关于冲击式凿岩机研究方法的准确性
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2026-03-31 17:05
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目前冲击破碎的两种研究方法即直射波与反射波法和示功图法得到了广泛的推广。但这两种方法均具有一系列特有的误差,因此在提出和整理试验结果时必须加以考虑。
这些误差的来源目前尚不甚了解,本文拟作某些探讨。
直射波与反射波法通常用于研究钎头与被碎体冲击相互作用的过程,并得到了以下关系式:

所得到的关系式用于查明冲击破碎的特点和得到实际计算冲击系统所需的破碎岩石的重要参数。这些参数是破碎所需的接触刚度、力、凿入深度、作用持续时间。
利用直射波和反射波进行的冲击破碎试验示于图1。
当传感器离钎杆端部非常远时,第一次脉冲和反射脉冲可依次记下而不重叠。在这种情况下,根据单次冲击的基本波动理论,材料对头的凿入阻抗力按下式确定。

式中,N1和N2由传感器记下的第一次脉冲和反射脉冲的振幅-时间特征值(振幅值);
pa-钎杆的声刚度;
F--钎杆的横断面。
关系式(1)~(3)结论的分析就指出了方法本身所存误差的来源,这种误差源在一定条件下会严重影响试验结果。

问题在于(1)~(3)关系式的结论中没有考虑冲击脉冲由传感器至被碎材料的途中有失真的可能,也未考虑由于分散、与周围介质接触、存在过渡断面等必引起失真的情况。在这种情况下,正如许多研究指出的,失真的趋势经常是相同的:脉冲振幅减少(与符号无关),脉冲持续时间增加。脉冲失真特性用虚线示于图1。根据通常采用的符号,第一个压缩脉冲的振幅经常为正,即N1>0O反射脉冲由两个区段组成,即具有负振幅(拉伸)N2<0O的区段和压缩区段N2>0O考虑到对等于第一个区段持续时间的时间间隔的振幅符号,方程式(1)和(2)可写为:

式中|N2|--反射脉冲振幅的绝对值。由于第一个脉冲波在由传感器至被碎材料途中振幅的降低以及根据由被碎材料至传感器的途中第一个反射波用张力传感器所记录的振幅比所预计的理论值小些。因此在初始区段(拉伸)按公式(4)所计算的头与材料相互作用的力将比实际值大。同样的原因根据公式(5)所计算的凿入速度与深度将比实际值小。
由于上述两个原因,以分数表示刚度是:

此式分子比实际值大,而分母比实际值小,且在初始区段比实际值高。
或许,列伊赫穆斯的相互矛盾的试验结果可用此来解释,此试验结果应回答一个很重要的原则问题,就是刚度是否在相同条件下和打击速度成正比的作用强度有关。
与许多其他研究者一样,列伊赫穆斯的试验结果指出:在很宽的速度范围内(0.5-7米/秒),刚度实际上不取决于打击速度。因此在最低的负载速度下,刚度实际上保持稳定。当然曾假定同一压具静压在同一材料的同一表面上,其刚度仍保持不变。但是测量静刚度后,列伊赫穆斯发现,利用直射和反射法测量的动刚度比静刚度大得多。
上述分析可以假定:这个结果乃是采用确定动刚度法的系统误差的后果。再者,可以指出:当脉冲由传感器向岩石运动及返回时,脉冲失真现象不仅导致在确定负载特性参数时的误差,而且导致脉冲本身形状的失真。现推测:负载真实形状是三角形,它的初始角ϒ的正切等于真刚度(图2中的实线所示)。

正如上述,在拉伸区段计算的刚度比实际刚度高(见图2的虚线),对压缩区段而言N2>0,根据关系式(1)和(2)其力为:

这些公式与(5),(6)式相比,不难发现:在2L的途中,由于脉冲的失真,与负值区段相比,N2的减少会以相反的形式在正值区段表现出来,即互相作用力减少,速度提高。由于这种原因,在正值区段用直射和反射法确定的刚度不够真实。因而负载特性的形状产生方向偏离,其情况由图2虚线表示。因此把负载特性的激烈反曲点与破碎形式转换瞬间混为一谈,上述情况不仅导致数量误差,而且影响特性的质量误差。为了减少试验误差,在尽可能消除试验头和钎杆过渡断面之后,可合理地采用最简单的波导法。
为了减少波导必需的长度和相应地减少沿长度产生的失真,采用短冲锤的断面不要超过钎杆横断面。负载特性的形状和基本参数不取决于冲锤的尺寸,而由破碎的体积和压头类型来确定。
借助于直射和反射波完成的试验结果同样应按下述试验结果检验,即在类似条件下应用其它记录的方法(联结点法、两个传感器法......)所完成的试验结果。
因为目前还不能取代直射和反射波法在真实条件下确定支承力和负载特性,因此应采取所有能提高其精确性的办法。
为了研究气动冲击机械的工作过程,广泛采用示功图法。使用这种方法时在气缸端部安装压力传感器,以记录冲程和回程的瞬时压力。用作计算的这些压力的合力可确定冲锤的运动、冲锤的能量和频率。但是请注意通常不采用上述方法,其原因是所记录的不是作用在冲锤上的压力,而是作用在传感器上的压力,这种压力不一样,因为传感器(根据记录条件)的布置离冲锤有些距离。因此用压力传感器所记录的发生的情况,在时间上有些滞后,这种滞后取决于工作循环瞬间传感器与冲锤之间的距离,同样取决于空气中压力波(声波)的传播速度。
假如在冲锤和传感器之间的距离为常数,则某些所记录的不变的滞后时间没有实际意义。但这种距离是可变的,工作行程开始时,在工作腔的传感器与冲锤之间的距离最小,到工作行程结束(冲击瞬间)时距离最大。如果在工作行程的开始用传感器进行记录,但几乎同时发生以下变化,在排气口打开和压力降低瞬间的记录具有滞后时间,这种滞后时间按下式确定:

其结果是记录的工作行程的持续时间以及冲锤运动次数提高了。
自然按示功图计算的冲锤能量增大得更多,因冲击能与运动次数的平方成正比。
在返回行程时发生类似的现象,所引起的失真随冲锤行程的增加而加大。
目前为了降低冲击破碎机的反作用力和振动,在适当增大冲锤行程(冲击能保持不变)时,倾向于减小气缸直径。在这种情况下,整理示功图时,若不对滞后讯息作必要的修正,则误差会更加增大。

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