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冲击凿岩的基础力学

2024-06-29 14:58
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冲击凿岩时,凿岩机活塞产生的冲击能量通过钎头传递给岩石,冲击能量的作用是在凿岩过程中做功使岩石破碎。然而,在凿岩过程中,并不是活塞产生的所有能量都传递给了岩石,而是或多或少地有部分能量返回到钎具上,这对钎尾、钎杆和接杆套的使用寿命均有不良影响。返回到钎具上的能量的大小取决于凿岩机的设计及其在凿岩过程中的控制方式。应用力学原理,依据施加在钎头上的三种基本外力(冲击力、轴推力、旋转力)的大小,可以解释凿岩过程中所产生的现象。

冲击力

当凿岩机的活塞以10m/s的速度撞击钎尾时,大约为活塞长度两倍的“压缩波”传递给第一钎杆。除了钎尾之外,第一钎杆中只有长度为2L的部分能“感觉”到活塞冲击作用的直接影响(1)。普通凿机活塞的冲击力约为200kN,活塞的重量为5kg,这就意味着约有250J的能量传递给了第一钎杆。通过钎具向岩石传递的力的速度c接近于5000m/s(约为18000km/h)

轴推力

凿岩过程中很重要的一点是使钎头稳固地压触在岩石上。没有足够的轴推力,钎头的与岩石间产生不良接触(2),这意味着到达钎头的压缩波不能进入岩石,因为压缩波不能跃过钎头与岩石间的“空气间隙”因此,压缩波将反射回到钎具上形成拉伸波,该拉伸波的传播速度同样为5000m/s而且大量拉伸波的能量将被钎具的接头吸收,对接头来说,这是可以想象的最差的加载方式。有时,不管轴推力如何,岩石条件都难以使钎头与岩石之间保持充分的接触,例如,当岩石中存在空洞或裂纹和裂缝时,钎头与岩石间的“空气间隙”是不可避免的,在这种情况下,钎具的使用寿命会迅速减短。

钎头与岩石间的阻力

为了使压缩波能够穿过钎头进入岩石,钎头的前部必须具有适当的形状,而且炮孔底部必须没有岩粉存在。如果钎头的前部太平滑,也就是说,球齿太大或磨损过度,那么压缩波传播的阻力将相当大,以致于使压缩波不能进入岩石。类似地,如果炮孔底部的岩粉没有被冲洗清除,钎头不能压触在于净完整的岩石上,那么孔底的岩粉将对压缩波的传播产生巨大的阻力(3)。在这种情况下,传向岩石的压缩波将仍然以压缩波的形式反射回到钎具上,钎具将受到双倍的作用力(400kN)的作用,即向岩石方向传播的压缩波的作用力(200kN)和向钎具方向传播的反射压缩波的作用力(200kN),这对凿岩设备的使用寿命具有很大的不良影响。遗留在钎具上的能量将产生过度振动,而且伴随着以发热为形式的能量损失,不久将导致钎具部件的损坏和过早失效。不幸的是,在这种情况下,虽然凿孔速度减小,但有可能仍在继续凿岩,以这种方式钻孔,整个凿岩系统包括凿岩机在内,将处于过载和振动状态。许多能量反射回到钎尾,然后传递给凿岩机。由于能量的产生来源了燃料的燃烧,所以,能量的损耗浪费是最不经济的。但是,燃料的高成本与钎具使用寿命的减短、凿岩机和凿岩设备磨损的增加、生产效率的减小相比是微不足道的。

通过钎杆接头时的能量传递

当钎具具有相同的形状,相同的横截面和相同的材料时,能量在其上的传递效果最好。然而,在钻凿深孔时,这是不可能的,因为钎具需要加长,即点要某种接头。接头对能量的传递有不良影响,因为他们干扰了压缩波的传播(4)。为了减少接头处的能量损失,送头螺纹应该尽可能地加工得短浅,必须记住,按头螺纹也需要相当的坚固。

对实际凿岩的建议

实际凿岩时,如坚轴推力太小,有经验的凿岩工会注意到听觉、视觉和感觉上的异常现象:

听觉上--当钎具振动时,能听到钎具发出的高音调的“嗒嗒”声;

视觉上--能够看到钎具、凿岩机、推进和凿岩机构的反常振动和颤动;

感觉上--触摸时能够感觉到钎杆的第一个接杆套或钎杆大量发热,而正常凿岩时,触摸接杆套是不会感觉到烫手的。

在极端情况下,以上那些异常迹象很容易被注意到,但有时却难以察觉,而此时的钎头与岩石的接触状态取决于轴推力的欠缺程度。直时相同的迹象却是由于磨钝的钎头产生的。                                                                                   作者:吴立