2液压凿岩机钻杆回弹缓冲装置的动力学建模与仿真

1、凿岩机钻杆回弹缓冲装置的动力学建模与，能，李要芳，（工业大学机电，广州 510006）摘要本文以波动理论力学为基础，定性分析了凿岩机在进行凿岩作业的过程中，应力波在钻杆中的传/simulink 工具箱播形式。通过分析研究，提出了一种用于吸收钻杆回弹能量的缓冲装置，采用对该装置进行了动力学建模。以某型号凿岩机为例计算得出相关结构件的动力运动性能曲线。研究对于提高凿岩机的，特别是钎尾和钻杆的提供了理论参考。波动理论；/Simulink凿岩机；缓冲结构；Dynamic Ming and Simulation for Drill RodRebound Buffer Structure of Hydra

2、ulic Rock DrillLiu Zhi,Li Duanneng,Li Yaofang , XuXianmeng(Guangdong University of Technology ,faculty of electromechanical engineering, GuangDong Guangzhou, 510090, China)Abstract ： This paperbased on the wave theory of mechanics, Qualitative analyzed the communication form of Stress wave in the dr

3、ill rodin the process of hydraulic rock drill drilling operations.Through analyzing andresearching, proposed a hydraulic buffer structure which was used to absorption rebound energy of drill rod. Andsimulated & calculated the structure use/Simulink toolbox. This study provides a theoretical basis fo

4、rimproving the life of the hydraulic rock drill, especially for the life of drill rod and drill pipe.Keywords:Wave Theory;hydraulic rock drill; Buffer structure;/Simulink/simulink 工具箱对该装置进行力学仿0 引言通过真建模，计算某型号凿岩机相关结构件的动凿岩机以其钻孔速度快、效率高且容易 实现自动化而被广泛应用于采掘、工程等力运动性能曲线。计算结果表明，该结构的设计参数是合理的，对于提高凿岩机的行业。随着计算机技术和

5、机电技术的发展，以及钎杆和钻杆的提供了理论参考1。进一步提高的工作凿岩机的凿岩效率，保证凿岩机1 应力波的反射和透射应力波从一种介质进入相接触的另一种介质 时，由于两种介质的阻抗不同，将在两种介质的分界面上发生反射 现象与透射现象2。应力波在钻杆与岩石分界面上的反射与透射过 程示意图如图 1 所示。当活塞撞击，加强劳动保护，成为目前国内外相关研究的热点。凿岩机主要由冲击机构、回转机构、排 粉装置及防尘系统等部分组成，冲击机构是其核心部件之一。凿岩机工作时，冲击机构中的活塞以一定的速度冲击钎尾，通过钎尾以及与之 相连接的钻杆将活塞的动能以应力波的形式传递 给岩石，而达到破碎岩石的效果。由于岩石与

6、钻 杆的阻抗不同，必然会有部分应力波在钻杆与岩 石的接触面被反射回钻杆，这时钻杆便会发生回 弹现象。如果不加制止，钻杆的的回弹便会导致 凿岩机缸体与推进钻杆的零部件发生刚性撞击， 会使凿岩机本身以及钻杆甚至钻车受到冲击，工钻杆后，在钻杆中会一列从上至下的入射波，强度为s1 。某一时刻，入射波到达到钻杆与岩石分界面后发生反射和透射，反射回来和透射过去的应力波强度分别为s 、s 。图 1 为应力波在界面上12反射与透射示意图。由应力波波阵面上的动量守恒条件可得入射波 波后、反射波波后钻杆中质点速度以及透射波波后岩石中质点速度 分别为：图 1 应力波透、反射示意图作受到大的影响，同时凿岩机的钻孔效率

7、也将下降。本文以波动理论为基础，从应力波在钻杆与介质中产生的形式的角度出发，分析钻杆回弹现象，并结合流体力学相关理论，提出了一种用于吸收钻杆回弹能量的缓冲装置，并基金项目： 作者简介：自然科学基金资助（编号：50775043）.（1986-），男，.：297003818 .coms 2s 1- s1波，当这部分拉伸波回到接触面后，钻杆也相应 出现回弹。为了避免钻杆回弹导致的与凿岩机缸 体发生间接性的刚性撞击，以保护机体和减小噪 声，在凿岩机上设置钻杆回弹缓冲装置是很有必 要的。2 缓冲装置工作原理；u=u =；u =(2.1)r c2r c1r c1111122由应力波波阵面上的连续性条件有：

8、u + u =us + s =s(2.2)；112112联立（2.1）和（2.2）求解，得到：r- r2 c 21 c 1图 2 是凿岩机冲击机构缓冲装置工作原s= s(2.3)rc+ r c11理图。在凿岩机冲击凿岩的过程中，钻车通过推221 1r 2 c 2 - r 1 c1进梁上的一个缸向凿岩机机架 9 作用一个推u = - u(2.4)进力 Ft。在一室里面油，调定油压为 P1，1r c + r c12 21 1油压作用于缓冲活塞使其推着套筒压在钻杆上， 使钻杆的钻头抵紧在岩石上面。当活塞每打击钻 杆一次后，钻杆都会侵入岩石一段距离X。由于2 r cs 2 = s 1 (2.5)2 2

9、r+ r 1 c12 c 22 r 2 c 2r 1 c 1u= u(2.6)一室油，在油压的作用下，活塞与套筒r 2 c 2 + r 1 c 1r 2 c 221几乎在同一时间跟着钻杆一起移动X。此时二室 的油腔体积增大，油压迅速降低。于是在压差的 作用下一室的油通过单向阀流入二室。当任意时 刻二室的油压 P2 满足：P2A2+P1A1Ft 时（A1、A2 分别为缓冲活塞在一室、二室的推阀面积），凿 岩机机体会在推进力的作用下往钻杆方向推进。 同时如果在凿岩作业过程中，遇到坚硬的岩石而 没有被破碎，即岩石没有吸收掉活塞大部分的冲 击能时，必有部分冲击能以应力波的形式返回钻 杆4，这部分冲击能

10、一方面引起活塞的反弹，提供回程的初始动能。另一方面引起钻杆反弹推动套 筒以及缓冲活塞向左运动，使二室体积缩小，油 压迅速升高。故在凿岩机的推进与钻杆反弹的联 合作用下二室此时的油压 P2 会迅速上升。上升的上面各式中、c 表示介质的密度与波在该种介质中的速度， 表示波的强度。现将上面各式中r 2 c 2 - r 1 c12 r 2 c 2和分别定义为反射r 2 c 2 + r 1 c1r 2 c 2 + r 1 c 1系数a 和透射系数 b 。下面就岩石具备不同的阻抗特性时，尝试定性的分析应力波在钻杆中的状 态：1、当 rc ? r c时，可以把岩石看成刚性壁（固2 21 1定端反射，即端面不

11、产生位移），即 r2 c2 无穷大， 此时由上面的式子可知a = 1 ， b = 2 。因此有：s 1 = s 1 ；u1 = -u1 ；s 2 =2s1 ；u 2 = 0 ；油压一方面凿岩机上的中缸体在推进力 Ft 的2、当 r c = r c时，可以把岩石看成真空（自2 21 1作用下与缓冲活塞形成刚性撞击；另一方面吸收 钻杆反弹的能量，使得钻杆的反弹速度迅速降低 为零，同时又通过缓冲活塞、套筒推动钻杆重新 抵紧在岩石断面，以提高钻孔效率。由于一室油 压调定为 P1，当二室油压上升后，连接一二室之间的环形缝隙的两端便形成了一个压差P，于是 在一二室之间的环面上形成了一股压差流。因为 这个缝

12、隙很小，所以此处的环形缝隙便相当于从由端反射，即不受应力的自由端面），即 r2c2 = 0此时又上面的式子可知a = -1 ， b = 0 。因此有：s 1 = -s 1 ；u 1 = u 1 ；s = 0 ；u = 2u；221通过以上假设我们可以得出如下结论：当入射波到达固定端（自由端）时，反射为强度不变，符号相同的（或相反）的反射波。因此入射的压缩 波在固定端（自由端）反射为压缩波（拉伸波）； 入射的拉伸波在固定端（自由端）反射为拉伸波（压缩波）3。当所钻的岩石比较软时，可以将岩石与钻杆的接触面看成自由端，这时压缩波触面反射成为拉伸波，通过上面的分析我们知道 当反射的拉伸波回到撞击面后，

13、钻杆将朝与活塞 分离的一方运动。在这种情况下钻杆与活塞均不 会反弹。当所钻的岩石比较硬时，可以将岩石与钻杆的接触面看成固定端，这时压缩波触面反射成为压缩波。当反射的压缩波回到撞击面后， 一部分将透射到活塞中，并在活塞的自由端反射， 反射的拉伸波回到撞击面使后活塞产生回弹；另一部分将在撞击面（此时为自由端）反射为拉伸图 2凿岩机缓冲装置工作原理图1、中缸体 2、冲击活塞 3、单向阀 4、缓冲活塞 5、套筒 6、钻杆 7、二室 8、一室 9、机架 10、间隙二室到一室的一个阻尼孔，用以因凿岩机体将(4.4)代入（4.3）并求解其微分方程得：推进以及钻杆的反弹而导致二室油压过高，从而 起到保护凿岩机

14、机体上零部件，提高其工作的目的。3 冲击系统的动力学建模为了分析过程的方便与简洁，同时又能尽量 反映现象的本质，对图 1 所示冲击系统作如下假设： - K tZ u(4.5)u (t ) =0 (1 - e J P + Z )K缓冲活塞以及机体的运动学方程分别为：d 2 S= P2 A2 + P1 A - t ld DP ；mP2dtd 2 S= P2 A2 + P1 A - Mg (4.6)M Jdt 21)钻杆与活塞等波阻，其长度能保证活塞对钻 杆撞击产生的入射波不受反射波的影响。只考虑冲击系统第一次入射波的作用过程， 忽略反射波在钻杆的撞击端发生再反射所形 成的第二次入射波。工作介质为粘

15、弹性的。钻杆与工作介质的作 用力全部集中在钻杆的工作端。以钻杆与工 作介质的交界面为研究对象，对于工作介质上面各式中：P、Q 为入射波和反射波；u 为钻杆击入岩石的击入量；Z 为钻杆波阻，其值为cA； 、c 与上文中的意义相同，A 为钻杆截面积；L 为活塞长度；K、Jp 为介质刚度与粘性系数。m、M、Sp、Sj 分别为缓冲活塞与凿岩机的质量与位移； 为阻力系数。2)3)4 缓冲装置的及结论分析侧作用力与位移F = K u + J如下du式：（4.1）在建立了缓冲装置中相关零部件的数学模型 后，可通过 simulink 工具箱将数学模型转变为计Pdt算机能处理的模型。simulink 工具箱是对

16、于钻杆这一侧由波的叠加原理则有：F = P ( x ) + Q ( x )软件的扩展，它可以方便地用于系统建模、动态 和数据分析。在本研究的缓冲装置中，就是du1(4.2)=( P - Q )要能够做到在凿岩机正常工作过程中缓冲活dtZ塞在机体推进与钻杆反弹的作用下也与联立（4.1）、(4.2)可得冲击系统的动力学方程：图 2 所示的中缸体发生接触或刚性撞击。现以某K u + ( J + Z ) du(4.3)= 2 P型号凿岩机结构为例，以其缓冲装置为Pdt计算参考，以图 2 所示缓冲装置中的缓冲活塞、钻杆以及中缸体为对象，以他们的位移量为目标， 并结合冲击系统动力学数学模型，建立 Simu

17、link模型如图 3 所示。假定活塞速度 V0 为 8m/s； 频率 f=60Hz；岩石的刚度为 300MN/m，对冲击机从上式可看出活塞在冲击系统中的作用是由入射 波波形体现出来的。由于活塞与钻杆为等波阻， 它们撞击产生的入射应力波为矩形波，结合波动 方程的通解可知：P ( x ) = 1 Z u（ 0 x L）(4.4)构的缓冲装置进行动态。02图 3 Simulink计算动力运动性能曲线如结果的分析得出了如下模型岩机体几乎是在同一时间运动，只是运动速度各不相同。2) 由图4我们可以看出，活塞击打钻杆0.22ms后钻杆在岩石中的位移约为0.27mm，而缓冲活相关结构件的 图4、5所示。通过

18、对结论：1) 通过图4、图5可以看出钻杆、缓冲活塞以及凿塞达到同等位移(复位)的时间为0.56ms。而由 冲击活塞运动的频率可以知道，单次冲击周期为16.7ms。所以该缓冲装置能满足频率响应的要求。在一个周期(16.7ms)内的位移为 0.3mm，超过活塞单次击打钻杆后侵入岩石的位移 0.27mm，这时缓冲活塞在机体推进力与钻杆反弹的 会与中缸体发生刚性撞击，说明推进 应该根据具体工况而调整。5 结束语作用下又的大小3)图5中，在机体推进P为60bar时,机体在一个周期(16.7ms)内的位移为0.1mm，而钻杆及 缓冲活塞均在一个周期的前0.56ms达到活塞 单次击打钻杆后侵入岩石的位移0.27mm。这相比于以前凿岩机上固定式缓冲装置（蓄能器），本研究的缓冲装置具有更佳的缓冲效果。本研究的缓冲装置除了吸收钻杆反弹的动意味着在机体推进力与钻杆反弹的作用下缓冲活塞左端面始终与中缸体保持一定的能以外，还能将钻杆的动能以能的形式重新间隙，形成刚性撞击，这就了减小钻将钻杆抵紧在岩石断面，从而提高凿岩机的效率。同时由于两级缓冲，