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冲击破岩信号处理与钻头波阻特性反演辨识

何先可  
【摘要】: 在冲击凿岩机械系统中,钻头对岩石的作用力与凿深的关系曲线反映了钻头与岩石相互作用机理,是对冲击凿岩机械系统工作状态进行诊断和实施最优控制的基础。直接测量钻头对岩石的作用力与凿深的关系曲线很难实现,而在间接测试法中要获得钻头对岩石的作用力与凿深的关系曲线必须先要已知钻头波阻特性。虽然等截面均质钎杆的波阻容易求得,但准确计算几何形状复杂且有硬质合金镶嵌的钻头波阻并不容易,而且钻头与钎杆连接状态和与岩石的接触状态都将对波传播特性产生影响。因此开展计算钻头波阻特性方法研究,具有极为重要的理论意义和实用价值。 本文综合运用冲击钻进动力学、一维波动力学和信息处理等理论与技术,以二元冲击系统中钻头的波阻特性为研究对象,通过理论分析、数值仿真和实验研究,深入探讨了钻头波阻特性反演辨识方法,开展了以下工作: (1)根据波动力学数值分析方法的多样性,通过分析应力波在变截面弹性杆中的传播规律,分别提出了基于钎杆上一点的入、反射波来推算钻头波阻的反演计算方法和基于特征线和两点应变测试法来反演钻头波阻的计算方法,并对这两种计算方法进行了比较。 (2)搭建了水平冲击实验系统平台,并针对冲击信号持时短、突变快和测试信号中含有大量噪声信号等特点,提出一套信号处理方法。并根据波形的特点和应力波在杆中传播的特点,对如何确定入、反射波的起点位置进行了探讨。 (3)利用基于入、反射波的钻头波阻特性反演方法和基于特征线的钻头波阻特性两点应变法反演方法对三个不同形状的钻头波阻进行辨识。最后对辨识结果进行了分析和讨论,并分析其误差来源。 通过以上研究,验证了基于入、反射波的钻头波阻特性反演方法和基于特征线的钻头波阻特性反演方法的有效可靠性。该方法能比较准确的计算出几何形状复杂的钻头波阻特性,有利于冲击凿岩机械系统钎具的优化设计。


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