组件和电子控制组件等部分组成，其寿命及可靠性受制于最薄弱的部分，包括硬件和软件。电锤可靠性是指电锤在规定的条件下、在规定的时间内完成规定功能的能力。电锤的可靠性可以分为：功能可靠性，性能可靠性和安全可靠性[1]。新型电锤进入批量生产之前，都必须进行一系列的试验。电锤测试的最终目的是得到其使用寿命及失效形式，找到产品薄弱环节[2]。其中，凿击实用性试验是重要环节之一，需要在混凝土上实施钻孔、破碎等动作以模拟实际应用场景，借此综合评估电锤的寿命及可靠性。该过程中需要消耗大量混凝土块，测试成本高，试验周期长。本文以C30和C40混凝土为例，进行了一系列的对比实验，研究其强度对电动工具产品可靠性测试的影响。

1 试验设计

1.1 试验材料

试验采用中联产P．O42．5级普通硅酸盐水泥、 S95级矿粉和Ⅰ级粉煤灰掺合料、5mm～10mm连续级配天然碎石、0mm～3mm河砂（河砂属于Ⅱ区中沙，细度模数2．5，含泥量0．4%）。外加剂采用PT-IV聚羧酸高性能减水剂，试验用水采用生活饮用水。混凝土试件标号为C30细石混凝土和C40细石混凝土。表1为试验用基准材料配合比例。

表1 试验用基准配合比（kg/m3）

混凝土立方体试块尺寸为150mm× 150mm×150mm，立方体抗压强度按照《普通混凝土物理力学性能试验方法标准》（GB/T50081-2019）进行测试[3]。C30轴心抗压强度设计值为14．3N/mm2，C40轴心抗压强度设计值为19．1N/mm2。C30轴心抗压强度标准值为20．1N/mm2，C40轴心抗压强度标准值为26．8N/mm2。凿击试验用的C30和C40细石混凝土尺寸为200mm×500mm× 1000mm．

1.2 试验方案

为保证对比试验准确性，试验采用某型号5kg手持式旋转无绳电锤，9Ah电池包，分别选用Φ25，Φ32钻头和25mm平凿进行应用试验，钻孔深度为200mm。

测试所用钻头采用同一品牌同一批次，由操作者分别在C30和C40混凝土材料做相同的工作钻孔和破碎工作。对工具作业在两种材料上的工作电流，电池包放电时间，热应力以及使用过程中工具主体及手柄处振动、实验室内部测试和用户实际测试的失效时间进行对比。

2 试验比对

2.1 电流

测试中，同一个操作人员使用同一台电锤，分别在C30和C40水泥块上进行钻孔和破碎作业。技术人员用示波器记录电锤在不同材料以及不同工况时的电流，每一个应用完成一个满充电池的放电，记录单电池包实际应用时间，记录单电池包应用在不同材料上的电流曲线。图1和图2分别为在C30和C40材料上钻孔（Φ25×200mm）获得的电流曲线，图3和图4分别在C30和C40材料上钻孔（Φ32×200mm）获得的电流曲线，图5和图6分别为在C30和C40材料上以25mm平凿进行破碎工作获得的电流曲线。

根据抓取的数据计算出每种应用的单孔平均电流，时间和单个电池包放电时间见表2。从表3的整理结果来看，C30在钻孔时间上高于C40，二者在工作电流和单个电池包的放电时间上基本一致。

2.2 温度

采用J型热电偶专用AB胶将热电偶贴附在待测电锤上，温度测量点选择电锤的内部关键部位、发热量大的部位以及电子模块和电锤的外表面，主要有电机、齿轮箱、夹头、头壳、气缸、电池接口、控制电路板关键零件[4-5]。为保证测试数据具有可比性，定义一个实用性测试程序，如：

1）钻孔Φ25×200mm 10个；

2）破碎材料10min；

3）钻孔Φ28×200mm 10个；

4）破碎材料10min；

5）钻孔Φ32×200mm 10个；

6）破碎材料10min。

对比测试由同一工人，同一台电锤，分别在C30和C40上，按照以上的实用测试程序进行循环操作，持续运行四个周期，在工具测试运行过程中，通过热电偶监控测试过程中相关部件和位置的温度。监测C30和C40温度曲线如图7、图8所示。

表2 混凝土凿击实验结果

从曲线上来看在两种材料测试对工具产生的热应力趋势基本一致，通过记录的曲线整理出了两种材料上各个测量点最高温度值，见表3和表4。表中可见在C40上的测试整体温度较C30高2℃～3℃，整机的最高温度在主机箱、气缸和夹头位置，该温度变化和温度的最高值在实用性测试中是可以接受的范围。

表3 C30各测量点最高温度值（℃）

表4 C40各测量点最高温度值（℃）

2.3 振动

采用2组3轴的振动传感器，一组贴附在主手柄处，一组贴附在机器头壳部分，如图9所示，分别进行钻孔测试和破坏测试。

试验参照EN60745-2-6手持式电动工具 安全 电锤的特殊要求操作和取值[6]，由操作人员分别在C30和C40上操作，由传感器接收三个轴向振动值，整理数据见表5。

表5 C30/C40振动试验

表5中可见，主机外壳部分在C40上钻孔时的振动值偏高，而在手柄处的振动值却较低，这是由于在手柄结构上设计了减震弹簧，所以即使工具本体振动略有增加，但手柄处的振动并不受影响，相反存在一定的减少。对于破碎测试，由于应用破坏材料，其破碎方向以及反馈受较多因素影响，存在较大不稳定性，所以破碎应用振动值仅供参考。振动测试的不确定度为2．5m/s2，通过比较可知，主机在C40上的振动值略高，该结果在实际测试中也在许可范围内。

2.4 综合对比

将同一批次电锤，分别交于实际用户使用，产生的数据与实验室数据进行比对，收集得到的测试失效形式和平均失效时间见表6。

表6 失效形式和平均失效时间

在失效形式方面，实验室用C40的模拟测试与实际用户使用结果基本一致。实际用户的使用情况多变且复杂，如使用过程中，因实际工程需要打孔的方向，水泥中的加固钢筋，各地的温度条件等，而实验室的模拟测试都按照固定的流程和要求操作，环境温度可控，测试条件相对固定，所以，实验室测试时未发现风扇轴承失效，平均失效时间也较实际用户的失效更久。由此可见，采用C40材料对于实验室开展电锤模拟实用性实验是可行和有效的，可较好地帮助工程人员在工具产品开发阶段发现设计缺陷。

2.5 材料用量对比

在实用性测试中，以测试目标为100h来比较相应材料消耗量：以Φ25×200mm孔为例，查表2中在C30和C40上的单孔时间为28．11s和47．71s，孔数分别为12806和7547，采用C40替代C30，材料使用量可减少约41%；以Φ32×200mm孔为例，查表2中在C30和C40上的单孔时间为46．82s和98．73s，孔 数 分 别 为7689和3646，采用C40水泥块替代C30，材料使用量可减少约53%。C40市场价格高于C30约15%，推算可知测试材料成本将由此减少30%左右。

3 结语

通过对两种混凝土型号C30和C40的钻削试验，分析混凝土强度对电锤钻孔时的电流曲线，温度特征曲线、振动以及失效时间的影响，确定采用C40替代C30进行实用性模拟测试能够显著减少混凝土材料成本。在减少混凝土用量的同时可降低实验材料存贮空间以及综合测试成本，在实际应用中取得较好的经济效益和社会效益。