一次沖擊試驗設(shè)計

雷美榮

（山西大同大學機電工程學院，山西大同037003）

鉆孔爆破工程中，堵塞質(zhì)量決定爆破質(zhì)量，堵塞質(zhì)量的高低直接決定爆破質(zhì)量的高低[1-5]。堵塞質(zhì)量高，爆生氣體和爆炸產(chǎn)生的應(yīng)力波作用于巖體的時間比較充分，破巖效果較好。為了提高堵塞質(zhì)量，人們設(shè)計了多種堵塞結(jié)構(gòu)[6]，如粘土堵塞結(jié)構(gòu)，楔形體堵塞結(jié)構(gòu)，脹裂管狀堵塞結(jié)構(gòu)等。為了驗證這些堵塞結(jié)構(gòu)的堵塞效果，往往需要現(xiàn)場爆破試驗進行驗證，而現(xiàn)場爆破試驗成本較高，風險較大，后期實驗數(shù)據(jù)的獲得較為復雜，面向?qū)W生群體不切實際，為此，在理論分析了實驗設(shè)計原理和計算原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種簡單易懂的沖擊試驗，驗證了兩種堵塞結(jié)構(gòu)在沖擊荷載作用下的堵塞效果，對于學生群體實驗較為合理。

1 沖擊試驗設(shè)計原理

圖1 沖擊實驗設(shè)計示意圖

沖擊實驗設(shè)計，見圖1。將質(zhì)量為m的重錘擺至與豎向方向夾角為θ的位置，然后由靜止開始釋放，重錘會以擺線長為半徑作圓周運動，重錘的重力勢能轉(zhuǎn)化為動能，當?shù)竭_最低點時，重錘速度達到最大，此時，根據(jù)動量定理，求出作用在傳遞棒的沖擊力，重錘對傳遞棒的沖擊力為最大，然后根據(jù)沖擊力得出沖擊應(yīng)力，同時測得在沖擊應(yīng)力下，堵塞物的沖擊距離。擺角越大，重錘的沖擊力通過傳遞棒的傳遞對堵塞結(jié)構(gòu)的沖擊力越大，堵塞結(jié)構(gòu)的沖擊位移就越大，通過不同擺角下，重錘對傳遞棒的沖擊位移的變化驗證堵塞結(jié)構(gòu)的堵塞效果。

2 沖擊試驗計算原理

假設(shè)擺線長為l，重錘質(zhì)量為m1，傳遞棒質(zhì)量為m2，堵塞結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為m3，重錘到達最低點時的速度為v1，假設(shè)與傳遞棒碰撞以后的速度為v2，沖擊時間為t,沖擊力為F，鋼管孔的直徑為d，堵塞結(jié)構(gòu)的沖擊位移為s。

假設(shè)：沖擊后的堵塞結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生壓縮變形；傳遞棒與鋼管孔內(nèi)壁無摩擦。

首先由能量轉(zhuǎn)化原理得：

由此可求出重錘到達最低點時的速度：

重錘達到最低點后以速度v1沖擊傳遞棒沖擊時間為t，根據(jù)動量守恒得：

則沖擊后傳遞棒和堵塞結(jié)構(gòu)的速度v2為：

根據(jù)動量定理有：

重錘沖擊時傳遞棒和堵塞結(jié)構(gòu)的沖擊力F為：

堵塞結(jié)構(gòu)受力圖，見圖2。

圖2 堵塞結(jié)構(gòu)受力模型

根據(jù)牛頓第二定律有：

摩擦力有：

堵塞結(jié)構(gòu)的加速度a為：

視堵塞結(jié)構(gòu)以初速度為v2做勻減速直線運動，用平均加速度代替其加速度，故有代入式（9）得：

堵塞結(jié)構(gòu)沖擊距離s為：

通過比較沖擊距離s的大小來確定堵塞結(jié)構(gòu)的堵塞效果，s越小表示堵塞結(jié)構(gòu)的堵塞能力越大，堵塞效果較好，反之則堵塞效果不好。

3 沖擊試驗分析

通過改變重錘質(zhì)量和擺角來測試粘土堵塞結(jié)構(gòu)和脹裂管狀堵塞結(jié)構(gòu)的封堵能力。脹裂管狀堵塞結(jié)構(gòu)示意圖，見圖3；粘土堵塞結(jié)構(gòu)的沖擊試驗結(jié)果，見表1；脹裂管狀堵塞結(jié)構(gòu)沖擊試驗結(jié)果，見表2。

圖3 脹裂管狀堵塞結(jié)構(gòu)示意圖

表1 粘土堵塞結(jié)構(gòu)沖擊試驗參數(shù)

表2 脹裂管狀堵塞結(jié)構(gòu)沖擊試驗參數(shù)

由表1和表2可以看出，隨著重錘質(zhì)量和擺角的增大，沖擊能力不斷增強，當沖擊應(yīng)力為6.499 MPa時，粘土堵塞結(jié)構(gòu)被完全貫穿。當沖擊應(yīng)力達到8.275 MPa時，脹裂管狀堵塞結(jié)構(gòu)幾乎沒有發(fā)生位移。可見，脹裂管狀堵塞結(jié)構(gòu)的抗沖擊能力高于粘土堵塞結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文提出了一種簡單易懂的重錘沖擊試驗，為沖擊試驗的設(shè)計提供了一種可行性方法，并運用該裝置發(fā)現(xiàn)脹裂管狀堵塞結(jié)構(gòu)堵塞能力優(yōu)于粘土堵塞結(jié)構(gòu)堵塞能力。