一次冲击试验设计

雷美荣

（山西大同大学机电工程学院，山西大同037003）

钻孔爆破工程中，堵塞质量决定爆破质量，堵塞质量的高低直接决定爆破质量的高低[1-5]。堵塞质量高，爆生气体和爆炸产生的应力波作用于岩体的时间比较充分，破岩效果较好。为了提高堵塞质量，人们设计了多种堵塞结构[6]，如粘土堵塞结构，楔形体堵塞结构，胀裂管状堵塞结构等。为了验证这些堵塞结构的堵塞效果，往往需要现场爆破试验进行验证，而现场爆破试验成本较高，风险较大，后期实验数据的获得较为复杂，面向学生群体不切实际，为此，在理论分析了实验设计原理和计算原理的基础上，设计了一种简单易懂的冲击试验，验证了两种堵塞结构在冲击荷载作用下的堵塞效果，对于学生群体实验较为合理。

1 冲击试验设计原理

图1 冲击实验设计示意图

冲击实验设计，见图1。将质量为m的重锤摆至与竖向方向夹角为θ的位置，然后由静止开始释放，重锤会以摆线长为半径作圆周运动，重锤的重力势能转化为动能，当到达最低点时，重锤速度达到最大，此时，根据动量定理，求出作用在传递棒的冲击力，重锤对传递棒的冲击力为最大，然后根据冲击力得出冲击应力，同时测得在冲击应力下，堵塞物的冲击距离。摆角越大，重锤的冲击力通过传递棒的传递对堵塞结构的冲击力越大，堵塞结构的冲击位移就越大，通过不同摆角下，重锤对传递棒的冲击位移的变化验证堵塞结构的堵塞效果。

2 冲击试验计算原理

假设摆线长为l，重锤质量为m1，传递棒质量为m2，堵塞结构的质量为m3，重锤到达最低点时的速度为v1，假设与传递棒碰撞以后的速度为v2，冲击时间为t,冲击力为F，钢管孔的直径为d，堵塞结构的冲击位移为s。

假设：冲击后的堵塞结构不产生压缩变形；传递棒与钢管孔内壁无摩擦。

首先由能量转化原理得：

由此可求出重锤到达最低点时的速度：

重锤达到最低点后以速度v1冲击传递棒冲击时间为t，根据动量守恒得：

则冲击后传递棒和堵塞结构的速度v2为：

根据动量定理有：

重锤冲击时传递棒和堵塞结构的冲击力F为：

堵塞结构受力图，见图2。

图2 堵塞结构受力模型

根据牛顿第二定律有：

摩擦力有：

堵塞结构的加速度a为：

视堵塞结构以初速度为v2做匀减速直线运动，用平均加速度代替其加速度，故有代入式（9）得：

堵塞结构冲击距离s为：

通过比较冲击距离s的大小来确定堵塞结构的堵塞效果，s越小表示堵塞结构的堵塞能力越大，堵塞效果较好，反之则堵塞效果不好。

3 冲击试验分析

通过改变重锤质量和摆角来测试粘土堵塞结构和胀裂管状堵塞结构的封堵能力。胀裂管状堵塞结构示意图，见图3；粘土堵塞结构的冲击试验结果，见表1；胀裂管状堵塞结构冲击试验结果，见表2。

图3 胀裂管状堵塞结构示意图

表1 粘土堵塞结构冲击试验参数

表2 胀裂管状堵塞结构冲击试验参数

由表1和表2可以看出，随着重锤质量和摆角的增大，冲击能力不断增强，当冲击应力为6.499 MPa时，粘土堵塞结构被完全贯穿。当冲击应力达到8.275 MPa时，胀裂管状堵塞结构几乎没有发生位移。可见，胀裂管状堵塞结构的抗冲击能力高于粘土堵塞结构。

4 结论

本文提出了一种简单易懂的重锤冲击试验，为冲击试验的设计提供了一种可行性方法，并运用该装置发现胀裂管状堵塞结构堵塞能力优于粘土堵塞结构堵塞能力。