王建華 ，羅韌 ，侯仰松 ，高波 ，哈春林 ，呂闖

（1.長沙礦冶研究院有限責(zé)任公司，湖南 長沙 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)用于資源開發(fā)行業(yè)，在深孔鉆進(jìn)中，需要將幾根釬桿通過連接套連接后才能滿足實際工程的需要。連接套和釬桿斷面尺寸是不完全一樣的，根據(jù)波動理論，波傳播過程中截面積突變時會發(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釬桿能量傳遞效率的影響是一個需要解決的問題，本文通過基于接頭彈性模型，從理論上分析接頭對于能量傳遞效率的影響。再利用實際試驗測試結(jié)果驗證理論計算結(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

可以獲得最簡單的結(jié)果。

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

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 倍活塞長度/接頭長度）遞增，即當(dāng)活塞和釬桿幾何尺寸給定時，接頭斷面愈接近釬桿，其長度愈短，能量傳遞效率愈高。

2 接頭能量傳遞效率測試試驗

試驗在能量傳遞試驗臺上進(jìn)行（圖3）。

圖3 測試系統(tǒng)

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

由三支長度為1.2 m 的快速釬桿構(gòu)成相應(yīng)的測試釬桿組合，在接頭前、后釬桿中部粘貼電阻應(yīng)變計，檢測其應(yīng)力波傳播。 饋入超動點應(yīng)變儀放大后，輸入波形存儲器。

對波型存儲器采集得到釬桿接頭前后各點應(yīng)力波值，平方求積，即可得出應(yīng)力波通過接頭的能量傳遞效率

式中 σtk—接頭后透射應(yīng)力波各點采樣值

σik—接頭前透射應(yīng)力波各點采樣值

對接頭前后兩組應(yīng)變計構(gòu)成的測試系統(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 為測試用釬桿結(jié)構(gòu)圖。

3 測試結(jié)果

圖5 為測試應(yīng)力波形（一次試驗結(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 為五次試驗結(jié)果及效率平均值。

4 接頭能量傳遞效率的理論計算

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）理論計算和試驗測試表明：釬桿接頭對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 測試釬桿結(jié)構(gòu)圖

圖 應(yīng)力波形測試結(jié)果

（2）理論分析表明：對于給定的沖擊鑿入系統(tǒng)，接頭斷面和長度的增大（增加，減小）均會造成能量傳遞效率的下降，在釬具設(shè)計中，應(yīng)盡量減少接頭的斷面和長度，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%，試驗測試值為89.22%。 試驗值小于理論值，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 單個接頭能量傳遞效率

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

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