CN114440717B - 一种能够消减冲击波强度的推送杆 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种能够消减冲击波强度的推送杆，包括从前至后依次连接的上推杆、下推杆、以及丝杠；上推杆的前端面为用于推送负载的抵接面；上推杆的侧壁设置有槽体，槽体的延伸方向与上推杆的轴线平行；下推杆的前段为冲击波卸载段，冲击波卸载段包括多个交替连接的传输杆和反射杆；传输杆和反射杆的波阻抗不同；下推杆和丝杠通过联轴器连接；所述丝杠的后端连接于电机的输出轴。本申请解决了现有技术中由于推送杆强度较低，而导致推送杆易报废、以及损伤驱动电机的问题。本发明的推送杆能够承受幅值较高的冲击波，从而延长了推送杆的使用寿命，并保护了驱动电机，进而能够满足当前可控冲击波产生装置的使用需求。

Description

一种能够消减冲击波强度的推送杆

技术领域

本申请属于冲击波技术领域，具体涉及一种能够消减冲击波强度的推送杆。

背景技术

可控冲击波技术是一种新型水下冲击波产生方法，相比传统化学爆炸与电力学爆炸具有效率高、冲击强度可控、工作次数可控等优点，在煤层瓦斯治理、油田解堵、页岩气开采、矿山开采等方面具有良好的应用前景。可控冲击波产生装置工作次数实现的关键在于推送机构能够稳定重复地推送含能棒负载，因此推送杆的可靠性直接影响了可控冲击波产生装置的稳定性与工作效率。

推送机构的换向器使推送杆动作，推送杆将负载推送至能量转换器中产生冲击波，产生的冲击波会使推送杆受到强烈的冲击波作用而导致其损伤，并造成驱动电机的损伤。因此推送杆的抗冲击强度决定了可控冲击波产生装置单次输出冲击波的幅值上限、以及推送杆和驱动电机的使用寿命。强烈的冲击波使推送杆工作数次就会报废，需要换新，因此现有的推送杆不能满足当前可控冲击波产生装置的使用需求。

发明内容

本申请实施例通过提供一种能够消减冲击波强度的推送杆，解决了现有技术中由于推送杆强度较低，而导致推送杆易报废、以及损伤驱动电机的问题。

为了实现上述目的，本发明实施例提供了一种能够消减冲击波强度的推送杆，包括从前至后依次连接的上推杆、下推杆、以及丝杠；

所述上推杆的前端面为用于推送负载的抵接面；

所述上推杆的侧壁设置有槽体，所述槽体的延伸方向与所述上推杆的轴线平行；

所述下推杆的前段为冲击波卸载段，所述冲击波卸载段包括多个交替连接的传输杆和反射杆；所述传输杆和所述反射杆的波阻抗不同；

所述下推杆和所述丝杠通过联轴器连接；

所述丝杠的后端连接于电机的输出轴。

在一种可能的实现方式中，所述槽体的数量为多个，多个所述槽体均布于所述上推杆的周向。

在一种可能的实现方式中，所述槽体的数量为十个，所述槽体的截面积为所述上推杆的截面积的三分之一。

在一种可能的实现方式中，所述槽体的前端贯穿所述上推杆的前端，所述槽体的后端与所述上推杆的侧壁平滑过渡，所述槽体的槽口宽度大于其槽底的宽度。

在一种可能的实现方式中，所述传输杆的材料为42CrMo，所述反射杆的材料为Al。

在一种可能的实现方式中，所述反射杆的长度L反≥0.5nV反T，所述传输杆的长度L传≥0.5nV传T；

其中，T为入射应力波的脉宽，V反为入射应力波在反射杆内传播的波速，V传为入射应力波在传输杆内传播的波速，n为反射杆或传输杆的编号，n为正整数。

在一种可能的实现方式中，所述冲击波卸载段包括两段所述传输杆和所述反射杆，第一段的传输杆的长度为125mm，第一段的反射杆的长度为162.5mm，第二段的传输杆的长度为250mm，第二段的反射杆的长度为335mm，第一段的传输杆靠近所述上推杆设置。

在一种可能的实现方式中，所述上推杆和所述下推杆通过螺纹连接；所述传输杆和所述反射杆通过螺纹连接；所述上推杆、所述下推杆、所述传输杆和所述反射杆的靠近螺纹连接端的侧壁设置有卡接段。

在一种可能的实现方式中，所述下推杆的后段为变径段，所述变径段的直径小于所述下推杆前段的直径。

本发明实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供了一种能够消减冲击波强度的推送杆，该推送杆工作时，冲击波作用于上推杆，一部分冲击波沿着上推杆外壁的槽体内的水向下推杆的方向加载，冲击波通过槽体中的水加载到后推送杆的时间要比冲击波直接从上推杆加载到后推送杆的时间慢，从而可以将一部分的冲击能量延缓加载。冲击波加载到下推杆的冲击波卸载段，从传输杆传播的冲击波经过反射杆之后再传播到下一个传输杆时，由于冲击波在金属介质中传播遇到波阻抗突变界面时冲击波会发生折反射，进而使冲击波一部分的能量会在波阻抗突变界面反射，使得冲击波的峰值下降，因此，冲击波卸载段能够将高幅值的冲击波从时间上耗散成多个低幅值的冲击波。因此本发明的推送杆能够承受幅值较高的冲击波，从而延长了推送杆的使用寿命，并保护了电机，进而能够满足当前可控冲击波产生装置的使用需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的能够消减冲击波强度的推送杆的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的上推杆的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的冲击波卸载段的内部结构示意图。

图4为本发明实施例提供的传输杆和反射杆的连接结构示意图。

图5为本发明实施例提供的上推杆端面加载的冲击波仿真时的状态示意图。

图6为图5中压力测点的压力时间曲线图。

图7为本发明实施例提供的推送杆端面加载的冲击波仿真时的状态示意图。

图8为图7中压力测点的压力时间曲线图。

图9为本发明实施例提供的优化后的冲击波卸载段在端面加载冲击波仿真时的状态示意图。

图10为为图9中压力测点的压力时间曲线图。

图11为本发明实施例提供的未优化后的冲击波卸载段在端面加载冲击波仿真时的状态示意图。

图12为为图11中压力测点的压力时间曲线图。

附图标记：1-上推杆；11-槽体；2-下推杆；21-冲击波卸载段；26-传输杆；27-反射杆；3-丝杠；4-联轴器；5-卡接段。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

如图1至图12所示，本发明实施例提供的能够消减冲击波强度的推送杆，包括从前至后依次连接的上推杆1、下推杆2、以及丝杠3。

上推杆1的前端面为用于推送负载的抵接面。

上推杆1的侧壁设置有槽体11，槽体11的延伸方向与上推杆1的轴线平行。

下推杆2的前段为冲击波卸载段21，冲击波卸载段21包括多个交替连接的传输杆26和反射杆27。传输杆26和反射杆27的波阻抗不同。

下推杆2和丝杠3通过联轴器4连接。

丝杠3的后端连接于电机的输出轴。

需要说明的是，上推杆1的前端面的周向设置有倒圆角结构，上推杆1前端面的倒圆角结构，便于推送杆的前后移动。电机驱动丝杠3前后移动，从而实现负载的推送。

推送杆工作时，水充满冲击波产生装置的能量转换器并流入推送杆的运动空间内。实施冲击波作业时，部分冲击波作用于推送杆。冲击波作用于推送杆的上推杆1时，一部分冲击波沿着上推杆1向下推杆2的方向加载，另一部分冲击波沿着上推杆1外壁的槽体11内的水向下推杆2的方向加载，冲击波在水中的传播速度约为1500m/s，冲击波在金属中传播的速度约5000m/s，本实施例中的上推杆1的长度为200mm左右，进而使得冲击波通过槽体11中的水加载到后推送杆的时间要比冲击波直接从上推杆加载到后推送杆的时间慢约90us，从而可以将一部分的冲击能量延缓加载，进而提高了推送杆的抗冲击强度、以及推送杆的使用寿命。

如图5所示，将上推杆11在水域环境下进行爆炸仿真，并通过ANSYS AUTODYN软件进行了冲击动力学仿真，仿真结果如图6所示。

在上推杆11前部10mm处设置10g球状TNT在水中爆炸，在距迎爆面300mm处测试上推杆11传播的冲击波，同时设置了上推杆不开槽的对照组，在测点所测压力时间曲线如图7所示，从中可以看出当上推杆11开槽后，测点处的应力波峰值压力下降了0.34Mpa，降低了4.25％。

冲击波在金属介质中传播时，当遇到波阻抗突变界面时冲击波会发生折反射，因此，从传输杆26传播的冲击波经过反射杆27之后再传播到下一个传输杆26时，冲击波一部分的能量会在波阻抗突变界面反射，因此，冲击波的峰值会下降，从而本发明的冲击波卸载段21能够将高幅值的冲击波从时间上耗散成多个低幅值的冲击波。

如图7所示，将本发明的推送杆在水域环境下进行爆炸仿真，并通过ANSYSAUTODYN软件进行了冲击动力学仿真，仿真结果如图8所示。

推送杆串接三段传输杆26和反射杆27，在上推杆迎爆面10mm处引爆10g球型TNT炸药，在距迎爆面730mm处测量推送杆内部冲击波，同样设置了不串接冲击波卸载段21的对照组，在测点所测应力的压力时间波形如图8所示，可以看到在串接冲击波卸载段21后，测点的应力波形发生了明显的变化，由单个高峰值的应力波变成了三个峰值较低时间上异步的应力波组合，第一个峰值由5.58MPa降为3.69MPa减小了33％。

本实施例中，槽体11的数量为多个，多个槽体11均布于上推杆1的周向。

本实施例中，槽体11的数量为十个，槽体11的截面积为上推杆1的截面积的三分之一。

本实施例中，槽体11的前端贯穿上推杆1的前端，槽体11的后端与上推杆1的侧壁平滑过渡，槽体11的槽口宽度大于其槽底的宽度。

需要说明的是，槽体11的分布方式和结构形式能够保证上推杆1具有足够的结构强度，同时具有较好的冲击能量延缓加载的能力。

本发明的上推杆1的截面积为未开槽的上推杆1的截面积的四分之三，因此设置槽体11的上推杆1可以将未开槽的上推杆1的四分之一的冲击波延缓90us加载，进而从时间上分散冲击波对下推杆2压力，因此减小了下推杆2的冲击强度。

本实施例中，传输杆26的材料为42CrMo，反射杆27的材料为Al。

需要说明的是，传输杆26和反射杆27的波阻抗差异越大则冲击波耗散效果越好，同时考虑到材料成本，因此传输杆26的材料为42CrMo，反射杆27的材料为Al。

本实施例中，反射杆27的长度L_反≥0.5nV_反T，传输杆26的长度L_传≥0.5nV_传T。

其中，T为入射应力波的脉宽，V_反为入射应力波在反射杆27内传播的波速，V_传为入射应力波在传输杆26内传播的波速，n为反射杆27或传输杆26的编号，即n为上推杆1之后反射杆27或传输杆26的编号，n为正整数。

需要说明的是，如图8所示，单个高峰值的应力波变成了三个峰值较低时间上异步的应力波组合，第一个峰值由5.58MPa降为3.69MPa减小了33％，但后续出现了4.18MPa峰值的应力波形，这是因为冲击波在反射杆27中的二次反射波叠加到入射波造成应力聚集。因此在设计冲击波卸载段21时，需实时考虑入射波的脉宽时间压力曲线来确定合适的传输杆26和反射杆27的串接方案。

当入射波传播到反射杆27与传输杆26的交界面时，由于波阻抗界面不连续，一部分能量被反射形成反射波，这部分反射波在反射杆27中再次反射到达交界面时，如果入射波脉宽较大此时还没完全通过交界面则会发生应力的叠加。因此，经过一段反射杆27压力不发生叠加的临界条件为：反射波在反射杆27中传播一个来回后入射波刚好全部通过反射杆27。也即反射杆27的长度需满足在入射波的脉宽时间内反射波无法传播一个来回即两倍反射杆27的长度。在临界条件下经过一段反射杆27传播进下一段传输杆26中的入射波的脉宽就变成了两倍，因此下一段反射杆27的临界长度就变成了前一段反射杆27的两倍。

为了验证上述条件的合理性，对以下两种配置条件的冲击波卸载段21中压力传播进行了仿真：

脉冲源产生的应力波的脉宽T约为50us，传输杆26的材料为钢，应力波在传输杆26内传播的波速V_传约为5000m/s，反射杆27的材料为铝，应力波在反射杆27内传播的波速V_反约为6500m/s。

根据公式L_反≥0.5nV_反T和L_传≥0.5nV_传T，能够得出冲击波卸载段21的第一段传输杆26的长度为125mm，第一段反射杆27的长度为162.5mm，为方便计算本实施例第一段反射杆27的长度选择为170mm，因此，第二段传输杆26的长度为250mm，第二段反射杆27的长度为335mm，对于总长度为900mm的冲击波卸载段21，其结构如图9所示。将该冲击波卸载段21在水域环境下进行爆炸仿真，在该冲击波卸载段21前部10mm处设置10g球状TNT在水中爆炸，在该冲击波卸载段21的305mm和600mm处分别设置压力测点1和压力测点2，并通过ANSYSAUTODYN软件进行了冲击动力学仿真，仿真结果如图10所示。

设置未优化的冲击波卸载段21，即每一段的反射杆27和传输杆26长度均相等，即传输杆26的长度为125mm，反射杆27的长度为170mm，冲击波卸载段21包括三段反射杆27和传输杆26，对于总长度为900mm的冲击波卸载段21，其结构如图11所示。将该冲击波卸载段21在水域环境下进行爆炸仿真，在该冲击波卸载段21前部10mm处设置10g球状TNT在水中爆炸，在该冲击波卸载段21的305mm和600mm处分别设置压力测点1和压力测点2，并通过ANSYSAUTODYN软件进行了冲击动力学仿真，仿真结果如图12所示。

从上述两个仿真结果可以看出，未优化的多段式钢铝杆，两个压力测点的第一峰值衰减率为30％，而优化后衰减率接近70％。并且优化后测点2的应力波幅值分布更加均匀，而未优化杆则出现了两个高峰，存在应力汇聚的现象。因此优化效果明显，优化后的冲击波卸载段21能够很好地将高幅值的单脉冲击波从时间上耗散成多个低幅值脉冲波的组合，使得本发明的推送杆能够承受幅值较高的冲击波，从而延长了推送杆的使用寿命。

本实施例中，冲击波卸载段21包括两段传输杆26和反射杆27，第一段的传输杆26的长度为125mm，第一段的反射杆27的长度为162.5mm，第二段的传输杆26的长度为250mm，第二段的反射杆27的长度为335mm，第一段的传输杆26靠近上推杆1设置。该配置能够满足冲击波产生装置的使用需求。

本实施例中，上推杆1和下推杆2通过螺纹连接。传输杆26和反射杆27通过螺纹连接。上推杆1、下推杆2、传输杆26和反射杆27的靠近螺纹连接端的侧壁设置有卡接段5。

需要说明的是，卡接段5可以是设置于上推杆1、下推杆2、传输杆26和反射杆27侧壁的槽，还可以是六方头结构。

本实施例中卡接段5为上推杆1、下推杆2、传输杆26和反射杆27侧壁上的平切面，平切面为设定平面切除上推杆1、下推杆2、传输杆26和反射杆27部分侧壁形成的结构，工作人员可通过两个平切面将上推杆1、下推杆2、传输杆26和反射杆27相对固定，从而便于施力扭转。

本实施例中，下推杆2的后段为变径段，变径段的直径小于下推杆2前段的直径。

需要说明的是，设置变径段能够减小推送杆整体的重量。

本实施例中，对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (6)

1.一种能够消减冲击波强度的推送杆，其特征在于：包括从前至后依次连接的上推杆(1)、下推杆(2)、以及丝杠(3)；

所述上推杆(1)的前端面为用于推送负载的抵接面；

所述上推杆(1)的侧壁设置有槽体(11)，所述槽体(11)的延伸方向与所述上推杆(1)的轴线平行；所述槽体(11)的数量为多个，多个所述槽体(11)均布于所述上推杆(1)的周向；所述槽体(11)的前端贯穿所述上推杆(1)的前端，所述槽体(11)的后端与所述上推杆(1)的侧壁平滑过渡，所述槽体(11)的槽口宽度大于其槽底的宽度；

所述下推杆(2)的前段为冲击波卸载段(21)，所述冲击波卸载段(21)包括多个交替连接的传输杆(26)和反射杆(27)；所述传输杆(26)和所述反射杆(27)的波阻抗不同；所述反射杆(27)的长度L_反≥0.5nV_反T，所述传输杆(26)的长度L_传≥0.5nV_传T；

其中，T为入射应力波的脉宽，V_反为入射应力波在反射杆(27)内传播的波速，V_传为入射应力波在传输杆(26)内传播的波速，n为反射杆(27)或传输杆(26)的编号，n为正整数；

所述下推杆(2)和所述丝杠(3)通过联轴器(4)连接；

所述丝杠(3)的后端连接于电机的输出轴。

2.根据权利要求1所述的能够消减冲击波强度的推送杆，其特征在于：所述槽体(11)的数量为十个，所述槽体(11)的截面积为所述上推杆(1)的截面积的三分之一。

3.根据权利要求1所述的能够消减冲击波强度的推送杆，其特征在于：所述传输杆(26)的材料为42CrMo，所述反射杆(27)的材料为Al。

4.根据权利要求1所述的能够消减冲击波强度的推送杆，其特征在于：所述冲击波卸载段(21)包括两段所述传输杆(26)和所述反射杆(27)，第一段的传输杆(26)的长度为125mm，第一段的反射杆(27)的长度为162.5mm，第二段的传输杆(26)的长度为250mm，第二段的反射杆(27)的长度为335mm，第一段的传输杆(26)靠近所述上推杆(1)设置。

5.根据权利要求1所述的能够消减冲击波强度的推送杆，其特征在于：所述上推杆(1)和所述下推杆(2)通过螺纹连接；所述传输杆(26)和所述反射杆(27)通过螺纹连接；所述上推杆(1)、所述下推杆(2)、所述传输杆(26)和所述反射杆(27)的靠近螺纹连接端的侧壁设置有卡接段(5)。

6.根据权利要求1所述的能够消减冲击波强度的推送杆，其特征在于：所述下推杆(2)的后段为变径段，所述变径段的直径小于所述下推杆(2)前段的直径。

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