（机械设计及理论专业论文）基于波动力学的凿岩机效率研究.pdf

摘要 目前我国国民经济的迅速发展和各种能源的供应紧张之间的矛 盾越来越突出。因此，各种高效节能的机械产品逐渐受到人们的i 苛睐， 同时也日益成为现代机械产品的设计方向。针对这一现状，本文抓住 效率这个研究方向，以冲击机械中的凿岩机为研究对象，对它的凿岩 效率展开了研究。 本文首先在分析凿岩机工作岩石动态特性的基础上建立了凿岩 机的力学模型；接着，在此基础上，应用波动力学理论，对不同活塞钎 杆匹配条件下的凿岩机的总体效率进行了比较系统的分析，得出了凿 岩机特性参数和效率之间的关系；然后分别对活塞的能量传递效率和 钎杆的穿透率进行了分析，并得出了各自的特性参数与效率的关系； 此外还以凿岩效率为最优化目标，对冲击活塞的长度和质量以及它们 之间的匹配关系进行了优化设计；最后通过实验验证了凿岩机特性参 数和总体效率之间的关系的正确性。 由上述研究得出的结论不仅对一般的冲击机械设计有一定的理 论参考价值，同时也在凿岩机的高效节能化上迈出新的一步。 关键词效率凿岩机波动力学优化设计 a b s t r a c t a tp r e s e n t , t h ec o n t r a d i c t i o ni sm o r ea n dm o r ep r o m i n e n tb e t w e e n t h er a p i dd e v e l o p m e n t so f o u rc o u n t r y sn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ei n t e n s e s u p p l yo f a l lk i n d so fe n e r g y t h e r e f o r e ，a l lk i n d so fh i g l d ye f f e c t i v ea n d e n e r g y - c o n s e r v a t i o n m e c h a n i c a l p r o d u c t s r e c e i v e d p e o p l e s f a v o r g r a d u a l l y , a tt h es a m et i m ei ta l s ob e a t , o m 鹤t h ed e s i g nd i r e c t i o no ft h e m o d e r nm e c h a n i c a lp r o d u c t sd a yb yd a y a i ma tt h i sp r e s e n ts i t u a t i o n , t h e a r t i c l eh o l d st h i sr e s e a r c hd i r c c t i o n - t h ee 伍c i e n c y , t a k e st h er o c kd r i l la s t h er e s e a r c hp o i n t , c a r r i e do u tt h er e s e a r c ht oi t sr o c kd d ne f f i c i e n c y f i r s to f a l l , ma t t i c l ee s t a b l i s h e st h er o c kd r i l lm e c h a n i c sm o d e li n t h ea n a l y s i sr o c kd r n lw o r kr o c kd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i cf o u n d a t i o n ； s e c o n d l y , i nt h i sf o u n d a t i o n , i ta p p l i e st h ew a v em e c h a n i c st h e o r ya n d q u i t es y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e st h er o c kd r i l lo v e r a l le f f i c i e n c yo nt h e d i f f e r e n tc o n d i t i o no fr o c kd r i l l sp i s t o nm a t c h i n gd i f f e r e mp o l e s ，a n dh a s o b t a i n e dt h er e l a t i o n sb e t w e e nt h er o c kd r i l lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ra n d t h ee f f i c i e n c y ；t h e nt h i sa r t i c l es e p a r a t e z yh a sc a r r i e do nt h ea n a l y s i s p e n e t r a b l ee f f i c i e n c yt ot h ee n e r g yt r a n s f e re f f i c i e n c yo ft h ep i s t o na n d e 伍c i e n c yo ft h er o c kd r i l lp o l e 。a l s oh a so b t a i n e dt h er e l a t i o n so fe a c h c h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ra n de f f i c i e n c y ；i na d d i t i o n , t h ep a p e ra l s ot a k e s t h er o c k - d r i l l i n ge f f i c i e n c ya st h eo p t i m i z a t i o np u r p o s e ，a n dh a sc a r r i e d o nt h eo p t i m i z e dd e s i g nw i t ht h el e n g t ha n dq u a l i t yo fp i s t o n ；f i n a l l yh a s c o n f i r m e db e t w e e nt h er o c kd r i l lc h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e ra n dt h eo v e r a l l e f f i c i e n c yr e l a t i o n sa c c u r a c yt h r o u g h t h ee x p e r i m e n t 硼把c o n c l u s i o nt h a ta r eo b t a i n e di nt h er e s e a r c hp r o c e s sn o to n l y h a st h ec e r t a i nt h e o r yv a l u et ot h eg e n e r a li m p a c tm e c h a n i c a ld e s i g n , m e a n w h i l ei th a sm a d ean e ws t e po nt h et r a n s f o r m a t i o no fh i g f i l y e f f e c t i v ea n de r l e r g y oc o n s e r v a t i o no f t h er o c kd r i l l s k e y w o r d s ：e f f i c i e n c y r o c kd r i l lw a v em e c h a n i c s 硕七学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 凿岩机发展现状及趋势 1 1 1 冲击和冲击机械概述 冲击是一种常见的力学现象，从古代的机械打制到现代的锻造冲击，从微观 上的粒子碰撞到宏观天体的碰撞，冲击现象在生活中不胜枚举冲击是物体的运 动状态发生急剧变化的一种现象，它的本质特征是物体动量的传递是在极短时问 内完成的，导致产生极大的冲击力【l 】。 根据动量定理f tmv 当t o f 一一。 冲击产生巨大的瞬时力有弊也有利，并产生了两方面的工业问题：一方面是 如何有效的缓和冲击，使系统免受变形和破坏，如飞机、汽车等交通运输工具和 大坝、桥梁、核电站等重要工程设旋的防撞研究；另一方面是如何有效的利用冲 击，使工作对象发生变形和破碎。如利用冲击原理进行各种钻探作业，以及各类 冲击机械和设备的设计研究【2 】 冲击机械利用冲击能产生强度极大的力流，与同功率的静压机械相比，结构 更为紧凑，在工业生产中有着更为广泛的用途在矿山开采中有凿岩杌、潜孔钻、 风镐和碎石器等；在土建工程中有打桩锤、夯实锤和射钉机；在机械加工行业中 有锻锤、冲床、铆钉机和剁铿机等1 3 1 。虽然冲击机械适应的场合和使用的动力不 同，内部结构也有较大的差异，但它们都有相似的动作原理：冲击机械的冲锤在 重力、液压、气压或蒸气等力的作用下加速运动，并以一定的速度冲击工作对象， 或通过中介物间接冲击工作对象，使工作对象发生位移、变形和破坏然后冲锤 又在机械力、液压、蒸气、压力和燃气等的作用下做回程运动，如此往复，实现 冲击机械的预定功能【4 1 。 就冲锤运动的动力源进行分类，冲击机械可分为机械式、电动、蒸气、压 力、内燃和液压等类型就冲锤运动方式进行分类，冲击机械又可分为直线冲击 式和回转冲击式两类大多数冲击机械的冲锤都是做直线运动的 5 1 根据相邻两 次冲击的时间间隔，冲击机城分为间歇型和周期型两类。射钉机、锻锤是间歇性 冲击机械，它们没有确定的冲击频率；而凿岩机、打桩机是周期性冲击机械，冲 击频率是确定的。 虽然各类冲击机械由于工作介质和作业条件不同而各具特性，但它们在工作 硕十学位论文 第一章绪论 参数和结构方面具有以下一些基本特点： ( 1 ) 冲击速度受到一定的限制。这足因为冲击产生的应力和冲击速度成正 比，为避免冲击部件产生永久性变形，确保冲击部件处于可恢复的弹性极限内， 一般冲击机械的冲击速度低于1 5 m s ( 2 ) 冲击频率低于冲击机械系统的固有频率，避免系统发生共振。在冲击 机械中，凿岩机的频率最高，目前已经有了频率达2 0 0 h z 的超高频的凿岩机，而 对于一个配备了1 米钎杆的冲击凿岩系统来说，其本身固有频率可达2 5 0 0 h z ， 共振是极难发生的【6 l 。 ( 3 ) 冲击机械的结构中，运动的冲击部件具有极好的导向装置，以实现部 件之问的共轴冲击，避免不必要的弯曲应力。保证冲击机械的工作精度和部件的 使用寿命。 ( 4 ) 在参与冲击的部件中，最少有一个部件的横向尺寸与轴向尺寸的比值 较小，比值一般在o 1 加2 之刚。丌，即冲击机械一般都存在细长杆。 1 1 2 凿岩机的发展历史 人类几于年来的手工凿岩方式，即人工持钎，手锤打钎，现在仍然是人类 得心应手的凿岩方式但其生产力低下，非常的耗费人力，根本难以适应现代大 工业的发展需要蒸汽机发明以后，随之不久出现了以蒸汽为动力的凿岩机械。 但由于自身难以克服的缺陷而无法应用到实践中去直到1 8 5 7 年，意大利人巴 特。碧特和杰曼萨梅特通过对已有凿岩机的改进成功研制了世界上第一台气动凿 岩机，并应用到意法边界的m o n tc c n i s 隧道施工中。这种气动凿岩机活塞和钎 杆足连成一体的，频率在3 - 5 i - i z 之间，每分钟只能前进2 - 3 c m 。因此在凿岩过 程中钎杆要做大位移的往复运动，耗费了大量的动力；随着孔深的增加，钎杆的 长度和重量也必须随之增加，从而限制了冲击速度和冲击频率的提高，相应的工 作效率也是极低的i s 。 由于蒸汽气凿岩机的不足，随后又出现了一些试验性质的凿岩机1 8 9 0 年 c d 绍屋发明了锤式凿岩机，即活塞钎杆分离式的凿岩机，同年登维尔凿岩制造 公司生产了这一类型的锤式凿岩机初具现代凿岩机特色的锤式凿岩机出现在 1 8 9 6 年，由美国人乔治莱纳( g e o r g el a y r a r ) 研制。其冲击频率为3 0 h z ，并采 用了棘轮棘爪转钎和湿式排粉装置这种锤式凿岩机( 内回转式凿岩机) 到一战 爆发时已经在欧荚各国得到了广泛应用，并在战后完全取代了一体式凿岩机。 1 9 3 8 年，德国人研制出气腿和碳化钨钎头，由于可伸缩的气腿能给钎杆施 加轴向推力，并可承托凿岩机的机体重量，从而大幅度减轻了人工的劳动强度， 碳化钨钎头的使用则大大减少了钎头的修磨次数，提高了台班功效，为深孔接杆 2 硕士学位论文第一章绪论 凿岩开辟了道路由于气腿和冲击刃具的不断完善，对凿岩机的能量效窑提出了 新的要求。由于内回转式凿岩机其冲击能量与转钎力矩成比例增减，无法实现单 方面的增减，导致凿岩机的性能与实际工况不相匹配6 0 年代出现了冲击和回 转分开的独立回转式凿岩机，即外回转式凿岩机。其冲击能量和回转力矩可以分 别独立调节，实现了多工况组合，可以适应不同性质岩石的作业需要。 人们在研究回转式凿岩机的同时还注意到深孔接杆凿岩在钎杆中耗费的能 量较大，提出了将凿岩机送入孔底的设想，并于1 9 5 1 年由比利时人安德烈斯坦 钮伊科实现了这种设想，研制出了潜孔冲击器潜孔冲击器有独立的旋转机构和 能潜入孔底的冲击机构，冲击效率不受孔深的影响，可大大提高深孔钻孔的速度， 钻杆不受冲击，所以它不仅能充分利用设备的冲击能量，而且可使噪声大为降低， 改善了作业环境，降低了人工劳动强度，其效率要比钢绳冲击式机械高2 3 倍唧 潜孔钻机的应用场所也不断扩展，由露天矿的大孔径作业推广到地下坑道中的小 孔径钻进，使用的压缩空气气压也不断提高。 在凿岩机的发展历程中，也经历了。能源介质”的更新随着道路施工，军 事工业的发展，原有的气动凿岩机的低效率越来越难以适应现代工业化的进程， 加上气动凿岩机的庞大复杂的空气压缩机构、巨大的噪声、严重的油气污染等诸 多缺陷，要求用效率更高的新型凿岩机来替代。液压凿岩机正是在这种情况下诞 生的。早在1 8 7 6 年德国人冯布兰特就研制了世界上第一台水力凿岩机；1 9 2 0 年 英国人多尔曼研制出液压凿岩机。6 0 年代美国的加德纳丹佛( g r a d n c r d a n v 凹c o ) 公司根据尤布克斯专利研制了m p m 型液压凿岩机，其冲击能为1 0 j ，冲击频率 为2 0 h z ，但由于钎具寿命太短，并未得到推广应用。以上的几种液压凿岩机由 于自身的一些技术问题没能解决，因而没有得以实际应用，但为后人积累了大量 的经验和实验数据【m 1 1 9 7 0 年法国的蒙塔贝特公司( m o n t a b c r tc o ) 研制了世界上第一台具有真正 实用价值的h 5 0 型液压凿岩机，并很快就投入批量生产和推广使用。由于液眶 凿岩机在技术、经济和社会效益方面具有极大的优越性。因此瑞典、美国、西德、 前苏联、日本和芬兰等国家也相继展开了液压冲击凿岩机的研制，到目前已经生 产了上百个品种的液压凿岩机，而且大都自成系列，广泛应用于铁道、冶金、煤 电、地质、水电、军事等部门液压凿岩机的主要制造厂家有瑞典的阿特拉斯 科普克公司( a t j a s c o p c oc o ) 、芬兰的t a n 眦j 【公司、美国的英格索尔一兰德公 司( i n g e r s o l l r a n d c o ) 戈兰特登本公司( b c r c o ) 、日本的古河矿业株 式会社( f ur uk a w a ) 和德国的s a l z g i t e r 和狮公司，其中瑞典的a t l a s c o p e o 公司及芬兰的t a m r o e k 公司研制的液压凿岩机的销售量占全世界销售总量的 6 5 以上，且结构形式和技术水平都具有一定的代表性【h i 液压凿岩机的年产量 3 硕士学位论文 第一章绪论 由1 9 8 0 年的2 0 0 0 台发展到1 9 8 6 年的1 0 0 0 0 台以上，目前年产量已经达到2 万 台，而且还在持续增加用电力代替压缩空气的电动凿岩机和以燃油为动力的内 燃凿岩机也有了相当的发展，虽然它们出现比较晚，但在无压缩空气和距离电源 较远的地方，其优越性相当明显。 近年来随着计算机技术在液压冲击上的应用，更加促进了凿岩机技术的进 步。凿岩循环已经实现自动化，即自动开孔，防卡钎、自动退钎、钻机和动臂的 自动移位定位和遥控操作等。这就是凿岩机械人液压凿岩机的发展趋势是：产 品性能向大冲击能、大扭矩方向发展，凿孔作业智能化，并可用计算机进行控制， 并且设计也趋于智能化。 我国研制液压凿岩机设备并不算晚，6 0 年代后期长沙矿冶研究院就已经开 始着手研制。当1 9 7 0 年法国的m o n t a b e r t 公司第一台实用的液压凿岩机闯世后， 北京科技大学、中南工业大学和煤炭科学院等单位就与厂矿联合开始了实用液压 凿岩机的研制和试验。1 9 8 0 年由长沙研矿冶研究院制成我国第一台液压凿岩机 ( y y g 8 0 凿岩机) 现在国家通过鉴定的液压机型号有1 2 种，它们是y y g 8 0 、 t y y g 2 0 、t t g j l 4 5 、y y t 3 0 、y y g 3 0 、g g t 7 0 、y y g 8 0 a 、y y g 9 0 、y y g 2 5 0 a 、 c y y 2 0 、y y g 9 0 a 、d z y g 3 8 b ! 挖l 。其中冲击能在1 5 0 j 以下的有5 种，其余的均 在1 5 0 2 5 0 j 之问，在结构上一般采用独立转钎机构，活塞运动行程可调节，有 防空打缓冲装置，配油机构普遍采用芯阀或套阀。我国的科研工作者在吸收国外 技术的基础上，不但自主研制了一系列的液压凿岩机，还在液压冲击机构的设计 理论和冲击系统冲击受力方面取得了很大成就。国内目前凿岩机厂家的产品稳定 性指标最高可达到1 0 0 0 m 左右( 不拆机检修) ，而瑞典a l l a s 的产品规定是 6 0 0 0 m ，和国外的差距仍然很明显i i 扪与此同时某些产品还没有实现完全国产化， 关键零部件依赖进口。因此我们应当加快技术的引进和创新，提高产品的国产化 水平，加快凿岩机的研制步伐。 - 1 2 应力波在碰撞上的应用及冲击波动力学研究的发展 1 2 1牛顿定律在解决碰撞问题上的局限 早在二百年前，牛顿就曾经研究了碰撞现象，并认为两物体碰撞后的相对速 度大小的比值是不变的，该比值称为恢复系数，用e 表示对于各类具体材料来 说。0 e l 。因为实际物体在碰撞过程中机械能必然有损失，当e = l 称为完 全弹性碰撞，e = 0 称为塑性碰撞一般假设两碰撞的物体视为刚体，并可简化 为质点来进行整体运动分析。 若两质量分别为m l 和m 2 的物体相碰撞。碰撞前速度分别为v l 和v 2 ，碰撞 4 硕士学位论文第一章绪论 后速度分别为y l7 和v 2 ，根据动量定理可得： 1 ，：= 1 ，t 一( 1 + p ) 去( ，t v ：) ( 1 1 ) ，：= 1 ，：一( 1 + p ) 击( v ：一v - ) 根据能量守恒原理，可得碰撞过程中的能量损失 a e = 百( 1 一e2 ) ( 1 ，i v 2 ) 2 ( 1 - 2 ) 2 ( m i + 肼2 ) 、 “ 就一般冲击机械而言，被冲击物的初始速度为0 ，既v 2 = 0 。那么，式( 1 2 ) 变为 a e ：旦卫二q e 。 ( 1 3 ) 肘l4 - 朋2 式中e o = 所l 砰 ，表示冲击物体在碰撞前具有的动能 对于冲击凿岩机械和冲击打桩机等冲击机械来说，希望碰撞时把冲锤的动能 尽可能多的传给被冲击物体，这就要求动能损失越小越好。因此冲锤的质量要大 而杆或桩的质量要小反之，在锻压金属时，锻件要在碰撞中发生永久变形，希 望动能损失越多越好，即要求选择较重的砧座和较小的锤，以期提高锻压效率。 6 0 年代以前，冲击机械的设计和选用都是基于牛顿古典碰撞理论进行的， 直到今天。一些冲击机械的设计仍沿袭这种方法。从以上分析我们可以看出，古 典碰撞理论将两碰撞的物体视为刚体而不考虑其结构形状，只作整体运动分析而 不考虑其内部应力，只讨论碰撞结果而不讨论碰撞过程。由此推导出的速度、动 能损失和效率只取决于相撞物体的质量和恢复系数，面与相撞物体的形状结构无 关，也无法给出各冲击部件内部的受力状态。虽然有关公式仍在完善之中，但 却无法弥补牛顿碰撞理论的缺陷【1 1 在冲击机械系统中。相冲击的部件，如活塞、钎杆和桩等，在冲击方向上的 尺寸( 即轴向尺寸) 要比横向尺寸大的多，将它们简化为质点显然是不合适的。 美国著名力学家t e r z a g h ik 曾经指出z 牛顿自己就曾。反对将它的理论用于 诸如锤击产生的冲击问题”理论和实践已经表明冲击机械系统中的冲击问题 只能用波动力学理论才能获得满意的解释悯 2 2 冲击波动力学的研究和发展 如果在介质的某个地方突然发生了某种状态的扰动。例如杆端受到了冲击将 硕士学位论文第一章绪论 会使该处的应力值突然升高，和周围介质产生了压力差，这种压力差将导致周围 质点投入运动，处于运动的质点微团的前进，又进一步的把动量传递给后继的质 点微团并使之变形。象这样一点的扰动由近及远地传播出去并不断扩大其影响， 这种扰动的传播现象就是应力波。通常的声波、超声波、地震波、爆炸产生的冲 击波都是应力波的例子 冲击动力学是随着力学的发展而建立起来的。自从牛顿提出了碰撞定理和恢 复系数的概念之后，b e r n o u l l i 研究了弹性杆在中纵向运动条件下的振动问题 0 6 1 。b o u s s i n e s q 和s a i n t v e n a n t 最早开始用应力波的概念来处理碰撞问题，他 们分别讨论了重块对直杆的冲击和两杆对撞问题。h o p k i n s o n 最早研究了塑性波 的传播，并利用一维弹塑性波理论设计了材料动态性能测试仪，也就是著名的霍 布金逊杆( s h p b ) 【l ”。虽然当时只是为了理论分析和实验技术上的方便，讨论 杆中波的传播问题，客观上却开创了冲击动力学研究的先河。本世纪3 0 年代， d o n n e l l 和d o h l 开始应用波动力学研究冲击凿岩机械中的冲锤与杆的冲击问题 1 1 8 1 。随后，l e s s e l l s 在蒸汽锻锤上进行的测试工作，证实了在锤杆中不但有正 压力，而且还有几乎与压应力等幅的拉应力，拉压应力波沿纵向反复传播。这一 结论动摇了冲击部件只受压应力作用的传统观点。但是，直到5 0 年代初期，冲 击波动力学的研究也没有引起足够的重视。 二战以来，由于军事工业发展的刺激，塑性动力学获得了长足的发展。 t a y l o r 、v o n - k a r m a n 等在差不多相同的时间内相继建立了杆中一维塑性波理论， 研究了一维弹塑性加载波和卸载波理论i 】9 1 。战后随着电子示波技术和电子计算 机的逐步发展和普及，冲击波动力学的研究才引起了许多学者的兴趣s m i t h 、 a r n d t 和f i s c h e r 分剐应用有限差分法和特征图解法提出了计算阶梯状冲锤与杆 冲击产生应力波的方法唧l 。随后s a m s o n 和d u t t a 等分别基于有限差分法和波的 透反射关系编制了任意形状冲锤与杆冲击产生应力波的计算程序1 l u n d b e r g 借鉴了以前学者的理论，对冲击系统中应力波的传播规律、应力波波形与能量传 递效率的关系问题，钎杆接头的能量传递与耗散规律。以及冲击系统中各部件与 工作介质的动态匹配关系进行了深入地研究。在6 0 年代和7 0 年代期间，冲击波 动力学的研究采用了理论分析与实验结合的方法，在多方面取得了研究成果。 进入8 0 年代后，冲击波动力学研究主要集中在数值模拟计算，以及冲击部 件疲劳强度分析计算和设计方面，各国学者在先前的理论和实验研究所获得的数 学模型的基础上，研制了多种数值模拟程序，从而使冲击动力学研究更加贴近具 体的冲击机械。c o b l e 和r a u s c h e 将7 0 年代提出的冲击沉桩c a s e 方法发展发展 成为c a p w a p 程序l u n d b e r g 相继提出了冲击凿岩系统冲击、凿入和冲击凿入全 过程的数值模拟方法，并对世界著名的凿岩机生产商a t l a s - c o p c o 公司生产的 6 硕士学位论文第一章绪论 c o p l 0 3 8 液压凿岩机进行了树枝分析与评估；国内学者徐小荷提出了基于表算法 的冲击凿岩系统的数值计算方法与程序；日本的大久保诚介完成了连续冲击作用 下的计算机模拟冲击凿岩机工作过程研究。随后很多学者还对各冲击部件的应力 谱特征、破坏机理和疲劳强度进行了研究1 2 2 1 冲击机械给波动力学的研究提供了典型的实例，同时冲击波动力学的研究又 促进了冲击机械及相关工艺的完善和发展。 1 3 本课题的来源、研究目的和意义 课题来源：工程实际。一，： ： 研究目的：目前凿岩机虽然已经到了系列化生产的阶段，但实际工作中普遍 存在单次冲击效率不高的情况，直接导致工作效率低下，因此对凿岩冲击机械的 效率有待于进行深入的研究本文以力学模型为分析依据，采用理论分析和实验 研究相结合的研究方法，应用波动力学理论对凿岩机的总体效率以及各冲击部件 相互之间的能量传递效率进行了比较系统的理论分析，目的是希望能够得到凿岩 机的特性参数和效率之间的具体关系，并通过对这些特性参数的合理选取能够有 效的提高凿岩机的工作效率，同时也能为凿岩机的合理设计提供一些实用的参照 理论。 研究意义： ( 1 ) 对一般的冲击机械系统建立的力学模型，将会为以后类似系统的研究 提供可靠的分析依据。 ( 2 ) 在分析力学模型的基础上，应用波动力学理论针对冲击机械的代表产 品( 凿岩机) 的总体效率以及各冲击部件相互之间的能量传递效率进行了比较系 统的理论分析和研究。 ( 3 ) 通过对各种不同活塞钎杼匹配条件下凿岩机工作状态的分析，推导出 的理论效率公式，如应用到实际的凿岩机工作过程中，将会产生一定的经济效益。 c 4 ) 应用凿岩效率这一最优目标函数对活塞外形尺寸进行优化设计，得出 的参考公式将会对凿岩机的设计有一定的理论借鉴意义。 7 硕士学位论文第二章凿岩机力学建模及系统动力学研究 第二章凿岩机力学建模及系统动力学研究 用分析和计算的方法对冲击机械活塞和钎杆以及钎杆和工作对象之间的碰 撞现象得以精确的描述解释，依靠于能否建立一个真实反映系统动态特性的力学 模型。而本文旨在研究凿岩机冲击波的产生和它的传播规律以及对冲击部件外形 加以优化设计以致提高机械效率的这一宗旨，也必须以力学模型为分析的前提条 件。本章着重以冲击凿岩机这一典型的二元冲击系统为研究对象，研究冲击部件 的碰撞和由碰撞产生的特殊的波动力学行为，从而建立系统的力学模型，并为后 续章节的效率研究和结构优化提供分析依据。 2 1冲击凿岩机械系统的研究 2 1 1 冲击凿岩系统的基本元件 冲击凿岩系统由于工作情况和工作对象的差异，其内部结构也有一定的差 异。但是所有的冲击凿岩系统都是通过碰撞来工作的，都是要将活塞的动能传递 到岩石上因此不论其内部结构有多么复杂，最基本的工作链条都由活塞 钎杆岩石组成脚1 ，它们组成的冲击系统基本由以下元件构成。 、 1 ) 弹性杆 冲击机械系统中的活塞、钎杆、桩锤和桩等部件可视为弹性杆，因为这些部 件的横向尺寸( 直径) 和应力波波长相比较小在力学模型中，弹性杆被抽象成 有质量、有弹性的细长秆，杆在变形时各截面保持平面；即沿横截面只有均匀的 纵向应力，也就是说弹性杆中的任一点的位移都满足如式( 2 - 1 ) 表示的一维波 动方程，如图2 1 所示。 a2 砧，a2 瓦丁。c 。瓦丁 ( 2 - 1 ) 式中u 为杆中弹性质点的位移，c 为材料的纵波传播速度。 ( 2 ) 弹簧 冲击机械系统中的缓冲套等中介部件可视为弹簧。在力学模型中，它被抽 象为无质量但可恢复的弹性元件，即是元件i j 眄端的作用力和两端的相对位移成正 比，如图2 1 示。 f = k ( 嵋一坞) 式中k 为弹簧刚度。当k 为常数时， 关时，则称为非线性弹簧 0 ( 2 - 2 ) 该弹簧称为线性弹簧；当k 与位移有 硕士学位论文 第二章凿岩机力学建模及系统动力学研究 ( 3 ) 刚体 实际分析中，凿岩机的冲击部件都是具有一定刚度的，并不能视为刚体， 但为了研究需要，我们可将在力学模型中相对刚度较大的一方( 如冲锤和钻头) 近视看作刚体来进行理论上的分析刚体被抽象为绝对不变形的物体，是表示力 和加速度关系的元件。若元件两端受力为f l 和f 2 ，则有： 巧一e = 历d 2 纥2 ( 2 3 ) 式中m 为刚体的质量。 ( 4 ) 阻尼器 凿岩机械的工作对象一般可视为弹簧和阻尼器的结合体。在力学模型中， 阻尼器是表示力和速度之间关系的元件若元件两端速度为v l 和v 2 ，则产生 与速度差成正比的阻力： f = d c v l 一吃) ( 2 - 4 ) 式中j 为阻尼系数 f n 例v 羁) 血 ( c ) 嗣体 t l 畦 晤 ( b ) 弹簧 t l 砣 围2 - 1 力学模型中的基本元件 2 。i 2 冲击凿岩系统的分类和特性 冲击凿岩系统是由许多零部件组成的，各零部件阃的力学行为非常的复杂， 在建立力学模型时，必须抓住主要的工作部件，即能够传递能量的零部件。一般 根据冲击系统中独立的弹性杆的个数来将系统分为一元、二元和三元冲击系统。 一元冲击系统 一元冲击系统顾名思义只包含一件弹性杆锻锤。夯实锤和钢绳冲击器是比 较典型的一元冲击系统一元冲剂系统由弹性杆和刖体组成，其力学模型如图 9 硕十学位论文第二章凿岩机力学建模及系统动力学研究 2 - 2 ( a ) 所示。 ， 二元冲击系统 二元冲击系统包含二件弹性杆。凿岩机、打桩机和液压冲击器属于典型的二 元冲击系统，它们一般由活塞、中介物和钎杆组成，本文研究的凿岩机就是二元 冲击系统。其力学模型如图2 2 ( b ) 所示。 三元冲击系统 三元冲击系统包含三件弹性杆，筒式柴油打桩机是比较典型的三元冲击系 统，它由上活塞、下活塞、桩帽和桩组成，其力学模型如图2 2 ( c ) 所示。 _ 厂 卜 i 冲锤l - r l 弹性扦 j f ll 弹性杆 l 。即透射波强于入射波。 3 x l ，即从小截面传进大截面，则晰和a i 同号，表明是反射加载；同时2 7 , ( 1 + n ) l ( 2 - 2 0 ) 口r2 a i ( 1 + 如)l + 是+ 丑+ 五 通过以上分析可发现由于中间过渡截面的存在使得最终的透射应力强度比 没有过渡截面的情形大一些，显然如果是使用阶梯轴来抵抗冲击，最好使截面突 然变小，避免中间截面放大透射应力波的强度；如果是利用阶梯轴做功，适宜将 截面逐渐减小甚至做成锥形。观察反射波的情况，如果只希望轴传递脉冲，尽量 减少反射甚至反射为零，根据上式令o r = o ，则有n z = l ，即4 ( p o c o ) 。= 以( p o c o ) ：， 称为阻抗匹配条件 3 2 1 此时o - r = 五盯， 2 2 2 2 弹性波在两种介质分界面上的反射和透射 弹性波从一种介质进入相接触的另一种介质时，由于介质的阻抗不同，将 会在分界面上发生反射和透射现象，下面分析反射和透射后的应力波参数。假设 第一种介质的阻抗是( p o c o ) i ，第二种介质的阻抗是( 舢c o ) 2 入射波、反射波、 透射波的强度分别为o i ，o r , o r ，在分界面紧靠两侧分别取l 、r 两点，那么在接触 面左侧的第一种介质里，由波阵面上的动量守恒条件可知，入射波和反射波后质 点获得的速度增量分别是； = ( p o q ) i ，= 一( , 0 0 q ) 。( 2 - 2 1 ) 硕士学位论文第二章凿岩机力学建模及系统动力学研究 在接触面左侧，反射波与入射波发生相互作用，根据叠加原理可知，左侧的 应力和质点速度分别是：o 习d - o r ，v = 砷+ v f l 时，入 射波和反射波同号，表明与入射波性质相同：反之，性质相反 ( 2 ) 透射系数1 砘n ( 1 + n ) ，由于n 恒为正值，所以透射系数也恒为正值，表明 透射波总是具有和入射波相同的性质。 ( 3 ) 两种极限情形；当n _ 时，第二种介质可近似看为刚体，此时f = l ，t _ 唿； 当n o + 时，第二种介质可近似看作真空，此时f = - i ，t = 0 。 ( 4 ) 实际情况中腔体中钢铁活塞传导到油液中的应力波，由于 1 w - - 9 2 0 ! 1 2 7 6 ，7 9 5 0 5 1 3 0 罩o 0 2 9 ，f 锄9 4 4 ，t = 0 0 5 6 说明大部分能量都反 射回到活塞中。只有很少一部分透射到油液中去。如果油液中的应力波传 导到活塞中去，此时n = 3 4 4 8 , 1 ：= 0 9 4 4 ，t 叫9 4 4 。表明应力波会接近两倍 的强度传到活塞中去。 综上所述，对任意形状的入射波，都可认为是由一系列微量波组成，当到达 刚体或自由面时，这些微量波依次反射为强度不变和符号相同或相反的增量波， 这些反射增量波衔接起来便构成与入射波同号或异号的反射波。因此我们可以把 刚体和自由面想象成是一面镜子，刚体反射的是入射波的正像，而自由面反射的 是入射波的倒倒3 3 1 2 3 二元冲击系统的动力学分析 2 3 冲击界面的动力学分析 为方便实际计算研究可假设一些前提条件： ( 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 1 7 硕士学位论文 第二章凿岩机力学建模及系统动力学研究 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) f 0 产生的入射波波形不变地传播到活塞钎杆的交界面上。 应力波在活塞和钎杆碰撞后产生。只在其中来回传播，对于钢铁 和油液之间的透反射可以忽略不计。 由于应力波传播速度高达5 0 0 0 r i g s ，而活塞和钎杆的长度一般在 2 m 一下，所以只研究冲击波在活塞和钎杆中的一次往复，因为碰 撞时间很短暂，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肿l 。 由于冲击产生的力比活塞钎杆的重鼍大的很多，因此可以忽略冲 击系统中各部件的重力作用的影响。 对于工作对象，只研究粘弹性和粘塑性两种性质的工作对象，它 们的动态特性如图2 7 所示。 ( a ) 粘弹性模型 ( b ) 粘塑性模型 图2 - 7 工作对象的力学模型 基于以上假设，并假定钎秆与工作对象的作用力全部集中在钎秆的工作端， 就可以对两种不同的工作对象用一个公式描述它们的力学模型。 肚肌p 鲁 ，( 2 - 2 4 ) t 口 。 式中k ，j ，f ，分别为工作对象的加载刚度、粘性系数和极限塑性阻力 当k = o 时，二元冲击系统的力学模型为粘塑性模型，当f o = = o 时，力学模型为粘 弹性模型 3 s l 。 +。 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： ， p 爿鲁+ 等- o ，彳嗉- + 等= o 2 - 2 硕士学位论文 第二章凿岩机力学建模及系统动力学研究 对于针什一侧则有： f = p + q ，百d u = 等 式中p ，q 分别为入射波和反射波，z 为钎杆波阻a 由以上各式即可得到二元冲击系统的动力学方程： 胁+ ( j r + z ) 鲁- 2 p b 其初始条件为u = o ，t = o 。 当k = o 时，为粘埋性工作对象： ( ，+ z ) 鲁- 2 ，- 砟 当f p = o 时，为粘弹性工作对象： k 露+ ( 以+ z ) 石d u = 2 _ p ( 2 2 6 ) ( 2 - 2 7 ) ( 2 - 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) 2 3 2 冲击应力波波形函数 假定活塞钎杆的阻抗分别为z h 和厅，冲击后，从冲击界面分别向活塞和钎 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，如图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( z h - z r ) v ( z h + z r ) ， 因此等截面活塞钎杆冲击应力波波形函数可表示为下式： f = z h - z - , r v o , o t f h 羞糍毗啾 协，。， 甭z _ i l z , 耳z , - 秒z , ，仰一睨 r 峨 为方便分析，引入无量纲变量f f ( z ，v 0 ) ，z = z z ，t + = t i t s ， 则式2 3 0 变为： f = 三，o f l 一c r l l + z 1 岳等凡心l + z 1 + z ”一 岳静肛咐 1 当z * - - l 时，活塞钎杆等波阻，由上式可知，在t l 后，f 一律变为零。因 此，等波阻活塞钎杆冲击产生的应力波波形函数为； ，：挂o j 以1 ) 10， l 。 当万_ 佃时，即将活塞视为刚体，故乙0 佃，即4 - - - t - e o ，由于活塞 质量一定，则有厶哼o ，同时厶哼o ，g 日a 2 - 3 0 可推导； 。阶舞悱铲l i mz 。 + z 石, c 鹈， 墨斋( z - i 南zv o “l i r a 。( 孙赤 哆v o 黜+ 寿产牌( 寿p t 旷l i m 南 ：z ，v o p l i mi - 乙c t z + r 丽：z ，h p 蠊面- c t z r ：z ，v o p l i m 器 一互 = z ，v 0 p “ 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，即： 一互 f ( f ) = z ，r o e “ ( 2 均 m ) ：p 一争 ( 2 3 5 ) 可见不同波阻比的活塞钎杆冲击产生的应力波波形有着很大的区别，如图 2 - 8 所示。 硕士学位论文第二章凿岩机力学建模及系统动力学研究 不丙艘匪比应力援搜形 图2 - 8 不同渡阻比活塞钎杆冲击应力波波形 2 3 3 冲击应力波波形分析 由上节推导公式我们不难发现：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 * = a h a r ，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p 6 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 - - - h - - 2 i m c ( 2 )当波阻比大于l 时，冲击产生的是按一定系数衰减的阶梯形波，比 例系数为k = ( z 一d ( z + 1 ) 。 ( 3 )刚性活塞或者刚体与钎杆冲击产生的是指数应力波。 刚性活塞虽然是一种理论上的活塞，但是有着实际的工程意义。当活塞的波 阻越大时，产生的应力波波形应该越接近指数衰减应力波理论上的计算表明： 当波阻比大于l o ，活塞钎杆冲击产生的应力波与同等重量的刚体和钎杼冲击产 生的指数应力波的平均相对差值小于5 i s 1 实际上，在冲击时，活塞钎杆两冲 击面不可能绝对光滑平行，也就不可能同时全面接触，所以理论上的阶跃是不存 在的，两者之间的差值实际上还会小一些。同时，这种阶梯衰减波的时间也是有 限的，并跟波阻比有关。波服比越丈，衰减的会越快，反之则越慢。 一股情况下，实际的波形都不会是严格的阶梯状衰减波，在阶跃处都有一个 过渡阶段，使得整条曲线变得圆滑。这是由于实际冲击中，两冲击面都有一个局 部变形的过程，再加上测试仪器的频率响应特性的影响，在波形上就表现为非阶 跃的圆滑过渡段接触面从小到大的接触过程会导致应力值不可能突然达到一极 跟，必然存在一个快速上升过程；同理，由大到小的分离过程导致应力波不可能 硕士学位论文第二章凿岩机力学建模及系统动力学研究 无期限的衰减，而是到了一定时刻就会衰减为零p 舯。综上所述，我们可以从以 下几方面对应力波波形加以描述：应力波上升时间、波形函数、应力波持续时间 ( 周期) 和应力峰值( 极大值) 。如图2 - 0 所示 2 4 本章小结 0 图2 - 9 应力波波形参敷描述 本章通过对凿岩冲击系统的分析，确定了凿岩机的冲击系统的类型，并在 此基础上建立了凿岩机冲击系统的力学模型；系统介绍了活塞钎杆冲击应力波 的产生机理和传播过程，推导出了赢接冲击情况下活塞的波动方程以及应力波波 形函数；研究了活塞钎杆的冲击现象。重点研究了等截面的冲击，推导出了不同 波阻比情况下产生的不同形式的应力波函数，得出了活塞钎杆的的波阻比决定着 冲击产生的应力波波形的结论；最后还用一些参数定性地对波形进行了描述。为 后续章节提供了理论分析依据。 硕士学位论文第三章凿岩机总体效率的研究 第三章凿岩机总体效率的研究 对于冲击涨岩机械的能量传递效率，以前有学者在这方面作了大量的研究工 作，并指出：等波阻活塞产生的矩形波是最适合的应于实际冲击机械的合理加载