形状记忆破岩装置研究.pdf

第2 9 卷第3 期 2 0 1 2 年9 月 爆破 B L A S T 斟G V 0 1 ．2 9N o ．3 S e p ．2 0 1 2 d o i 1 0 ．3 9 6 3 ／j ．i s s n ．1 0 0 1 4 8 7 X ．2 0 1 2 ．0 3 ．0 2 6 形状记忆破岩装置研究术 j j ；『／士X ．丘／X 虬6 邵a , b 范芝宇“。，任广学“6 中国矿业大学a ．深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，徐州2 2 1 0 0 8 ； b ．力学与建筑工程学院，徐州2 2 1 1 1 6 摘要针对岩体破碎作业过程中产生振动、环境污染、安全等技术难题，研究开发新型破岩装置。设计制 作以T i N i 形状记忆合金管为压力元件的形状记忆破岩装置，阐明了形状记忆破岩装置的工作原理，并对其 破裂力进行力学分析和室内混凝土破裂实验验证。结果表明该破岩装置具有很强的破裂力，破岩速度快， 可以实现对混凝土的破裂。 关键词形状记忆合金元件；破岩装置；恢复力； 中图分类号T U 7 5 1 ．9文献标识码A 破裂力；破裂实验 文章编号1 0 0 1 4 8 7 X 2 0 1 2 0 3 0 1 0 4 - 0 5 R e s e a r c ho nS h a p eM e m o r yA l l o yB r e a k e rD e v i c e Y A N GD a ．b i n g “ b , S H A OP e n 9 8 ，6 ，F A NZ h i ．y u 8 ，6 ，R E NG u a n g ．x ／／, e 8 ，6 a ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yf o rG e o m e c h a n i c s D e e pU n d e r g r o u n dE n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n dT e c h n o l o g y ，X u z h o u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ； b ．S c h o o lo fM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n ga n d T e c h n o l o g y ，X u z h o u2 2 1 11 6 ，C h i n a A b s t r a c t A c c o r d i n gt om a n yt e c h n i c a lp r o b l e m si nt h ep r o c e s so fr o c kb r e a k i n g ，s u c ha sb l a s t i n gv i b r a t i o n ，e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o na n ds a f e t y ，an e wr o c kb r e a k e rw a ss t u d i e da n dd e v e l o p e d ．T h er o c kb r e a k e r ’w a sp r o d u c e dw i t h T i N is h a p em e m o r ya l l o y S M A p i p e sa sp r e s s u r ee l e m e n t s ，a n dt h ep r i n c i p l ew a si l l u s t r a t e d ，i n c l u d i n gt h em e e h a n i c sa n a l y s i sa n dt h ei n d o o re x p e r i m e n t so fc o n c r e t er u p t u r e ．R e s u l t ss h o wt h a tt h er o c kb r e a k e rw o r k ss t e a d ya n d q u i c k l yw i t hs t r o n gs t r e n g t h ，w h i c hc a nb eu s e dt ob r e a kc o n c r e t ee f f i c i e n t l y ． K e yw o r d s T i N is h a p em e m o r ya l l o ye l e m e n t ；r o c kb r e a k e r ；r e s t o r i n gf o r c e ；r u p t u r es t r e n g t h ；c o n c r e t eb r e a k e x p e r i m e n t s 近年来，随着城市、工业、交通建设快速发展，大 量工程都需要对岩体进行开挖、破碎工作，同时对岩 体破碎的要求越来越高，控制爆破振动，减小噪声及 环境污染等已经成为亟待解决的问题。目前采用爆 破的方式主要有炸药破碎和静力破碎2 种。炸药爆 破速度快，操作简单、方便，但是炸药安全性差、明火 收稿日期2 0 1 2 ～0 3 0 2 作者简介杨大兵 1 9 8 7 一 ，男，硕士研究生，岩土爆破工程， E m a i l e u m t d a b i n g 1 6 3 ．c o r n 。 基金项目中国博士后科学基金资助项目 2 0 1 1 0 4 9 1 4 8 8 ；江苏省博 士后科研资助计划项目 11 0 1 0 3 4 C 引爆，在爆炸过程中产生振动、噪声、环境污染等。 静力破碎具有环境污染小、安全性高等特点，但是破 岩时间长、效率低，受环境影响较大，且静力破碎剂 具有腐蚀性。总体来看，现有的破岩技术主要存在 安全性差、环境污染、效率低等问题，这就需要一种 全新的安全、快速、高效、环保的破岩技术。 T i N i 形状记忆合金 S M A 作为一种新型的智 能材料，具有许多不同于普通材料的性质，最典型的 就是形状记忆效应和相变伪弹性 超弹性 。利用 其形状记忆效应，形变恢复过程中产生的回复力，在 工程中可以得到广泛的应用。虽然目前国内外均有 万方数据 第2 9 卷第3 期 杨大兵，邵鹏，范芝宇，等形状记忆破岩装置研究 1 0 5 针对S M A 应用的研究，例如将S M A 做弹簧等驱动 器元件刮；S M A 丝用于智能混凝土结构中[ 4 ．5 】，控 制工程结构的变形及开裂；S M A 植入血管中做成血 管支架HJ ，但是S M A 用于破岩的研究却很少M 引。 阐明以T i N i 形状记忆合金管为压力元件的形 状记忆破岩装置结构及工作原理，设计制作形状记 忆破岩装置，对恢复力和破裂力分析，并成功进行了 室内混凝土破裂实验。 1 形状记忆合金理论分析 1 ．1 形状记忆效应 奥氏体相状态下的S M A 可以通过施加应力或 者降温使其转化为马氏体相心’3 ，1 0 川。温度诱发马 氏体呈孪晶排列，由于孪晶的自协作效应，相变引起 的形状变化相互抵消，宏观上相变前后的形状基本 保持不变。应力诱发马氏体呈堆垛层错结构，宏观 上产生明显的变形，这种马氏体又称为退孪晶马氏 体。应力条件下，孪晶马氏体可以向退孪晶马氏体 转变，这一过程称为马氏体再取向。由于处于孪晶 马氏体相和处于奥氏体相的S M A 形状基本相同。 因此当温度r 小于奥氏体相变开始温度A ，时，马氏 体再取向引起的残余变形可通过加热发生奥氏体相 变而消除，变形得到完全恢复，如图l 所示。 一 山 皇 、 b R 理 黼 0o ．O lo ．0 2o ．0 3o ．0 40 ．0 5o ．0 6 应变8 图1 形状记忆效应 F i g ．1S h a p em e m o r ye f f e c t 由于奥氏体相状态下T i N i 形状记忆合金相弹 性模量约为马氏体相状态下的3 倍，因此采用降温 的方式产生孪晶马氏体，在T A ， 且T A ，时，S M A 既表现出形状记忆效应又表现出 超弹性。若S M A 发生受限恢复，随着温度的升高， 奥氏体相变程度愈来愈大，输出恢复力不断增加，同 时也将产生大量的应力诱发马氏体。当应力瞬间解 除时，由于应力诱发马氏体的不稳定性，形变瞬间将 得到回复。 2 破岩装置设计及破裂力分析 2 ．1 破岩装置组成 本破岩装置主要由3 部分组成提供恢复力的 S M A 元件、调整钻孔与破岩装置装置间间隙的钢 楔、为S M A 元件提供热源的加热棒，其结构如图2 、 图3 所示。 黼一幸 热棒F 笋葛焉霖孑甲 吊 F 量三叠暑 兰 兰三 三 型生2 2 三 ]甘 图2 记忆破岩装置结构 F i g ．2 S c h e m a t i cd i a g r a mo fs h a p em e m o r ya l l o yr o c kb r e a k e r 图3 记忆破岩装置 F i g ．3M e m o r ya l l o yr o c kb r e a k e r 2 ．1 ．1S M A 元件 为了获得较高位移恢复量‰，S M A 元件采用 T i N i 形状记忆合金管作为压力元件。T i N i 形状记忆 合金管外径3 0m m ，壁厚2m m ，长5 0m m 。T i N i 形 状记忆合金管可恢复位移量大，径向最大压缩量可 以达到3 5m m 。 2 ．1 ．2 钢楔 为使形状记忆破岩装置恢复力充分作用在钻孔 壁上，设置内、外两对钢楔，钢楔通过楔形坡度的调 节，使内钢楔与T i N i 形状记忆合金管、内钢楔与外 钢楔在钻孔内密实接触。内钢楔长1 8 5m m ，宽度 1 5 ．4 4m m ，左端面高度3 ．5 3m m ，右端面高度 万方数据 爆破2 0 1 2 年9 月 6 ．6 2m m ，距离右端2 5m f f l 内侧面铣有深度 1 ．7 1m m ，半径1 5m m 圆弧形凹槽，凹槽长度为 1 5 0m m ，用于连续放置压缩变形后的T i N i 形状记忆 合金管。外钢楔长1 6 8 [ T i m ，宽1 7 ．4 4m i l l ，左端面高 度为4 ．5m m ，右端面高度为2m m ，为使外钢楔与钻 孔壁密实接触，外钢楔表面铣成半径2 0m m 圆 弧形。 2 ．1 ．3 加热元件 为了使形状记忆破岩装置输出稳定的恢复力， 因此选用可在空气中加热的8 0 0W 不锈钢电加热 棒作为加热驱动元件。这种加热棒加热速度快、稳 定性好，加热均匀，可以减小T i N i 形状记忆合金管 相变滞后的影响，使记忆合金管沿轴向均匀产生恢 复力的作用。 2 ．2 破裂力分析 为获知该破岩装置的破裂力大小，采用静力分 析法分析单孔加载情况，如图4 所示。假定应力均 匀分布在外钢楔外侧面上帮 5 2 。，且单孔加载时 两侧裂纹长度相等，破裂力计算针对不同长度裂纹 进行‘8 | 。 图4 静力分析模型 F i g ．4 S t a t i ca n a l y s i sm o d e l 材料抗拉强度S 。，M P a ；钻孑L 半径R ，m m ；记忆合 金管回复位移M 。，m m ；裂纹长度C ，m m 。对钻孔进 行受力分析则有 上6 。 P 【一c o s 卢邮 S 。C O S0 1 t a n 日 再等麓而 2 式中尸为记忆装置恢复力，M P a ；o r 为裂纹末端与钻 孔交点圆弧所夹圆心角的一半，。；0 为裂纹尖端角 一半，o 。 以钻孔为研究对象，当裂纹开始端开口宽度 2 是≥≠羔时，T i N i 记忆合金管形变量得到完全恢 复，裂纹宽度达到最大值。对于特定岩石，计算裂纹 长度c 所必须开E I 高度2 ，进一步求得裂纹尖端角 2 口。将2 8 及岩石抗拉强度s 。带入式 1 、式 2 ，即 可求得钻孑L 破裂所需要力的大小。 。 以典型岩石为材料，取M 。 2m m 计算裂纹C 5 R 所需破裂力，如表1 所示。 表1 特定裂纹长度所需压力 T a b l e1 P r e s s u r et or u p t u r et h eg i v e nf l a wl e n g t h 分析表l 数据，对于给定形状记忆合金管位移恢 复量2m m ，钻孔半径2 0m m ，计算裂纹长度G 5 R 所 需要压力，其数值远远小于T i N i 形状记忆合管恢复 力‘u B 1 ，因此该破岩装置具有足够的破裂能力。 3 实验验证 3 ．1 实验方法 为验证该破岩装置的破岩能力及实用性，进行室 内混凝土破裂实验研究，混凝土材料参数如表2 所 示。混凝土块上表面正中心处均有直径咖4 0m m ，深 1 5 0m i l l 的孔。 表2 实验材料表 T a b l e2E x p e r i m e n tm a t e r i a l s 为防止该破岩装置因操作不当而产生损坏并使 T i N i 形状记忆合金管恢复力充分作用在钻孔壁上， 实验按如下步骤操作 1 常温状态下，在多功能压力试验机以恒定 的加压速率 1m m ／m i n 径向压缩T i N i 记忆合金 管，确定压缩量为2m m 。 2 将压缩变形处理后的合金管安放于内钢楔 凹槽中，并使两内钢楔成1 8 0 。角。 3 将外钢楔放置在钻孔中，两钢楔角度成 1 8 0o 角。 4 将内钢楔及记忆合金管的组合结构压入外 钢楔中，并使内钢楔外表面与外钢楔完全接触。 5 确保内钢楔与外钢楔、外钢楔与钻孔壁密 切接触，加热并观察实验现象。 6 当裂纹不在扩展时停止加热，冷却合金管。 3 ．2 实验现象及分析 A 组试件初始加热时无明显变化。随着加热时 间的增长，温度逐渐升高，T i N i 形状记忆合金管开始 发生形变恢复，形状记忆破岩装置不断的压紧钻孔， 并发出轻微的声响。当加热到1 1 0S 时在试件上表 面出现裂纹，裂纹在2 3S 贯通整个试件，裂纹宽 万方数据 第2 9 卷第3 期杨大兵，邵鹏，范芝宇，等形状记忆破岩装置研究 度约为1 ．8m m ，如图5 a 所示。从图中可以看出 裂纹方向与加荷载方向垂直，混凝土产生拉伸破坏。 B 组试件在内嵌有抗拉钢筋，初始加热时无明 显变化。随着加热时间的增长，温度逐渐升高，T i N i 形状记忆合金管开始发生形变恢复，形状记忆破岩 装置不断挤压钻，当加热到1 0 0s 左右时，试件表面 出现裂纹，裂纹在2 ～3s 完成扩展，主裂纹宽度约 为1 ．8m m ，次裂纹宽度约为1 ．4m m ，如图5 b 所 示。从图中可以看出，主裂纹发展方向与加荷载方 向 图中箭头所指 约呈3 0o 角，次裂纹发展方向与 加荷载方向 图5 b 中箭头所指 约呈8 0o 角，混凝 土产生拉伸破坏。 c 组试件初始加热时试件无明显变化。随着加 热时间的增长，温度逐渐升高，T i N i 形状记忆合金管 开始发生形变，形状记忆破岩装置不断压紧圆孔，当 加热到1 3 0S 左右时混凝土“炸裂”成两部分，并伴 有轻微的爆裂声，裂纹瞬间贯穿整个试件，如 图5 c 所示。从图中可以看出裂纹与加荷载方向 基本呈9 0 。角。应变能瞬间释放，混凝土产生拉伸 破坏。 b 图5 实验结果 F i g ．5E x p e r i m e n tr e s u l t s 分析A 、B 、C 三组试件实验结果，可知3 组试件 裂纹均为I 型张开型裂纹，裂纹基本向垂直加荷载 方向发展，且裂纹贯穿整个试件。根据加荷载方向 与裂纹发展方向的相互关系，可以确定试件破坏形 式主要为应力强度超过其极限抗拉强度产生拉伸破 坏，实验结果表明该破岩装置具有较大的破裂能力。 4 结论 通过分析T i N i 形状记忆合金的形状记忆效应 及超弹性特性，阐明以T i N i 形状记忆合金管为压力 元件的形状记忆破岩装置结构组成及工作原理，通 过力学分析及室内实验验证得到如下结论 1 设计并制作了以T i N i 形状记忆合金管为压 力元件的形状记忆破岩装置，该套装置结构设计合 理紧凑。 2 记忆破岩装置破裂力数值分析表明，本套 形状记忆破岩装置具有较强的破裂能力。 3 室内混凝土破裂实验结果表明，本套形状 记忆破岩装置可恢复行程大，破裂混凝土效率高、速 度快、破裂能力强。 从破裂能力、破岩效率、环保等方面考虑，T i N i 形状记忆破岩装置具有很大的优越性，在未来的智 能破岩机具结构中将有更加广泛地应用前景。 参考文献 R e f e r e n c e s 。 王金辉，徐峰．S M A 驱动器及驱动机理实验[ J ] ．清 华大学学报，2 0 0 3 ，4 3 2 1 8 8 - 1 9 1 ． W A N GJ i n - h u i 。X UF e n g ．D r i v e ra n dd r i v i n gm e c h a n i s m e x p e r i m e n to nS M A [ J ] ．J o u r n a lo fT s i n g h n aU n i v e r s i t y ， 2 0 0 3 ，4 3 2 1 8 8 - 1 9 1 ． i nC h i n e s e 吴静．形状记忆合金的动态力学性能研究[ D ] ．北 京中国工程物理研究院，2 ∞9 ． W UJ i n g ．S t u d yO nd y i 倒cm e c h a n i c a l 弘删∞o f8 l I 目l p e m e m o r ya l l o y [ D ] ．B e 每i I l g C h i n aA c a d 唧o fE I 】I g i l 峨 P h y s i c s 。枷9 ． i nC h i n e s e 徐祖耀，江博鸿．形状记忆合金材料[ M ] ．上海上海 交通大学出版社，2 0 0 0 ． X UZ u y a o ．删GB o - h o n g ．M a t e r i a lo fs h a p em e m o r ya l l o y [ M ] ．s h a I m g l l a i s h 如g h a iJ i a oT o I l gU n i v e r s i t yP r e s s ， 2 0 0 0 ． i nC h i n e s e 杨杰．形状记忆合金及应用[ M ] ．合肥中国科技大 学出版社，1 9 9 3 ． Y A N GJ i e ．S h a p em e m o r ya l l o ya n da p p l i c a t i o n [ M ] ． H o f e i U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yo f C h i n a P r e s s ，1 9 9 3 ． i nC h i n e s e 崔迪．形状记忆合金及其智能混凝土结构研究[ D ] ． 大连大连理工大学，2 0 0 7 ． C U ID i ．R e s e a r c ho ns h a p em e m o r ya l l o ya n di n t e l l i s e n t c o n c l e t e t l M C t U l 陀[ D ] ．D a l i a n D a l i a nU n i v e r s i t yo fT e c h - 1 j 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 l 2 2 3 3 4 4 5 5 n 心 心 口 b H H ∞ b 万方数据 1 0 8爆破 2 0 1 2 年9 月 上接第3 4 页 4 现场实际的破碎质量良好，矿岩块度均匀， 大块率保持在1 ／1 0 0 0t 的较低水平。 。 参考文献 R e f e r e n c e s 程康，苏微倩，张桂涛，等．空气间隔装药技术周边孔 间距对爆破效果的研究[ J ] ．爆破，2 0 1 1 ，2 8 4 1 5 1 6 ． C H E N GK a n ，S UW e i q i a n ，Z H A N GG u i t a o ，e ta 1 ．A n a l y s i so ni n f l u e n c eo fc o n t o u rb o r e h o l e ss p a c ew i t ha i r - d e c k e dc h a r g eo ns m o o t hb l a s t i n ge f f e c t [ J ] ．B l a s t i n g ， 2 0 1 1 ，2 8 4 1 5 - 1 6 ， i nC h i n e s e 王德胜．露天矿台阶爆破效果的评价方法[ J ] ．化工矿 山技术，1 9 8 8 6 4 6 6 0 ． W A ND e s h e n g ．T h ee v a l u a t i o nm e t h o do fb l a s t i n ge f f e c t i n o p e np i tb e n c h [ J ] ．C h e m i c a lM i n i n gT e c h n o l o g y ， 1 9 8 8 6 4 6 6 0 ． i nC h i n e s e 杨润京．高速摄影在爆破评价及爆破设计中的应用 [ J ] ．世界矿山设备，1 9 8 3 1 1 5 4 - 5 7 ． Y A N GR u n - j i n g ．T h eu s eo fh i g h s p e e dp h o t o g r a p h yi n t h eb l a s ta s s e s s m e n ta n db l a s td e s i g n [ J ] ．W o r l dM i n i n g E q u i p m e n t ，1 9 8 3 1 1 5 4 - 5 7 ． i nC h i n e s e 林德余，马万昌，李忠，等．岩石爆破中水垫层作用的 研究[ J ] ．岩石力学与工程学报，1 9 9 2 ，1 1 2 1 3 2 - 1 3 6 ． L I NY u d e ，M AW a n - c h a n g ，VZ h o n g ，e ta 1 ．R e s e a r c ho n t h ee f f e c t s o fb o t t o mw a t e rc u s h i o no nl o n gh o l eb l a s t i n g [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i ca n dE n g i n e e r i n g ， 1 9 9 2 ，1 1 2 1 3 2 1 3 6 ． i nC h i n e s e 程康，章昌顺．深孔梯段爆破飞石距离计算方法初 步探讨[ J ] ．岩石力学与工程学报，2 0 0 0 ，1 9 4 5 3 1 - 5 3 3 ． C H E N GK a n g ，Z H A N GC h a n g s h u n ．I n q u i r yi n t of l yr o c k d i s t a n c ef o rd e e p h o l eb l a s t i n g [ J ] ．C h i n e s eJ o u m a lo f R o c kM e c h a n i ca n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 ，1 9 4 5 3 1 5 3 3 ． i nC h i n e s e 王建伟．最大射程与最佳抛射角关系新探[ J ] ．喀什师 范学院学报，2 0 0 2 ，2 3 3 8 7 - 9 0 ． W A N GJ i a n - w e i ．A p p l yd i v e r g e n tt h i n k i n go ns o l v i n gp m b - l e mo fp r o j e c t i l em o t i o n [ J ] ．J o u r n a lo fK a s h g a rT e a c h e m C o H e g e ，2 0 0 2 ，2 3 3 8 7 - 9 0 ． i nC h i n e s e 蒲传金，肖正学，郭学彬．爆破效果综合评价的模糊层 次分析法模型[ J ] ．西南科技大学，2 0 0 4 1 1 1 2 - 1 5 ． P UC h u a n - j i n ，X I A OZ h e n g - x u e ，G U OX u e - b i n ．M o d e lo f f u z z yh i e r a r c h ya n a l y s i sp r o c e s sf o rc o m p r e h e n s i v ee v a l u a - t i o n o fb l a s t i n ge f f e c t [ J ] ．E x p r e s sI n f o r m a t i o no fM i n i n g I n d u s t r y ，2 0 0 4 1 1 1 2 1 5 ． i nC h i n e s e sA 阿里．空气阻力对飞石的影响[ J ] ．李嘉，译。采矿 技术，1 9 8 6 ，6 5 1 0 3 6 - 3 7 ． SAA L l ．T h ei n f l u e n c eo ff l y i n gr o c k sb yt h ea i rr e s i s t a n c e [ J ] ．J o u r n a lo ft h el n s to fE n g i n e e r s I n d i a ．L IJ i a ， t r a n s l a t e d ．M i n i n gE n g i n e e r i n g ，1 9 8 4 ，6 5 1 1 3 6 - 3 7 ． i n C h i n e s e 徐启明，李如忠．卧虎山铁矿爆破效果的评价指标与 改善措施[ J ] ．矿业研究与开发，2 0 0 4 ，3 2 4 5 7 5 9 ． X UQ i - r u i n g ，L IR u z h o n g ．T h ee v a l u a t i o ni n d i c e sa n di m - p r o v e m e n tm e a s u r e so fb l a s t i n ge f f e c ti nW o h u s h a nO p e n p i tI r o nm i n e [ J ] ．M i n i n gR ＆D ，2 0 0 4 ，3 2 4 5 7 5 9 ． i nC h i n e s e 、●1j 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 1 J 瞪 № № 一 “ 哆 哆 p p ] ] ] ] ] ] ] ] ] l 1 2 2 3 3 4 4 5 J 二 | 心 心 口 口 ∽ H ∞ 万方数据