钎杆接头弹性模型及试验研究

王建华 ，罗韧 ，侯仰松 ，高波 ，哈春林 ，吕闯

（1.长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南 长沙 410012 2.五矿矿业控股有限公司，北京 100010 3.鲁中矿业有限公司，山东 莱芜 271113）

钎具广泛应用于资源开发行业，在深孔钻进中，需要将几根钎杆通过连接套连接后才能满足实际工程的需要。连接套和钎杆断面尺寸是不完全一样的，根据波动理论，波传播过程中截面积突变时会发生反射和透射， 降低能量传递效率。因此如何尽量减少接头对钎杆能量传递效率的影响是一个需要解决的问题，本文通过基于接头弹性模型，从理论上分析接头对于能量传递效率的影响。再利用实际试验测试结果验证理论计算结果，得到主要影响能量传递效率的因素，为钎具设计提供指导。

1 钎杆接头的弹性模型

在弹性模型中假设钎杆接头是和钎杆一样的弹性体，只是几何尺寸上有所变化（较钎杆粗大），它将引起波的反射，使入射波在透射后幅值衰减，影响向岩石的有效能量传递。

当入射波为一矩形波时

可以获得最简单的结果。

以tJ为各阶透射应力区间，在情况下，当 n≤m 时，此时由于入射波在接头内往复形成各级透射波；当n＞m 时，入射波终止，此时可假想为在原入射波仍持续传播的情况下，叠加一个等幅拉波的持续传播，构成各阶透射波。 可综合写为

式中 AJ—接头断面积

A—钎杆断面积

其透射波形如图1 所示。

图1 弹性模型的透射波

由应力波形传播情况可以看出，弹性接头如置于钎杆中间的应力波散射器， 使波形发生弥散，接头能量传递效率

入射波能量

其能量传递效率

图2 弹性模型的效率曲线

ηJt为 RJ和 m 的函数，其值随 RJ递减，随 m递增。 分别取不同RJ和m 值，计算出效率，绘制出图2 的效率曲线图。

弹性模型的接头能量传递效率的分析表明：接头能量传递效率为RJ和m 的函数，其值随RJ（接头断面/钎杆断面）递减，随m（2 倍活塞长度/接头长度）递增，即当活塞和钎杆几何尺寸给定时，接头断面愈接近钎杆，其长度愈短，能量传递效率愈高。

2 接头能量传递效率测试试验

试验在能量传递试验台上进行（图3）。

图3 测试系统

能量传递试验台上采用高速压气枪模拟实际凿岩机活塞的撞击特性， 压气枪管长2500 mm，冲击活塞直径D=42 mm，长L=350 mm，质量2.2 kg，每次试验前将活塞置于枪管底部，工作时开启快速切换阀，进入枪管的压气推动活塞加速至出口端，撞击钎杆。 在压气枪的出口端设置了激光测速装置，活塞的撞击速度可由它发出的脉冲信号进行精确的测定。

由三支长度为1.2 m 的快速钎杆构成相应的测试钎杆组合，在接头前、后钎杆中部粘贴电阻应变计，检测其应力波传播。 馈入超动点应变仪放大后，输入波形存储器。

对波型存储器采集得到钎杆接头前后各点应力波值，平方求积，即可得出应力波通过接头的能量传递效率

式中 σtk—接头后透射应力波各点采样值

σik—接头前透射应力波各点采样值

对接头前后两组应变计构成的测试系统，采用同一落锤(自2m 高度落下)进行系统标定，以修正两者的系统误差。 图4 为测试用钎杆结构图。

3 测试结果

图5 为测试应力波形（一次试验结果）

应力波按10 μs 相隔的采样值进行数据处理，得出其接头的能量传递效率，表1 为五次试验结果及效率平均值。

4 接头能量传递效率的理论计算

根据钎杆接头及冲击活塞结构，近似按矩形波弹性模型，其

则其能量传递效率的理论值

5 结论

（1）理论计算和试验测试表明：钎杆接头对钎具能量传递形成显著的影响，导致能量传递效率下降，特别是多接头连接的深孔钻进中，是不可忽略的重要因素。

图4 测试钎杆结构图

图 应力波形测试结果

（2）理论分析表明：对于给定的冲击凿入系统，接头断面和长度的增大（增加，减小）均会造成能量传递效率的下降，在钎具设计中，应尽量减少接头的断面和长度，以提高冲击钻进功效。

（3）接头能量传递效率的理论值为97.84%，试验测试值为89.22%。 试验值小于理论值，这可能是由于入射波不是矩形波和接头处存在较大阻尼的影响， 理论模型的简化导致理论值偏大，需在今后进一步完善理论模型。

表1 单个接头能量传递效率

[1]朱从国.采矿钻车快接钎杆能量传递特性测试研究[J].凿岩机械气动工具，2012（3）：48～52.

[2]赵统武.冲击钻进动力学[M]北京：冶金工业出版社，1996：160-161.