1、鑿巖機(jī)鉆桿回彈緩沖裝置的動(dòng)力學(xué)建模與，能，李要芳，（工業(yè)大學(xué)機(jī)電，廣州 510006）摘要本文以波動(dòng)理論力學(xué)為基礎(chǔ)，定性分析了鑿巖機(jī)在進(jìn)行鑿巖作業(yè)的過程中，應(yīng)力波在鉆桿中的傳/simulink 工具箱播形式。通過分析研究，提出了一種用于吸收鉆桿回彈能量的緩沖裝置，采用對(duì)該裝置進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)建模。以某型號(hào)鑿巖機(jī)為例計(jì)算得出相關(guān)結(jié)構(gòu)件的動(dòng)力運(yùn)動(dòng)性能曲線。研究對(duì)于提高鑿巖機(jī)的，特別是釬尾和鉆桿的提供了理論參考。波動(dòng)理論；/Simulink鑿巖機(jī)；緩沖結(jié)構(gòu)；Dynamic Ming and Simulation for Drill RodRebound Buffer Structure of Hydra

2、ulic Rock DrillLiu Zhi,Li Duanneng,Li Yaofang , XuXianmeng(Guangdong University of Technology ,faculty of electromechanical engineering, GuangDong Guangzhou, 510090, China)Abstract ： This paperbased on the wave theory of mechanics, Qualitative analyzed the communication form of Stress wave in the dr

3、ill rodin the process of hydraulic rock drill drilling operations.Through analyzing andresearching, proposed a hydraulic buffer structure which was used to absorption rebound energy of drill rod. Andsimulated & calculated the structure use/Simulink toolbox. This study provides a theoretical basis fo

4、rimproving the life of the hydraulic rock drill, especially for the life of drill rod and drill pipe.Keywords:Wave Theory;hydraulic rock drill; Buffer structure;/Simulink/simulink 工具箱對(duì)該裝置進(jìn)行力學(xué)仿0 引言通過真建模，計(jì)算某型號(hào)鑿巖機(jī)相關(guān)結(jié)構(gòu)件的動(dòng)鑿巖機(jī)以其鉆孔速度快、效率高且容易 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化而被廣泛應(yīng)用于采掘、工程等力運(yùn)動(dòng)性能曲線。計(jì)算結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)是合理的，對(duì)于提高鑿巖機(jī)的行業(yè)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和

5、機(jī)電技術(shù)的發(fā)展，以及釬桿和鉆桿的提供了理論參考1。進(jìn)一步提高的工作鑿巖機(jī)的鑿巖效率，保證鑿巖機(jī)1 應(yīng)力波的反射和透射應(yīng)力波從一種介質(zhì)進(jìn)入相接觸的另一種介質(zhì) 時(shí)，由于兩種介質(zhì)的阻抗不同，將在兩種介質(zhì)的分界面上發(fā)生反射 現(xiàn)象與透射現(xiàn)象2。應(yīng)力波在鉆桿與巖石分界面上的反射與透射過 程示意圖如圖 1 所示。當(dāng)活塞撞擊，加強(qiáng)勞動(dòng)保護(hù)，成為目前國內(nèi)外相關(guān)研究的熱點(diǎn)。鑿巖機(jī)主要由沖擊機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、排 粉裝置及防塵系統(tǒng)等部分組成，沖擊機(jī)構(gòu)是其核心部件之一。鑿巖機(jī)工作時(shí)，沖擊機(jī)構(gòu)中的活塞以一定的速度沖擊釬尾，通過釬尾以及與之 相連接的鉆桿將活塞的動(dòng)能以應(yīng)力波的形式傳遞 給巖石，而達(dá)到破碎巖石的效果。由于巖石與

6、鉆 桿的阻抗不同，必然會(huì)有部分應(yīng)力波在鉆桿與巖 石的接觸面被反射回鉆桿，這時(shí)鉆桿便會(huì)發(fā)生回 彈現(xiàn)象。如果不加制止，鉆桿的的回彈便會(huì)導(dǎo)致 鑿巖機(jī)缸體與推進(jìn)鉆桿的零部件發(fā)生剛性撞擊， 會(huì)使鑿巖機(jī)本身以及鉆桿甚至鉆車受到?jīng)_擊，工鉆桿后，在鉆桿中會(huì)一列從上至下的入射波，強(qiáng)度為s1 。某一時(shí)刻，入射波到達(dá)到鉆桿與巖石分界面后發(fā)生反射和透射，反射回來和透射過去的應(yīng)力波強(qiáng)度分別為s 、s 。圖 1 為應(yīng)力波在界面上12反射與透射示意圖。由應(yīng)力波波陣面上的動(dòng)量守恒條件可得入射波 波后、反射波波后鉆桿中質(zhì)點(diǎn)速度以及透射波波后巖石中質(zhì)點(diǎn)速度 分別為：圖 1 應(yīng)力波透、反射示意圖作受到大的影響，同時(shí)鑿巖機(jī)的鉆孔效率

7、也將下降。本文以波動(dòng)理論為基礎(chǔ)，從應(yīng)力波在鉆桿與介質(zhì)中產(chǎn)生的形式的角度出發(fā)，分析鉆桿回彈現(xiàn)象，并結(jié)合流體力學(xué)相關(guān)理論，提出了一種用于吸收鉆桿回彈能量的緩沖裝置，并基金項(xiàng)目： 作者簡介：自然科學(xué)基金資助（編號(hào)：50775043）.（1986-），男，.：297003818 .coms 2s 1- s1波，當(dāng)這部分拉伸波回到接觸面后，鉆桿也相應(yīng) 出現(xiàn)回彈。為了避免鉆桿回彈導(dǎo)致的與鑿巖機(jī)缸 體發(fā)生間接性的剛性撞擊，以保護(hù)機(jī)體和減小噪 聲，在鑿巖機(jī)上設(shè)置鉆桿回彈緩沖裝置是很有必 要的。2 緩沖裝置工作原理；u=u =；u =(2.1)r c2r c1r c1111122由應(yīng)力波波陣面上的連續(xù)性條件有：

8、u + u =us + s =s(2.2)；112112聯(lián)立（2.1）和（2.2）求解，得到：r- r2 c 21 c 1圖 2 是鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)緩沖裝置工作原s= s(2.3)rc+ r c11理圖。在鑿巖機(jī)沖擊鑿巖的過程中，鉆車通過推221 1r 2 c 2 - r 1 c1進(jìn)梁上的一個(gè)缸向鑿巖機(jī)機(jī)架 9 作用一個(gè)推u = - u(2.4)進(jìn)力 Ft。在一室里面油，調(diào)定油壓為 P1，1r c + r c12 21 1油壓作用于緩沖活塞使其推著套筒壓在鉆桿上， 使鉆桿的鉆頭抵緊在巖石上面。當(dāng)活塞每打擊鉆 桿一次后，鉆桿都會(huì)侵入巖石一段距離X。由于2 r cs 2 = s 1 (2.5)2 2

9、r+ r 1 c12 c 22 r 2 c 2r 1 c 1u= u(2.6)一室油，在油壓的作用下，活塞與套筒r 2 c 2 + r 1 c 1r 2 c 221幾乎在同一時(shí)間跟著鉆桿一起移動(dòng)X。此時(shí)二室 的油腔體積增大，油壓迅速降低。于是在壓差的 作用下一室的油通過單向閥流入二室。當(dāng)任意時(shí) 刻二室的油壓 P2 滿足：P2A2+P1A1Ft 時(shí)（A1、A2 分別為緩沖活塞在一室、二室的推閥面積），鑿 巖機(jī)機(jī)體會(huì)在推進(jìn)力的作用下往鉆桿方向推進(jìn)。 同時(shí)如果在鑿巖作業(yè)過程中，遇到堅(jiān)硬的巖石而 沒有被破碎，即巖石沒有吸收掉活塞大部分的沖 擊能時(shí)，必有部分沖擊能以應(yīng)力波的形式返回鉆 桿4，這部分沖擊能

10、一方面引起活塞的反彈，提供回程的初始動(dòng)能。另一方面引起鉆桿反彈推動(dòng)套 筒以及緩沖活塞向左運(yùn)動(dòng)，使二室體積縮小，油 壓迅速升高。故在鑿巖機(jī)的推進(jìn)與鉆桿反彈的聯(lián) 合作用下二室此時(shí)的油壓 P2 會(huì)迅速上升。上升的上面各式中、c 表示介質(zhì)的密度與波在該種介質(zhì)中的速度， 表示波的強(qiáng)度。現(xiàn)將上面各式中r 2 c 2 - r 1 c12 r 2 c 2和分別定義為反射r 2 c 2 + r 1 c1r 2 c 2 + r 1 c 1系數(shù)a 和透射系數(shù) b 。下面就巖石具備不同的阻抗特性時(shí)，嘗試定性的分析應(yīng)力波在鉆桿中的狀 態(tài)：1、當(dāng) rc ? r c時(shí)，可以把巖石看成剛性壁（固2 21 1定端反射，即端面不

11、產(chǎn)生位移），即 r2 c2 無窮大， 此時(shí)由上面的式子可知a = 1 ， b = 2 。因此有：s 1 = s 1 ；u1 = -u1 ；s 2 =2s1 ；u 2 = 0 ；油壓一方面鑿巖機(jī)上的中缸體在推進(jìn)力 Ft 的2、當(dāng) r c = r c時(shí)，可以把巖石看成真空（自2 21 1作用下與緩沖活塞形成剛性撞擊；另一方面吸收 鉆桿反彈的能量，使得鉆桿的反彈速度迅速降低 為零，同時(shí)又通過緩沖活塞、套筒推動(dòng)鉆桿重新 抵緊在巖石斷面，以提高鉆孔效率。由于一室油 壓調(diào)定為 P1，當(dāng)二室油壓上升后，連接一二室之間的環(huán)形縫隙的兩端便形成了一個(gè)壓差P，于是 在一二室之間的環(huán)面上形成了一股壓差流。因?yàn)?這個(gè)縫

12、隙很小，所以此處的環(huán)形縫隙便相當(dāng)于從由端反射，即不受應(yīng)力的自由端面），即 r2c2 = 0此時(shí)又上面的式子可知a = -1 ， b = 0 。因此有：s 1 = -s 1 ；u 1 = u 1 ；s = 0 ；u = 2u；221通過以上假設(shè)我們可以得出如下結(jié)論：當(dāng)入射波到達(dá)固定端（自由端）時(shí)，反射為強(qiáng)度不變，符號(hào)相同的（或相反）的反射波。因此入射的壓縮 波在固定端（自由端）反射為壓縮波（拉伸波）； 入射的拉伸波在固定端（自由端）反射為拉伸波（壓縮波）3。當(dāng)所鉆的巖石比較軟時(shí)，可以將巖石與鉆桿的接觸面看成自由端，這時(shí)壓縮波觸面反射成為拉伸波，通過上面的分析我們知道 當(dāng)反射的拉伸波回到撞擊面后，

13、鉆桿將朝與活塞 分離的一方運(yùn)動(dòng)。在這種情況下鉆桿與活塞均不 會(huì)反彈。當(dāng)所鉆的巖石比較硬時(shí)，可以將巖石與鉆桿的接觸面看成固定端，這時(shí)壓縮波觸面反射成為壓縮波。當(dāng)反射的壓縮波回到撞擊面后， 一部分將透射到活塞中，并在活塞的自由端反射， 反射的拉伸波回到撞擊面使后活塞產(chǎn)生回彈；另一部分將在撞擊面（此時(shí)為自由端）反射為拉伸圖 2鑿巖機(jī)緩沖裝置工作原理圖1、中缸體 2、沖擊活塞 3、單向閥 4、緩沖活塞 5、套筒 6、鉆桿 7、二室 8、一室 9、機(jī)架 10、間隙二室到一室的一個(gè)阻尼孔，用以因鑿巖機(jī)體將(4.4)代入（4.3）并求解其微分方程得：推進(jìn)以及鉆桿的反彈而導(dǎo)致二室油壓過高，從而 起到保護(hù)鑿巖機(jī)

14、機(jī)體上零部件，提高其工作的目的。3 沖擊系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)建模為了分析過程的方便與簡潔，同時(shí)又能盡量 反映現(xiàn)象的本質(zhì)，對(duì)圖 1 所示沖擊系統(tǒng)作如下假設(shè)： - K tZ u(4.5)u (t ) =0 (1 - e J P + Z )K緩沖活塞以及機(jī)體的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程分別為：d 2 S= P2 A2 + P1 A - t ld DP ；mP2dtd 2 S= P2 A2 + P1 A - Mg (4.6)M Jdt 21)鉆桿與活塞等波阻，其長度能保證活塞對(duì)鉆 桿撞擊產(chǎn)生的入射波不受反射波的影響。只考慮沖擊系統(tǒng)第一次入射波的作用過程， 忽略反射波在鉆桿的撞擊端發(fā)生再反射所形 成的第二次入射波。工作介質(zhì)為粘

15、彈性的。鉆桿與工作介質(zhì)的作 用力全部集中在鉆桿的工作端。以鉆桿與工 作介質(zhì)的交界面為研究對(duì)象，對(duì)于工作介質(zhì)上面各式中：P、Q 為入射波和反射波；u 為鉆桿擊入巖石的擊入量；Z 為鉆桿波阻，其值為cA； 、c 與上文中的意義相同，A 為鉆桿截面積；L 為活塞長度；K、Jp 為介質(zhì)剛度與粘性系數(shù)。m、M、Sp、Sj 分別為緩沖活塞與鑿巖機(jī)的質(zhì)量與位移； 為阻力系數(shù)。2)3)4 緩沖裝置的及結(jié)論分析側(cè)作用力與位移F = K u + J如下du式：（4.1）在建立了緩沖裝置中相關(guān)零部件的數(shù)學(xué)模型 后，可通過 simulink 工具箱將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)Pdt算機(jī)能處理的模型。simulink 工具箱是對(duì)

16、于鉆桿這一側(cè)由波的疊加原理則有：F = P ( x ) + Q ( x )軟件的擴(kuò)展，它可以方便地用于系統(tǒng)建模、動(dòng)態(tài) 和數(shù)據(jù)分析。在本研究的緩沖裝置中，就是du1(4.2)=( P - Q )要能夠做到在鑿巖機(jī)正常工作過程中緩沖活dtZ塞在機(jī)體推進(jìn)與鉆桿反彈的作用下也與聯(lián)立（4.1）、(4.2)可得沖擊系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)方程：圖 2 所示的中缸體發(fā)生接觸或剛性撞擊。現(xiàn)以某K u + ( J + Z ) du(4.3)= 2 P型號(hào)鑿巖機(jī)結(jié)構(gòu)為例，以其緩沖裝置為Pdt計(jì)算參考，以圖 2 所示緩沖裝置中的緩沖活塞、鉆桿以及中缸體為對(duì)象，以他們的位移量為目標(biāo)， 并結(jié)合沖擊系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模型，建立 Simu

17、link模型如圖 3 所示。假定活塞速度 V0 為 8m/s； 頻率 f=60Hz；巖石的剛度為 300MN/m，對(duì)沖擊機(jī)從上式可看出活塞在沖擊系統(tǒng)中的作用是由入射 波波形體現(xiàn)出來的。由于活塞與鉆桿為等波阻， 它們撞擊產(chǎn)生的入射應(yīng)力波為矩形波，結(jié)合波動(dòng) 方程的通解可知：P ( x ) = 1 Z u（ 0 x L）(4.4)構(gòu)的緩沖裝置進(jìn)行動(dòng)態(tài)。02圖 3 Simulink計(jì)算動(dòng)力運(yùn)動(dòng)性能曲線如結(jié)果的分析得出了如下模型巖機(jī)體幾乎是在同一時(shí)間運(yùn)動(dòng)，只是運(yùn)動(dòng)速度各不相同。2) 由圖4我們可以看出，活塞擊打鉆桿0.22ms后鉆桿在巖石中的位移約為0.27mm，而緩沖活相關(guān)結(jié)構(gòu)件的 圖4、5所示。通過

18、對(duì)結(jié)論：1) 通過圖4、圖5可以看出鉆桿、緩沖活塞以及鑿塞達(dá)到同等位移(復(fù)位)的時(shí)間為0.56ms。而由 沖擊活塞運(yùn)動(dòng)的頻率可以知道，單次沖擊周期為16.7ms。所以該緩沖裝置能滿足頻率響應(yīng)的要求。在一個(gè)周期(16.7ms)內(nèi)的位移為 0.3mm，超過活塞單次擊打鉆桿后侵入巖石的位移 0.27mm，這時(shí)緩沖活塞在機(jī)體推進(jìn)力與鉆桿反彈的 會(huì)與中缸體發(fā)生剛性撞擊，說明推進(jìn) 應(yīng)該根據(jù)具體工況而調(diào)整。5 結(jié)束語作用下又的大小3)圖5中，在機(jī)體推進(jìn)P為60bar時(shí),機(jī)體在一個(gè)周期(16.7ms)內(nèi)的位移為0.1mm，而鉆桿及 緩沖活塞均在一個(gè)周期的前0.56ms達(dá)到活塞 單次擊打鉆桿后侵入巖石的位移0.27mm。這相比于以前鑿巖機(jī)上固定式緩沖裝置（蓄能器），本研究的緩沖裝置具有更佳的緩沖效果。本研究的緩沖裝置除了吸收鉆桿反彈的動(dòng)意味著在機(jī)體推進(jìn)力與鉆桿反彈的作用下緩沖活塞左端面始終與中缸體保持一定的能以外，還能將鉆桿的動(dòng)能以能的形式重新間隙，形成剛性撞擊，這就了減小鉆將鉆桿抵緊在巖石斷面，從而提高鑿巖機(jī)的效率。同時(shí)由于兩級(jí)緩沖，