最优应力波形下的冲击机械冲锤部件的设计分析

栗鹏飞

摘 要：对于一般的冲击机械模型，如果岩土动态加载刚度一定时，分析入射波形式的不同，在作功时达到的能量传递效率也不同，为了保证指数应力波形最优化，根据一维波动力学理论，设计冲锤部件波阻抗。

关键词：应力波；冲击机；冲锤部件

对于冲击机械而言，其有强大的力流，通过对工作对象的撞击，让其发生一定量的位移和破坏，这种冲击机械不仅结构紧凑，而且作用力强，因此在工业生产中得到了广泛的应用。

1 对最优应力波形的分析

1.1 分析的基础理论情况

若不计阻尼效应时，对于等截面均质直杆而言，当其在一端被冲击后就会在轴线方向上产生振动，受到一端冲击激励后会产生沿轴线方向的纵振动，对于这一情况可用控制方程进行表示：ρAvt+Fx=QAEvx+Ft=0，在该公式中，ρ为使用材料的密度，A 为桿的面积，u为在轴向发生的位移，v为轴向上运行的速度，v=u（x，t）t/F[ 1 ]，F为截面的作用力。

1.2 分析加载力学特点

结合采样机的基本设计要求，针对岩石与土壤力学特性的相似性，可将工作介质的动态循环加、卸载特性表示为图1。岩土受冲击载荷后，出现的加载刚度用K表示，当载荷周期不同时，与之对应的K值不同，载荷周期在不断循环中，K值也随之变化，K值变化和作用速率也存在着联系。

1.3 确定最优应力波形的主要参数

对应固体材料而言，在力学性能上都与时间、速率存在联系。在材料本构关系上，具有一定的黏性，简化黏性微元体后，就会得到标准线性固体。在固体材料传播中力会以其他形式被消耗，材料自身的黏性在人为操作中很难改变。由于动力装置和工作效率受摩擦、干涉等不确定损失的影响，可通过将应力波传递距离减小，对岩土的做功最大，来保证其工作效率。

2 最优应力波形下的冲击机械冲锤部件的设计分析

2.1 分析求解的方法和过程

工作人员可以将弹性部件密度设为ρ，弹性模量设为E，该数值为恒定值，由公式可得，波阻抗的反演设计等价是横截面积A（x）的反演设计。因此在设计变截面冲锤部件时，要先求解其主要参数。

当x=0时，在F（0，t）激励下，产生的速度响应为v（0，t）。如果冲锤的初始速度为v，在完成击杆撞击后，对撞击时的接触面也具有相同的能量，可以表示为F（t）=F（0，t）>0 ，除此之外，其运动速度也是相同的。

当设K（t）是击杆在单位脉冲力是δ（t）作用下撞击接触面的速度响应，通过一维波动理论分析就可得以下结论：[K（t） + G（t）]×F（t）=V（23）[ 2 ]，将K（t）、V、F（t）代入到公式中，可得G（t），经完全解答后可得Z（ξ）。

2.2 分析对冲锤部件的求解情况

对于波阻抗弹性部件，Z杆（ξ） = Z1，在此基础上有K（t）=δ（t ）/Z1，设正指数应力波形表达式为F（t）=F0et/t0，将其代入公式中，等号两边做二次求解可得G'（t）=0，然后设G（t）=A，可得：

Z（0）= 1/（V/F0-1/Z1），

G（t）=-[1+Z（0 ）/Z1]/t0，

再将G（t）代入到f（ξ，t）= 1/（1-ξ/ξ0）中，整理到ξ0=t0/[1+Z（0 ）/Z1]，正指数波形下冲锤部件波阻抗的解析式为Z（ξ）=Z （0 ）/（1-ξ/ξ0）2。

2.3 冲锤设计的最优化分析

通过公式F（t）= P（t）= F0exp（Kt/Z1）可得应力波的最优形式，在求解后即可得到t0 =1/τ= Z1/K，當F0、t0为已知时，代入公式可得0<ξ<ξ0 =（VZ1-F0）t0/VZ1，对杆长变量x和ξ的关系，可用x =cξ来解析，使用的材料相同、质地均匀，所以c为一个常量，应用无量纲参数λ，公式为λ= F0/Z1V，代入公式即可求解。

如果冲锤和击杆的制作材料相同，利用c、t0表达式就可求解出冲锤的长度l0=cξ0=E/K（1-λ）。在 t>2ξ的时间范围内，对于冲锤和击杆其运动方式为反向脱离，冲锤会第二次与击杆产生撞击，为避免该情况发生，在03 总结

通过以上对最优应力波形下的冲击机械冲锤部件的设计分析，在进行反演设计中，β、λ会影响和控制冲锤的几何外形，同时其还影响τT和能量传递效率，因此在实际应用中，必须设计好β、λ的参数值。

参考文献：

[1] 赵翼飞，白争锋，杨斌久.最优应力波形下的冲击机械冲锤部件的反演设计及参数优化[J].振动与冲击，2016，35（7）：145-146.

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[3] 安辉樊，军蒋龙.冲旋钻井过程入射波形与能量传递效率关系研究[J].机械设计与制造，2016（1）：43-46.