（机械设计及理论专业论文）凿岩系统钎杆接头能量传递特性研究.pdf

摘要 论文在冲击凿岩理论的基础上，首先运用波动力学等相关理论建 立了凿岩机的力学模型，推导了凿岩冲击系统的动力学方程，得出了 冲击系统的击入量和效率，分析了冲击系统与工作介质的动态匹配关 系；在分析钎杆结构对其抗疲劳寿命的影响的基础上，分别对螺旋副 连接柱面承载结构和传统承载结构进行了研究，研究表明前者具有能 量传递效率高抗疲劳寿命性能好等特点，为高效长寿命钎杆的研制开 辟了新的途径；研究了钎杆接头对应力波的传递特性，发展了 l u n d e r b e r g 关于钎杆接头刚性模型的工作，给出了综合考虑接头的弹 性、刚性、和阻尼等特征的钎杆接头的s d m 模型，对接头的动力特 性作了更确切全面的描述；分析了在给定入射波波长和给定应力波传 递特性的情况下，通过钎杆接头能量传递效率最高的应力波，对比了 最优入射波与通常采用的矩形入射波的传递效率，可以看出其差值相 当小；最后对应力波通过接头的传递特性进行了实验研究，研究结果 有力地验证了理论分析的正确性。 本论文的研究成果不仅可以为冲击凿岩系统及凿岩钎具的设计 提供一定的理论和实验基础，而且对加快采掘工业的发展和工作效率 的提高也有较大的参考价值。 关键字冲击凿岩，柱面承载，钎杆接头，应力波，传递特性 a bs t r a c t o nt h eb a s i so f t h e o r yo ft h ep e r c u s s i v ed r i l l i n gi nt h i sp a p e r f i r s to f a l l ，i th a se s t a b l i s h e dt h em e c h a n i c a lm o d e lo ft h er o c kd r i l l i n gm a c h i n e u s i n gt h er e l e v a n tt h e o r i e so fw a v em e c h a n i c sa n d s oo n ，a n dd e r i v e dt h e w a v ek i n e t i ce q u a t i o n so ft h eh y d r a u l i cr o c kd r i l l i n gs y s t e m a n dt h e n ，i t p r e s e n t s t h ep e n e t r a t i o na n de f f i c i e n c yo ft h e i m p a c ts y s t e m sa n d a n a l y s e st h em a t c h i n gr e l a t i o n s h i p su n d e rd y n a m i cc o n d i t i o nb e t w e e nt h e i m p a c ts y s t e m sa n dw o r k i n gm e d i as y s t e m a t i c a l l y p u t t i n gf o r w a r dad r i l l r o ds t r u c t u r ew i t ht h ef o r c ea d a p t e dt ot h ed r i l lr o d ，b a s e do nt h ea n a l y s i s o fi m p a c to ft h ed i l lr o ds t r u c t u r eo fi t sa n t i - f a t i g u el i f e ，w h i c ha d o p t sa s t r u c t u r eo fs c r e w p a i rj o i n t i n g ，l o a d b e a r i n gc y l i n d e ra n dt h i n w a l lt u b e t h ec h a r a c t e r i s t i co fp r o p o s e dr o di sh i g he n e r g yt r a n s f e re f f i c i e n c ya n d g o o da n t i f a t i g u el i f e ，a n dt h u so p e n su pan e ww a yf o rt h ed e v e l o p m e n t o fc h i n a sh i 曲e f f i c i e n c yl o n gl i f er o d s e c o n d l y , r e s e a r c ho nt h es t r e s sw a v et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h er o dj o i n ti sa l s oi n c l u d e di nt h i sp a p e r i th a sa d v a n c e dl u n d b e r g s w o r ko fr i g i dm o d e l g i v i n gs y n t h e t i c a lc o n s i d e r a t i o nt oj o i n t se l a s t i c i t y , r i g i d n e s s ，a n dd a m p i n ge t c ，w eh a v ee s t a b l i s h e dt h er o ds d mm o d e l ，a n d g i v e n m o r ep r e c i s ea n do v e r a l l d e s c r i p t i o n o fr o djo i n t s d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c t h es h a p eo ft h es t r e s sw a v ew i t hm a x i m u me n e r g yt r a n s m i s s i o n e f f i c i e n c yi sa n a l y z e du n d e rt h e s e c i r c u m s t a n c e st h a td u r a t i o no ft h e i n c i d e n tw a v ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i cr e s i s t a n c e sa r eg i v e n t h e nt h e e n e r g yt r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c yo f t h eo p t i m u mi n c i d e n tw a v ei sc o m p a r e d w i t ht h a to b t a i n e df r o mar e c t a n g u l a ri n c i d e n tw a v ew h i c hi su s u a l l yu s e d i ti ss e e nt h a tt h e i rd i f f e r e n c e sa r ev e r ys m a l l f i n a l l y , t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so fs t r e s sw a v et r a n s m i s s i o nt h r o u g h t h ejo i n t sh a v eb e e ns t u d i e d ，w h i c hs t r o n g l yp r o v e st h a tt h et h e o r e t i c a l s t u d i e sa r ec o r r e c t f u r t h e r m o r e ，t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i sp a p e rn o to n l yc a np r o v i d e s o m eo ft h et h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a lb a s i sf o r t h e d e s i g no f p e r c u s s i v ed r i l l i n gs y s t e ma n dd r i l lt o o l s ，b u ta l s oc a na c c e l e r a t et h e i i d e v e l o p m e n to fm i n i n gi n d u s t r ya n di m p r o v et h ew o r ke f f i c i e n c y k e y w o r d s ：p e r c u s s i v ed r i l l i n g ，c y l i n d r i c a lb e a r i n g ，r o dj o i n t ，s t r e s sw a v e ， t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c s i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的 地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在在论文中作了明确的说明。 作者签名：王磕 日期：蒸塑年竺月旦日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论 文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文； 学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：监导师签名垄至! 圣日期：亟受年! 啁且日 中南大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外液压冲击器的发展概况 1 1 1 液压冲击器及其优越性 液压冲击机构是现代化采矿作业中广泛采用的高效节能凿岩破碎设备一液 压凿岩机、液压冲击器的主要工作机构。液压冲击器以液体为工作介质，利用冲 击活塞高速往复运动产生的动能冲击钎尾，从而达到破碎岩石的目的。将液压凿 岩机或液压碎石器配备液压支臂、行走机构、回转平台、动力设备及控制装置就 形成了液压凿岩台车或液压碎石机，其中典型的应用形式是将液压碎石器安装在 挖掘机上进行工作。 液压冲击器的出现虽然比气动冲击器要晚，但其不可比拟的技术优越性和高 效性能，在很多重要工作场合已经取代了气动冲击器。其技术优越性大致表现为 以下几个方面： 1 、具有优越的工作性能。液压系统本身具有能量密度大的特点，使用液体 ( 或气液联合体) 作为工作介质，能够使液压冲击器获得较高的冲击力进行冲击 作业。 2 、具有良好的机动性能。由于装配在主机上，能随主机一起运动，不像气 动碎石器那样与空压机连接在一起，常因工作场合的改变而频繁移动。 3 、具有较低的工作噪音。液压冲击器在工作中的噪音仅限于活塞在钎尾上 的冲击声( 这一噪声可通过隔音护套来有效降低) ，因而从根本上改善了工程施 工特别是城市市政建设中的环境保护问题。 4 、具有良好的工作适应性。由于能够在作业范围内的任意半径、任意高度 和角度进行工作。因此，对于操作工人难以达到的地方或难以进行工作的场合， 如清理掌子面、清除高温条件下钢水报及炉体内的炉衬等都能进行安全作业。 5 、具有较高的工作可靠性。只要液压系统的密封设计合理，主要工作部件 的材质和热处理工艺选择得当，液压冲击器将具有较高的工作可靠性和较长的使 用寿命。 6 、彻底改善了操作工人的工作条件。与人工破碎相比，减轻了操作人员的 劳动强度和疲劳强度，提高了工作的安全性和生产效率。 与气动冲击器相比，液压冲击器的破碎能力得到成倍提高，其能量利用率也 由气动冲击器的1 5 提高到4 5 5 0 ，噪音可降低1 0 1 5 d b 。而且由于液压系统 是封闭的，液压油液既是驱动介质又是润滑剂，工作零件的磨损大为减少，提高 中南大学硕士学位论文第一章绪论 了设备的使用寿命，同时也降低了维修成本；不再需要额外的空压机操作人员及 风镐工，降低了劳动力成本，因此又有较高的经济效益。 目前，液压冲击器除了用在矿山开采中外，还在其他工程领域有着相当广泛 的应用，如道路施工维护、旧房屋的拆迁、新建工程的地基休整、在坚硬的路面 上铺设管道或电缆的沟渠开挖、破碎灰渣或废品、修整工作面的顶部和壁部、修 整隧道和掌子面的轮廓尺寸等等。 1 1 2 液压冲击器的发展历程及其研究方向 随着液压技术的发展，液压冲击机械在社会各个行业中的应用越来越广泛， 从最初的液压凿岩机和液压碎石器用于矿山开采中的钻孔作业与大块岩石的二 次破碎，发展到今天用于隧道开挖、拆除路桥和建筑物、破碎沥青或混凝土路面 以及清除冶炼炉渣和进行水下作业等。由于液压冲击机械应用范围的不断扩大和 用量的不断增加，在国外已形成了一个重要的新技术产业。目前，我国在液压冲 击机械的研究和生产方面与国外相比还有很大的差距。 国外从2 0 世纪6 0 年代初期开始着手于液压冲击器的研制。6 0 年代末期， 德国k r u p p 公司率先研制出世界上第一台液压冲击器，目前已有芬兰、德国、瑞 典、日本、法国、俄罗斯、美国、韩国和加拿大等国的十四家公司生产了上百种 液压冲击器系列产品。其中，芬兰r a m m e r 公司发展最快，该公司生产的s 系列 液压冲击器已有多种型号，冲击功由l o o o j 到1 0 0 0 0 j ，产品已生产几千台，接 近世界的一半。此外，美国及俄罗斯还生产了高能液压冲击碎石器，冲击功可达 2 7 0 0 0 j 和3 0 0 0 0 j 。目前，进入我国市场的产品有阿特拉斯( a t l a s ) 、工兵 ( g e n e r a l ) 水山( s o o s a n ) 、古河( f u r u k a w a ) 、大农( d a i n o n g ) 、史丹利( s t a n l e y ) 、 克虏伯( k r u p p ) 、汤姆洛克( r a m m e r ) 、蒙特贝德( m o n t a b e r t ) 、泰石克( t e i s a k u ) 、 东洋( t o y o ) 、n p k 系列和悍狮( h u s k i e ) 等品牌。 我国从2 0 世纪7 0 年代初着手研制液压凿岩机。1 9 7 2 年初冶金部科技司正 式下达了研制液压凿岩机及配套全液压掘进钻车的科研任务，由长沙矿冶研究院 负责液压凿岩机的研制，中南大学( 原中南矿冶学院) 负责掘进钻车的研制，湘 东钨矿为实验矿山。1 9 7 3 年1 1 月由株洲东方工具厂( 现株洲硬质合金厂钻具分 厂) 研制出第一台样机，几经改进后定名为y y g 一8 0 型液压凿岩机，于1 9 7 6 年8 月装于c g j - 2 y 型全液压掘进钻车上，开始在湘东钨矿进行工业试验，1 9 8 0 年9 月通过部级鉴定，这是我国最早用于生产的第一台液压凿岩机，为芯阀式双面回 油型。1 9 7 5 年冶金部有色司给河北铜矿( 现寿王坟铜矿) 和北京钢铁学院( 现 北京科技大学) 下达了研制采矿型液压凿岩机的任务，1 9 7 6 年1 1 月由河北铜矿 机械化研究所的研制车间造出第一台样机，试验后又做改进设计，于1 9 7 8 年由 哈尔滨伟建机械厂加工出两台样机，1 9 7 9 年在实验室内进行了调试，定名为 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 t y y g - 2 0 型，1 9 8 0 年由云南锡业公司配置早烟台架和液压泵站并于1 9 8 1 年在松 树脚矿进行工业试验，1 9 8 3 年8 月通过中国有色金属工业总公司的鉴定，这是 我国最早的套阀式后腔回油型液压凿岩机。1 9 7 6 年春广西科委也给广西大厂矿 务局和原北京钢铁学院下达了研制采矿型液压凿岩机的任务，开始时研制芯阀式 前腔回油型液压凿岩机，1 9 7 7 年在该局金城江机修厂试制出一台样机，定名为 f y y g - 2 0 型。几经试验，证明此型缺点显著，后由桂林冶金机械厂和原北京钢铁 学院联合改进为芯阀式后腔回油型y y g - 2 5 0 a 型液压凿岩机，1 9 8 6 年3 月通过省 级鉴定。同时，1 9 7 6 年湘潭风动工具厂也研制出一台y y g - 6 5 型液压凿岩机，经 多次改进，于1 9 8 0 年改名为y y g - 9 0 型，分别在山东金岭铁矿和抚顺红透山铜矿 进行试验，该厂还研制了手持式和支腿式液压凿岩机，于1 9 8 5 年通过湖南省机 械局的鉴定，定名为y y g 一3 0 和y y t - 3 0 型。7 0 年代末原中南矿冶学院设计了芯 阀式后腔回油型y y g 一9 0 a 型液压凿岩机，1 9 8 1 年制出样机，1 9 8 6 年5 月通过中 国有色金属工业总公司的鉴定。同时，煤炭科学院总院北京建井所与浙江衢州煤 机厂合作消化法国塞科马公司的r p h - 2 0 0 型，研制成c y y - 2 0 型液压凿岩机，1 9 8 6 年通过部级鉴定。1 9 7 9 年起，天水风动工具厂仿瑞典c o p l 0 3 8 制成1 n g j 一1 4 5 型 液压凿岩机，在广东大瑶山隧道掘进现场试验，1 9 8 3 年1 0 月通过甘肃省机械局 鉴定。8 0 年代中期我国又引进了4 种液压凿岩机制造技术，分别由沈阳风动工 具厂、莲花山有色冶金机械厂等负责生产。据不完全统计我国已有1 6 家工厂制 造并鉴定了3 0 种各类型轻、中、重型的液压凿岩机。属于引进技术的5 种，属 于消化改良的4 种，国内自行设计的2 0 种i l 】。 2 0 世纪8 0 年代铁路隧道建设中，引进了国外液压凿岩设备，其中液压钻车 近百台，液压凿岩机2 0 0 多台，主要有瑞典阿特拉斯科普柯公司的c o p l 2 3 8 型、芬兰汤姆洛克公司的h l 4 3 8 型、日本古河株式会社的h d l 5 0 型，使京广铁路 复线大瑶山隧道提前三年完工，在大秦线等隧道建设中也发挥了重大作用。也 有少数隧道采用了国产液压凿岩设备，如铁二局在福建前洋隧道掘进中就用了国 产c g j s 一2 y b 型半断面钻车配y y g 一9 0 a 和y y g - 8 0 型液压凿岩机，完成了3 5 0 0 m 的掘进任务。 液压冲击机械在各个行业中的广泛推广应用，又推动着液压冲击技术的不断 创新。为适应不同的作业条件和性能要求，国内外的专家学者对液压冲击器进行 了各个方面的研究，主要表现在对以下几项技术的研究及相应产品的开发上： 1 、根据阻力大小自动控制冲击能的技术。法国蒙特贝德( m o n t a b e r t ) 公司 对此项技术进行了研究，并推出了相应的产品b r v 3 2 和b r v 5 2 。 2 、水下冲击技术。在航道工程中，为了进行加深、加宽航道或疏浚河床等 水下作业，此项技术显得十分重要。芬兰r a m m e r 公司新近开发了相应的产品。 3 中南大学硕士学位论文第一章绪论 这类产品不仅拥有防锈的镀硬铬活塞，且为防止水进入因活塞运动而产生快速压 力脉动的冲击腔，而将压缩空气以大于0 6 m m i n 的流量输入该冲击腔，并对压 缩空气的流量进行严格的控制，以免将钎具周围的润滑脂吹出。 3 、噪音及粉尘控制技术。在市政工程中对噪音和粉尘的控制要求很高，克 虏伯( k r u p p ) 公司对此进行了深入的研究，该公司中型以下的产品都装有隔声 材料，所有h m 5 5 0 型号以下的冲击器噪声水平都低于9 0 d b 。对于粉尘的控制， r a m m e r 公司在其开发的j e t 型号上安装了高压水泵及相应的雾化喷头，从而大 大降低了冲击器在工作时的粉尘，既降低了环境污染也有利于操作工人的身体健 康。 4 、电气控制技术。r a m m e r 公司近年来推出了一种碎石器控制操纵板，其内 部结构由电子设备组成。通过控制板，可以在不停机时实现冲击器工作在不同的 模式下，较好的实现了碎石器的电气控制。 5 、重型冲击技术。在采石或隧道开挖过程中，重型碎石器要比小型碎石器 更加经济高效。r a m m e r 公司推出了世界上最大的液压碎石器g 1 2 0 ，其工作重量 6 4 0 0 k g ，冲击能则达1 2 0 0 0 3 。 6 、新型结构和高可靠性技术。为了满足用户对冲击器长期工作的要求，各 大公司均把冲击器的高可靠性作为产品的质量目标，并从结构和材料性能等方面 进行研究。其中，日本泉精器制作所推出的悍狮( h u s k i e ) 液压破碎锤只有两个 运动部件，不用高压蓄能器，从而使冲击器具有更高的工作可靠性。 7 、智能化技术。随着液压技术、电子技术和控制技术在工程机械上的不断 应用和发展，冲击器也向着智能化的方向发展。通过液压控制技术和电子控制技 术，冲击器能够根据作业对象对冲击能要求的不同，实现自动调节冲击能和冲击 频率。冲击器实现自动调频调能是冲击技术上的一个重大突破，也是冲击机械性 能提升和发展的重要方向。 1 1 3 液压冲击器的基本结构 液压冲击器的种类繁多，但为了满足功能、性能、效率和寿命等的要求，在 结构上都有一些共同或类似的特点，主要有以下几个方面： l 、冲击机构 液压冲击器中均有一个冲击活塞，它是液压冲击机构中最为重要的零部件， 无论从材料上、结构上还是加工工艺上都有值得仔细研究的地方。根据应力波传 递理论，为最大限度地传递活塞的冲击能，冲击活塞的直径一般和镐钎末端的直 径基本相同或相近，从而保证冲击端面的完全接触，达到高效传递能量的目的。 冲击活塞与缸体或衬套之间的配合间隙是一个很重要的技术参数，间隙太大，将 会产生很大的泄漏，甚至导致碎石器不能正常工作：间隙太小，可能导致活塞运 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 动不畅甚至有拉缸现象产生，同时使制造成本急剧增加。 2 、配油机构 绝大多数液压冲击器都有一个用来改变系统油液流向的配流阀，它与冲击活 塞一起组成一个相互控制的运动系统，以实现并控制活塞的往复冲击运动。配流 阀结构形式多样，总的可以分为柱阀和套阀两大类，一般柱阀质量轻，耗油少， 直径较小，配合间隙小，泄漏小，但柱阀一般为阶梯状结构，结构工艺性差，节 流损失较大；套阀质量较重，直径较大，配合间隙相对大些，泄漏也大些，但它 的结构工艺性好，开口面积梯度大，节流损失小。液压冲击器还常设有一个顺序 阀，用来建立并控制油腔压力值，以保证液压冲击器具有足够的工作压力进行冲 击。 3 、蓄能元件 液压冲击器大都有一个或两个蓄能器，起蓄能、补偿流量以及吸收压力脉冲 的作用。与液压凿岩机的工作原理类似，液压冲击器在工作过程中，冲击活塞往 复运动，但活塞只有在冲程阶段才对外做功，回程只是为下一次冲击做准备。当 冲击活塞回程时，泵排出的多余高压油被压入蓄能器，作为蓄能器的油压势能储 存起来；当活塞做快速冲程运动时，由于泵的排量满足不了活塞冲程时所需的油 液流量，而先前储存在高压蓄能器中的液压油将及时补充这部分流量：同时，系 统的排油也将先在回油低压蓄能器中储存起来，以减小冲程时的回油阻力，当活 塞做回程运动时再将储存在回油蓄能器中的油液排回油箱。因此，蓄能机构即充 分利用了系统的能量，提高了系统效率，同时也降低了系统的压力冲击和流量脉 动。 4 、凿杆 液压冲击器都有凿杆( 钎杆) ，它是液压冲击器的主要耗损件，它要求表面 硬度高，耐磨性好，芯部韧性好，所以一般都用特殊的高级工具钢经特殊的热处 理工艺制成。凿杆工作部位有锥形、扁形、方形、铲形钝形等多种形式，以适用 不同的工作对象( 岩石、混凝土、冻土、沥青等) 的破碎要求。 此外，液压冲击器还有其他辅助机构如：保护罩、连接架、减振机构、防空 打机构等等【2 - 刀。 1 1 4 液压冲击器的分类 液压冲击器按其装载方式、驱动方式、冲击方式、配油方式以及配油阀形式 的不同大致可分为图1 1 所示的几种类型【8 】： 5 中南大学硕士学位论文第一章绪论 液压冲击器 f - 手持式：用来代替传统的风镐，冲击能较小( 5 0 0 j 以下) 装载方式 l 机载式：以液压挖掘机等为载体。冲击能大，一般在i 0 0 f f - - 6 0 0 0 j 范围内， i 纯液压驱动：多用于冲击能较小的液压碎石器 驱动方式 气液联合驱动：多用于大冲击能液压碎石器 l 液压一氮气膨胀式( 氮爆式) ：多用于大冲击能液压碎石器 厂钢对钢冲击：多用于中小型液压碎石器 冲击方式j 钢对液垫冲击：用于高能液压碎石器 i 钢对岩石冲击：这种结构活塞与钎杆是做成一体的 配油方式，单面回油 ：篆善主。一般不采用， l 双面回油 图1 1 液压冲击器的分类 1 2 钎杆接头系统研究的国内外动态 1 2 1 钎杆接头连接结构设计的发展 钎杆的连接形式很早就引起了人们的注意，图l 一2 给出了早期( 1 9 1 7 1 9 5 6 ) 螺纹连接的演变过程1 9 1 。为了有效地传递冲击能量、扭矩和便于拆卸，人们对螺 纹连接的形式不断改进，直到1 9 5 6 年试制了r 螺纹( 波形螺纹) ，不用重型工 具就可以顺利地连接和拆卸。 1 9 6 0 年美国g a r d n e r - d e n v e r 公司提出了h l 螺纹，改善了螺纹的受力状况； 6 中南火学硕士学位论文第一章绪论 其后，1 9 7 0 年瑞典f a g e r s t a 和s a n d v i k 公司提出了拆卸更容易、具有更大的磨损 面、使用寿命更长的t 螺纹( 梯形螺纹或f i 螺纹) ，如图1 3 a 所利1 0 】；1 9 8 1 年 芬兰k o m e t a 公司首先引入m f 钎( 如图1 3 b ) ，这种接杆不需要单独的接杆套， 而是将一端具有阳螺纹的接杆拧在另一端带有阴螺纹的接杆上，其主要特点是能 量传递效率高、拆卸方便和钻孔直线性好。国内长沙矿冶研究院和贵阳钢厂在 1 9 8 6 年也研制出这种新型接杆钎( g m f 接杆钎) ，取得了良好的效果。 豳，豳舢 圜嗍幽删 幽嗍 函m 洲蚊 圜m 圈愀 图1 2 早期螺纹连接的演变 ( a ) 梯形螺纹 梯形螺纹c 二二二二 重至受二至垂画f 舒 亘瘿夏幽胛舒 ( b ) m f 钎 图卜3 近代螺纹连接的改进 1 2 2 钎杆接头系统能量传递特性的研究概况 冲击钻进动力学是研究接头系统能量传递的理论基础，它运用一维应力波理 论来研究冲击钻进过型1 1 1 。经过二十世纪五十年代到七十年代f i s c h e r 、高岗三 郎、a r n d t 、f a i r h u r s t 、h u s t r u l i d 、l u n d e r g 等人的工作，基本奠定冲击钻进波动 力学的基础。我国在这一期间也进行了相应的研究工作，特别是近年来东北大学 在波动力学电算方面、长沙矿冶研究院在应力波测试及随机分析方面进一步发展 和完善了这一领域的工作。 国内外学者对接头能量传递特性的研究从未间断【1 2 】，高岗三郎等首先测定 了锥形连接、螺杆相抵套筒连接、螺杆不相抵套筒连接的能量损耗分别为7 5 、 8 5 和1 8 5 。f i s c h e r 首先应用弹性模型，将接头看成一维弹性体，运用图解法 7 中南大学硕士学位论文第一章绪论 对矩形波通过接头的情况进行了研究。结果表明：接头钎杆波动惯量比内互成 倒数的膨胀接头和缩径接头具有相同的透射波和能量传递效率；对膨胀接头而言。 随接头钎杆波动惯量比增大或接头活塞长度比增大，能量传递效率都会降低。二 十世纪七十年代以后，以b l u n d b e r g 为首的一批瑞典学者对接头特性的研究一 直处于世界领先地位，g u p t a 专门研究了矩形入射时的理想接头问题【l 引，得出最 佳接头为相邻片段上的阻抗出现突变，并且指出这种理想接头的能量传递效率比 普通接头有较大的提高。为了研究因摩擦生热而产生的能量耗散，b l u n d b e r g ， r b e e c ua n da n i l s s o n 提出了套筒接头( c s 接头) 的非线性模型，并进行了相应的 电算与实验工作1 1 4 1 。我国长沙矿冶研究院的赵统武对国产波形螺纹接头、锯齿 螺纹接头的能量传递效率进行了测定i l 引。 1 3 应力波在冲击碰撞问题中的应用 冲击破碎的传递动力机构和一般的机器不同，它既不靠齿轮、皮带，也不靠 液压、连杆，它是借助应力波在钎杆中的传播，把活塞的动能传递到岩石以达到 破碎岩石的目的。 1 3 1 古典碰撞理论的局限性 牛顿曾研究了碰撞的规律，认为两物体碰撞前后的相对速度大小的比值是不 变的，该比值称为恢复系数，用e 表示。对于各种具体材料来说，0 0 2 6 时r 为负值，即反射卸载波；当u 屹) 的速度飞开。撞击 停止以后，活塞将有一部分动量、动能传给钎杆。 通过上面的讨论可得如下规律： 1 ) 活塞与钎杆阻抗相同时，二杆撞击后界面上的质点速度正好是首次撞击 速度的一半。当，2 ，2 ( c o ) ：，钎杆不动，活塞以波长为五= 2 1 2 ( c o ) 。( c o ) 2 的矩形 脉冲向右传播，两杆始终紧靠在一起。 2 ) 若活塞的阻抗小于钎杆的阻抗，即所谓“软杆撞击“硬杆，当 2 9 硕士学位论文第二章冲击凿岩系统力学模型和波动分析 f 2 2 ( c o ) 2 ，活塞向左回弹脱离接触，钎杆中继续传播波长为名= z t 2 ( c o ) i ( c o ) 2 的矩形脉冲。 3 ) 若活塞的阻抗大于钎杆的阻抗，即“硬杆”撞击“软杆”，当，e t 2 ( c o ) ：， 接触界面处的质点速度和应力“阶梯式 地下降到零。钎杆中每一个阶梯脉冲的 宽度都：是2 l z ( c o ) 。( c o ) ：，两杆始终“粘”在一起。 2 3 二元冲击系统的动力学分析 典型的液压冲击机械如凿岩机、碎石器等的冲锤( 活塞) 不是直接撞击工作 介质，而是通过弹性杆( 钎杆) 将冲锤( 活塞) 的能量传递给工作介质的。它们 一般可以简化为二元冲击系统，下面将对二元冲击系统的波动力学特性进行分 析。 2 3 1 系统的动力学方程 为便于理论分析对二元冲击系统作如下假设： ( 1 ) 活塞和钎杆具有相等的波阻( 等截面) ，长度足够长以保证冲击产生的 入射波波形不变的传播到钎杆与工作对象的交界面上； ( 2 ) 应力波在活塞和钎杆撞击后产生，且在其中来回传播，对于钢铁和油 液之间的透反射可以忽略不计，忽略重力的影响； ( 3 ) 由于应力波传播速度高达5 1 3 0 m s ，而活塞和钎杆的长度一般在2 m 以 下，所以只研究冲击波在活塞和钎杆中的一次往复，因为碰撞的时间很短，活塞 在瞬时停顿后会与钎杆脱离接触，完成能量的传递，这样就忽略了透反射波的叠 加效应； ( 4 ) 由于冲击产生的力比活塞钎杆的重量大得多，因此可以忽略冲击系统 中各部件的重力作用： ( 5 ) 对工作对象，只研究粘弹性和粘塑性两种性质的工作对象，假定钎杆 与工作对象的作用力全部集中在钎杆的工作端，就可以对两种不同的工作对象用 一个方程描述其力学模型： f = k u + 厶警+ c 罢o ( 2 4 2 ) 式中：足，易，昂分别为介质的加载刚度、粘性阻尼系数和塑性极限阻力。当k = 0 时，为粘塑性模型；当r = 0 时，为粘弹性模型。 接下来研究钎杆和工作对象的接触面。在工作对象一侧，作用力和位移满足 如下关系： 塑+ 望：0 一塑+ o f ：一(一43)pa a e0 2 - 4 3+ = + 2 ( 3 0 硕士学位论文第二章冲击凿岩系统力学模型和波动分析 在钎杆一侧则有：f ：p + q ，_ d u ：_ e - q ( 2 4 4 ) c l tz 式中尸，q 分别为入射波和反射波，z 为钎杆波阻。 由以上各式即可得二元冲击系统的的动力学方程： k u + ( 以+ z ) 鲁掰一 ( 2 - 4 5 ) “l 其初始条件为u = o ，f = 0 。当k = 0 时，为粘塑性工作对象： ( 以+ z ) 警= 2 p c ( 2 - 4 6 ) 当驴o 时，为粘弹性工作对象： ( + z ) 等= 2 p k u ( 2 - 4 7 ) 在方程中，活塞的作用是通过入射波的波形体现的。 2 3 2 冲击应力波波形函数 假定活塞钎杆的阻抗分别为乙和z ，二者冲击以后分别向活塞和钎杆传出 两道压缩波，活塞中的压缩波在自由端反射成拉伸波，如2 5 所示。当反射波再 次回到冲击界面后，活塞中的应力为零，质点速度为( 乙一z ，) 1 ，( 乙+ z ，) ，因此 等截面活塞钎杆冲击应力波函数可表示为下式： f = z z h h - z 。, r v o , o t _ t h 羡糍“2 厶( 2 - 4 8 ) 羡( 缓m 川小厶 为便于分析，引入无量纲量f = f ( z , v o ) ，z = 乙z , ，= t t j l ，则上式可简 化为： f = 1 ，1 ，+ 2 ( 2 4 9 ) 岳( 嘉n ( 川m 刀 式( 2 4 9 ) 即为活塞钎杆冲击产生的应力波波形函数。 当z l 后f + 已经变为负值， 表明活塞和钎杆已经脱离接触。因此，软锤冲击硬杆产生的应力波波形函数为： 3 1 _ 一1“兰“0 万一万月z z生垆万 上垆 硕士学位论文 第二章冲击凿岩系统力学模型和波动分析 儿 嘉，0 l 当z = 1 时，活塞钎杆等波阻。由上式可知， 此等波阻活塞钎杆冲击产生的应力波波形函数为： 儿如 1 后f 一律变为零，因 ( 2 5 1 ) 当z 。一+ o o 时，即将活塞视为刚体，故z h 一+ 即a h - + o o ，由于活塞质量一 定，则有l h 一0 ，同时厶- * 0 ，由式( 2 - 4 8 ) 推导可得： r ( t ) = j i mf ( ，) f 2 l h _ - - - 0 0 0 = l l t i 娟m zzhhzzr、zzhh-zzzh-，ao? “v o 劬z h 七z r 、z h + zr 。 = z ，铲l i r a 。z 两z * - 1 声 = z ，之l i 茹m 而z * - 1 声 ( 2 5 2 ) 嘞 段”寿) 】锄再- 2 。是) ：z ，v o e 爰焉：z ，矿k m 叫- 弛c t z ) l i m 竿孕k m 粤 = 乙r o e “”厶乙= z j v 0 p 二厶少。4 一= l t = z p 仉 一互， 式( 2 5 2 ) 也可记为： f = e ( 2 5 3 ) 其中活塞的质量是一定的，= 三4 厶。 以上就是质量一定的刚性活塞和钎杆冲击产生的应力波波形函数，可见不同 波阻比活塞钎杆冲击产生的应力波波形由这很大的区别，如图2 1 2 所示。 3 2 硕士学位论文第二章冲击凿岩系统力学模型和波动分析 图2 - 1 2 不同波阻比活塞钎杆冲击应力波波形 2 3 3 冲击应力波波形特征分析 由上节推导的公式我们不难发现：活塞和钎杆冲击产生的应力波波形取决于 活塞钎杆的波阻比z ，当活塞钎杆的材质相同时，z 。= 4 a ，也就是说活塞, 钎杆的几何形状决定着二者冲击产生的应力波波形特征1 3 2 1 。 ( 1 ) 当波阻比小于等于l 时，冲击产生的是矩形应力波，应力波持续时间 为t = t h = 牡。c 。 ( 2 ) 当波阻比大于l 时，冲击产生的是按指数递减的梯形波，比例系数为 k = ( z 一1 ) ( z + 1 ) 。从理论上讲，其应力波持续时间为无限长，实际上活塞与 钎杆冲击产生的应力波持续时间总是有限的。特别地，刚性活塞与钎杆冲击产生 的是指数衰减波。 刚性活塞虽然是一种理论冲锤，却有着实际的工程意义。活塞的无量纲波阻 越大，所产生的应力波就越接近于刚性活塞与杆撞击产生的指数衰减波。理论计 算表吲3 3 】：当z l o 时，活塞与杆撞击产生的应力波与同质量的刚性活塞所产 生的指数衰减波的平均相对差值小于5 。实际上，由于活塞和钎杆两冲击面不 可能绝对的光滑平行，所以就不可能同时全面接触，理论上的阶跃也是不存在的， 两者的差值还要小些。同时，这种阶梯衰减波的时间也是有限的，并与波阻比有 关，波阻比越大衰减的会越快，反之则越慢。 2 3 4 二元冲击凿岩系统动力学分析 考虑到液压凿岩机工作介质的情况，下面的讨论中将不考虑塑性介质的情 况。 ( 1 ) 矩形应力波 由上节的讨论可知，等波阻二元冲击系统产生矩形入射波，其表达式为： p = ( z v o ) 1 2 ，0 1 入射波和相应的反射波的波形如图3 2 所示。 从图中可见，反射波由拉伸波和压缩波两部分组成。反射波从凿岩界面出发 经过，i f 时间后到达冲l l i 界面，由于反射波前一部分足拉仲波，在它的作用下活 塞和钎杆将发生分离，冲击界面将变成为自由端；当反射波后部分的压缩波到达 时，钎杆又将作与活塞接触的方向运动。只有当钎杆和活塞能够重新接触时，钎 杆中的反射波才有可能透射进活塞中去，从而使得活塞产生回弹。所以要使活塞 3 8 中南大学硕士学位论文第三章钎杆中应力波的传递特性研究 回弹就必须要反射波在冲击界面产生的总位移大于零。用函数可表示为： ；r 触 o 或者r q 也 o ( 3 6 ) 0 5 0 田5 入射波 图3 - 2 入射波和反射波波形比较图 将( 3 5 ) 带入上式可得： j ：吉( 1 一e - 2 t * ? 矽* + j j r , ( 1 - e - 2 i t 户一w = 吾( 2 _ 2 口x e - 2 1 r - 1 ) 。( 3 - 7 ) 将上式变形整理可得： 口 丛! 二擎! ( 3 - 8 ) y ( 1 一p 卅叩) 一l 当参数口和y 满足( 3 8 ) 关系式时，活塞将发生回弹：令a 等于( 3 8 ) 右 半部分，并作图如3 3 所示。可以看出仪和y 的变化规律，图中红线为渐近线，分 别是口= l 和，= 1 2 5 。当撞击凿入系数小于1 2 5 时，( 3 8 ) 式右边恒小于1 ，由 图3 ，l 可知口恒大于l ，即在这种情况下，活塞必然发生回弹。 ， 图3 - 3 撞击凿入系数和卸载系数关系图 接下来着手推导回弹速度的函数关系式a 当活塞与钎杆重新接触后，反射波 中南大学硕士学位论文 第三章钎杆中应力波的传递特性研究 中的后续压缩波中的一部分将会透射到活塞中，透射进去的这部分力波在经过 t h = 2 厶c 时间后再次回到冲击界面，使得活塞钎杆再次分离，活塞开始回弹。 回弹平均速度可按动量守恒定律来计算1 3 9 1 。即如下式： 朋以：r ( 2 一a 。t (