釬桿對(duì)巖體有效作用力試驗(yàn)研究

◎裴邦學(xué) 吳云中 王家豪 丁興明 周靜

1.長江重慶航道工程局；2.重慶交通大學(xué)河海學(xué)院

1.引言

高頻破碎錘是一種新型的破巖除礁設(shè)備，主要由液壓系統(tǒng)、活塞和釬桿組成[1]，其中釬桿是直接與巖體接觸的構(gòu)件，也是高頻破碎錘工作時(shí)作業(yè)環(huán)境最惡劣、受力情況最復(fù)雜的消耗性構(gòu)件[2]。設(shè)備工作時(shí)，液壓系統(tǒng)傳動(dòng)活塞高速撞擊釬桿產(chǎn)生巨大的沖擊能[3]，對(duì)巖體產(chǎn)生巨大作用力，從而搗碎巖體。然而，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，釬桿在鑿入巖體的過程中，其作用力是不斷發(fā)生變化的。因此，開展釬桿對(duì)巖體的有效作用力研究有助于探尋釬桿作用力的變化過程和變化規(guī)律，從而確定釬桿的最佳使用頻率，對(duì)提高釬桿的破巖效率和使用壽命均有重要意義。

關(guān)于釬桿的力學(xué)分析方面，大量學(xué)者通過現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬等方法重點(diǎn)研究了釬桿的沖擊特性[4]、抗疲勞強(qiáng)度[5]和斷裂失效[6]等方面的內(nèi)容。張廣海[7]結(jié)合R32釬桿的受力特性對(duì)釬桿進(jìn)行了受力分析，并在此基礎(chǔ)上提出了釬桿的多種失效形式；蔡鋼[8]對(duì)B22小型釬桿進(jìn)行了釬桿材料成分檢測、宏微觀斷口分析和顯微硬度分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致該釬桿發(fā)生早期疲勞主要原因是在交變載荷下釬桿強(qiáng)度較低的地方發(fā)生了應(yīng)力集中；邢軍[9]運(yùn)用多種力學(xué)理論，分析了釬桿的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)并提出了一種新的結(jié)構(gòu)。然而，目前關(guān)于釬桿對(duì)巖體的有效作用力的研究較少。

因此，本文基于縮小比尺的高頻破碎錘鑿擊模型試驗(yàn)，模擬釬桿的實(shí)際工作環(huán)境，分析釬桿在鑿入巖體時(shí)的應(yīng)變變化情況；探尋釬桿工作頻率與工作效率的關(guān)系；并通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理和理論分析，推導(dǎo)釬桿對(duì)巖體的有效作用力計(jì)算公式，分析有效作用力在釬桿工作中的變化過程和變化規(guī)律，為確定釬桿的最佳工作頻率提供理論依據(jù)。

2.試驗(yàn)比尺確定

由于本次試驗(yàn)采用的是縮小比例模型，所以首先需要對(duì)原型釬桿和模型釬桿的尺寸進(jìn)行比較，然后確定試驗(yàn)?zāi)Ｐ透鲄?shù)的比尺大小。破碎錘在破巖過程主要依靠液壓系統(tǒng)和作業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行工作，液壓系統(tǒng)主要由挖機(jī)提供動(dòng)力，作業(yè)系統(tǒng)主要是釬桿對(duì)巖體的鑿擊破壞。由于這兩個(gè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)不同，因此需要使用不同的相似準(zhǔn)數(shù)來進(jìn)行推導(dǎo)。

原型破碎錘中使用釬桿的直徑為180 mm，而在破碎錘模型設(shè)計(jì)中，試驗(yàn)釬桿直徑為45mm，且采用的材料與原型釬桿相同，基于此數(shù)據(jù)對(duì)試驗(yàn)比尺進(jìn)行推求：

幾何比尺為：

密度比尺為：

彈性模量比尺為：

釬桿在工作時(shí)始終處于彈性范圍內(nèi)，因此需要滿足原型和模型的彈性力相似，即滿足柯西數(shù)相等，即：

由此可以推導(dǎo)出釬桿的運(yùn)動(dòng)速度比尺為：

取釬桿對(duì)巖體的鑿入深度比尺與幾何比尺相同，既：

則時(shí)間比尺為：

根據(jù)牛頓第三定律，釬桿鑿入巖體時(shí)釬桿對(duì)巖體的作用力與巖體對(duì)釬桿的反力大小相同方向相反，由沖量定理Ft=mv可得：

可以推出作用力F的比尺為:

3.試驗(yàn)設(shè)計(jì)及方案

3.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為預(yù)制鋼筋砼試塊，預(yù)制模具大小為170×50×60cm，內(nèi)部布設(shè)鋼筋和箍筋以防止擊打過程中砼試塊向兩側(cè)開裂。養(yǎng)護(hù)28天，制作完成的試件如圖1所示。經(jīng)抗壓強(qiáng)度檢測，預(yù)制鋼筋砼強(qiáng)度為35Mpa。

圖1 預(yù)制鋼筋砼試塊

3.2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備主要由重慶交通大學(xué)研制的“挖機(jī)-高頻破碎錘”和應(yīng)變片組成，由圖2所示。“挖機(jī)-高頻破碎錘”的主體由挖機(jī)和破碎錘兩大部分組成，挖機(jī)為立派R328型，額定功率為20k w，重量為1.6t；破碎錘為驚天GT10型破碎錘，工作頻率分為1000HZ、2000HZ、3000HZ、4000HZ、5000HZ（分別對(duì)應(yīng)1～5種工作擋位），所用釬桿直徑為45mm；應(yīng)變片采用的是中航電測公司生產(chǎn)的BE120-5AA型應(yīng)變片，電阻值為119.9±0.1Ω。

圖2 安裝應(yīng)變片的挖機(jī)-高頻破碎錘

測試數(shù)據(jù)包括釬桿的鑿入深度、鑿擊時(shí)間和釬桿的微應(yīng)變值。測量鑿入深度采用的是一支游標(biāo)高度尺，精度為0.02mm，量程為50cm，如圖3所示；測量時(shí)間使用的是一支秒表，精度為0.1s；采集微應(yīng)變采用的是東華5922型采集儀，量程為1000mv，上限頻率3000HZ，導(dǎo)線電阻為2Ω，如圖4所示。

圖3 游標(biāo)高度尺

圖4 東華5922型采集儀

3.3 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)主要測試釬桿在不同工作頻率下的應(yīng)變狀態(tài)和對(duì)鋼筋砼試塊的鑿入效果。在鋼筋砼試塊上設(shè)置5個(gè)鑿擊點(diǎn)位，5個(gè)點(diǎn)位對(duì)應(yīng)5種不同的工作擋位。每兩個(gè)相鄰鑿擊點(diǎn)距離28cm，每個(gè)鑿擊點(diǎn)距離鋼筋砼試塊邊緣29cm，鑿擊點(diǎn)位的布置情況如圖5所示。為了控制變量相同，每個(gè)點(diǎn)位在擊打前均統(tǒng)一破碎錘高度，每個(gè)擊打位置的擊打時(shí)間固定為150s，分15次擊打，每次擊打時(shí)間為10s。

圖5 鑿擊位置布置圖

安裝應(yīng)變片時(shí)，為防止應(yīng)變片脫落，使用應(yīng)變膠將鋁制薄層固定在釬桿，然后在薄層上安裝應(yīng)變片。使用引線連接應(yīng)變片和采集儀采集數(shù)據(jù)，利用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)分析軟件處理數(shù)據(jù)進(jìn)而得到釬桿的工作應(yīng)變結(jié)果，具體試驗(yàn)流程如圖6所示。

圖6 試驗(yàn)流程圖

4.試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 振動(dòng)曲線分析

利用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)分析軟件處理數(shù)據(jù)，得到某個(gè)10s內(nèi)釬桿的微應(yīng)變隨時(shí)間變化的振動(dòng)曲線，其中橫坐標(biāo)以上的為釬桿的拉伸微應(yīng)變，橫坐標(biāo)以下的為壓縮微應(yīng)變，如圖7所示。

圖7 微應(yīng)變變化曲線（某個(gè)10s時(shí)間段）

將圖像放大到其中一次沖擊時(shí)段發(fā)現(xiàn)，微應(yīng)變產(chǎn)生了多次不同幅度的振動(dòng)，既釬桿在一次沖擊過程中會(huì)受到多次不同程度的拉伸和壓縮作用，如圖8所示。然而，根據(jù)實(shí)際情況判斷，在諸多曲線峰值中，只有一個(gè)峰值能夠反映釬桿對(duì)巖體的鑿入作用，其他的小幅度變化對(duì)鑿入巖體幾乎不起作用。因此在每次沖擊過程中，只有變化最大的曲線峰值是有效過程，其余的是無效過程，如圖9所示。在對(duì)數(shù)據(jù)分析時(shí)只需要對(duì)有效過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，不考慮無效過程。

圖8 微應(yīng)變曲線變化圖（一次沖擊時(shí)段）

圖9 有效振動(dòng)曲線示意圖

4.2 工作頻率與工作效率的關(guān)系分析

由已確定的幾何比尺對(duì)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，得到原型破碎錘在5種不同工作擋位下鑿擊35Mpa鋼筋砼試塊的鑿入深度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線，如圖10所示。

由圖10可知：

圖10 原型破碎錘對(duì)35MPa巖體的鑿入深度變化曲線

①5種不同工作擋位鑿入深度的增長變化趨勢基本一致，均隨時(shí)間增長而持續(xù)增大，總體呈現(xiàn)先快后慢的變化狀態(tài)，且第一個(gè)回次增長最快，隨后增長緩慢，最后趨于平緩。究其原因，釬桿的尖端部分為椎體結(jié)構(gòu)，在釬桿鑿入過程中，釬桿與巖體的接觸面積逐漸增大，而接觸面積的增大也使得破巖阻力的增大。而且沖擊荷載產(chǎn)生的應(yīng)力波在豎直方向上衰減率減小，從而使得應(yīng)力波的影響范圍增大，進(jìn)而對(duì)這些范圍的巖體產(chǎn)生硬化作用，這部分巖體的屈服應(yīng)力也相應(yīng)增大，從而導(dǎo)致鑿入效率較慢。此外，在鑿入過程中，孔內(nèi)產(chǎn)生的殘?jiān)头勰┮矔?huì)吸收部分破碎錘的沖擊能量，從而減小釬桿對(duì)巖體的破壞效果。

②5個(gè)鑿入深度的總進(jìn)尺并沒有隨擋位的增加呈線性增長。比如，從1檔增加至3檔的過程中，鑿入深度的增長幅度較為明顯，而3檔增加至5檔的過程中，鑿入深度增長幅度要小很多。因此，就破巖效率而言，3擋對(duì)應(yīng)的工作頻率為最佳工作頻率。

4.3 釬桿對(duì)巖體有效作用力計(jì)算

只考慮有效作用過程，并將10s內(nèi)震蕩曲線的波谷平均值取絕對(duì)值，簡化之后得到每次振幅大小均為波谷平均值的絕對(duì)值的等幅振動(dòng)曲線，如圖11所示。根據(jù)作用力和微應(yīng)變的關(guān)系，有如下公式：

圖11 簡化的釬桿微應(yīng)變等幅振動(dòng)曲線

式中：με—微應(yīng)變；ε—應(yīng)變；σ—應(yīng)力；E—彈性模量；A—釬桿桿身橫截面面積。

簡化后的曲線接近于連續(xù)的半周期的簡諧振動(dòng)曲線形式，對(duì)于簡諧振動(dòng)來講，有效值的大小和波峰值滿足以下關(guān)系：

由公式（1）～（4）聯(lián)立即可得出模型釬桿在不同擋位對(duì)35Mpa鋼筋砼試塊的有效作用力，進(jìn)而得到在不同擋位下模型釬桿對(duì)鋼筋砼試塊的有效作用力隨時(shí)間的變化曲線，如圖12所示。

圖12 不同擋位鑿擊巖體的有效作用力變化過程曲線

由圖12可知：在同一擋位下，每10s沖擊時(shí)間段內(nèi)的有效作用力大小不總是相同的，但總體有增長的趨勢，且5種擋位下有效作用力隨時(shí)間變化的增長趨勢類似。但是，最終時(shí)間的有效作用力也并未隨擋位的增加呈線性增長，跟圖10中鑿入深度與時(shí)間變化關(guān)系曲線中的規(guī)律類似。

根據(jù)所推求的比尺，可以確定原型釬桿在不同擋位下對(duì)35Mpa巖體的有效作用力，如表1所示。

表1 不同擋位下原型破碎錘對(duì)35MPa巖體有效作用力

由表1計(jì)算結(jié)果可以得出：1檔增加至3檔的過程中，有效作用力增長幅度較為明顯，從3檔增加至5檔的過程中，有效作用力增長幅度要小很多，因此，考慮到高頻作業(yè)對(duì)釬桿的磨損更高，從釬桿對(duì)巖體的有效作用力大小變化趨勢來看，3擋為最佳工作擋位，其對(duì)應(yīng)的工作頻率為最佳工作頻率。

5.結(jié)論

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)以及計(jì)算結(jié)果得出的主要結(jié)論如下：

（1）由鑿入深度隨時(shí)間變化的關(guān)系曲線可知，鑿入深度隨時(shí)間增大而逐漸增大，但在鑿擊過程中，由于釬桿于巖體接觸面積增大，沖擊荷載應(yīng)力波衰減導(dǎo)致巖體局部硬化，以及孔內(nèi)殘?jiān)胺勰┪諞_擊能等方面的影響，鑿入深度的增大幅度隨著時(shí)間增大會(huì)逐步衰減且鑿入深度并不隨工作頻率增加呈線性增長。從工作效率看，3擋對(duì)應(yīng)的工作頻率為最佳工作頻率。

（2）利用DHDAS動(dòng)態(tài)信號(hào)分析軟件處理數(shù)據(jù)可知，釬桿在鑿入巖體過程中的微應(yīng)力變化為周期相同但幅度不同的振動(dòng)曲線。其中每次沖擊時(shí)應(yīng)變均有不同幅度振動(dòng)，但是只有一次振動(dòng)能代表釬桿的鑿入作用，因此把這個(gè)振動(dòng)作用為有效作用，其余振動(dòng)為無效作用。

（3）只考慮有效作用，基于簡化的振動(dòng)曲線，利用應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系求出5種工作擋位下模型釬桿對(duì)鋼筋砼的有效作用力及原型釬桿對(duì)巖體的有效作用力，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：同一擋位下的釬桿對(duì)巖體的有效作用力隨時(shí)間變化而不斷變化，但總體呈增長趨勢；不同擋位下的有效作用力變化趨勢類似且有效作用力并不隨擋位的增加呈線性增長。從釬桿的磨損情況看，3擋對(duì)應(yīng)的工作頻率為最佳工作頻率。