·1184 工程科学学报，第37卷，第9期 具中反复传递，有效保护钎具、密封件等部件回具有 σ，和反射波σ6，考虑隔套和缓冲活塞物理特性相近， 双缓冲系统的重型液压凿岩机得到越来越多国内外学 导致σ，微弱，可忽略. 者的关注. 由应力波波阵面动量守恒条件，可得各介质中应 Oh等国基于AMESim软件建立了液压凿岩机冲 力波的入射、透射以及反射过程中质点速度.冲击活 击岩石的模型，分析不同岩石硬度条件下凿岩效率，以 塞撞击钎具，产生的入射波质点速度： 及冲击系统和缓冲系统压力、流量与运动规律的关系： 01 U1= (1) Daniel基于HOPSAN液压仿真系统研究双缓冲系 P2C2 统，分析缓冲腔压力脉动及钎具内应力波传递问题；张 由应力波波阵面连续性条件，可得各介质的质点 永超等回基于Matlab软件仿真钻杆回弹速度的变化 速度和应力关系： 范围，依据变化范围设计了一种凿岩机单缓冲系统，并 1-3=2, (2) 对该系统进行动力学仿真：鹿志新等应用算例，提出 01-03=02 (3) 设计双缓冲系统环形间隙量的方法：耿晓光等切基于 以此类推，由此可知入射波σ，经过钎具、岩石、隔 AMESim软件构建双缓冲系统模型，获得不同初速度 套以及缓冲活塞的多次透射和反射后，产生的透射波 与不同环形间隙条件下，缓冲活塞速度曲线和一、二级 01为 缓冲腔压力曲线.目前，外国学者对双缓冲系统进行 4p4c4p3c（p1c1-p2c2） 了较深入的仿真与实验研究，国内学者对双缓冲系统 ,=p.,+p,)p,9+p,9Jp,9+p,r 研究较少.缓冲系统对回弹能量吸收转化的能力，最 (4) 终体现在缓冲活塞运动规律以及一、二级缓冲腔压力 式中：，为应力波σ，的质点速度，m*s-pp2p,和p4 的变化规律上. 分别为岩石、钎具、隔套和缓冲活塞的密度，kg·m3: 本文以重型液压凿岩机双缓冲系统为例，基于应 Gc2c3和c4分别为岩石、钎具、隔套和缓冲活塞的波 力波传递原理建立传递模型：应用力学理论建立双缓 速，ms 冲系统模型：分析缓冲活塞运动规律和缓冲腔压力变 由式(4)可知，入射波σ，为定值时，影响透射波 化规律：提出优化目标，优化双缓冲系统的性能，提高 σ，的主要因素为介质的密度P和应力波在介质中的波 双缓冲系统工作效率 速c 1.2输入模型 1 应力波模型 入射应力波σ，理论上为单圆柱体撞击产生的矩 1.1传递模型 形应力波图，理论模型为 由于不同介质的物理特性不同，应力波经过介质 nT+r,(n+1)T], f(t）= 0 n=0,1,2,… 间接触面时会发生透射和反射现象.应力波模型中传 [nT,nT+r]. 递介质主要由五部分组成：冲击活塞、钎具、岩石、隔套 (5) 和缓冲活塞.其传递原理如图1所示 式中：T为应力波周期，s;7为应力波持续时间，s;t为 应力波传递详细过程如下： 时间，s.其中，r=2l/c,l为活塞长度，m;c为应力波波 (1)冲击活塞以速度，为初始条件撞击钎具产生 速，ms 入射波σ1，σ1经过钎具与岩石接触面转换为透射波02 理想波形如图2所示 和反射波σ3： 实际上，冲击活塞不是理想单圆柱体，有七个变化 (2)σ，经过钎具与隔套接触面转换为透射波σ； 截面，如图3所示.应力波与理论上存在差异，在活塞 和反射波σ4，考虑钎具与隔套物理特性相近，导致σ4 截面积变化明显的位置（不考虑均压槽）会使应力波 微弱，可忽略： 产生波动，非恒定 (3)σ，经过隔套和缓冲活塞接触面转换为透射波 对入射应力波理论模型进行傅里叶级数展开，模 岩石 钎具 隔套缓冲活塞冲击活塞 图1应力波传递原理 Fig.1 Stress wave transmit theory工程科学学报，第 37 卷，第 9 期 具中反复传递，有效保护钎具、密封件等部件［2］． 具有 双缓冲系统的重型液压凿岩机得到越来越多国内外学 者的关注． Oh 等［3］基于 AMESim 软件建立了液压凿岩机冲 击岩石的模型，分析不同岩石硬度条件下凿岩效率，以 及冲击系统和缓冲系统压力、流量与运动规律的关系; Daniel ［4］基于 HOPSAN 液 压 仿 真 系 统 研 究 双 缓 冲 系 统，分析缓冲腔压力脉动及钎具内应力波传递问题; 张 永超等［5］基于 Matlab 软件仿真钻杆回弹速度的变化 范围，依据变化范围设计了一种凿岩机单缓冲系统，并 对该系统进行动力学仿真; 鹿志新等［6］应用算例，提出 设计双缓冲系统环形间隙量的方法; 耿晓光等［7］基于 AMESim 软件构建双缓冲系统模型，获得不同初速度 与不同环形间隙条件下，缓冲活塞速度曲线和一、二级 缓冲腔压力曲线． 目前，外国学者对双缓冲系统进行 了较深入的仿真与实验研究，国内学者对双缓冲系统 研究较少． 缓冲系统对回弹能量吸收转化的能力，最 终体现在缓冲活塞运动规律以及一、二级缓冲腔压力 的变化规律上． 本文以重型液压凿岩机双缓冲系统为例，基于应 力波传递原理建立传递模型; 应用力学理论建立双缓 冲系统模型; 分析缓冲活塞运动规律和缓冲腔压力变 化规律; 提出优化目标，优化双缓冲系统的性能，提高 双缓冲系统工作效率． 1 应力波模型 1. 1 传递模型 由于不同介质的物理特性不同，应力波经过介质 间接触面时会发生透射和反射现象． 应力波模型中传 递介质主要由五部分组成: 冲击活塞、钎具、岩石、隔套 和缓冲活塞． 其传递原理如图 1 所示． 图 1 应力波传递原理 Fig． 1 Stress wave transmit theory 应力波传递详细过程如下: ( 1) 冲击活塞以速度 v0为初始条件撞击钎具产生 入射波 σ1，σ1经过钎具与岩石接触面转换为透射波 σ2 和反射波 σ3 ; ( 2) σ3经过钎具与隔套接触面转换为透射波 σ5 和反射波 σ4，考虑钎具与隔套物理特性相近，导致 σ4 微弱，可忽略; ( 3) σ5经过隔套和缓冲活塞接触面转换为透射波 σ7和反射波 σ6，考虑隔套和缓冲活塞物理特性相近， 导致 σ6微弱，可忽略． 由应力波波阵面动量守恒条件，可得各介质中应 力波的入射、透射以及反射过程中质点速度． 冲击活 塞撞击钎具，产生的入射波质点速度: v1 = σ1 ρ2 c2 ． ( 1) 由应力波波阵面连续性条件，可得各介质的质点 速度和应力关系: v1 － v3 = v2， ( 2) σ1 － σ3 = σ2 ． ( 3) 以此类推，由此可知入射波 σ1经过钎具、岩石、隔 套以及缓冲活塞的多次透射和反射后，产生的透射波 σ7为 σ7 = 4ρ4 c4 ρ3 c3 ( ρ1 c1 － ρ2 c2 ) ( ρ4 c4 + ρ3 c3 ) ( ρ3 c3 + ρ2 c2 ) ( ρ2 c2 + ρ1 c1 ) σ1 ． ( 4) 式中: vi为应力波 σi的质点速度，m·s － 1 ; ρ1、ρ2、ρ3和 ρ4 分别为岩石、钎具、隔套和缓冲活塞的密度，kg·m － 3 ; c1、c2、c3和 c4分别为岩石、钎具、隔套和缓冲活塞的波 速，m·s － 1 ． 由式( 4) 可知，入射波 σ1 为定值时，影响透射波 σ7的主要因素为介质的密度 ρi和应力波在介质中的波 速 ci ． 1. 2 输入模型 入射应力波 σ1 理论上为单圆柱体撞击产生的矩 形应力波［8］，理论模型为 f( t) = 0 ［nT + τ，( n + 1) T］， {σ1 ［nT，nT + τ］． n = 0，1，2，…． ( 5) 式中: T 为应力波周期，s; τ 为应力波持续时间，s; t 为 时间，s． 其中，τ = 2l /c，l 为活塞长度，m; c 为应力波波 速，m·s － 1 ． 理想波形如图 2 所示． 实际上，冲击活塞不是理想单圆柱体，有七个变化 截面，如图 3 所示． 应力波与理论上存在差异，在活塞 截面积变化明显的位置( 不考虑均压槽) 会使应力波 产生波动，非恒定． 对入射应力波理论模型进行傅里叶级数展开，模 ·1184·