冲锤系统冲击动力学分析及优化设计

  本文关键词： 冲锤 系统 冲击 动力学 分析 优化 设计　　

朱萍玉2010 年09 月27 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨 学校面向 29 个省、自治区、直辖市招生，全日制在校生 3.2 万湖南科技大学座落在人杰地灵、风景秀丽的湘江之滨，一代伟人毛泽东的故乡——湖南省湘潭市。学校起源于北宋庆历年间兴办的湘潭县，始建于解放前夕成立的湘北建设学院 ，2003 年经国家教育部和湖南省人民政府批准，由原煤炭工业部所属的湘潭矿业学院和湘潭师范学院两所全日制本科院校合并组建而成。学校设有 19 个学院， 75 个本科专业，涵盖了哲学、经济学、教育学、法学、文学、历史学、理学、工学、农学、管理学等 10 大学科，余人。学校占地面积 3100 多亩，教职工 3000 多人。 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨1. 冲击模型3. 合作内容4. 工作基础2. 现象及分析主要内容 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨1. 冲击系统模型图1 三元冲击系统力学模型电锤冲击系统可被抽象为三元冲击系统电锤冲击系统在撞击阶段可视为二元冲击系统图2 钻头与介质相互作用力学模型u 0FuKδK电锤冲击系统在冲锤、杆（钻头）与介质之间存在最佳匹配关系电锤冲击系统在冲锤、杆（钻头）与介质之间存在最佳匹配关系 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨2.1 钻孔效率随着钻头直径增大而提高。图3 孔径/钻头直径与钻孔效率的关系图2. 现象及分析 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨图4 冲击系统效率与匹配系数的关系初步分析ηγ电锤冲击系统在钻孔时，冲锤、杆、钻头与介质四者之间存在最佳匹配关系，它们的匹配系数 与钻孔效率 之间的关系如图4所示。其中，γ ηZ — 杆（钻头）波阻； m — 冲锤质量； K — 介质刚度。2ZmKγ =1. 随着钻头直径的增大，它与介质的互相作用力的系数K 增大， 减小，在图4中为沿着横坐标轴向左的方向变化时，钻孔效率提高；2. 在变化期中，钻头的直径增加又导致杆波阻局部增加，即Z 局部增加，这样又使得 增加，此为造成过程中钻孔效率局部下降的原因。γγ 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨2.2 杆尾端截面积增大，钻头柄部直径增大，钻头输出冲击功增加AB钻头柄部图5 钎杆变化前后对比图图6 钻头改变前后对比图钎杆截面从A改为B，钻头柄部直径从10mm改为18mm，钻头输出冲击功从3.25J增加到4.7J。 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨锥形杆放大应力波锥形杆放大应力波图7 变截面冲击部件离散模型初步分析应力波在传递过程中，当遇到从一个小波阻到大波阻的锥形杆时，应力波幅值会被放大。这就是当杆的尾部和钻头柄部直径增大时，形成一个锥形杆段，系统输出应力波增大，从而导致冲击功增大。 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨2.3 钻头柄部直径不变，钻头柄部断裂寿命随着钻头直径增大而下降。钻头柄部断裂时的平均打孔数400334400431411560100200300400500φ12 φ18 φ20 φ22 φ24 φ30PDH06 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨0211→−=++kk kkZZ Zr图8 小波阻杆撞击大波阻介质初步分析在应力波（压缩波）传递过程中，当突然遇到大波阻截面时，会发生反射，反射回的压应力波遇到自由面后，会转变为拉应力波，压应力波和拉应力波交互作用在钻头柄部，从公式中看出，后面的波阻越大，压应力波和拉应力波的幅值越大，这就是导致钻头柄部断裂寿命下降的原因。这类似于：一根杆撞击一个硬的界面时，，界面越硬则杆受力越大，从而杆越容易断裂，如图8所示。 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨3.1 波动力学建模及分析波动力学建模及分析3.2 结构有限元分析3.4性能参数测试（试验台研制）性能参数测试（试验台研制）3.3 实验验证与分析 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨4.1 部分研究课题4.2 获得的相关专利4.3 获得的科研成果奖4.4 代表专著及学术论文4.5 所做的部分工作4. 工作基础 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨4.1 部分研究课题国 家 级产品跌落冲击耐撞性能不确定性传递和稳健设计研究基于多源信息融合的冲击破岩状态辨识与控制冲击载荷下硬盘驱动器飞高动态响应与抗振性设计研究部省 级横 向冲击凿岩机械多学科耦合概率设计优化矿山冲击机械性能随机不确定性分析与稳健设计产品跌落冲击破损机理与耐撞性优化设计环境友好型两杆冲击可调激振式打桩机液压动力沉桩机冲击系统动态特性仿真分析 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨4.2 获得的相关专利数字式振动冲击传感器. ZL 200410000731.2 2一种可调式激振枪. ZL200720062828.5 4两杆冲击可调式激振器. ZL 20071003465463 3. 一种用于测量振动加速度的数字传感器. ZL 200320124119.73 1 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨4.3 获得的科研奖励12中国有色金属工业总公司科技进步三等奖1998中国高校自然科学奖二等奖2002湖南省科技进步二等奖2005湖南省自然科学奖三等奖2009机械系统中非线性动力学定量分析方法与应用国家科技进步二等奖1998机械系统典型非线性故障行为机理研究冲击机械系统波动力学理论与反演设计金属矿床开采矿岩致裂与控制技术研究与应用岩石冲击加载合理波形与冲击活塞动态反演设计 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨4.4 代表性专著及学术论文Li, Lok, 刘德顺. Proceedings of Fifth Asia-Pacific Conference. on Shock & Impact Loads on Structures,Singapore, 2003, ISBN981-04-8563-8刘德顺,李夕兵,朱萍玉.冲击机械动力学与反演设计.北京：科学出版社，刘德顺,李夕兵,朱萍玉.冲击机械动力学与反演设计.北京：科学出版社，2007陈安华,刘德顺,郭迎福. 振动诊断的动力学理论与方法. 机械工业出版社,2001陈安华,刘德顺,郭迎福. 振动诊断的动力学理论与方法. 机械工业出版社,2001Lok, Li, 刘德顺. Proceedings of Fourth Asia-Pacific Conference.Shock & Impact Loads on Structures, Singapore, 2001, ISBN981-04-3831-1刘德顺,李夕兵. 冲击机械系统动力学. 科学出版社,1999 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨1. Reliability Simulation and Design Optimization for Mechanical Maintenance[J], Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2009,04:594-6012. A new approach for reliability-based design optimization: minimum error point[J], Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2006,19(4):514-518 3. Robust design optimization based on performance variation estimate[A], 47th AIAA /ASME /ASCE/AHS/AHC Structures, Structural Dynamics & Materials Conference[C], USA, 2006 4. Study on quality evaluation model in multi-station assembly processes[J].Engineering Sciences.2008.6(4):25-30 5. Optimization model of tolerance and maintenance design for the two-dimensional multi-station assembly process[A].The 8th international Conference on Fronties of Design and Manufacturing[C],2008 6. Modal analysis and pulse response of mobile hard disk head actuator arrm assembly[A].The 8th international Conference on Fronties of Design and Manufacturing[C],2008 7. Robust mechanism synthesis with random and interval variables[J]. Mechanism and Machine Theory.2008.10(3):1-18. Robust piston multidisciplinary design optimization based on concurrent subsystem simulation and uncertainty analysis.The Eighth World Conference On Integrated Design & Process Technology, 2005, China 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨09. 冲击机械系统的波动力学研究.机械工程学报,1997,33(4):104-11010. 冲击沉桩系统匹配关系的波动力学分析.湘潭矿业学院学报,1998,13(2):11-14 11. 撞击沉桩系统的波动力学分析.建筑机械,1995，(9):29-31 12. 撞击回弹理论研究.中国有色金属学报,1996,6(4):171-175 13. 机械冲击耐撞性与稳健设计.振动与冲击,2007,26(8):76-80 14. 桩锤与桩撞击产生应力波研究.建筑机械,1995，(5):331-334 15. 截面冲锤与杆撞击的波动力学分析.焦作工学院学报,1997，16(增):104-107 16. 基于入反射波的杆波阻特性反演方法.煤炭学报.2009.917. 储液容器跌落冲击的有限元数值模拟研究.中国机械工程,2009.20(1):44-47. 18. 产品跌落冲击耐撞性能稳健设计研究进展.中国工程科学, 2009.1119.冲击式凿岩机活塞回弹的计算.力学与实践, 1996, 18(4):37-40 09. 冲击机械系统的波动力学研究.机械工程学报,1997,33(4):104-11010. 冲击沉桩系统匹配关系的波动力学分析.湘潭矿业学院学报,1998,13(2):11-14 11. 撞击沉桩系统的波动力学分析.建筑机械,1995，(9):29-31 12. 撞击回弹理论研究.中国有色金属学报,1996,6(4):171-175 13. 机械冲击耐撞性与稳健设计.振动与冲击,2007,26(8):76-80 14. 桩锤与桩撞击产生应力波研究.建筑机械,1995，(5):331-334 15. 截面冲锤与杆撞击的波动力学分析.焦作工学院学报,1997，16(增):104-107 16. 基于入反射波的杆波阻特性反演方法.煤炭学报.2009.917. 储液容器跌落冲击的有限元数值模拟研究.中国机械工程,2009.20(1):44-47. 18. 产品跌落冲击耐撞性能稳健设计研究进展.中国工程科学, 2009.1119.冲击式凿岩机活塞回弹的计算.力学与实践, 1996, 18(4):37-40 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨环境友好型YST-25全水压支腿式凿岩机（国家863计划项目、国家自然科学基金）01 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨移动硬盘跌落冲击动力学分析与耐撞性能稳健设计（国家自然科学基金）02 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨弹性储液容器跌落冲击动力学分析轴线与地面夹角010轴线与地面夹角0120 轴线与地面夹角090轴线与地面夹角060(Gpa)XYZ（国家自然科学基金）03 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨液压动力沉桩机冲击系统动态特性仿真分析（湖南新天和工程设备有限公司合作课题）04 宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨宝时得机械（中国）有限公司合作研究项目研讨05新加坡南洋理工大学材料动态参数测试试验台（国家科学基金资助）