钎杆工作应力的随机分析.pdf

第3 3 卷第6 期 2 0 1 3 年1 2 月 矿冶工程 M I N I N GA N DM E T A L L U R G I C A LE N G I N E E R I N G V 0 1 ．3 3 №6 D e c e m b e r2 0 1 3 钎杆工作应力的随机分析① 熊家泽1 ，于嘉君1 ，王筑生1 ，赵统武2 ，王建华2 1 ．首钢贵阳特殊钢有限公司，贵州贵阳5 5 0 0 0 5 ；2 ．长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙4 1 0 0 1 2 摘要采用近代瞬态波形记录分析手段，对3 种钎杆在不同推进力及不同位置的工作应力波进行了采样记录和随机分析，得出了钎 杆工作载荷谱。结果表明，钎杆工作载荷谱的有效峰值主要由其每个波串的第1 和第Ⅱ峰值构成，其频率分布由对应的I 、Ⅱ峰值的两个 正态概率密度曲线构成；钎杆前点 近打击端 应力显著高于中点，前点纵波应力均值为1 8 7 ．6 4M P a ，最大应力为2 2 9 ．2 3M P a 。 关键词钎杆；工作应力；工作载荷谱 中图分类号T D 4 2 1文献标识码A d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．0 2 5 3 - 6 0 9 9 ．2 0 1 3 ．0 6 ．0 0 3 文章编号0 2 5 3 6 0 9 9 2 0 1 3 0 6 0 0 1 0 0 3 R a n d o mA n a l y s i so fO p e r a t i n gS t r e s so fD r i l lR o d X I O N GJ i a z e l ，Y UJ i a - j u n l ，W A N GZ h u ．s h e n 9 1 ，Z H A OT o n g ．W U 2 ，W A N GJ i a n ．h u a 2 1 ．S h o u g a n gG u i y a n gS p e c i a lS t e e lC oL t d ，G u i y a n g5 5 0 0 0 5 ，G u i z h o u ，C h i n a ；2 ．C h a n g s h aR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n g a n dM e t a l l u r g yC oL t d ，C h a n g s h a4 1 0 0 1 2 ，H u n a n ，C h i n a A b s t r a c t W i t hm o d e ma n a l y t i c a lt o o l so ft r a n s i e n tw a v e f o 咖r e e o r d e r ．t h eo p e r a t i n gs t r e s sw a v e so ft h r e et y p e so fd r i l l r o da td i f f e r e n tl o c a t i o n su n d e rd i f f e r e n tt h r u s tf o r c eh a v eb e e nr e c o r d e da n dr a n d o m l ya n a l y z e d ，l e a d i n gt oaw o r k i n g l o a ds p e c t r u mo fd r i l lr o d ．R e s e a r c hs h o w e dt h a ti nt h ew o r k i n gl o a ds p e c t r u m ，t h ee f f e c t i v ep e a k sa r e p r i n c i p a l l y c o m p o s e do ft h ef i r s ta n ds e c o n dp e a ko fe a c hw a v et r a i na n dt h es p e c i a ld i s t r i b u t i o nc o n s i s t so ft w on o r m a lp r o b a b i l i t v d e n s i 哆f u n c t i o n sc o r r e s p o n d i n gt op e a kv a l u eIa n dI I ．P o i n t sn e a rt h ef r o n t ．e n do fd r i l lr o dh a v er e m a r k a b l yh i g h e r s t r e s st h a nt h o s ea tt h em i d d l es e c t i o n ．T h el o n g i t u d i n a lw a v es t r e s sn e a rt h ef r o n t e n do fr o di s1 8 7 ．6 4M P ao nt h e a v e r a g ea n dm a x i m a l l y2 2 9 ．2 3M P a ． K e yw o r d s d r i l lr o d ；o p e r a t i n gs t r e s s ；d r i l ll o a ds p e c t r u m 钎杆工作应力分析是钎杆材料选择、结构设计和 寿命估测的基础。自2 0 世纪8 0 年代开始，在先前的 工作中完成了“小钎杆工作载荷谱”、“钎钢寿命试验 台”等项目的研究。3J ，初步阐明了钎杆的受力机制和 应力分布，实现了钎杆寿命试验的快速等效模拟。但限 于当时的实践积累和仪器设备条件，测试分析结论和实 际情况存在一定的差异。本文采用近代瞬态波形记录 仪器和随机分析方法，对钎杆动态应力过程进行了进一 步的精确测定和分析，得出了更为全面和真实的结果。 1 测试系统 测试系统见图1 ，试验钎杆长为2 ．5m ，H 2 2 三种 不同材质 2 ’，4 ’，6 。 的六角中空钎杆。采用Y T 2 8 气 动凿岩机，中3 8 钎头，钻凿丁字湾花岗岩 厂 1 4 一1 6 。 凿岩机、钎杆和岩石固定于试验台架中，由气缸施加推 力，中心供水排粉，在钎杆近打击端 距打击端2 7 5 m m 和近中点位置分别粘贴两组应变计，以观测钎杆 中的应力波。 图I钎杆工作应力测试系统 l 温度传感器；2 压力传感器；3 储气罐；4 流量计； 5 阀组；6 推进缸；7 导轨；8 气动凿岩机；9 压力传 感器；l o - _ 钎杆；1 l 岩石；1 2 岩石移动架；1 3 应变计； 1 4 应变放大器；1 5 瞬态波形记录分析仪；1 卜打印机； 1 7 微机；1 8 A ／D 板；1 9 压力显示表；2 0 一温度显示表 ①收稿日期2 0 1 3 0 6 2 0 基金项目2 0 1 1 年贵州省科技厅科技重大专项资助项目 黔科合重大专项字[ 2 0 1 1 ] 6 0 0 6 ；国家重点基础研究发展i - 陶| 9 7 3 i t - 戈1 ] [ 2 0 1 2 C B 7 2 4 2 0 5 ] 作者简介熊家泽 1 9 7 3 一 ，男 土家族 ，贵州德江人，高级工程师，工程硕士，主要研究方向为岩石钎具的研究和开发。 万方数据 第6 期 熊家泽等钎杆工作应力的随机分析 电阻应变计输出的电压信号经应变放大器放大， 由瞬态波形记录分析仪采集，存储波形，最后调入微 机，进行数据处理，给出结果。 推进压力分别为0 ．2 5M P a 和0 ．3 5M P a ，推进气缸 内径为6 7m m ，其相应的推力为0 ．8 8 和1 ．2 3k N 。 2 试验结果 记录给出了各钎杆不同位置 前点，中点 和不同 推进力下的纵波应力波形 2 。钎杆的试验结果见图 2 。每次采样的波串数为1 1 个，和先前工作载荷谱 的研究结果一致，在正常工作状态下，每个波串应力波 在高载幅值区经历1 ～2 次自由端反射，当钎头凿人岩 石后，立即出现波形突变，形成在低幅值区的指数衰 减；从疲劳损伤的角度分析，高值应力分布起决定性作 用。根据钎杆实际测定的应力历程，取应力门槛值为 1 3 0M P a 此时对应量化值约为2 0 0 ，试验波形一般仅 有前两个峰值 I ，Ⅱ 高于此值，对其峰值进行了记 录，见表1 。其中冲击频率， 1 0 6 ／ s l A t ／1 0 血为 采样时间间隔，A t 2 0I x s ；s 为1 1 个峰值的地址间距， 推压0 ．2 5 ，s 1 45 7 2 ；推压0 ．3 5 ，s 1 44 8 5 。 LLLL L1 ■-LL ．LL 。l rr ■rr，厂■r |rr ．r LLL LL L 、LkLk L rr 叮 厂rr ，”r r ， 4 0 0 08 0 0 01 2 ∞0l 矾 后点 _ 。土1 k L 1ULL ● 岭 L 卜 r r7 1r r 后点 图2 钎杆应力波形 a 推压O ．2 5M P a ； b 推压O ．3 5M P a 表1 应力峰值 推压冲击频率波串 ／M P a f ／H z 序列 IⅡ 前点中点 前点中点 地址峰值地址峰值地址峰值地址峰值 注峰值单位为m V 。 3 试验分析 由图2 和表1 可以得出 1 波串周期对应于凿岩机冲击频率，各次试验凿 岩机冲击频率基本一致 3 4 ．3 1 3 4 ．8 0H z ，这是由于 凿岩机冲击频率主要由凿岩机的工作气压确定，钎杆 材质和推压对其影响不大； 2 各波串的I 一Ⅱ峰值的采样间隔对应于钎杆基 频，各波串的第1 峰值最大，且相当接近 均方差小 。 这是由于第1 峰是入射应力波，仅受凿岩机冲击状况 变化的影响；而第Ⅱ峰值较第1 峰值显著降低 约降 低2 0 ％ ，且离散加大，其均方差约高5 倍，这是由于 第Ⅱ峰经历了在钎杆中一次往返传播，除存在内部 ． 钎杆内耗 的能量逸散外，与岩面有不同程度的接 触，产生外部 随机 的能量逸散。 3 多数试验前点应力均值显著高于中点，其前点 应力均值的提高率见表2 。 表2 前点应力均值提高率 万方数据 矿冶工程第3 3 卷 从表2 可以看出钎杆前点应力较中点提高，是由 于在钎肩附近应力波叠加的影响增大，这也是造成钎 肩处容易损坏的原因，这种差异对各波串第二峰值更 为明显。 4 钎杆材质及施加推力 在试验推力范围内 和 钎杆应力无明显的相关关系，这是因为钎杆中的应力 波主要取决于外加冲击载荷和测点的位置，材质和推 力对其影响不大。 5 对大于各试验波形门槛值以上峰值进行分级 计数，计算其相对频率，可以得出其峰值应力的频率分 布。推压为0 ．2 5M P a ，冲击频率为3 4 ．1 3H z 时的2 。钎 杆工作载荷应力波幅值频率分布情况见表3 、表4 和 图3 。幅值频率分布特性表明其幅值分布具有两个 峰值，可认为由两个对应波串中的I ，Ⅱ峰值的正态分 布概率密度曲线构成。 表3 钎杆工作载荷应力波的幅值频率分布 组限中值 应力矿／M P a前点中点 Q ／m V Q 。／m V 前点中点计数频率P ／％计数频率P ／％ 表4 钎杆工作载荷应力波幅值分布统计值 ．．蹲 一前 ㈣m 2 ．3 6 ． 邑Z⋯d ] ．9 ．0 9＼鼍P I 蝻 ， 9 M 2 s s ．鲫．．．2 s ．曲1 ．4 , 2 9 1 2 }y妊 f 国 N 3 2 2 3 6 ．1 1 ．9 1 ／ ㈣z 匆砰，．， 迁㈣、、瓣 丫 ．≥黼w Z；f j ‘ t - 4 6 4 ．5 09 67 51 2 9 ．∞ 1 6 1 ．2 5 1 9 3 ．5 02 拣7 52 5 8 ．∞2 蚍2 5 应力o 前 M P a 6 74 21 0 11 31 N 8 41 6 8 ．5 52 I 】22 62 3 5 ．9 72 触6 83 0 3 - 3 9 心力o 中 M 1 ’a 图32 。钎杆工作载荷应力波幅值频率分布 4 结语 1 钎杆工作载荷谱的有效峰值主要由其每个波 串的第1 和第Ⅱ峰值构成，第1 峰值为凿岩机入射波， 其幅值较大，且比较稳定；第Ⅱ峰值显著降低，且由于 存在不确定的能量逸散的影响，呈现较大的离散。幅 值一频率分布特性表明其频率分布由对应I ，Ⅱ峰值 的两个正态概率密度曲线构成。 2 钎杆前点 近打击端 应力显著高于中点，这 是由于近钎肩处应力波叠加的原因。 3 测试结果表明，钎杆工作载荷前点纵波应力均 值为1 8 7 ．6 4M P a ，最大应力为2 2 9 ．2 3M P a 。 参考文献 [ 1 ] 赵统武．钎钢疲劳寿命的室内快速等效模拟[ J ] ．矿冶工程，1 9 8 5 1 5 - 9 ． [ 2 ]赵统武．冲击钻进动力学[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 6 ． [ 3 ]赵统武，刘明深．重型钎杆入射应力波的试验分析[ J ] ．凿岩机械 气动工具．2 0 0 9 2 1 0 1 4 ． 上接第9 页 [ 9 ] 赵国彦．充填隔离墙受力计算和安全措施[ J ] ．矿业研究与开发， 1 9 9 5 1 7 一1 2 ． [ 1 0 ]薛奕忠．高大型采场全尾砂充填挡墙可靠性的力学分析[ J ] ．江 西理工大学学报，2 0 0 8 5 1 8 2 2 ． [ 1 1 ]袁世伦．盘区大孔采矿采场全尾砂充填挡墙力学特性研究[ J ] ． 中国矿山工程，2 0 1 1 4 9 1 2 ． [ 1 2 ]北京有色冶金设计研究总院．采矿设计手册 3 井巷工程卷 [ M ] ．北京中国建筑工业出版社，1 9 8 9 ． [ 1 3 ] 杨陆海，董山，宋卫东．露天转地下高陡边坡大型采空区井下 充填设计技术难题研究[ J ] ．金属矿山，2 0 1 0 8 2 1 9 2 2 2 ． [ 1 4 ]胡萌．高浓度充填工艺技术在安庆铜矿的试验与应用[ J ] ．矿 业快报，2 0 0 6 4 2 8 3 0 ． [ 1 5 ] 邓建业．复合隔墙在干式充填中的应用[ J ] ．甘肃有色金属， 2 0 0 1 ，1 6 4 2 0 - 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