高壓水射流截割頭破巖性能及動(dòng)力學(xué)研究.pdf

1、為實(shí)現(xiàn)煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，以前很少、甚至不開采的難開采煤層，如夾矸、含硬包裹體等煤層也必須開采，其中薄煤層占有很大的比例。薄煤層巷道掘進(jìn)需要截割煤層的頂?shù)装?，?dǎo)致掘進(jìn)機(jī)可靠性低、效率低，巷道斷面利用率低，掘進(jìn)成本高。研究新的巖石截割方法，減小掘進(jìn)機(jī)體積和重量，提高掘進(jìn)機(jī)破巖能力，對(duì)薄煤層半煤巖巷道的高效施工及煤炭資源回收有極其重要的意義。本文以高壓水射流截割頭為研究對(duì)象，利用理論和數(shù)值分析方法研究高壓水射流沖擊和機(jī)械刀具破巖過程，對(duì)所

2、研制水射流截割頭的破巖性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，并利用非線性理論系統(tǒng)地研究了截割頭破巖過程的動(dòng)力學(xué)行為，為高壓水射流掘進(jìn)機(jī)工業(yè)應(yīng)用提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。
　　以巖石斷裂力學(xué)和布辛奈斯克問題解為基礎(chǔ)，建立了機(jī)械刀具破巖的理論模型。根據(jù)彈性波動(dòng)力學(xué)理論，得到巖石在水射流沖擊載荷作用下徑向、切向及剪切動(dòng)應(yīng)力與水射流參數(shù)之間的關(guān)系，并采用巖石動(dòng)態(tài)拉伸和剪切失效準(zhǔn)則建立了巖石粉碎區(qū)和損傷區(qū)范圍的力學(xué)模型。根據(jù)所建立的機(jī)械刀具破巖理論模型，采用裂紋尖端

3、強(qiáng)度因子的線性疊加性，求解水射流輔助機(jī)械刀具破巖時(shí)裂紋尖端I型強(qiáng)度因子，建立了水射流輔助機(jī)械刀具破巖條件下切削力和切削力降低百分比力學(xué)模型。
　　采用SPH/FEM耦合方法建立了水射流沖擊破巖數(shù)值模型，模擬研究了巖石在水射流沖擊載荷作用下的破壞過程。巖石破壞受到剪切和拉伸共同作用，沖擊點(diǎn)附近的粉碎區(qū)形成由剪應(yīng)力主導(dǎo)，放射性裂紋萌生、擴(kuò)展由拉應(yīng)力主導(dǎo)。壓縮應(yīng)力波在自由邊界反射會(huì)誘發(fā)形成層狀裂紋，提高了水射流沖擊破碎巖石程度。采用顆粒

4、流法建立了機(jī)械刀具破巖數(shù)值模型，模擬研究了巖石在機(jī)械刀具作用下的破壞過程，結(jié)果表明：巖石破壞分為裂紋萌生、粉碎區(qū)和放射性裂紋形成、放射性裂紋擴(kuò)展及碎片形成三個(gè)階段。隨著刀具銳利性降低，粉碎區(qū)增大，切削力增大，放射性裂紋增多，碎片塊度降低，不利于裂縫內(nèi)水的密封和機(jī)械刀具破巖，因此在水射流輔助機(jī)械刀具破巖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量維持機(jī)械刀具的銳利性。
　　根據(jù)截割頭破巖工況和試驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)了截割頭破巖試驗(yàn)臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)及參數(shù)測(cè)量、采集系統(tǒng)，并編制了

5、相關(guān)信號(hào)的采集程序軟件。研制了后置式多級(jí)高壓水旋轉(zhuǎn)密封裝置，提高了密封裝置的使用壽命且更換方便，為高壓水射流輔助破巖的可靠實(shí)施提供支持。根據(jù)煤巖截割破壞過程和特征，建立了模擬煤巖的力學(xué)相似條件、應(yīng)力相似條件、變形相似條件及破壞相似條件，采用水泥、石膏和河砂為原材料制備不同配比的人工煤巖相似材料，為水射流截割頭破巖試驗(yàn)研究提供了可靠的破碎對(duì)象。
　　在水射流截割頭破巖試驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)不同強(qiáng)度煤巖、水射流輔助機(jī)械刀具破巖方式、水射流參數(shù)等

6、條件下截割頭破巖進(jìn)行試驗(yàn)，采用扭矩、推進(jìn)阻力、破巖比能耗及鉆進(jìn)深度等衡量水射流截割頭破巖性能。煤巖抗壓強(qiáng)度小于水射流壓力時(shí)，水射流截割頭I和III可以明顯地降低截割頭扭矩、推進(jìn)阻力及比能耗等，但水射流輔助作用下截割頭 II破巖性能未得到增強(qiáng)。煤巖抗壓強(qiáng)度大于水射流壓力時(shí)，水射流輔助作用在一定程度上可以提高截割頭III破巖性能，而水射流截割頭I破巖性能未得到提升。截割頭III中水射流采用外置方式，未影響機(jī)械截齒的破巖能力，該種形式截割頭對(duì)

7、不同性質(zhì)煤巖的適應(yīng)性好，它具有更好的破巖性能，且水射流輔助壓力越高截割頭 III破巖能力越強(qiáng)。合金頭作為水射流噴嘴限制了截齒旋轉(zhuǎn)，截齒磨損率急劇增大，截齒使用壽命下降。此外，水射流輔助作用下截割頭鉆進(jìn)煤巖產(chǎn)生的粉塵量明顯降低。
　　以相空間重構(gòu)理論、關(guān)聯(lián)積分及Wolf法為基礎(chǔ)，對(duì)不同條件下截割扭矩的相空間軌跡和李雅普諾夫指數(shù)等進(jìn)行分析研究，結(jié)果表明破巖系統(tǒng)具有混沌動(dòng)力學(xué)特征。水射流輔助破巖效果較好時(shí)，截割扭矩的最大李雅普諾夫指數(shù)變

8、化較大，說明此條件下水射流輔助作用在一定程度上可以改變截割頭破巖機(jī)制。NARX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠精確地模擬和有效地預(yù)測(cè)截割扭矩變化特征，可以為掘進(jìn)機(jī)截割電機(jī)的高效運(yùn)行控制提供依據(jù)。
　　在建立截割頭和煤巖耦合動(dòng)力學(xué)方程基礎(chǔ)上，引入Heaviside函數(shù)建立了統(tǒng)一的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)微分方程。采用四階龍格—庫塔法對(duì)不同參數(shù)條件下破巖系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行求解，結(jié)果表明破巖系統(tǒng)可能處于周期運(yùn)動(dòng)或混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。截割頭處于周期運(yùn)動(dòng)時(shí)破巖效率高，而處于混沌