冲击凿岩理论分析解析(论文)文档.pdf

维普资讯 冲击凿岩理论分析 I 恕 一 、 冲击凿岩理论的发展 1857年，以压气为动力的活塞式凿岩机首次在工程上获得应用，39年后，第一台锤击式 凿岩机问世，这是凿岩技术上的又一次重大突破，而其工作原理则一直沿用至今。本世纪七 十年代初期，液压凿岩机继气动凿岩机之后脱颖而出，从而使凿岩技术跨入一个新的发展阶 段，成为当今世界上具有划时代意义的凿岩机具。 尽管锤击式凿岩机在实践中取得了极大的成功，但它在设计上却存在着很大的困难。这 是由于它的活塞运动完全受控于其两侧工作腔内的介质压力，而这个压力又取决于活塞的运 动速度和介质进入或排出工作腔的流量。因此，虽然在理论上活塞运动是确定的，但因求解 上的实际困难，所以直到不久前，还只能用整个工作过程的平均压力乘以活塞冲程来计算出 冲击能量 并以此作为设计凿岩机的重要依据，根本谈不上活塞运动的优化设计。在此期 间，凿岩机的设计和改进，主要是靠既耗资又费时的反复制造样机、试验和数据测定，然后 加以修改而得到较优的产品。 在电子计算机出现之后，活塞的运动过程与凿岩机各结构参数间的关系就可以被准确地 描述出来，这就能在凿岩机还未制造出来以前而预估到活塞整个运动的历程，从而可以做到 优化设计。 锤击式凿岩机的能量传递是借助于活塞冲击钎尾，把活塞的动能转化为应力波，而后以 应力波的形式在钎杆中传播，当能量传递到钎头时即产生破岩作用。过去，核算凿岩机的强 度和工作效率，只能运用碰撞理论给出近似的结果，而运用上述波动理论才能准确地回答这 两个问题。但是，由于应力波在钎杆中的传播过程变化十分复杂，利用波动方程有时仍然难 以求解，只有借助于电子计算机才能获得相当满意的结果。 在获得活塞与钎具冲击载荷谱的基础上，便有可能对其寿命做出估计。这在利用波动力 学对冲击系统进行电算以前，是难以想象的。但是，计算机并不能解决所有的问题，如局部 阻力系数、局部变形系数、凿岩边界条件等等，还只能是由实际测定来得到，而电算程序的 准确可靠性，也还是要通过实际测定才能得到鉴别。因此，凿岩机及其冲击系统的实际测 试，仍然是发展冲击凿岩理论和实践的重要技术手段。 二、冲击凿岩理论及其模型 目前，在冲击凿岩理论研究中，对于活塞与钎尾的冲击问题，已提出三种理论及其模 型。 1．碰撞理论及其模型 冲击式凿岩机主要是由动力机构、能量传递元件和破岩工具三部分组成。缸体和活塞是 60 维普资讯 动力机构，钎杆是能量传递元件，而钎头则是破：岩：具。冲击凿岩的动力传递是通过应力渡 在钎杆中的传播，将活塞的动能以应力波的形 式传递到钎头而产生破岩作用。 在本世纪六十年代以前，冲击凿岩的理论 计算都是应用牛顿的碰撞理论，采用如图1的 ～ 一一 模型。 图1冲击面无局部变形瞬间全面接触的理论模型 在图1中，设活塞的质量为M，钎杆的质量为M ，则活塞所具有的动能W为 · 1 W=÷MV。 (1) 式中 V——冲击速度。 利用动量守恒及复形系数，便可求得钎杆所得到的动丹a．~xvTvr为 w ，= 、v (2) 式中 e——活塞到钎杆的复形系数。 当钎头冲击岩石时，则岩石所得到的能量Wr为 W ，= (1一e )W (3) 式中 e——钎刃到岩石的复形系数。 由于凿入作功和岩石得到~9,1t量相等，可以给出