本发明涉及一种使用落锤冲击测试矿石吸收能的方法，属于矿业工程破碎领域，特别适用于矿石破碎能量特征研究。
背景技术：
我国乃至世界范围内矿石粉碎能耗巨大，我国选厂碎磨矿作业所消耗的能量就达到全国总能耗的5％以上，全世界用于碎磨矿的电能消耗占总电能消耗的3％～4％。目前，矿石破碎能量利用率低，单位破碎能耗过高，造成大量的能源浪费、环境污染严重、矿山企业生产成本较高，影响社会经济效益。探索矿石破碎过程中的能量消耗的科学规律，把握破碎能量的变化特征，为改进破碎工艺流程与参数、设计高效节能的破碎装备提供理论依据，对提高矿石破碎能量效率、降低单位破碎能耗有重要的实际价值。
矿石机械破碎所消耗的能量远大于破碎本身需要的能量，破碎过程中矿石吸收能是驱动矿石破碎的有效能量，研究矿石的破碎能量特征首先需要测试矿石的吸收能。单颗粒岩石或矿石破碎试验是研究岩石或矿石破碎特征与能耗规律的有效方法，也是吸收能测试的主要手段。目前，涉及吸收能测试的单颗粒破碎试验方法中最常见的是霍普金森冲击压杆试验，但是这种方法不能用于不规则岩石试件吸收能的测试。weichert和herbst(1986)耦合落锤试验装置和霍普金森压杆的试验原理，设计了一种落球冲击快速加载试验装置(uflc)，kingrp与bourgeoisf(1993)、tavareslm与kingrp(1998)、tavareslm(1999)先后从不同的角度提出了利用该装置测试矿石吸收能的方法，但是该装置由于承载杆大于等于5m，安装困难，对于形状不规则或者尺寸大于承载杆直径的试件，吸收能测试与计算结果的可靠性有待于商榷，该装置尚未广泛使用。落锤冲击试验具有操作灵活、能量调节范围大的优点，napier(1996)、reddish(2005)、(2009,2014)使用落锤冲击试验装置破碎矿石和岩石，将冲击能作为破碎能量，实际上冲击能不可能全部被试件吸收。其他用于单颗粒冲击破碎特征研究的装置还有摆锤冲击试验机、旋转冲击
破碎机，用这两种试验机进行破碎试验时同样把冲击能作为矿石吸收能，且摆锤冲击试验机可调节的能量范围小，操作不灵活；旋转冲击破碎机对硬度较大的矿石破碎效果不理想。
在亟需提高破碎过程中能量利用效率、降低单位破碎能耗的技术背景下，面向矿石破碎能量变化特征的研究，以上测试矿石吸收能的装置和方法均有一定的局限性，需要研究一种新的具有普适性的测试矿石吸收能的方法。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题是提供一种使用落锤冲击测试矿石吸收能的方法，适用于任意尺寸和形状的矿石或岩石试件，能量调节范围大，操作方便，为探索矿石破碎能量特征、减小单位破碎能耗提供理论研究基础。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是：
一种使用落锤冲击测试矿石吸收能的方法，基于能量守恒的基本原理，通过建立物体冲击过程的物理模型，实现矿石试件吸收能的测试，按下述方法进行：
a.建立落锤冲击矿石的物理模型，所述物理模型由落锤、矿石试件、底座、高刚度弹簧和基座组成，弹簧安装在底座和基座之间；
b.落锤冲击试件，重力势能转化为冲击能ea0，一部分转化为矿石试件的吸收能ep，一部分传递至底座成为底座损耗能ec，冲击后如果锤头反弹，一部分冲击能转化为锤头反弹的动能ea1，冲击破碎过程中能量的转化关系式为：
ea0＝ep+ec+ea1
c.传递至底座的能量被弹簧吸收，底座向下运动的动能和重力做功共同转化为弹簧的弹性势能，通过监测底座位移测试底座损耗能，计算方法为：
d.通过高速摄像仪监测锤头反弹的初始速度，计算锤头损耗能：
e.设置防止二次冲击装置，测试时只发生一次冲击，落锤冲击矿石吸收能的计算方法为：
采用上述技术方案的本发明，与现有技术相比，有益效果是：
改变了传统的落锤冲击模型的物理结构，可用于测试任意形状矿石在中等应变率加载条件下破碎的吸收能，矿石的尺寸可以与选厂破碎的矿石尺寸一致，尺寸范围较大，测试的吸收能接近矿石破碎实际需要的能量，通过该方法可以研究实际矿石尺寸与破碎能量的理论关系、矿石在机械破碎条件下的破碎特征等，指导矿山破碎作业中能量参数的调节和工艺技术的改进。
作为优选，本发明更进一步的技术方案是：
弹簧的刚度与所需设置的最大冲击能匹配，在最大冲击能条件下弹簧的最大变形低于允许变形值。
本发明通过更换不同刚度的弹簧，可以任意调节矿石尺寸，能够满足选厂同等尺寸矿石破碎试验研究的需要。
附图说明
图1为落锤自由落体冲击试件的物理模型图；
图2为冲击过程中试件承受载荷断裂的物理模型图；
图3为冲击后试件破碎与锤头反弹的物理模型图；
图中：落锤1；矿石试件2；底座3；弹簧4；基座5。
具体实施方式
以下结合实施例及附图详述本发明。
参见图1至图3，一种使用落锤冲击测试矿石吸收能的方法，按下述方法进行：
建立落锤1冲击矿石的物理模型，该物理模型由落锤1、试件2、底座3、弹簧4和基座5组成，弹簧4安装在底座3和基座5之间；冲击前落锤1做自由落体运动，落锤1的重力势能转化为动能，落锤1与试件2接触时刻的动能作为冲击能，如式(1)所示；冲击过程中一部分冲击能用于试件2的破碎，一部分转化为底座3向下运动的动能，剩余能量为冲击结束时刻落锤1反弹运动的动能，如式(2)所示，根据能量守恒定律，以落锤、试件、底座为一个能量系统时竖直冲击破碎物理模型的能量转化关系如式(3)所示。试件2与底座3的质量关系为mb＝mc，底座3与高刚度的弹簧4连接，弹簧4与基座5连接，冲击过程中底座3向下运动压缩弹簧4，弹簧4的弹性力对底座3做负功，底座3的动能和重力势能变化量转变为弹簧4的弹性势能的变化量，不计试件2的重力势能变化对弹簧4弹性势能变化的影响。
ea0＝ep+ec+ea1(3)
式中，ea0为落锤的冲击能；ma为落锤的质量；h物体a的下落高度；va0为落锤冲击试件时刻的速度；ea1为落锤反弹的动能；va1为落锤反弹的初速度；ep冲击过程中试件的吸收能；ec冲击后底座的瞬时动能。
弹性力是保守力，做功只与物体的始末位置有关，与路径无关。弹簧的弹性力f与变形x之间的关系服从虎克定律，即f＝f(x)＝-kx。在微变形dx内，f(x)可看做为常量，则弹簧发生微变形时弹性力做元功为：
dw＝f(x)dx＝kxdx(4)
从变形x1增大到变形x2的过程中，弹簧弹力做功等于弹性力对变形的积分，表达式为：
冲击过程中底座3获取的动能等于弹簧弹力做功减去运动过程中重力势能做功，即：
式中，mc为底座的质量，x1为底座重力作用下的初始变形，x2为某冲击能下弹簧最大变形，x2＝x1+△x，△x为冲击作用下弹簧发生的变形增量。
将式(1)(2)(6)带入式(3)，即可得到试件2所吸收的能量，如式(7)所示：
质量ma、冲击高度h、弹簧弹性系数k均为已知量，只要测出冲击过程中弹簧4的弹性变形和冲击后落锤1的运动速度，即可计算试件2的吸收能。冲击过程中弹簧的变形通过位移计监测，测量时初始变形清零；冲击后落锤1的反弹初始速度或者反弹高度通过高度摄像仪监测。
以上实施例仅用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。对本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做出的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：
1.一种使用落锤冲击测试矿石吸收能的方法，基于能量守恒的基本原理，通过建立物体冲击过程的物理模型，实现矿石试件吸收能的测试，其特征在于，按下述方法进行：
a.建立落锤冲击矿石的物理模型，所述物理模型由落锤、矿石试件、底座、高刚度弹簧和基座组成，弹簧安装在底座和基座之间；
b.落锤冲击试件，重力势能转化为冲击能ea0，一部分转化为矿石试件的吸收能ep，一部分传递至底座成为底座损耗能ec，冲击后如果锤头反弹，一部分冲击能转化为锤头反弹的动能ea1，冲击破碎过程中能量的转化关系式为：
ea0＝ep+ec+ea1
c.传递至底座的能量被弹簧吸收，底座向下运动的动能和重力做功共同转化为弹簧的弹性势能，通过监测底座位移测试底座损耗能，计算方法为：
d.通过高速摄像仪监测锤头反弹的初始速度，计算锤头损耗能：
e.设置防止二次冲击装置，测试时只发生一次冲击，落锤冲击矿石吸收能的计算方法为：
2.根据权利要求1所述的使用落锤冲击测试矿石吸收能的方法，其特征在于：弹簧的刚度与所需设置的最大冲击能匹配，在最大冲击能条件下弹簧的最大变形低于允许变形值。
技术总结
本发明涉及一种使用落锤冲击测试矿石吸收能的方法，包括：建立落锤冲击矿石的物理模型；落锤自由落体冲击试件，一部分冲击能转化为试件的吸收能，一部分能量传递至底座损耗于底座向下运动的动能，冲击后锤头反弹时一部分能量损耗于锤头反弹的动能；底座的动能和重力做功转化为弹簧的变形能，结合弹簧弹性系数，通过监测底座运动位移计算底座损耗的能量，通过监测锤头反弹的初始速度计算锤头损耗的能量，进而通过能量守恒原理得到矿石吸收能。本发明可以测试任意形状矿石破碎时的吸收能，适用的矿石尺寸范围广，使用本方法所建立的矿石破碎能量与粒度的理论关系更符合机械破碎的实际情况，有利于指导破碎工艺改进，提高能量利用率，降低破碎能耗。
技术研发人员：甘德清;高锋;孙光华;甘泽;姚旭龙;刘志义;张亚宾
受保护的技术使用者：华北理工大学
技术研发日：2019.10.18
技术公布日：2020.01.14
声明：
“使用落锤冲击测试矿石吸收能的方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：华北理工大学
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2024年07月26日 ~ 28日 
