钎杆对岩体有效作用力试验研究

◎裴邦学 吴云中 王家豪 丁兴明 周静

1.长江重庆航道工程局；2.重庆交通大学河海学院

1.引言

高频破碎锤是一种新型的破岩除礁设备，主要由液压系统、活塞和钎杆组成[1]，其中钎杆是直接与岩体接触的构件，也是高频破碎锤工作时作业环境最恶劣、受力情况最复杂的消耗性构件[2]。设备工作时，液压系统传动活塞高速撞击钎杆产生巨大的冲击能[3]，对岩体产生巨大作用力，从而捣碎岩体。然而，在实际应用中发现，钎杆在凿入岩体的过程中，其作用力是不断发生变化的。因此，开展钎杆对岩体的有效作用力研究有助于探寻钎杆作用力的变化过程和变化规律，从而确定钎杆的最佳使用频率，对提高钎杆的破岩效率和使用寿命均有重要意义。

关于钎杆的力学分析方面，大量学者通过现场试验和数值模拟等方法重点研究了钎杆的冲击特性[4]、抗疲劳强度[5]和断裂失效[6]等方面的内容。张广海[7]结合R32钎杆的受力特性对钎杆进行了受力分析，并在此基础上提出了钎杆的多种失效形式；蔡钢[8]对B22小型钎杆进行了钎杆材料成分检测、宏微观断口分析和显微硬度分析，结果发现，导致该钎杆发生早期疲劳主要原因是在交变载荷下钎杆强度较低的地方发生了应力集中；邢军[9]运用多种力学理论，分析了钎杆的结构和受力特点并提出了一种新的结构。然而，目前关于钎杆对岩体的有效作用力的研究较少。

因此，本文基于缩小比尺的高频破碎锤凿击模型试验，模拟钎杆的实际工作环境，分析钎杆在凿入岩体时的应变变化情况；探寻钎杆工作频率与工作效率的关系；并通过试验数据整理和理论分析，推导钎杆对岩体的有效作用力计算公式，分析有效作用力在钎杆工作中的变化过程和变化规律，为确定钎杆的最佳工作频率提供理论依据。

2.试验比尺确定

由于本次试验采用的是缩小比例模型，所以首先需要对原型钎杆和模型钎杆的尺寸进行比较，然后确定试验模型各参数的比尺大小。破碎锤在破岩过程主要依靠液压系统和作业系统进行工作，液压系统主要由挖机提供动力，作业系统主要是钎杆对岩体的凿击破坏。由于这两个系统的结构不同，因此需要使用不同的相似准数来进行推导。

原型破碎锤中使用钎杆的直径为180 mm，而在破碎锤模型设计中，试验钎杆直径为45mm，且采用的材料与原型钎杆相同，基于此数据对试验比尺进行推求：

几何比尺为：

密度比尺为：

弹性模量比尺为：

钎杆在工作时始终处于弹性范围内，因此需要满足原型和模型的弹性力相似，即满足柯西数相等，即：

由此可以推导出钎杆的运动速度比尺为：

取钎杆对岩体的凿入深度比尺与几何比尺相同，既：

则时间比尺为：

根据牛顿第三定律，钎杆凿入岩体时钎杆对岩体的作用力与岩体对钎杆的反力大小相同方向相反，由冲量定理Ft=mv可得：

可以推出作用力F的比尺为:

3.试验设计及方案

3.1 试验材料

试验材料为预制钢筋砼试块，预制模具大小为170×50×60cm，内部布设钢筋和箍筋以防止击打过程中砼试块向两侧开裂。养护28天，制作完成的试件如图1所示。经抗压强度检测，预制钢筋砼强度为35Mpa。

图1 预制钢筋砼试块

3.2 试验设备

试验设备主要由重庆交通大学研制的“挖机-高频破碎锤”和应变片组成，由图2所示。“挖机-高频破碎锤”的主体由挖机和破碎锤两大部分组成，挖机为立派R328型，额定功率为20k w，重量为1.6t；破碎锤为惊天GT10型破碎锤，工作频率分为1000HZ、2000HZ、3000HZ、4000HZ、5000HZ（分别对应1～5种工作挡位），所用钎杆直径为45mm；应变片采用的是中航电测公司生产的BE120-5AA型应变片，电阻值为119.9±0.1Ω。

图2 安装应变片的挖机-高频破碎锤

测试数据包括钎杆的凿入深度、凿击时间和钎杆的微应变值。测量凿入深度采用的是一支游标高度尺，精度为0.02mm，量程为50cm，如图3所示；测量时间使用的是一支秒表，精度为0.1s；采集微应变采用的是东华5922型采集仪，量程为1000mv，上限频率3000HZ，导线电阻为2Ω，如图4所示。

图3 游标高度尺

图4 东华5922型采集仪

3.3 试验方案

试验主要测试钎杆在不同工作频率下的应变状态和对钢筋砼试块的凿入效果。在钢筋砼试块上设置5个凿击点位，5个点位对应5种不同的工作挡位。每两个相邻凿击点距离28cm，每个凿击点距离钢筋砼试块边缘29cm，凿击点位的布置情况如图5所示。为了控制变量相同，每个点位在击打前均统一破碎锤高度，每个击打位置的击打时间固定为150s，分15次击打，每次击打时间为10s。

图5 凿击位置布置图

安装应变片时，为防止应变片脱落，使用应变胶将铝制薄层固定在钎杆，然后在薄层上安装应变片。使用引线连接应变片和采集仪采集数据，利用DHDAS动态信号分析软件处理数据进而得到钎杆的工作应变结果，具体试验流程如图6所示。

图6 试验流程图

4.试验结果分析

4.1 振动曲线分析

利用DHDAS动态信号分析软件处理数据，得到某个10s内钎杆的微应变随时间变化的振动曲线，其中横坐标以上的为钎杆的拉伸微应变，横坐标以下的为压缩微应变，如图7所示。

图7 微应变变化曲线（某个10s时间段）

将图像放大到其中一次冲击时段发现，微应变产生了多次不同幅度的振动，既钎杆在一次冲击过程中会受到多次不同程度的拉伸和压缩作用，如图8所示。然而，根据实际情况判断，在诸多曲线峰值中，只有一个峰值能够反映钎杆对岩体的凿入作用，其他的小幅度变化对凿入岩体几乎不起作用。因此在每次冲击过程中，只有变化最大的曲线峰值是有效过程，其余的是无效过程，如图9所示。在对数据分析时只需要对有效过程的数据进行分析，不考虑无效过程。

图8 微应变曲线变化图（一次冲击时段）

图9 有效振动曲线示意图

4.2 工作频率与工作效率的关系分析

由已确定的几何比尺对所得数据进行整理，得到原型破碎锤在5种不同工作挡位下凿击35Mpa钢筋砼试块的凿入深度随时间变化的关系曲线，如图10所示。

由图10可知：

图10 原型破碎锤对35MPa岩体的凿入深度变化曲线

①5种不同工作挡位凿入深度的增长变化趋势基本一致，均随时间增长而持续增大，总体呈现先快后慢的变化状态，且第一个回次增长最快，随后增长缓慢，最后趋于平缓。究其原因，钎杆的尖端部分为椎体结构，在钎杆凿入过程中，钎杆与岩体的接触面积逐渐增大，而接触面积的增大也使得破岩阻力的增大。而且冲击荷载产生的应力波在竖直方向上衰减率减小，从而使得应力波的影响范围增大，进而对这些范围的岩体产生硬化作用，这部分岩体的屈服应力也相应增大，从而导致凿入效率较慢。此外，在凿入过程中，孔内产生的残渣和粉末也会吸收部分破碎锤的冲击能量，从而减小钎杆对岩体的破坏效果。

②5个凿入深度的总进尺并没有随挡位的增加呈线性增长。比如，从1档增加至3档的过程中，凿入深度的增长幅度较为明显，而3档增加至5档的过程中，凿入深度增长幅度要小很多。因此，就破岩效率而言，3挡对应的工作频率为最佳工作频率。

4.3 钎杆对岩体有效作用力计算

只考虑有效作用过程，并将10s内震荡曲线的波谷平均值取绝对值，简化之后得到每次振幅大小均为波谷平均值的绝对值的等幅振动曲线，如图11所示。根据作用力和微应变的关系，有如下公式：

图11 简化的钎杆微应变等幅振动曲线

式中：με—微应变；ε—应变；σ—应力；E—弹性模量；A—钎杆杆身横截面面积。

简化后的曲线接近于连续的半周期的简谐振动曲线形式，对于简谐振动来讲，有效值的大小和波峰值满足以下关系：

由公式（1）～（4）联立即可得出模型钎杆在不同挡位对35Mpa钢筋砼试块的有效作用力，进而得到在不同挡位下模型钎杆对钢筋砼试块的有效作用力随时间的变化曲线，如图12所示。

图12 不同挡位凿击岩体的有效作用力变化过程曲线

由图12可知：在同一挡位下，每10s冲击时间段内的有效作用力大小不总是相同的，但总体有增长的趋势，且5种挡位下有效作用力随时间变化的增长趋势类似。但是，最终时间的有效作用力也并未随挡位的增加呈线性增长，跟图10中凿入深度与时间变化关系曲线中的规律类似。

根据所推求的比尺，可以确定原型钎杆在不同挡位下对35Mpa岩体的有效作用力，如表1所示。

表1 不同挡位下原型破碎锤对35MPa岩体有效作用力

由表1计算结果可以得出：1档增加至3档的过程中，有效作用力增长幅度较为明显，从3档增加至5档的过程中，有效作用力增长幅度要小很多，因此，考虑到高频作业对钎杆的磨损更高，从钎杆对岩体的有效作用力大小变化趋势来看，3挡为最佳工作挡位，其对应的工作频率为最佳工作频率。

5.结论

根据试验数据以及计算结果得出的主要结论如下：

（1）由凿入深度随时间变化的关系曲线可知，凿入深度随时间增大而逐渐增大，但在凿击过程中，由于钎杆于岩体接触面积增大，冲击荷载应力波衰减导致岩体局部硬化，以及孔内残渣及粉末吸收冲击能等方面的影响，凿入深度的增大幅度随着时间增大会逐步衰减且凿入深度并不随工作频率增加呈线性增长。从工作效率看，3挡对应的工作频率为最佳工作频率。

（2）利用DHDAS动态信号分析软件处理数据可知，钎杆在凿入岩体过程中的微应力变化为周期相同但幅度不同的振动曲线。其中每次冲击时应变均有不同幅度振动，但是只有一次振动能代表钎杆的凿入作用，因此把这个振动作用为有效作用，其余振动为无效作用。

（3）只考虑有效作用，基于简化的振动曲线，利用应力应变关系求出5种工作挡位下模型钎杆对钢筋砼的有效作用力及原型钎杆对岩体的有效作用力，结果发现：同一挡位下的钎杆对岩体的有效作用力随时间变化而不断变化，但总体呈增长趋势；不同挡位下的有效作用力变化趋势类似且有效作用力并不随挡位的增加呈线性增长。从钎杆的磨损情况看，3挡对应的工作频率为最佳工作频率。