掘進(jìn)機(jī)截齒截割硬巖的試驗(yàn)與數(shù)值模擬研究.pdf

1、采用掘進(jìn)機(jī)開挖煤巖巷道是一種高效、連續(xù)、經(jīng)濟(jì)的方法，在采礦和巖土工程中的應(yīng)用很有優(yōu)越性。長期以來，國內(nèi)外學(xué)者圍繞機(jī)械刀具破碎硬巖的問題，從理論分析、數(shù)值模擬和試驗(yàn)三方面展開深入研究，并取得諸多成果，然而仍有許多問題亟待完善。如截齒破巖機(jī)理失效模式說法不一；截割頭性能預(yù)測模型應(yīng)用的局限性；多種數(shù)值方法應(yīng)用于刀具破巖模擬，其中顆粒流離散元方法優(yōu)勢突出，但巖石-刀具模型過于簡化；以往的試驗(yàn)研究主要在線性截割試驗(yàn)裝置上進(jìn)行，與實(shí)際工況不符等。針

2、對上述問題，本文將對截齒破巖機(jī)理、單齒旋轉(zhuǎn)截割試驗(yàn)和數(shù)值模擬及掘進(jìn)機(jī)性能預(yù)測模型的建立進(jìn)一步探討。
　　提出一種尋找最佳截割條件的方法，根據(jù)截割頭在實(shí)際工況中的設(shè)計(jì)參數(shù)與運(yùn)動(dòng)參數(shù)，確定不同截齒間距和切削深度條件下的試驗(yàn)方案，從而分析截齒間距和切削深度之比對比能耗、截割載荷及粗糙度指數(shù)的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)切削深度一定時(shí)，隨截齒間距增大，截割載荷先增大后趨于平穩(wěn)；比能耗與粗度指數(shù)之間呈反比例指數(shù)關(guān)系，且具有很好的相關(guān)性；分析討

3、論錐形截齒的破巖機(jī)理，將巖石在單齒旋轉(zhuǎn)截割作用下的破碎過程大致分為初始?jí)核閰^(qū)中細(xì)粒巖屑生成、密實(shí)核形成并儲(chǔ)能、各向裂紋的擴(kuò)展與連通、斷裂體崩落、二次壓碎區(qū)中細(xì)粒巖屑生成五個(gè)階段，且斷裂體的形成是以拉伸為主并伴隨著擠壓和剪切的共同作用。
　　根據(jù)單齒旋轉(zhuǎn)破巖的試驗(yàn)研究，探討了不同齒尖材料錐形截齒的磨損特性。利用高速攝像機(jī)和紅外熱像儀對三種截齒的截割過程進(jìn)行監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，合金鋼截齒和帶有鎳基耐磨涂層的合金鋼截齒出現(xiàn)明顯火花，高溫作用使截齒

4、硬度降低，易發(fā)生磨損，說明熱疲勞磨損是截齒失效的重要影響因素。結(jié)果表明，硬質(zhì)合金截齒、合金鋼截齒及帶有鎳基耐磨涂層截齒的質(zhì)量損失依次為0.07％，0.28%和0.22%，硬質(zhì)合金耐磨性優(yōu)勢突出，堆焊耐磨涂層對截齒有一定的保護(hù)作用。
　　根據(jù)以往研究者的線性截割試驗(yàn)和本文的旋轉(zhuǎn)截割試驗(yàn)，采用顆粒流離散元軟件PFC3D進(jìn)行巖石截割過程的數(shù)值模擬研究。首先對不同截割模式下的巖石顆粒體進(jìn)行模擬截割試驗(yàn)，結(jié)果表明，截齒相互作用可有效降低破巖

5、截齒的載荷大小，另外，拉伸失效的斷裂數(shù)目是剪切失效斷裂數(shù)目的3倍，從細(xì)觀角度證明巖石的拉伸斷裂失效占主導(dǎo)地位。其次，建立代表旋轉(zhuǎn)截割試驗(yàn)用砂巖的顆粒體模型，分別進(jìn)行不同截齒間距和截齒磨損前后的模擬截割試驗(yàn)，再現(xiàn)了不同截齒間距條件下的巖石破壞效果。結(jié)果表明，離散元方法獲得的截割載荷與試驗(yàn)方法測定結(jié)果接近，并可對截割比能耗進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。
　　根據(jù)N.Bilgin提出的截割力預(yù)測公式，提出一個(gè)新的掘進(jìn)機(jī)性能預(yù)測模型。按照EBZ260W縱

6、軸式掘進(jìn)機(jī)截割頭設(shè)計(jì)制造參數(shù)、各截齒與巖石接觸的先后次序及切屑厚度變化規(guī)律編制模擬程序，并對人工巖壁截割試驗(yàn)各工況進(jìn)行模擬計(jì)算。結(jié)果表明，模型預(yù)測結(jié)果與人工巖壁試驗(yàn)及現(xiàn)場試驗(yàn)得到的瞬間截割率平均值很吻合。同時(shí)，在不同巖石單軸抗壓強(qiáng)度下，模擬計(jì)算得到的瞬時(shí)截割率也得到了相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式的驗(yàn)證。
　　針對掘進(jìn)機(jī)開采硬巖時(shí)截割頭嚴(yán)重磨損這一難題，本文對錐形截齒破巖機(jī)理、不同截齒間距和切削深度之比對破巖效果的影響及截齒磨損特性展開大量試驗(yàn)研究