潜孔锤破岩系统动力学特性研究

为深入研究潜孔锤破岩过程中推进力、激振频率等对潜孔锤破岩系统特性的影响,基于弹簧、阻尼、滑动器等元件建立了考虑潜孔锤与岩石局部接触、完全接触状态的动力学模型。分别建立不同状态下系统的动力学方程,并基于阶跃函数建立破岩系统的连续无量纲微分方程组,采用龙格-库塔法求解获得不同状态下的潜孔锤钻头位移图、速度图、相空间图以及庞加莱截面图。结果表明:破岩系统的运动状态随推进力改变而改变,当系统处于周期-1状态时,系统相对较稳定且破岩效率最佳;随着激振力频率增大,系统稳定的区间范围随之增加,但破岩效率反而降低。破岩系统动力学特性研究结果为潜孔锤在实际工作中的参数确定提供理论依据。

滚刀振动切削岩石动力学特性

为深入研究滚刀振动切削岩石动力学特性,开展了滚刀与岩石互作用力特性以及振动引入对滚刀切削破岩影响的分析,实验结果表明:切削破碎载荷呈近似的刚度双折线特征,滚刀与岩石之间存在弱接触和局部切削行为,适当的振动引入可以明显地提高滚刀切削破岩效率和降低滚刀扭矩。进而,基于弹簧、阻尼、质量块以及滑动器建立了滚刀振动切削岩石动力学模型,构建了包含滚刀与岩石之间五种相互作用形式的连续无量纲方程组,运用四阶龙格-库塔法求解微分方程组,获得了不同参数组合下系统的分岔图、速度、位移、庞加莱截面和相空间轨迹等,结合实验研究表明:所建立的动力学模型能够较好地重现滚刀振动切削岩石过程;破岩系统主要存在周期和混沌运动状态,混沌运动时破岩系统相空间轨迹杂乱,相轨迹没有确定的形状周期,位移和速度随时间变化也没有明显规律,破岩效率一般较低;当静态力、激振力幅值以及激振频率改变时,系统的运动状态和岩石破碎效率也随之发生变化,分析滚刀速度分岔图、岩石破碎位移获得了给定条件下静态力、激振力幅值以及激振频率的较优范围,它们对应的系统运动状态总是为P-1-I-1-Pr-1(滚刀在一个激振周期内碰撞岩石一次,且阶跃性破碎岩石一次)。