冲击设备受力及合理结构探讨
钻孔作业是矿山、建筑、煤炭及化工工程的基本工序,而冲击设备又是冲击式钻孔机械的主要部分,其结构的优劣可直接影响整个钻孔作业效率的发挥及设备寿命的长短,因此分析冲击设备的受力,确定其较合理结构具有实用性和重要性.
1 几种假设
一物体以一定速度撞击另一静止的物体时,前者速度在极短时间内骤变为零,从而引起两物体间的冲击作用.运动的物体称之为冲击物,静止的物体称之为被冲击物,它们之间产生一种力—冲击力.由于冲击力的作用时间极短(一般用微秒来度量),再者冲击物的加速度又难以测定,因此对这类问题不能采用惯性力法来计算.工程上一般常根据能量守恒概念(即近似能量法)来简化计算,对此作如下假设:
(1)冲击物被视为刚体,视被冲击物为弹性体.假定冲击过程遵循虎克定律,其比例常数与受静荷时相同.
(2)不计被冲击物的质量,或者视冲击物的重量大于被冲击物,不考虑冲击物的回跳和被冲击物的振动.
(3)不计冲击过程中的能量损耗.被冲击物内由冲击力引起的应力及变形,在冲击瞬间由冲击点传播到物体各部分,同时达到最大值.
2 冲击力的计算
基于以上假设,当重量为G的冲击物以速度V冲击被冲击物时,后者受到压缩,在其受压缩的同时,反过来又可阻止冲击物向下运动,并迫使冲击物减速,以至其停止运动,如图1所示.在此瞬时,其压缩量为最大值,相应压力也为最大值.撞击瞬时,冲击物(活塞)具有的动能为:被冲击物(凿具)受冲击时的应变能为
式中Fd—冲击载荷(冲击力);
E—材料弹性模量;
A—冲击处断面积
由假设知:T = U 即:
以上解出的Fd是依照假设,视冲击能量全部被被冲击物所吸收.用此方法解决冲击问题是偏于安全的,因为在冲击过程中,实际存在各种能量损失,冲击物减小的能量不可能全部转变为被冲击构件的变形能.这种情况在工程上较多见,例如二次破碎、钻凿大孔径炮眼等工况,因此具有实用价值.但只考虑此类工况还是不够完善的,因为冲击设备不同的结构对力的变化反映是不同的.因此还要按连续力作用求得冲击设备受力随时间的变化关系,此关系可用下列微分方程求出:
式中系数K =
x—被冲击物(弹性体)瞬间压缩量;
M—冲击物的质量;
C—被冲击物的刚度
可得冲击力
如果需校核冲击设备强度,则应满足σ≤[σ],[σ]为设备受静载荷时的许用应力.
3 冲击设备结构
大量的实验和实践证明,对一个物体突然施加一冲击力时,被击物获得的应力是以波的形式传播的,这个过程是以固体中的音速为速率进行的,其速度可用公式
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