修改稿電錘沖擊系統(tǒng)的波動(dòng)力學(xué)研究

1、引言電錘是將電能轉(zhuǎn)變?yōu)闆_擊能，在混凝土、樓 板、磚墻和石材上鉆孔的一種常用手動(dòng)工具。在 其工作過(guò)程中，通過(guò)電動(dòng)機(jī)將電能直接或者間接 轉(zhuǎn)變?yōu)闆_錘的動(dòng)能，沖錘以一定速度撞擊沖桿，通 過(guò)鉆頭作用于工作對(duì)象上，使其發(fā)生破碎并形成孔 眼。撞擊在瞬間完成，產(chǎn)生峰值極大的應(yīng)力波脈 沖，具有力放大功效。在電錘這類利用撞擊原理工作的沖擊機(jī)械 中，參與撞擊的各個(gè)部件在撞擊瞬間同時(shí)發(fā)生位 移和變形，因而必須應(yīng)用彈性動(dòng)力學(xué)理論予以解 釋。又由于大多數(shù)沖擊機(jī)械中各個(gè)沖擊部件呈桿 狀，可以應(yīng)用彈性動(dòng)力學(xué)中一維波動(dòng)力學(xué)理論進(jìn) 行近似分析，這不僅使沖擊機(jī)械動(dòng)力學(xué)建模和分析 變得更簡(jiǎn)捷和直觀，而且其分析精度可以達(dá)到工程 要求n

2、。所以，沖擊機(jī)械波動(dòng)力學(xué)研究成為該領(lǐng)域 最為常見(jiàn)的方法。hustrulid等應(yīng)用波動(dòng)力學(xué)對(duì)鑿巖沖擊系統(tǒng) 中應(yīng)力波的傳播規(guī)律、應(yīng)力波波形與沖擊能量傳 遞效率的關(guān)系等問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。 lundberg等叫分析了沖擊系統(tǒng)中各個(gè)部件與工作 介質(zhì)力學(xué)特性的匹配關(guān)系，編制了沖擊系統(tǒng)撞擊鑿 入全過(guò)程的數(shù)值模擬程序。徐小荷、劉德順、鄒定 詳?shù)?5-71對(duì)沖擊系統(tǒng)中應(yīng)力波的產(chǎn)生和傳播、各沖擊 部件動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性以及工作介質(zhì)的力學(xué)建模也進(jìn) 行了廣泛研究。劉德順等區(qū)%基于特征線法和入反射 波法分別描述了應(yīng)力波在變波阻桿中的傳播規(guī)律， 提出了根據(jù)彈性桿上一點(diǎn)狀態(tài)矢量依次計(jì)算鉆頭 波阻的反演原理與計(jì)算方法，并對(duì)兩種

3、反演方法進(jìn) 行了驗(yàn)證與討論。劉德順等對(duì)應(yīng)用于采掘工程、 建筑工程和加工工程等行業(yè)的沖擊機(jī)械及其研究 成果進(jìn)行了系統(tǒng)梳理，提出了以彈性桿為核心元件 的4元件沖擊系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)建模方法，并根據(jù)沖擊系 統(tǒng)力學(xué)模型中所包含的獨(dú)立的彈性桿件數(shù)將常見(jiàn) 的沖擊機(jī)械系統(tǒng)分為一元、二元和三元沖擊系統(tǒng)。 以鑿巖機(jī)械為代表的二元沖擊系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)研究 頗多，但鮮見(jiàn)有電錘這類三元沖擊系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)研 究報(bào)道。如圖1所示。在工作中，沖錘以初速度w接觸并撞 擊沖桿，沖桿、鉆頭與工作對(duì)象均為緊密接觸。圖1電錘沖擊系統(tǒng)結(jié)構(gòu)fig.l the structure of an electric hammer impact system在

4、力學(xué)模型中，彈性桿被抽象為有質(zhì)量和彈性 的細(xì)長(zhǎng)桿，如圖2a所示。假設(shè)桿在變形時(shí)，它的 截面始終保持為平面，說(shuō)明桿的截面上只受軸向應(yīng) 力。也就是說(shuō)，彈性桿中的任一點(diǎn)的位移均滿足一維波動(dòng)方程:式中u為桿中質(zhì)點(diǎn) 縱波波速。d2 u 2 kf(截面)的位移，。為桿材料的dv(1)(a)彈性桿(b)彈簧圖2力學(xué)模型中的基本元件fig.2 the basic components in mechanical model實(shí)際上，兩個(gè)沖擊部件之間接觸并非同時(shí)全面 接觸，而是存在一個(gè)由小變大的接觸面局部變形過(guò) 程，工程上可以將兩個(gè)相撞部件接觸面的局部變形 抽象為無(wú)質(zhì)量的虛擬彈簧，如圖2b所示。彈簧的 力學(xué)方程可

5、表示為：f =k("-2)(2)式中“1、“2分別為彈簧元件兩端的位移，#為撞擊 面的局部變形系數(shù)。這里需要特別指出的是，通常在應(yīng)用波動(dòng)力學(xué) 分析沖擊機(jī)械時(shí)，習(xí)慣視壓應(yīng)力為正；并且彈性桿 之間只能傳遞壓應(yīng)力，而不能傳遞拉應(yīng)力；當(dāng)彈性電錘沖擊系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)1桿兩個(gè)接觸面上力等于0時(shí)，該面就處于自由狀態(tài),修改稿電錘沖擊系統(tǒng)的波動(dòng)力學(xué)研究劉德順楊志高楊書儀(湖南科技大學(xué)先進(jìn)礦山裝備教育部工程研究中心 湘潭411201)摘要：電錘是種利用撞擊來(lái)產(chǎn)生、傳遞能量的機(jī)械。首先基于電錘的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和波動(dòng)力學(xué)理論，建立電錘三元沖擊系統(tǒng)動(dòng) 力學(xué)模型；然后應(yīng)用透反射關(guān)系原理，提出電錘沖擊系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬計(jì)算

6、方法；最后以某型號(hào)電錘為例，進(jìn)行沖擊系統(tǒng) 動(dòng)力學(xué)數(shù)值仿真分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明數(shù)值仿真分析與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果基本吻合。這為電錘沖擊系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)和方法。關(guān)鍵詞：電錘；沖擊系統(tǒng)；波動(dòng)力學(xué)：數(shù)值模擬中圖分類號(hào)：td41,tu601文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：a 文章編號(hào)：1.1電錘沖擊系統(tǒng)部件建模根據(jù)電錘的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和波動(dòng)力學(xué)理論，可將電 錘組成沖擊系統(tǒng)的諸部件抽象為3個(gè)彈性桿部件，收稿日期：修訂日期: 基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(，)；湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(cx2012b392)fdu(4)2.離散處理對(duì)于具體的電錘沖擊系統(tǒng)，由于其部件結(jié)構(gòu)形 狀、邊界條件復(fù)雜，很難直接得

7、到波動(dòng)方程（1） 的解析解，而只能采用離散數(shù)值計(jì)算方法求得數(shù)值 解。在數(shù)值計(jì)算時(shí)，選定時(shí)間步長(zhǎng)丁，由于應(yīng)力波 在彈性桿中的傳播速度為c,那么相應(yīng)的空間步長(zhǎng) （單元軸線長(zhǎng)度）為8 = c" 將沖擊系統(tǒng)中各個(gè)彈 性桿沿軸線離散成等長(zhǎng)的若干單元，并按順序從左 至右給各離散界面編號(hào)。數(shù)值計(jì)算中，時(shí)間步長(zhǎng)越 小，單元長(zhǎng)度越小，計(jì)算結(jié)果的精度越高。單元長(zhǎng)m i i+l圖4應(yīng)力波在波阻突變界面的傳播fig.4 propagation of stress wave in the interface ofimpedance saltation根據(jù)透反射關(guān)系可得:這里將一個(gè)波阻為z,的單元向波阻為z,+

8、1的單元傳 播時(shí)透射系數(shù)和反射系數(shù)表示為：稱之為自由面，也就是說(shuō)自由面上作用力為0。1.2工作對(duì)象建模混凝土、磚墻和巖石等工作對(duì)象的動(dòng)力學(xué)特 性對(duì)整個(gè)電錘沖擊系統(tǒng)有著重要影響。一方面它作 為沖擊系統(tǒng)的一個(gè)重要邊界條件，需要用它來(lái)定解 波動(dòng)方程，計(jì)算沖擊鑿入過(guò)程。另一方面，研究工 作對(duì)象的力學(xué)特性，為預(yù)測(cè)鑿進(jìn)速度、電錘沖擊系 統(tǒng)各部件與工作對(duì)象的合理匹配關(guān)系提供依據(jù)。對(duì) 于巖石、混凝土等脆性工作對(duì)象，電錘沖擊系統(tǒng)工 作端的作用力與鑿深（位移）一般呈線性關(guān)系，如 圖3所示。從數(shù)學(xué)角度而言，這種線性關(guān)系可以用 如下函數(shù)來(lái)描述：0u<0f = k,uw>0,dw/dr>0 （3）f”

9、心-匕（次） 心。,du/dt<q 式中k，陽(yáng)分別為工作介質(zhì)的加載系數(shù)和卸載系 數(shù)，f為鑿入力,"為鑿入深度，e心、如心分別為 最大鑿入力與最大鑿入深度。圖3力一鑿深曲線fig.3 the force-penetration relationship curve1.3電錘沖擊系統(tǒng)的性能指標(biāo)為了評(píng)估電錘沖擊系統(tǒng)的性能，這里定義鑿入 深度為電錘單次撞擊中工作端的最大位移量i"， 它表征了電錘沖擊系統(tǒng)的生產(chǎn)效率；定義電錘的效 率為沖擊系統(tǒng)對(duì)工作對(duì)象所作的功與沖錘的動(dòng) 能之比值，它表征了電錘的能量利用率。r j 0 護(hù)二式中"場(chǎng)為沖錘的質(zhì)量，期為沖錘的初始撞擊速度。

10、2電錘沖擊系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算方法度選取應(yīng)根據(jù)沖擊系統(tǒng)總長(zhǎng)度與沖擊部件形狀結(jié) 構(gòu)來(lái)確定。在沖擊系統(tǒng)長(zhǎng)度較短或沖擊部件形狀結(jié) 構(gòu)復(fù)雜時(shí)，單元長(zhǎng)度應(yīng)盡量取得小些，以便獲得更 為精確的計(jì)算結(jié)果。對(duì)波動(dòng)方程（1）采用行波法求解，即認(rèn)為在 每個(gè)離散單元中同時(shí)作用這相向而行的兩個(gè)波：順 波和逆波。用符號(hào)rj，表示單元界面上順波受 力值與逆波受力值，其中第一個(gè)下標(biāo)，表示單元位 置（i=l, 2, 3.）,第二個(gè)卜標(biāo)/表示時(shí)間（j=l, 2, 3.）。用ej表示單元界面上力作用力（f, v/j 表示單元界面速度，它們之間存在如下關(guān)系：% =匕 + q,j(5)2.2初始值的確定整體速度為前的沖錘可等效為一個(gè)順波n =

11、 ；z/。和一個(gè)逆波所合成。 即在發(fā)生以前，沖錘的各個(gè)截面上都有順逆二波 在傳播：p” = zi vo乙（6）qi, =式中乙為沖錘，單元的波阻。撞擊發(fā)生后，順、逆兩 波在撞擊界面按透反射原理進(jìn)行傳播。2.3應(yīng)力波傳播波動(dòng)方程（1）的解由向右傳播的順波p和向 左傳播的逆波q疊加而成。而無(wú)論是順波還是逆 波，它們?cè)跊_擊部件中傳播時(shí)，會(huì)在波阻發(fā)生變化 的單元界面上發(fā)生應(yīng)力波的透射、反射，根據(jù)透反 射規(guī)律就可以得到?jīng)_擊部件各個(gè)界面各個(gè)時(shí)刻的 順波、逆波。為了表示的方便，根據(jù)應(yīng)力波的傳播 規(guī)律，用pw、qu分別表示到達(dá)界面的順波與 逆波，用rj、分別表示越過(guò)界面之后新的順波 與逆波，如圖4所示。虹,0

12、.1，卜1 /乙 + zj+&j+ize-z,(8)'(13)z, + z,+式中r川為透射系數(shù)，人心為反射系數(shù)。應(yīng)另波在通過(guò)波阻發(fā)生改變的界面?zhèn)鞑r(shí)，在 界面兩側(cè)的作用力和速度分別相等，根據(jù)式(5) 有：ej = 4iji+qj = 4j+q*_i<11(9)vi,j =n(4-1j-1-qj)=z(4j-0hji)2.4自由面當(dāng)部件界面未受到其他部件及其界面約束時(shí)， 該界面就為自由面。在沖擊系統(tǒng)中，沖錘的非撞擊 面即左端面始終為自由面，叩有：f=0(10)當(dāng)相鄰部件之間發(fā)生分離時(shí)，則相鄰部件界面 均為自由面，在分離期間按自由面處理。2芒彈簧界面由于將兩個(gè)相撞部件接觸面

13、的局部變形抽象 為無(wú)質(zhì)量的虛擬彈簧，當(dāng)應(yīng)力波傳播遇到彈簧元件 時(shí)，彈簧變形量(ujj-u/j)和撞擊力之間滿足公 式(2),如圖5所示。在計(jì)算時(shí)，己知本時(shí)刻到達(dá) 彈簧界面的順波11 ijlw,j圖5彈簧界面處理fig.5 the spring deformation modelpe-i和逆波a+u-i以及上一時(shí)刻的彈簧力f滬，本 時(shí)刻的彈簧力月j可由下式求得6，刀：772q+1 ji £./. +廣月”.|f +1 ktij；z'z1 + +zj+| kt(11)求片/得后，離開(kāi)彈簧界面的順波rj和逆波便 可利用應(yīng)力波的疊加關(guān)系求出如下：= % -qi+i jaqu = fi

14、j(12)由于應(yīng)力波在通過(guò)彈簧元件時(shí)，彈簧會(huì)發(fā)生壓 縮變形，彈簧界面兩側(cè)的速度不相等，根據(jù)式(5) 可以得到：式中%、匕分別表示彈簧界面左右兩側(cè)的速度。(14)u； ； = u. . 1 + v； ；tl，j i， l，j< = ll. 1 +u.，.ti j wi i j式中l(wèi)ijj、的,分別表示彈簧界面兩側(cè)的位移。彈 簧的變形量l可表示為：l 廣7/ j(15)2.6工作端到達(dá)工作端的應(yīng)力波，一部分透射進(jìn)工作對(duì)象 使其破碎成孔；另一部分形成反射逆波，其幅值和 形狀取決于入射波的形狀及工作對(duì)象的性質(zhì)，如圖 6所示。工作對(duì)象力學(xué)模型采用如圖2所示的彈性 模型，則從工作端的反射逆波為：(1

15、6) r,+z,.當(dāng)工作端與工作介質(zhì)接觸時(shí)，接觸界面兩側(cè)的 作用力和速度分別相等，計(jì)算出反射逆波后，根據(jù) 式(5)即可求出鑿入力與鑿入速度的大?。号c廣£-"i +qi,j&=孑(皿-9,)(17)圖6應(yīng)力波在工作端的傳播fig.6 propagation of stress wave in working interface隨著鉆頭的鑿入，鑿入速度逐漸下降，最后鉆 頭會(huì)被彈起，此時(shí)計(jì)算反射逆波時(shí)，將加載系數(shù)k 換成卸載系數(shù)2.7界面分離處理沖擊系統(tǒng)中各個(gè)部件之間只能傳遞壓應(yīng)力。當(dāng) 出現(xiàn)拉應(yīng)力時(shí)，原來(lái)相鄰兩個(gè)部件接觸界面將發(fā)生 分離。隨著應(yīng)力波在各個(gè)部件中來(lái)回傳遞，出

16、現(xiàn)壓 應(yīng)力時(shí)，相鄰兩個(gè)部件界面又將出現(xiàn)恢復(fù)接觸的趨 勢(shì)。這個(gè)過(guò)程在整體上表現(xiàn)為部件振蕩，分離界面 變?yōu)樽杂擅?。由于將兩個(gè)相鄰部件接觸面的局部變 形抽象為無(wú)質(zhì)量的虛擬彈簧，所以兩者接觸、分離、 再接觸過(guò)程可以根據(jù)相鄰界面的位移差(也就是彈 簧變形量)來(lái)判別處理。當(dāng)z>0時(shí)，表明兩沖擊部件接觸；<0時(shí)表明兩沖擊部件分離，則此界面必 須按自由面處理。根據(jù)以上沖擊系統(tǒng)數(shù)值計(jì)算方法，可以編制出 電錘沖擊系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)數(shù)值模擬程序。軟件程序能 夠?qū)崿F(xiàn)沖擊系統(tǒng)任一時(shí)刻的受力狀態(tài)、任一點(diǎn)的受 力歷程和位移、任一沖擊部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的計(jì)算與 顯示和沖擊系統(tǒng)的鑿入量和效率等指標(biāo)的計(jì)算。3電錘沖擊系統(tǒng)波動(dòng)力

17、學(xué)模擬分析與 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證3.1電錘沖擊系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)模型及其參數(shù)本例中的某型號(hào)電錘沖擊系統(tǒng)包含沖錘、沖桿 及鉆頭三元件，沖錘在氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)下作往復(fù)運(yùn)動(dòng)撞擊 沖桿，沖桿產(chǎn)生的沖擊力以應(yīng)力波的形式作用于鉆 頭，其力學(xué)模型如圖7所示。圖7電錘三元沖擊系統(tǒng)力學(xué)模型fig.7 the mechanics model of an electric hammer impact system involving three rods在模型中，沖錘、沖桿及鉆頭的材料相同，鉆 頭工作端硬質(zhì)合金鉆刃由于所占的比重很小，可以 忽略其影響，因此沖錘、沖桿及鉆頭的力學(xué)性能參 數(shù)可視為相同。其中，材料縱波波速c=5100m/s,

18、材料密度p=7830kg/m3o由于工作介質(zhì)為混凝土， 其加載系數(shù)&=45mn/m ,卸載系數(shù)為 ar2=135mn/m；沖錘與沖桿、沖桿與鉆頭撞擊局部 變形采用虛擬彈簧模擬,其剛度k =灼=760mn/m, 這些系數(shù)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)取得的。沖擊初速度 vo=10.5m/so各沖擊元件之間初始間隙為0。在模擬 中選取時(shí)間步長(zhǎng)丁 =0.196奶 單元長(zhǎng)度8 = 1 mm，將 整個(gè)沖擊系統(tǒng)離散成570個(gè)單元，如表1所示。表2沖擊系統(tǒng)各單元界面的截面積tab.2 the cross-sectional areas of element interfaces in an electric hamme

19、r impact system編號(hào)截面積 (mm2)備注編號(hào)截面積 (mm2)備注156606653569415沖錘67475102566068412沖桿26-381896933039-471897023248 526157120153 59380沖桿7213421460 64615135216254鉆頭65589217-571953.2電錘沖擊系統(tǒng)數(shù)值模擬分析部件名稱部件長(zhǎng)度(mm)單元長(zhǎng)度s(mm)單元數(shù)目沖錘37137沖桿33133鉆頭5001500表1電錘沖擊系統(tǒng)離散處理lab.l the discrete processing of an electric hammer impact

20、system沖擊系統(tǒng)離散之后，各界面上的截面積如表2所示。為了進(jìn)一步了解沖擊系統(tǒng)各個(gè)部件中應(yīng)力變 化規(guī)律，分別選取圖8各沖擊部件中應(yīng)力較大的a、 b、c三處截面，其應(yīng)力波歷程分別如圖9、圖10、 圖11所示。5000100 200 300 400 500 600 700 800r/us圖9沖錘上a處應(yīng)力波fig.9 the stress wave of point a in the punch hammero20o52500050bcls/b通過(guò)數(shù)值模擬，電錘沖擊系統(tǒng)部件應(yīng)力幅值分 布如圖8所示。結(jié)果表明，沖錘中的最大壓應(yīng)力為 281 mpa,最大拉應(yīng)力為19 mpa；沖桿的最大壓應(yīng) 力為28

21、1mpa,最大拉應(yīng)力為21 mpa；沖錘和沖桿 中的應(yīng)力分布總的特征是：前端壓應(yīng)力較大，后端 出現(xiàn)了一定拉應(yīng)力。鉆頭中的最大壓應(yīng)力為 349mpa,最大拉應(yīng)力為367 mpa,鉆頭受到的拉壓 應(yīng)力幅值相當(dāng)。圖8電錘沖擊系統(tǒng)應(yīng)力分布fig.8 the distribution of stress in an electric hammer impactsystem300250200tj 150m 100500-500100 200 300 400 500 600 700 800r/us圖10沖桿上b處應(yīng)力波fig.10 the stress wave of point b in the punc

22、h pole圖11鉆頭上c處應(yīng)力波fig.ll the stress wave of point c in the drill從圖9、圖10可以看出，沖錘撞擊沖桿后，沖 錘、沖桿中的應(yīng)力波幅值在20us內(nèi)就由零驟增到 250mpa,再經(jīng)過(guò)80us又重新下降到零附近。經(jīng)過(guò) 390us后，沖桿中的應(yīng)力波出現(xiàn)小幅增加，這是因 為應(yīng)力波在鉆頭中來(lái)回傳遞一次的時(shí)間是196uso 經(jīng)過(guò)兩個(gè)周期后，反射波中出現(xiàn)壓應(yīng)力，使鉆頭與 沖桿又重新接觸，鉆頭中的應(yīng)力波透射到?jīng)_桿之 中。經(jīng)過(guò)650us后，沖錘、沖桿中的應(yīng)力波增大， 這是因?yàn)闆_桿在獲得鉆頭傳遞過(guò)來(lái)的能量后，沖桿 產(chǎn)生反彈，并與之前脫離接觸的沖錘發(fā)生二次碰

23、撞 沖擊，使沖錘、沖桿中應(yīng)力波增大。從圖11可以 看出，鉆頭中出現(xiàn)了很大的拉應(yīng)力，這是由于混凝 土相對(duì)較軟，混凝土沒(méi)有吸收入射應(yīng)力波的全部能 量，能量以拉伸波的形式反射回來(lái)。綜合以上分析得出如下結(jié)論：（1）在電錘沖擊 系統(tǒng)中，鉆頭中的應(yīng)力比沖錘、沖桿中的應(yīng)力大， 并且承受的拉應(yīng)力較大，容易促使鉆頭發(fā)生疲勞斷 裂，這可能是造成鉆頭壽命較沖錘、沖桿短的重要 原因。（2）從各個(gè)部件應(yīng)力波歷程中峰值大小來(lái)看, 對(duì)電錘鑿入深度、效率和各個(gè)部件疲勞壽命有著決 定性影響的是應(yīng)力波歷程中的前面12周期。（3） 電錘這類包括3個(gè)彈性桿的三元沖擊系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué) 規(guī)律與以鑿巖機(jī)為代表的二元沖擊系統(tǒng)是基本相 同的，只是

24、沖桿、沖錘等沖擊部件的回彈有著特殊性。根據(jù)電錘沖擊系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)模擬分析可知：在 給定條件下，該型號(hào)的電錘最大鑿入力19866 n, 相對(duì)應(yīng)的鑿深為wo=o.441mm,效率"=0.57。3.3試驗(yàn)驗(yàn)證為了驗(yàn)證沖擊系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)建模和數(shù)值計(jì)算 方法的可行性，對(duì)某型號(hào)電錘數(shù)值模擬進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì) 比分析。采用bx120-2aa應(yīng)變片、synergy動(dòng)態(tài)信 號(hào)采集系統(tǒng)組建電錘沖擊測(cè)試系統(tǒng)，如圖12所示。 在本測(cè)試中，選擇鉆頭上兩個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，沖擊 對(duì)象為普通混凝土試塊。synergy動(dòng)態(tài)信號(hào)采集系 統(tǒng)采用高速瞬態(tài)記錄模式，采樣頻率設(shè)置為2ms/s, 同時(shí)使用兩個(gè)高速采集通道，將兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的采集數(shù)

25、據(jù)并行記錄到板載高速內(nèi)存中，最后保存到內(nèi)置硬 盤中。對(duì)于測(cè)試系統(tǒng)記錄中的電錘單次撞擊期間通 過(guò)兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力波波形，經(jīng)matlab小波包進(jìn) 行消噪處理后，得到清晰準(zhǔn)確的實(shí)測(cè)應(yīng)力波波形。圖12電錘沖擊測(cè)試系統(tǒng)fig. 12 the electric hammer impact test system實(shí)測(cè)的電錘鉆頭應(yīng)力波與數(shù)值模擬結(jié)果如圖 13和圖14所示。從圖可見(jiàn)，在應(yīng)力波歷程關(guān)鍵的 前面12個(gè)周期中，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果二者 吻合較好。這表明本文提出的電錘沖擊系統(tǒng)波動(dòng)力 學(xué)建模和數(shù)值模擬方法能夠較好地反映沖擊系統(tǒng) 中應(yīng)力波變化規(guī)律，可以運(yùn)用于具體電錘的設(shè)計(jì)開(kāi) 發(fā)之中，減少電錘樣機(jī)的試驗(yàn)次數(shù)，

26、縮短開(kāi)發(fā)周期, 減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用。模擬和實(shí)驗(yàn)都表明，鉆頭承受著與 壓應(yīng)力相當(dāng)?shù)睦瓚?yīng)力，這需要在電錘沖擊系統(tǒng)設(shè)計(jì) 時(shí)合理匹配各部件尺寸，盡量減少鉆頭拉應(yīng)力，提圖13鉆頭測(cè)點(diǎn)1應(yīng)力波曲線fig.13 the stress wave curve of the first point in the drillr/us圖14鉆頭測(cè)點(diǎn)2應(yīng)力波曲線fig.14 the stress wave curve of the second point in the drill數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果二者誤差來(lái)源于實(shí) 驗(yàn)測(cè)試中的隨機(jī)性、采用的一維波動(dòng)力學(xué)模型取代 三維實(shí)體的誤差和模型參數(shù)的實(shí)驗(yàn)辨識(shí)誤差等。從 時(shí)間歷程來(lái)看，

27、應(yīng)力波的前半部分，也就是沖擊系 統(tǒng)的入射應(yīng)力波，其波形取決于沖錘和沖桿桿的幾 何結(jié)構(gòu)和力學(xué)性質(zhì)，由于沖錘和桿的均勻性較好， 其幾何尺寸和力學(xué)性質(zhì)容易精確測(cè)定，故波形的前 半部分模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合程度較高。應(yīng)力波 波形出現(xiàn)拉應(yīng)力部分是由鉆頭工作端反射回來(lái)的 應(yīng)力波決定的，因此這段波形不但與入射應(yīng)力波有 關(guān)、還取決于工作端工作對(duì)象的力學(xué)特性。由于數(shù) 值模擬中工作對(duì)象的力學(xué)模型采用的是線彈性模 型，而實(shí)際的工作對(duì)象并不是理想的線彈性模型， 這樣后半部分模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的吻合程度就 低些。由于誤差的累積效應(yīng)，越往后數(shù)值模擬與試 驗(yàn)結(jié)果誤差越大。4結(jié)論(1) 本文建立了以彈性桿為核心的電錘沖擊 系

28、統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)模型。應(yīng)用透反射關(guān)系法，提出了電 錘沖擊系統(tǒng)波動(dòng)力學(xué)數(shù)值計(jì)算方法。以某型號(hào)電錘 為例，通過(guò)電錘試驗(yàn)測(cè)試驗(yàn)證了電錘沖擊系統(tǒng)波動(dòng) 力學(xué)建模和數(shù)值求解方法是正確可行的。(2) 應(yīng)用電錘沖擊系統(tǒng)數(shù)值模擬軟件可獲知 電錘沖擊系統(tǒng)各部件，特別是裝于電錘內(nèi)部不便于 測(cè)試的沖錘、沖桿的應(yīng)力范圍、應(yīng)力歷程以及整個(gè) 系統(tǒng)性能。這可以減少或者代替樣機(jī)試驗(yàn)，降低新 型電錘的開(kāi)發(fā)成本和周期。(3) 模擬分析和實(shí)驗(yàn)表明，電錘沖擊系統(tǒng)中 鉆頭承受的應(yīng)力比沖錘、沖桿中的應(yīng)力大，特別是 承受了較大的拉應(yīng)力，這是引發(fā)鉆頭疲勞斷裂，造 成鉆頭壽命較沖錘、沖桿短的重要原因，在設(shè)計(jì)中 應(yīng)該引起足夠重視。參考文獻(xiàn)1 l. xu

29、. finite element analysis of the impact process of concrete driilingj, int. j.computer applications in tcchnology,2005,24( 1): 1 16|2| luciaano e. chiang, dante a. elias. a 3d fem methodology for simulating the impact in rock-drilling hammersj. international journal of rock mechanics and mining scie

30、nces,2008,45:701-711.|3 w. a. hustrulid, c. fairhurst, a theoretical and experimental study of the percussive drilling of rock part i -ivj, int. j. rock meeh. mining sci & geo. abstract. 1971,8:311-333,335-356. 1972,9:417-429,431449.|4 lundberg, b. energy transfer in percussive rock destruction一

31、 i - ii: comparison of percussive methodsj. int. j.rock meeh. min. sci. & geo. abstract, 1973,10(5): 381-399, 401-419.|5|劉德順，李夕兵,朱萍玉.沖擊機(jī)械動(dòng)力學(xué)與反演設(shè)計(jì)m. 北京:科學(xué)出版社,2007.1-101.liu deshun, li xibing, zhu pingyu. dynamics and inverse design of impact machinesm. beijing: science press, 2007. 1-101.6 徐小荷.撞擊

32、鑿入系統(tǒng)的數(shù)值計(jì)算方法j.巖石力學(xué)與工 程學(xué)報(bào),1983,3(1):75-83.xu xiaohe. the digital calculation method of striking penetration system. journal of northeastern university. 1983, 3(1):75-83.7 鄒定詳.桿件縱向撞擊面局部變形的非線性模型j.東北 大學(xué)學(xué)報(bào),1980,01:121-129.zou dingxiang. a nonlinear theoretical model of the partial deformation on longitudi

33、nally striken surface bars. journal of northeastern university, 1980,01:121 -129.18 劉德順，何先可,段凱等.基于入、反射波的桿波阻特性反 演方法j.煤炭學(xué)報(bào),2009,34(9): 1281-1284.liu deshun. he xiankc, duan kai, et al. the inversion of variable characteristics impedance of the rod basedon incident waves and reflection wavesj. journal of china coal society, 2009,34(9):1281 1284.19 劉德順，何先可，段凱.基于特征線的桿波阻特性兩點(diǎn)應(yīng)變 法反演研究j.振動(dòng)與沖擊,2011,30(2):69-72.liu deshun, he xianke, duan kai. inversion of characteristic impedance of a drill bit using two-point strain measurement bas