釬桿接頭彈性模型及試驗(yàn)研究

王建華 ，羅韌 ，侯仰松 ，高波 ，哈春林 ，呂闖

（1.長(zhǎng)沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長(zhǎng)沙 410012 2.五礦礦業(yè)控股有限公司，北京 100010 3.魯中礦業(yè)有限公司，山東 萊蕪 271113）

釬具廣泛應(yīng)用于資源開(kāi)發(fā)行業(yè)，在深孔鉆進(jìn)中，需要將幾根釬桿通過(guò)連接套連接后才能滿足實(shí)際工程的需要。連接套和釬桿斷面尺寸是不完全一樣的，根據(jù)波動(dòng)理論，波傳播過(guò)程中截面積突變時(shí)會(huì)發(fā)生反射和透射， 降低能量傳遞效率。因此如何盡量減少接頭對(duì)釬桿能量傳遞效率的影響是一個(gè)需要解決的問(wèn)題，本文通過(guò)基于接頭彈性模型，從理論上分析接頭對(duì)于能量傳遞效率的影響。再利用實(shí)際試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證理論計(jì)算結(jié)果，得到主要影響能量傳遞效率的因素，為釬具設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

1 釬桿接頭的彈性模型

在彈性模型中假設(shè)釬桿接頭是和釬桿一樣的彈性體，只是幾何尺寸上有所變化（較釬桿粗大），它將引起波的反射，使入射波在透射后幅值衰減，影響向巖石的有效能量傳遞。

當(dāng)入射波為一矩形波時(shí)

可以獲得最簡(jiǎn)單的結(jié)果。

以tJ為各階透射應(yīng)力區(qū)間，在情況下，當(dāng) n≤m 時(shí)，此時(shí)由于入射波在接頭內(nèi)往復(fù)形成各級(jí)透射波；當(dāng)n＞m 時(shí)，入射波終止，此時(shí)可假想為在原入射波仍持續(xù)傳播的情況下，疊加一個(gè)等幅拉波的持續(xù)傳播，構(gòu)成各階透射波。 可綜合寫(xiě)為

式中 AJ—接頭斷面積

A—釬桿斷面積

其透射波形如圖1 所示。

圖1 彈性模型的透射波

由應(yīng)力波形傳播情況可以看出，彈性接頭如置于釬桿中間的應(yīng)力波散射器， 使波形發(fā)生彌散，接頭能量傳遞效率

入射波能量

其能量傳遞效率

圖2 彈性模型的效率曲線

ηJt為 RJ和 m 的函數(shù)，其值隨 RJ遞減，隨 m遞增。 分別取不同RJ和m 值，計(jì)算出效率，繪制出圖2 的效率曲線圖。

彈性模型的接頭能量傳遞效率的分析表明：接頭能量傳遞效率為RJ和m 的函數(shù)，其值隨RJ（接頭斷面/釬桿斷面）遞減，隨m（2 倍活塞長(zhǎng)度/接頭長(zhǎng)度）遞增，即當(dāng)活塞和釬桿幾何尺寸給定時(shí)，接頭斷面愈接近釬桿，其長(zhǎng)度愈短，能量傳遞效率愈高。

2 接頭能量傳遞效率測(cè)試試驗(yàn)

試驗(yàn)在能量傳遞試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行（圖3）。

圖3 測(cè)試系統(tǒng)

能量傳遞試驗(yàn)臺(tái)上采用高速壓氣槍模擬實(shí)際鑿巖機(jī)活塞的撞擊特性， 壓氣槍管長(zhǎng)2500 mm，沖擊活塞直徑D=42 mm，長(zhǎng)L=350 mm，質(zhì)量2.2 kg，每次試驗(yàn)前將活塞置于槍管底部，工作時(shí)開(kāi)啟快速切換閥，進(jìn)入槍管的壓氣推動(dòng)活塞加速至出口端，撞擊釬桿。 在壓氣槍的出口端設(shè)置了激光測(cè)速裝置，活塞的撞擊速度可由它發(fā)出的脈沖信號(hào)進(jìn)行精確的測(cè)定。

由三支長(zhǎng)度為1.2 m 的快速釬桿構(gòu)成相應(yīng)的測(cè)試釬桿組合，在接頭前、后釬桿中部粘貼電阻應(yīng)變計(jì)，檢測(cè)其應(yīng)力波傳播。 饋入超動(dòng)點(diǎn)應(yīng)變儀放大后，輸入波形存儲(chǔ)器。

對(duì)波型存儲(chǔ)器采集得到釬桿接頭前后各點(diǎn)應(yīng)力波值，平方求積，即可得出應(yīng)力波通過(guò)接頭的能量傳遞效率

式中 σtk—接頭后透射應(yīng)力波各點(diǎn)采樣值

σik—接頭前透射應(yīng)力波各點(diǎn)采樣值

對(duì)接頭前后兩組應(yīng)變計(jì)構(gòu)成的測(cè)試系統(tǒng)，采用同一落錘(自2m 高度落下)進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定，以修正兩者的系統(tǒng)誤差。 圖4 為測(cè)試用釬桿結(jié)構(gòu)圖。

3 測(cè)試結(jié)果

圖5 為測(cè)試應(yīng)力波形（一次試驗(yàn)結(jié)果）

應(yīng)力波按10 μs 相隔的采樣值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得出其接頭的能量傳遞效率，表1 為五次試驗(yàn)結(jié)果及效率平均值。

4 接頭能量傳遞效率的理論計(jì)算

根據(jù)釬桿接頭及沖擊活塞結(jié)構(gòu)，近似按矩形波彈性模型，其

則其能量傳遞效率的理論值

5 結(jié)論

（1）理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試表明：釬桿接頭對(duì)釬具能量傳遞形成顯著的影響，導(dǎo)致能量傳遞效率下降，特別是多接頭連接的深孔鉆進(jìn)中，是不可忽略的重要因素。

圖4 測(cè)試釬桿結(jié)構(gòu)圖

圖 應(yīng)力波形測(cè)試結(jié)果

（2）理論分析表明：對(duì)于給定的沖擊鑿入系統(tǒng)，接頭斷面和長(zhǎng)度的增大（增加，減小）均會(huì)造成能量傳遞效率的下降，在釬具設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡量減少接頭的斷面和長(zhǎng)度，以提高沖擊鉆進(jìn)功效。

（3）接頭能量傳遞效率的理論值為97.84%，試驗(yàn)測(cè)試值為89.22%。 試驗(yàn)值小于理論值，這可能是由于入射波不是矩形波和接頭處存在較大阻尼的影響， 理論模型的簡(jiǎn)化導(dǎo)致理論值偏大，需在今后進(jìn)一步完善理論模型。

表1 單個(gè)接頭能量傳遞效率

[1]朱從國(guó).采礦鉆車快接釬桿能量傳遞特性測(cè)試研究[J].鑿巖機(jī)械氣動(dòng)工具，2012（3）：48～52.

[2]趙統(tǒng)武.沖擊鉆進(jìn)動(dòng)力學(xué)[M]北京：冶金工業(yè)出版社，1996：160-161.