CN118294298B - 一种用于深部工程机械破岩装备设计过程的落锤试验方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于深部工程机械破岩装备设计过程的落锤试验方法，属于岩石动力冲击破碎测试技术领域，试验中采用落锤试验监测系统完成力学信号测量和岩石试样裂纹扩展过程图像采集，通过获取动态应变曲线，可分析岩石破裂的动态应力波对机械刀具及传动系统的影响；通过获取动态力‑位移曲线和裂纹扩展图像，可分析岩石动态破坏机理；通过精确测定落锤冲击下岩石的吸收能量，可使落锤冲击岩石的吸能实现量化；根据岩石的吸收能量可计算出破岩比能，进而可建立冲击能量、锤头形状、镐形锤头锥角等设计参数与岩石破岩比能的关系，使不同设计参数下岩石的破碎效率实现定量评价，用以确定合理的机械设计参数，最终为研发稳定高效的机械破岩设备提供试验支持。
Description
技术领域
本发明属于岩石动力冲击破碎测试技术领域，特别是涉及一种用于深部工程机械破岩装备设计过程的落锤试验方法。
背景技术
深部资源开采是工程机械破岩装备与具有高地应力、高地温地质环境属性的硬岩相互作用的过程，为达到破碎深部硬岩的目的，工程机械破岩装备的传动系统应具有可靠性高、钻进强度大、成孔速度快、刀具磨损小等特点。因此，研发稳定高效的工程机械破岩装备，提高深部地层岩石的破岩效率，是推动深地战略顺利实施的先决条件。
机械动力破岩过程是刀具和岩石相互作用、共生的复杂过程，面向岩石破碎设计多考虑动力设备总输出的功率，面向机械破岩装备设计多考虑岩石的硬度。然而，岩石破碎工程设计和机械破岩装备设计在力学行为、动力和静力参数选择、设计准则上，缺少有效的岩石力学破碎工艺与机械设计的共性对接，岩石力学工程师和机械工程师多在背对背的模式下开展设计工作。
破岩过程的机械刀具与岩石破裂相互作用理论是机械破岩设备研发与使用的理论基础，研究机械冲击下岩石破碎机理、裂纹扩展过程及岩石-刀具相互作用力学模型，对建立和完善机械破岩设备性能智能预测模型，提高机械破岩设备创新设计能力具有重要意义。然而，机械设备在深部工程掘进过程中，无法对岩石在真三向应力下快速卸荷与破裂演化进行实时观察。因此，学者们通过开展室内试验，全面评价机械冲击下岩石破裂效果，确定合理的刀具设计参数，为破岩设备的高可靠性研发与创新提供可靠的输入条件。
当前，工程机械破岩装备设计过程的主要破岩评价指标或设计输入参数有以下几类：①、岩石截割载荷、破岩比能、碎屑粒度、裂纹扩展等破岩评价指标，用以定量和定性评价机械破岩效果。②、冲击能量、刀具类型、刀具几何参数（如截齿截尖锥角、截齿截身锥角等）、刀具数量等机械设计参数，通过建立设计参数与破岩评价指标的变化关系，表征设计参数对破岩效果的影响，用以确定合理的破岩机械装备设计参数。
但是，上述研究多对岩石的破碎效率及破岩机械设计参数等方面进行了探讨，尚未考虑机械破岩引起的强应力释放和动力波对破岩机械传动系统的作用机理。在机械冲击下岩石破裂冲击波的动态波谱特性，其是深部工程机械破岩装备传动部分可靠性分析的输入条件。因此，有必要通过开展冲击试验评价机械冲击下岩石的动态破坏效果，用以建立机械设计参数与破岩指标的变化关系，同时用以揭示动力波的波谱特征对机械传动系统的影响机制。
落锤冲击破岩的应变率属中低等应变率，其加载范围为10-2s-1～10s-1，与机械破岩的应变率范围相近，开展落锤冲击试验，可从室内试验角度有效模拟机械冲击下岩石破坏效果。但是，由于仪器和监测手段的限制，在面向工程机械破岩装备设计过程时，往往忽略了基于落锤试验获得的岩石冲击动力参数对破岩装备设计的指导作用。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于深部工程机械破岩装备设计过程的落锤试验方法，通过获取动态应变曲线，可分析岩石破裂的动态应力波对机械刀具及传动系统的影响；通过获取动态力-位移曲线和裂纹扩展图像，可分析岩石动态破坏机理；通过精确测定落锤冲击下岩石的吸收能量，可使落锤冲击岩石的吸能实现量化；根据岩石的吸收能量可计算出破岩比能，进而可建立冲击能量、锤头形状、镐形锤头锥角等设计参数与岩石破岩比能的关系，从而使不同设计参数下岩石的破碎效率实现定量评价，用以确定合理的机械设计参数，最终为研发稳定高效的机械破岩设备提供试验支持。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种用于深部工程机械破岩装备设计过程的落锤试验方法，采用了一种落锤试验监测系统；所述落锤试验监测系统包括岩石试样动力冲击承台子系统、力学信号测量子系统及岩石试样图像采集子系统；岩石试样位于岩石试样动力冲击承台子系统内；所述力学信号测量子系统分别接入岩石试样和岩石试样动力冲击承台子系统；所述岩石试样图像采集子系统与岩石试样正对分布。
所述岩石试样动力冲击承台子系统包括支撑底座板、支撑立板、支撑顶板、伸缩式导向柱及工作承台板；所述支撑底座板水平设置；所述支撑立板竖直均布固装在支撑底座板上方；所述支撑顶板水平固装在支撑立板顶端；所述工作承台板水平设置且位于支撑顶板正上方；所述伸缩式导向柱竖直设置均布安装在工作承台板与支撑顶板之间。
在所述工作承台板与支撑底座板的中心点之间竖直安装有冲击吸能油缸，冲击吸能油缸既用于吸收工作承台板的损耗能，也用于模拟机械破岩装备的液压传动系统。
所述工作承台板上表面用于放置岩石试样，在岩石试样正上方设置锤头。
在所述锤头表面粘贴有第一电阻式应变片；在所述岩石试样表面粘贴有第二电阻式应变片；在所述冲击吸能油缸表面粘贴有第三电阻式应变片；所述第一电阻式应变片、第二电阻式应变片及第三电阻式应变片汇接到应变仪桥盒上。
在所述锤头顶部螺接固定有压电式力传感器；在所述冲击吸能油缸的进油口安装压力传感器，在冲击吸能油缸的活塞杆与缸筒底端之间安装有位移传感器；在所述工作承台板上方固定安装有激光位移计，激光位移计与岩石试样正对分布；所述应变仪桥盒、压电式力传感器、压力传感器、位移传感器及激光位移计汇接到动态数据采集仪上，动态数据采集仪与第一电子计算机相连。
由所述第一电阻式应变片、第二电阻式应变片、第三电阻式应变片、应变仪桥盒、压电式力传感器、压力传感器、位移传感器、激光位移计、动态数据采集仪及第一电子计算机配合组成力学信号测量子系统。
所述岩石试样图像采集子系统包括高速相机、聚光灯及第二电子计算机；所述高速相机安装在第一三角支架顶部，高速相机与岩石试样正对分布，高速相机接入第二电子计算机；所述聚光灯安装在第二三角支架顶部，聚光灯与岩石试样正对分布。
所述的用于深部工程机械破岩装备设计过程的落锤试验方法，包括如下步骤：
步骤一：制作岩石试样，将制作好的岩石试样放置到工作承台板上表面中心处；
步骤二：将第一电阻式应变片粘贴到锤头表面，将第二电阻式应变片粘贴到岩石试样表面，将第三电阻式应变片粘贴到冲击吸能油缸表面，之后将第一电阻式应变片、第二电阻式应变片及第三电阻式应变片汇接到应变仪桥盒上，随后将应变仪桥盒、压电式力传感器、压力传感器、位移传感器及激光位移计汇接到动态数据采集仪上，然后将动态数据采集仪接到第一电子计算机上；
步骤三：通过第一三角支架将高速相机架设到岩石试样的旁边，同时通过第二三角支架将聚光灯架设到岩石试样的旁边，使聚光灯的光线照射在岩石试样表面，之后将高速相机接到第二电子计算机上，高速相机获取的岩石试样图像直接在第二电子计算机的屏幕上显示，随后对高速相机的高度、拍摄帧率和焦距进行设定，使第二电子计算机屏幕上的岩石试样图像完整清晰；
步骤四：将锤头提升至设定高度，使锤头获取重力势能E，若将锤头释放，则锤头会以自由落体形式冲击下方的岩石试样，锤头的重力势能E也将全部转化为岩石试样的冲击动能E 0，冲击动能E 0的计算公式为：E 0=m 0 gh，式中，m 0为锤头的质量，g为重力加速度，h为锤头提升的高度；
步骤五：将高速相机调整为拍摄模式，之后将锤头释放，通过下落的锤头完成对岩石试样的冲击，在冲击过程中，第一电阻式应变片、第二电阻式应变片及第三电阻式应变片采集的数据传输至应变仪桥盒，之后由应变仪桥盒将数据汇总传输至动态数据采集仪上，由压电式力传感器、压力传感器、位移传感器及激光位移计采集的数据也同步传输至动态数据采集仪上，最后由动态数据采集仪将采集的全部数据汇总传输至第一电子计算机上；同时，由高速相机获取的岩石试样表面裂纹扩展过程图像传输至第二电子计算机上；
步骤六：通过第一电子计算机对获取的数据进行处理，分别得到在不同冲击动能E 0下岩石试样的动态力-位移曲线、裂纹扩展过程图像、岩石试样-锤头-冲击吸能油缸的动态应变曲线；
步骤七：根据获取的在不同冲击动能E 0下岩石试样-锤头-冲击吸能油缸的动态应变曲线，分析不同冲击能量下岩石破裂的动态应力波对机械刀具及传动系统的影响；
步骤八：根据获取的在不同冲击动能E 0下岩石试样的动态力-位移曲线和裂纹扩展过程图像，分析不同冲击能量下岩石动态破坏机理；
步骤九：在落锤冲击过程中，冲击能量E 0转化为岩石试样破裂的吸收能E s、工作承
台板的损耗能E p以及锤头反弹的势能E t，工作承台板的损耗能E p会进一步转化为冲击吸能
油缸的液压能E a，第一电子计算机根据压力传感器和位移传感器获取的压力与位移数据，
计算冲击吸能油缸在不同冲击动能E 0下产生的液压能E a，E a的计算公式为，式中，P a(t) 为t时刻的液压油压力，V a(t) 为t时刻的液压油体积，其
中，液压油体积V a(t) 的体积计算公式V a(t)=A×L(t)，式中，A为冲击吸能油缸的横截面积，L(t)为t时刻液压油变化的位移；同时，通过高速相机获取的图像确定锤头冲击岩石试样后
的反弹初始速度V 0，计算锤头反弹的势能E t，E t的计算公式为E t=m 0 V 2 0/2，式中，m 0为锤头的质
量，V 0为锤头的反弹初始速度；最后，根据获得的冲击吸能油缸在不同冲击动能E 0下产生的
液压能E a和锤头反弹的势能E t，计算岩石试样的吸收能E s，E s的计算公式为E s=E 0-E a-E t，通过
岩石试样的吸收能E s量化不同冲击能量下岩石的吸能特征；
步骤十：根据获得的岩石试样的吸收能E s，计算岩石试样的破岩比能MSE，破岩比能MSE的计算公式为MSE=E s/V s，式中，E s为岩石试样的吸收能，V s为岩石试样冲击破碎后的碎屑体积；其中，碎屑体积V s的计算公式为V s=m s/ρ，式中，m s为碎屑质量，ρ为岩石密度，碎屑质量m s通过对碎屑收集后称重得到；
步骤十一：根据获得的岩石试样的破岩比能MSE，在第一电子计算机中建立不同冲击动能E 0与破岩比能MSE的关系曲线，定量评价在不同冲击能量下岩石的破坏效率，同时结合不同冲击能量下岩石动态破坏机理和岩石的吸能特征，确定最优冲击能量值；
步骤十二：更换锤头，包括调整锤头的形状，还包括在锤头形状为镐形时仅调整锤头的锥角；当锤头更换完成后，重复步骤一至步骤十一，得到不同岩石试样的破岩比能MSE，通过在第一电子计算机中建立破岩比能MSE与锤头形状的关系，分析锤头形状对岩石破碎效率的影响，确定最优刀具形状；同时，通过在第一电子计算机中建立破岩比能MSE与锤头形状为镐形时不同锥角的关系，分析锤头锥角对岩石破碎效率的影响，确定最优截齿锥角。
本发明的有益效果：
本发明的用于深部工程机械破岩装备设计过程的落锤试验方法，通过获取动态应变曲线，可分析岩石破裂的动态应力波对机械刀具及传动系统的影响；通过获取动态力-位移曲线和裂纹扩展过程图像，可分析岩石动态破坏机理；通过精确测定落锤冲击下岩石的吸收能量，可使落锤冲击岩石的吸能实现量化；根据岩石的吸收能量可计算出破岩比能，进而可建立冲击能量、锤头形状、镐形锤头锥角等设计参数与岩石破岩比能的关系，从而使不同设计参数下岩石的破碎效率实现定量评价，用以确定合理的机械设计参数，最终为研发稳定高效的机械破岩设备提供试验支持。
附图说明
图1为本发明的落锤试验监测系统的结构示意图；
图2为在不同冲击动能下岩石试样-锤头-冲击吸能油缸的动态应变曲线；
图3为不同冲击动能与破岩比能的关系曲线；
图4为平头形锤头；
图5为半球头形锤头；
图6为120°锥角的镐形锤头；
图7为楔形锤头；
图8为45°锥角的镐形锤头；
图9为60°锥角的镐形锤头；
图10为75°锥角的镐形锤头；
图11为90°锥角的镐形锤头；
图12为破岩比能与锤头形状的关系曲线；
图13为破岩比能与不同锥角镐形锤头的关系曲线；
图中，1—岩石试样，2—支撑底座板，3—支撑立板，4—支撑顶板，5—伸缩式导向柱，6—工作承台板，7—冲击吸能油缸，8—锤头，9—第一电阻式应变片，10—第二电阻式应变片，11—第三电阻式应变片，12—应变仪桥盒，13—压电式力传感器，14—压力传感器，15—位移传感器，16—激光位移计，17—动态数据采集仪，18—第一电子计算机，19—高速相机，20—聚光灯，21—第二电子计算机，22—第一三角支架，23—第二三角支架。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种用于深部工程机械破岩装备设计过程的落锤试验方法，采用了一种落锤试验监测系统，如图1所示；所述落锤试验监测系统包括岩石试样动力冲击承台子系统、力学信号测量子系统及岩石试样图像采集子系统；岩石试样1位于岩石试样动力冲击承台子系统内；所述力学信号测量子系统分别接入岩石试样1和岩石试样动力冲击承台子系统；所述岩石试样图像采集子系统与岩石试样1正对分布。
所述岩石试样动力冲击承台子系统包括支撑底座板2、支撑立板3、支撑顶板4、伸缩式导向柱5及工作承台板6；所述支撑底座板2水平设置；所述支撑立板3竖直均布固装在支撑底座板2上方；所述支撑顶板4水平固装在支撑立板3顶端；所述工作承台板6水平设置且位于支撑顶板4正上方；所述伸缩式导向柱5竖直设置均布安装在工作承台板6与支撑顶板4之间。
在所述工作承台板6与支撑底座板2的中心点之间竖直安装有冲击吸能油缸7，冲击吸能油缸既用于吸收工作承台板的损耗能，也用于模拟机械破岩装备的液压传动系统。因此，可以通过落锤试验研究岩石破裂应力波对机械破岩装备的液压传动系统的影响。
所述工作承台板6上表面用于放置岩石试样1，在岩石试样1正上方设置锤头8。
在所述锤头8表面粘贴有第一电阻式应变片9；在所述岩石试样1表面粘贴有第二电阻式应变片10；在所述冲击吸能油缸7表面粘贴有第三电阻式应变片11；所述第一电阻式应变片9、第二电阻式应变片10及第三电阻式应变片11汇接到应变仪桥盒12上。
在所述锤头8顶部螺接固定有压电式力传感器13；在所述冲击吸能油缸7的进油口安装压力传感器14，在冲击吸能油缸7的活塞杆与缸筒底端之间安装有位移传感器15；在所述工作承台板6上方固定安装有激光位移计16，激光位移计16与岩石试样1正对分布；所述应变仪桥盒12、压电式力传感器13、压力传感器14、位移传感器15及激光位移计16汇接到动态数据采集仪17上，动态数据采集仪17与第一电子计算机18相连。
由所述第一电阻式应变片9、第二电阻式应变片10、第三电阻式应变片11、应变仪桥盒12、压电式力传感器13、压力传感器14、位移传感器15、激光位移计16、动态数据采集仪17及第一电子计算机18配合组成力学信号测量子系统。
所述岩石试样图像采集子系统包括高速相机19、聚光灯20及第二电子计算机21；所述高速相机19安装在第一三角支架22顶部，高速相机19与岩石试样1正对分布，高速相机19接入第二电子计算机21；所述聚光灯20安装在第二三角支架23顶部，聚光灯20与岩石试样1正对分布。
所述的用于深部工程机械破岩装备设计过程的落锤试验方法，包括如下步骤：
步骤一：制作岩石试样1，将制作好的岩石试样1放置到工作承台板6上表面中心处；
本实施例中，岩石试样1为100mm×100mm×100mm的正方形试样。
步骤二：将第一电阻式应变片9粘贴到锤头8表面，将第二电阻式应变片10粘贴到岩石试样1表面，将第三电阻式应变片11粘贴到冲击吸能油缸7表面，之后将第一电阻式应变片9、第二电阻式应变片10及第三电阻式应变片11汇接到应变仪桥盒12上，随后将应变仪桥盒12、压电式力传感器13、压力传感器14、位移传感器15及激光位移计16汇接到动态数据采集仪17上，然后将动态数据采集仪17接到第一电子计算机18上；
步骤三：通过第一三角支架22将高速相机19架设到岩石试样1的旁边，同时通过第二三角支架23将聚光灯20架设到岩石试样1的旁边，使聚光灯20的光线照射在岩石试样1表面，之后将高速相机19接到第二电子计算机21上，高速相机19获取的岩石试样1图像直接在第二电子计算机21的屏幕上显示，随后对高速相机19的高度、拍摄帧率和焦距进行设定，使第二电子计算机21屏幕上的岩石试样1图像完整清晰；
本实施例中，高速相机19、聚光灯20及第二电子计算机21与岩石试样1的间距应不小于1.5m，防止岩石试样1受冲击破碎后产生碎块损坏高速相机19、聚光灯20及第二电子计算机21；高速相机19的高度与岩石试样1高度一致，高速相机19的拍摄帧率设定为153000帧/s，每帧时间间隔约为6.5μs。
步骤四：将锤头8提升至设定高度，使锤头8获取重力势能E，若将锤头8释放，则锤头8会以自由落体形式冲击下方的岩石试样1，锤头8的重力势能E也将全部转化为岩石试样1的冲击动能E 0，冲击动能E 0的计算公式为：E 0=m 0 gh，式中，m 0为锤头8的质量，g为重力加速度，h为锤头8提升的高度；
本实施例中，锤头8的质量为20kg，重力加速度取值为9.8m/s2，锤头8提升的高度分别设定为0.8m、1.0m、1.2m、1.4m和1.6m，则在不同高度下所能获取的冲击动能E 0分别为156.8J、196J、235.2J、274.4J和313.6J。
步骤五：将高速相机19调整为拍摄模式，之后将锤头8释放，通过下落的锤头8完成对岩石试样1的冲击，在冲击过程中，第一电阻式应变片9、第二电阻式应变片10及第三电阻式应变片11采集的数据传输至应变仪桥盒12，之后由应变仪桥盒12将数据汇总传输至动态数据采集仪17上，由压电式力传感器13、压力传感器14、位移传感器15及激光位移计16采集的数据也同步传输至动态数据采集仪17上，最后由动态数据采集仪17将采集的全部数据汇总传输至第一电子计算机18上；同时，由高速相机19获取的岩石试样1表面裂纹扩展过程图像传输至第二电子计算机21上；
步骤六：通过第一电子计算机18对获取的数据进行处理，分别得到在不同冲击动能E 0下岩石试样1的动态力-位移曲线、裂纹扩展过程图像、岩石试样1-锤头8-冲击吸能油缸7的动态应变曲线；
步骤七：根据获取的在不同冲击动能E 0下岩石试样1-锤头8-冲击吸能油缸7的动态应变曲线，如图2所示，分析不同冲击能量下岩石破裂的动态应力波对机械刀具及传动系统的影响；
步骤八：根据获取的在不同冲击动能E 0下岩石试样1的动态力-位移曲线和裂纹扩展过程图像，分析不同冲击能量下岩石动态破坏机理；
步骤九：在落锤冲击过程中，冲击能量E 0转化为岩石试样1破裂的吸收能E s、工作承
台板6的损耗能E p以及锤头8反弹的势能E t，工作承台板6的损耗能E p会进一步转化为冲击吸
能油缸7的液压能E a，第一电子计算机18根据压力传感器14和位移传感器15获取的压力与
位移数据，计算冲击吸能油缸7在不同冲击动能E 0下产生的液压能E a，E a的计算公式为，式中，P a(t) 为t时刻的液压油压力，V a(t) 为t时刻的液压油体积，
其中，液压油体积V a(t) 的体积计算公式V a(t)=A×L(t)，式中，A为冲击吸能油缸7的横截面
积，L(t)为t时刻液压油变化的位移；同时，通过高速相机19获取的图像确定锤头8冲击岩石
试样1后的反弹初始速度V 0，计算锤头8反弹的势能E t，E t的计算公式为E t=m 0 V 2 0/2，式中，m 0为
锤头8的质量，V 0为锤头8的反弹初始速度；最后，根据获得的冲击吸能油缸7在不同冲击动
能E 0下产生的液压能E a和锤头8反弹的势能E t，计算岩石试样1的吸收能E s，E s的计算公式为E s=E 0-E a-E t，通过岩石试样1的吸收能E s量化不同冲击能量下岩石的吸能特征；
本实施例中，冲击吸能油缸7在不同冲击动能E 0下产生的液压能E a分别为18.3J、28.9J、35.6J、47.2J和61.1J，锤头8反弹的动能E t分别为6.3J、7.9J、8.5J、12.3J和15.1J，岩石试样1的吸收能E s分别为132.2J、159.2J、191.5J、214.9J和237.4J。
步骤十：根据获得的岩石试样1的吸收能E s，计算岩石试样1的破岩比能MSE，破岩比能MSE的计算公式为MSE=E s/V s，式中，E s为岩石试样1的吸收能E s，V s为岩石试样1冲击破碎后的碎屑体积；其中，碎屑体积V s的计算公式为V s=m s/ρ，式中，m s为碎屑质量，ρ为岩石密度，碎屑质量m s通过对碎屑收集后称重得到；
本实施例中，在不同冲击动能E 0下岩石试样1的破岩比能MSE分别为657MPa、859MPa、1033MPa、992MPa和803MPa。
步骤十一：根据获得的岩石试样1的破岩比能MSE，在第一电子计算机18中建立不同冲击动能E 0与破岩比能MSE的关系曲线，如图3所示，定量评价在不同冲击能量下岩石的破坏效率，同时结合不同冲击能量下岩石动态破坏机理和岩石的吸能特征，确定最优冲击能量值；
步骤十二：更换锤头8，包括调整锤头8的形状，还包括在锤头8形状为镐形时仅调整锤头8的锥角；当锤头8更换完成后，重复步骤一至步骤十一，得到不同岩石试样1的破岩比能MSE，通过在第一电子计算机18中建立破岩比能MSE与锤头8形状的关系，分析锤头8形状对岩石破碎效率的影响，确定最优刀具形状；同时，通过在第一电子计算机18中建立破岩比能MSE与锤头8形状为镐形时不同锥角的关系，分析锤头8锥角对岩石破碎效率的影响，确定最优截齿锥角；
本实施例中，岩石试样1数量为八个，且均为100mm×100mm×100mm的正方形试样；锤头8的数量同样准备八个，且质量均为20kg，其中四个锤头8作为分析锤头8形状对岩石破碎效率的影响来使用，如图4～图7所示，形状分别为平头形、半球头形、镐形（锥角为120°）和楔形；其余四个锤头8作为分析锤头8锥角对岩石破碎效率的影响来使用，如图8～图11所示，锥角分别为45°、60°、75°和90°；因此，试验过程总共需要重复八次，且八次试验时锤头8提升的高度均设定为0.8m；如图12所示，为建立的破岩比能MSE与锤头8形状的关系曲线；如图13所示，为建立的破岩比能MSE与不同锥角镐形锤头8的关系曲线。
实施例中的方案并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均包含于本发明的保护范围中。
Claims (2)
1.一种用于深部工程机械破岩装备设计过程的落锤试验方法，其特征在于：采用了一种落锤试验监测系统；所述落锤试验监测系统包括岩石试样动力冲击承台子系统、力学信号测量子系统及岩石试样图像采集子系统；岩石试样位于岩石试样动力冲击承台子系统内；所述力学信号测量子系统分别接入岩石试样和岩石试样动力冲击承台子系统；所述岩石试样图像采集子系统与岩石试样正对分布；所述岩石试样动力冲击承台子系统包括支撑底座板、支撑立板、支撑顶板、伸缩式导向柱及工作承台板；所述支撑底座板水平设置；所述支撑立板竖直均布固装在支撑底座板上方；所述支撑顶板水平固装在支撑立板顶端；所述工作承台板水平设置且位于支撑顶板正上方；所述伸缩式导向柱竖直设置均布安装在工作承台板与支撑顶板之间；在所述工作承台板与支撑底座板的中心点之间竖直安装有冲击吸能油缸，冲击吸能油缸既用于吸收工作承台板的损耗能，也用于模拟机械破岩装备的液压传动系统；所述工作承台板上表面用于放置岩石试样，在岩石试样正上方设置锤头；在所述锤头表面粘贴有第一电阻式应变片；在所述岩石试样表面粘贴有第二电阻式应变片；在所述冲击吸能油缸表面粘贴有第三电阻式应变片；所述第一电阻式应变片、第二电阻式应变片及第三电阻式应变片汇接到应变仪桥盒上；在所述锤头顶部螺接固定有压电式力传感器；在所述冲击吸能油缸的进油口安装压力传感器，在冲击吸能油缸的活塞杆与缸筒底端之间安装有位移传感器；在所述工作承台板上方固定安装有激光位移计，激光位移计与岩石试样正对分布；所述应变仪桥盒、压电式力传感器、压力传感器、位移传感器及激光位移计汇接到动态数据采集仪上，动态数据采集仪与第一电子计算机相连；由所述第一电阻式应变片、第二电阻式应变片、第三电阻式应变片、应变仪桥盒、压电式力传感器、压力传感器、位移传感器、激光位移计、动态数据采集仪及第一电子计算机配合组成力学信号测量子系统；所述岩石试样图像采集子系统包括高速相机、聚光灯及第二电子计算机；所述高速相机安装在第一三角支架顶部，高速相机与岩石试样正对分布，高速相机接入第二电子计算机；所述聚光灯安装在第二三角支架顶部，聚光灯与岩石试样正对分布。
2.根据权利要求1所述的一种用于深部工程机械破岩装备设计过程的落锤试验方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：制作岩石试样，将制作好的岩石试样放置到工作承台板上表面中心处；
步骤二：将第一电阻式应变片粘贴到锤头表面，将第二电阻式应变片粘贴到岩石试样表面，将第三电阻式应变片粘贴到冲击吸能油缸表面，之后将第一电阻式应变片、第二电阻式应变片及第三电阻式应变片汇接到应变仪桥盒上，随后将应变仪桥盒、压电式力传感器、压力传感器、位移传感器及激光位移计汇接到动态数据采集仪上，然后将动态数据采集仪接到第一电子计算机上；
步骤三：通过第一三角支架将高速相机架设到岩石试样的旁边，同时通过第二三角支架将聚光灯架设到岩石试样的旁边，使聚光灯的光线照射在岩石试样表面，之后将高速相机接到第二电子计算机上，高速相机获取的岩石试样图像直接在第二电子计算机的屏幕上显示，随后对高速相机的高度、拍摄帧率和焦距进行设定，使第二电子计算机屏幕上的岩石试样图像完整清晰；
步骤四：将锤头提升至设定高度，使锤头获取重力势能E，若将锤头释放，则锤头会以自由落体形式冲击下方的岩石试样，锤头的重力势能E也将全部转化为岩石试样的冲击动能E 0，冲击动能E 0的计算公式为：E 0=m 0 gh，式中，m 0为锤头的质量，g为重力加速度，h为锤头提升的高度；
步骤五：将高速相机调整为拍摄模式，之后将锤头释放，通过下落的锤头完成对岩石试样的冲击，在冲击过程中，第一电阻式应变片、第二电阻式应变片及第三电阻式应变片采集的数据传输至应变仪桥盒，之后由应变仪桥盒将数据汇总传输至动态数据采集仪上，由压电式力传感器、压力传感器、位移传感器及激光位移计采集的数据也同步传输至动态数据采集仪上，最后由动态数据采集仪将采集的全部数据汇总传输至第一电子计算机上；同时，由高速相机获取的岩石试样表面裂纹扩展过程图像传输至第二电子计算机上；
步骤六：通过第一电子计算机对获取的数据进行处理，分别得到在不同冲击动能E 0下岩石试样的动态力-位移曲线、裂纹扩展过程图像、岩石试样-锤头-冲击吸能油缸的动态应变曲线；
步骤七：根据获取的在不同冲击动能E 0下岩石试样-锤头-冲击吸能油缸的动态应变曲线，分析不同冲击能量下岩石破裂的动态应力波对机械刀具及传动系统的影响；
步骤八：根据获取的在不同冲击动能E 0下岩石试样的动态力-位移曲线和裂纹扩展过程图像，分析不同冲击能量下岩石动态破坏机理；
步骤九：在落锤冲击过程中，冲击能量E 0转化为岩石试样破裂的吸收能E s、工作承台板的损耗能E p以及锤头反弹的势能E t，工作承台板的损耗能E p会进一步转化为冲击吸能油缸的液压能E a，第一电子计算机根据压力传感器和位移传感器获取的压力与位移数据，计算冲击吸能油缸在不同冲击动能E 0下产生的液压能E a，E a的计算公式为，式中，P a(t) 为t时刻的液压油压力，V a(t) 为t时刻的液压油体积，其中，液压油体积V a(t)的体积计算公式V a(t)=A×L(t)，式中，A为冲击吸能油缸的横截面积，L(t)为t时刻液压油变化的位移；同时，通过高速相机获取的图像确定锤头冲击岩石试样后的反弹初始速度V 0，计算锤头反弹的势能E t，E t的计算公式为E t= m 0 V 2 0/2，式中，m 0为锤头的质量，V 0为锤头的反弹初始速度；最后，根据获得的冲击吸能油缸在不同冲击动能E 0下产生的液压能E a和锤头反弹的势能E t，计算岩石试样的吸收能E s，E s的计算公式为E s=E 0-E a-E t，通过岩石试样的吸收能E s量化不同冲击能量下岩石的吸能特征；
步骤十：根据获得的岩石试样的吸收能E s，计算岩石试样的破岩比能MSE，破岩比能MSE的计算公式为MSE=E s/V s，式中，E s为岩石试样的吸收能E s，V s为岩石试样冲击破碎后的碎屑体积；其中，碎屑体积V s的计算公式为V s= m s/ρ，式中，m s为碎屑质量，ρ为岩石密度，碎屑质量m s通过对碎屑收集后称重得到；
步骤十一：根据获得的岩石试样的破岩比能MSE，在第一电子计算机中建立不同冲击动能E 0与破岩比能MSE的关系曲线，定量评价在不同冲击能量下岩石的破坏效率，同时结合不同冲击能量下岩石动态破坏机理和岩石的吸能特征，确定最优冲击能量值；
步骤十二：更换锤头，包括调整锤头的形状，还包括在锤头形状为镐形时仅调整锤头的锥角；当锤头更换完成后，重复步骤一至步骤十一，得到不同岩石试样的破岩比能MSE，通过在第一电子计算机中建立破岩比能MSE与锤头形状的关系，分析锤头形状对岩石破碎效率的影响，确定最优刀具形状；同时，通过在第一电子计算机中建立破岩比能MSE与锤头形状为镐形时不同锥角的关系，分析锤头锥角对岩石破碎效率的影响，确定最优截齿锥角。
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| SU1430814A1 (ru) * | 1987-02-18 | 1988-10-15 | Е.В. Лодус | Установка дл испытани материалов на динамическое сжатие |
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Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
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