冲击凿岩理论及工程机械设计

为了有效地破碎岩石，进一步提高凿岩效率，必须深入揭示岩石在冲击载荷作用下的规律，研究冲击式凿岩的基本理论，用以指导凿岩机具的设计、选择和使用，以达到提高凿岩生产效率的目的。

冲击凿岩理论主要是研究冲击载荷和冲击能量及在钎杆内的传播，钎头和岩石的互相作用，眼底岩石的破碎机理。

1.冲击能量及在钎杆中的传递

冲击凿岩时，作用于岩石上的载荷是由凿岩机的活塞在工作冲程时所产生的冲击功经由钎杆、钎头传递而来。这个冲击功的传递是由于在钎杆中激起了应力波，并借助应力波将能量传递给岩石。

2.岩石破碎过程和机理

冲击凿岩时，钎头将冲击力传递给岩石。对于楔形钎头来讲，可以视为一个线载荷施加在一个半无限体的边界面上。岩石破碎的发生和发展以及岩体内部应力状态与变形过程有关，当采用楔形压头时（如一字形钎头），岩石的破碎过程如图2.1 所示。

图2.1　楔形压头侵入岩石的破碎过程

大量凿岩工程的生产实践及研究证明，不论岩石和刀具的几何形状如何，在冲击载荷作用下，岩石的破碎过程都有3 个基本规律：(www.xing528.com)

（1）呈跃进式破坏。作用于刀具上的外载荷增加时，岩石首先产生弹性形变，刀具侵入的深度也随之增加。但当外载荷增至一定值时，侵入深度迅速增加，载荷下降，产生了第一次跃进式破坏。此后载荷增加时，侵入深度又随压力的增加而增大，当其达到一定值以后，将发生第二次跃进式破坏，依次循环。

侵深（h）与载荷（P）的关系如图 2.2 所示。如此循环下去，侵深和载荷的曲线便呈波浪形。

（2）产生承压核。在刀具的前方产生承压核，此核由被粉碎了的岩粉组成，其形成是由于剪应力作用的结果。它的形成改变了刀具作用在岩石的边界条件，从而改变了岩石内部应力分布。

（3）形成破碎漏斗。在刀具侵入岩石发生跃进式破坏的时候，由于较大破碎体的分离，在岩石上形成漏斗状的崩碎坑，称之破碎漏斗。不论压头形式、侵入方式及岩石的种类如何，漏斗的顶角变化都不大，一般为120°～150°。

图2.2　侵深与载荷的关系

在凿岩工作中，凿岩速度和效率是人们关心的问题，也是评价凿岩工作的主要指标，为此引进比功耗的概念（即破碎单位体积内岩石所需要的功）。冲击功是破碎效果的基本因素，是冲击式凿岩机械的主要参数之一。掌握冲击功的大小，对破岩效果的影响是很重要的。从实验的结果看出，当冲击功小于临界值时，随着冲击功的减少，比功耗急剧增加。当施加的冲击功超过临界值之后，比功耗就趋于平稳，这时的比功耗在一定的范围内波动。在实际凿岩过程中，必须使冲击功大于临界冲击功，这时的凿岩速度与冲击功成正比。

实验室里利用电动凸轮机进行凿岩实验，当冲击频率未达到一定的临界值以前，凿岩速度与频率成正比。当冲击频率超过临界值以后，随着频率的增加，凿岩速度反而下降。在冲击凿岩的过程中，随着钎头转角不同，相邻两次冲击之间的扇形面积大小亦不相同。转角过大或过小，对凿岩都不利，由此可知，转角存在着最优值。凿岩时，转角在最优值附近，凿速最大。最优转角随岩石的不同而不同。一般情况下，各种岩石最优转角介于22°～30°。