适用于凿岩设备冲击性能检测的钢球吸能器及其使用方法
文献发布时间：2023-06-19 19:30:30
技术领域
本发明涉及钢球吸能器技术领域，更具体地说，涉及适用于凿岩设备冲击性能检测的钢球吸能器及其使用方法。
背景技术
上世纪80年代以来，我国在凿岩机具冲击能测试系统中一直采用由长沙矿冶研究院研制的管式—-软性材料多点吸能器，它能满足国际和国家标准的反射系数小于20％的要求，但其缺点就是结构长、制作麻烦、成本高，不适应于高冲击能检测。
上世纪80年代瑞典Atals公司提出，用钢球吸能器模拟岩石进行凿岩实验，近年来纳入国际标准用于冲击工具的噪声和振动测试，但对其作用机制尚未见深入的分析，只有推荐的结构尺寸，没有详细的设计规范，对于适用于应力波法测试冲击能量使用的钢球吸能器尚未见报导。
我国对钢球吸能器的研究和应用处于起步阶段，上世纪90年代原沈阳风动工具厂在引进瑞典液压设备凿岩机技术时曾引入过相关资料，但未正式使用。近年来国内在一些检测中心建立冲击工具噪声和振动测试系统中，依据国际标准采用过此项技术，但在应力波法冲击能检测系统中，此项技术的应用尚属空白。
应力波法测试凿岩机冲击能量系统中，均采用吸能器作为其工作对象进行试验，我国在冲击能测试系统中一直采用由长沙矿冶研究院研制的管式吸能器，这种吸能器采用长管结构，内部置以摩擦片和吸能材料，由多个随波传播距离渐增摩擦系数的摩擦点串联起来，以达到总的反射能量最小的要求，但其存在着如下缺点：
(1)结构长，达数米，使用不方便；
(2)制作麻烦；
(3)由于体积和吸能材料的限制，不适应于高冲击能量的测试要求；
(4)更换测杆不方便，一种吸能器仅对应一种测杆尾柄。
发明内容
1.要解决的技术问题
本发明的目的在于提供了一种适用于凿岩设备冲击性能检测的钢球吸能器及其使用方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
2.技术方案
一种适用于凿岩设备冲击性能检测的钢球吸能器，包括：基座，所述基座左右两侧与连接螺栓螺纹连接，所述连接螺栓上端与上盖左右两侧螺纹连接，所述上盖上表面设置有压盖，所述上盖中部固定安装有导向套，所述导向套左右两侧设置有吸能器管，所述基座上表面位于吸能器管处设置有垫板，所述吸能器管内部填充有钢球，所述吸能器管上下两端分别与上盖和基座固定连接，所述测杆设置在导向套内部，所述测杆通过压盖、导向套和弹性固定装置与钢球紧密连接。
优选地，所述吸能器管采用无缝管制作，且所述吸能器管内径D的公称直径和测杆头部一致，外径D
优选地，所述吸能器管的长度L
优选地，所述钢球直径d
优选地，所述钢球充填长度L应满足L≥2.5D，优选充填长度L＝2.5D～3.0D。
优选地，所述钢球应淬硬，所述弹性固定装置采用弹性垫板或弹簧。
优选地，所述测杆钎头/测杆截面比A
一种适用于凿岩设备冲击性能检测的钢球吸能器的使用方法，包括以下步骤：
S1、建立测试系统：试验应力波测试标定系统采用落锤试验进行；
S2、试验应力波测试标定系统标定：给定质量为M和测杆等直径的落锤由钢管导向自高h自由下落撞击测杆；测试时，根据测试应力波形的最大量化值和辛卜生求和值分别乘以应力和能量标定系数，即可得出测试的最大应力值和冲击能量；
S3、钢球吸能器反射能量比测定：标定完毕后建立完毕后在凿岩机或气镐测试时由冲击工具直接打击钢球吸能器测杆，电阻应变计检测的测杆应变信号馈入电桥，经动态应变仪放大，输入波形存储器或存储示波器记录存储，调入微机进行数据处理。
其中，吸能器反射能量比的检验：应用于冲击能量测试的钢球和吸能器必须进行反射能量比检验；必须保证吸能器的反射能量比满足国家标准GB/T5621的要求，其反射能量比值不应超出20％。
所述吸能器的反射能量比：
式中：
E
E
σ—作为时间t函数的应力波值；
t
t
T
l—钢球吸能器的测杆长度；
c—波速，c＝5100m/s。
优选地，所述反射能量比在冲击能标定状态下进行测定；所述反射能量比的积分计算，采用牛顿法或辛卜生法进行计算；所述反射能量比检验可和冲击能标定同时进行，其检验结果附于冲击能标定记录；亦可单独进行。
3.有益效果
相比于现有技术，本发明的优点在于：
本发明不仅可以模拟凿岩设备的真实工况，同时起到了减震作用，避免了试验设备和元器件急速损坏。且整个吸能器易拆卸，便于在同一台架上开展凿岩机其他性能的检测。其优点如下：结构简单，体积小，可重复使用，可更换钢球。
附图说明
图1为本发明的钢球吸能器的结构示意图；
图2为本发明中吸能器管示意图；
图3为本发明中钢球吸能器示意图示意图；
图4为本发明中应力波反射系数(σ
图5为本发明中钢球摩擦吸能器的压力和吸能效率示意图；
图6为本发明中钢球吸能器试验系统示意图；
图7为本发明中卡落锤标定示意图；
图8为本发明中落锤结构示意图；
图9为本发明中标定应力波形示意图；
图10为本发明中凿岩机钢球吸能器应力波形示意图；
图中标号说明：1、基座；2、测杆；3、吸能器管；4、钢球；5、连接螺栓；6、上盖；7、压盖；8、导向套；9、垫板；10、弹性固定装置。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
实施例1：
一种适用于凿岩设备冲击性能检测的钢球吸能器，包括：基座1，基座1左右两侧与连接螺栓5螺纹连接，连接螺栓5上端与上盖6左右两侧螺纹连接，上盖6上表面设置有压盖7，上盖6中部固定安装有导向套8，导向套8左右两侧设置有吸能器管3，基座1上表面位于吸能器管3处设置有垫板9，吸能器管3内部填充有钢球4，吸能器管3上下两端分别与上盖6和基座1固定连接，测杆2设置在导向套8内部，测杆2通过压盖7、导向套8和弹性固定装置10与钢球4紧密连接。
吸能器管3采用无缝管制作，且吸能器管3内径D的公称直径和测杆2头部一致，外径D
吸能器管3的长度L
钢球4直径d
钢球4充填长度L应满足L≥2.5D，优选充填长度L＝2.5D～3.0D。
钢球4应淬硬，弹性固定装置10采用弹性垫板或弹簧。
测杆2钎头/测杆截面比A
一种适用于凿岩设备冲击性能检测的钢球吸能器使用方法，包括以下步骤：
S1、建立测试系统：试验应力波测试标定系统采用落锤试验进行；
S2、试验应力波测试标定系统标定：给定质量为M和测杆2等直径的落锤由钢管导向自高h自由下落撞击测杆2；测试时，根据测试应力波形的最大量化值和辛卜生求和值分别乘以应力和能量标定系数，即可得出测试的最大应力值和冲击能量；
S3、钢球吸能器反射能量比测定：标定完毕后建立完毕后在凿岩机或气镐测试时由冲击工具直接打击钢球吸能器测杆2，电阻应变计检测的测杆2应变信号馈入电桥，经动态应变仪放大，输入波形存储器或存储示波器记录存储，调入微机进行数据处理。
其中，吸能器反射能量比的检验：应用于冲击能量测试的钢球和吸能器必须进行反射能量比检验；必须保证吸能器的反射能量比满足国家标准GB/T5621的要求，其反射能量比值不应超出20％。
吸能器的反射能量比：
式中：
Er—来自吸能器的反射波能量；
Ei—入射波能量；
σ—作为时间t函数的应力波值；
t1—入射波起始点；
t
T
l—钢球吸能器的测杆长度；
c—波速，c＝5100m/s。
反射能量比在冲击能标定状态下进行测定；反射能量比的积分计算，可以采用牛顿法或辛卜生法进行计算；反射能量比检验可和冲击能标定同时进行，其检验结果附于冲击能标定记录；亦可单独进行。
实施例2：钢球吸能器的结构特征和基本工作原理
参考图3，钢球吸能器由管式外壳、半径为r的钢球，截面积为A
在实际中，由于钢球在空间可以交错排列，ε可达：
由波动理论得到钎头端受力：
F＝(σ
式中：σ
钎头应力：σ
钢球摩擦吸能器中的钢球应力σ
σ
钢球占有面积S
F
当钢球受到径向力F
式中：v-钢的泊桑比，v＝0.3；E-钢的弹性模量，E＝2.1×10
由胡克定律得出钢球体的等效弹性模量：
则钢球体的波阻：
式中：
ρ-钢的密度，ρ＝7800Kg/m
由钎杆的波阻
得到钎杆/钢球摩擦吸能器的界面的阻抗比：/>
由反射因数定义
而q＝
则有
凿岩机入射应力波的范围，一般处于200MPa<σ
阻抗比
表1吸能器/钎杆截面比A
上述表1分析和图4中表明：
(1)在吸能器/钎杆截面比
(2)在吸能器/钎杆截面比
(3)在最佳适配时有：
入射应力幅值σ
(4)实际中，可使用
(5)钢球半径r对于刚球体的波阻Z
实施例2：钢球吸能器的摩擦作用机制和球柱长度
将钢球摩擦吸能器中的钢球视为钎头体作用下的流体，其压力P(X)和到钎头端面的距离X相关，在X＝0时：
仅考虑最佳适配的情况(σ
由于钢球间和钢球对管壁的摩擦作用，P值随X的增加而递减。将钢球的摩擦作用简化并等效为钢球对钢球摩擦吸能器管壁的摩擦，取等效摩擦系数为μ，管周长
得到微分方程：
对上述微分方程进行Laplace变换求解：
则
令钢球阻尼系数
钢球在X位置的受力：F
设钢球在X位置的位移Δ正比于力F
对球柱长度为L的吸能器，其总的吸能量：
可以看出，吸能器和球柱长度相关，球柱长度愈大，吸能愈多，在L→∞时，有最大吸能量(在适配情况下，能量全部为吸能器吸收)：
则球柱长度为L吸能器的吸能效率：
取L＝2λ，则η＝0.9817，可吸收98.17％的能量。
取μ＝0.2，则
其中，钢球摩擦吸能器的压力和吸能效率见图5。
实施例3：使用钢球吸能器，采用应力波法测试凿岩机冲击能量测试
钢球吸能器主要结构和工艺参数见表2：
表2-钢球摩擦吸能器主要参数计算和工艺要求
检测方法：
1)测试系统
试验应力波测试(标定)系统采用落锤试验进行(图6)，在凿岩机或气镐测试时由冲击工具直接打击钢球吸能器测杆，电阻应变计检测的测杆应变信号馈入电桥，经动态应变仪放大，输入波形存储器(存储示波器)记录存储，最后调入微机进行数据处理。
2)测试系统标定
给定质量为M和测杆等直径的落锤由钢管(Φ63)导向自高h自由下落撞击测杆，落锤标定系统如图7所示：
此时其冲击应力σ
E
式中g为重力加速度，g＝9.81m/s
落锤结构见图8；其标定应力波形如图9所示：
根据标定应力波形的最大量化值
得到：
应力标定系数
能量标定系数A
测试时，根据测试应力波形的最大量化值和辛卜生求和值分别乘以应力和能量标定系数，即可得出测试的最大应力值和冲击能量。
3)钢球吸能器反射能量比测定
吸能器的反射能量比：
λ＝E
式中：
E
E
式内t
由于应变片不在测杆打击端部，此时间已足够。过长会采集到二次反射波，消去E
根据国家标准的要求，吸能器的反射能量比不应超出20％。
钢球吸能器的反射能量比在标定状态下进行测定，采用存贮示波器进行记录。
以固定采样间隔△t＝25μs取样，采用牛顿法数值积分，消去△t，可得：
式中Q为应力波各点采样值；测杆长度l＝1700mm，T
(1)凿岩机(测杆H22)钢球吸能器(图10，表3)
落锤质量：m＝1.84kg，落高h＝1.64m
图9中：入射波始点：t
入射波终点：t
反射波终点：t
表3-各点采样值及反射能量比计算结果(凿岩机钢球吸能器)
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以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。