掘进机截齿截割硬岩的试验与数值模拟研究

【摘要】：采用掘进机开挖煤岩巷道是一种高效、连续、经济的方法,在采矿和岩土工程中的应用很有优越性。长期以来,国内外学者围绕机械刀具破碎硬岩的问题,从理论分析、数值模拟和试验三方面展开深入研究,并取得诸多成果,然而仍有许多问题亟待完善。如截齿破岩机理失效模式说法不一;截割头性能预测模型应用的局限性;多种数值方法应用于刀具破岩模拟,其中颗粒流离散元方法优势突出,但岩石-刀具模型过于简化;以往的试验研究主要在线性截割试验装置上进行,与实际工况不符等。针对上述问题,本文将对截齿破岩机理、单齿旋转截割试验和数值模拟及掘进机性能预测模型的建立进一步探讨。提出一种寻找最佳截割条件的方法,根据截割头在实际工况中的设计参数与运动参数,确定不同截齿间距和切削深度条件下的试验方案,从而分析截齿间距和切削深度之比对比能耗、截割载荷及粗糙度指数的影响规律。试验结果表明,当切削深度一定时,随截齿间距增大,截割载荷先增大后趋于平稳;比能耗与粗度指数之间呈反比例指数关系,且具有很好的相关性;分析讨论锥形截齿的破岩机理,将岩石在单齿旋转截割作用下的破碎过程大致分为初始压碎区中细粒岩屑生成、密实核形成并储能、各向裂纹的扩展与连通、断裂体崩落、二次压碎区中细粒岩屑生成五个阶段,且断裂体的形成是以拉伸为主并伴随着挤压和剪切的共同作用。根据单齿旋转破岩的试验研究,探讨了不同齿尖材料锥形截齿的磨损特性。利用高速摄像机和红外热像仪对三种截齿的截割过程进行监测发现,合金钢截齿和带有镍基耐磨涂层的合金钢截齿出现明显火花,高温作用使截齿硬度降低,易发生磨损,说明热疲劳磨损是截齿失效的重要影响因素。结果表明,硬质合金截齿、合金钢截齿及带有镍基耐磨涂层截齿的质量损失依次为0.07%,0.28%和0.22%,硬质合金耐磨性优势突出,堆焊耐磨涂层对截齿有一定的保护作用。根据以往研究者的线性截割试验和本文的旋转截割试验,采用颗粒流离散元软件pfc3d进行岩石截割过程的数值模拟研究。首先对不同截割模式下的岩石颗粒体进行模拟截割试验,结果表明,截齿相互作用可有效降低破岩截齿的载荷大小,另外,拉伸失效的断裂数目是剪切失效断裂数目的3倍,从细观角度证明岩石的拉伸断裂失效占主导地位。其次,建立代表旋转截割试验用砂岩的颗粒体模型,分别进行不同截齿间距和截齿磨损前后的模拟截割试验,再现了不同截齿间距条件下的岩石破坏效果。结果表明,离散元方法获得的截割载荷与试验方法测定结果接近,并可对截割比能耗进行准确预测。根据n.bilgin提出的截割力预测公式,提出一个新的掘进机性能预测模型。按照ebz260w纵轴式掘进机截割头设计制造参数、各截齿与岩石接触的先后次序及切屑厚度变化规律编制模拟程序,并对人工岩壁截割试验各工况进行模拟计算。结果表明,模型预测结果与人工岩壁试验及现场试验得到的瞬间截割率平均值很吻合。同时,在不同岩石单轴抗压强度下,模拟计算得到的瞬时截割率也得到了相关经验公式的验证。针对掘进机开采硬岩时截割头严重磨损这一难题,本文对锥形截齿破岩机理、不同截齿间距和切削深度之比对破岩效果的影响及截齿磨损特性展开大量试验研究和数值模拟分析,并提出一个新的截割头性能预测模型。采用理论、试验和数值模拟相结合的方法可经济有效的进行截割头的优化设计,具有一定的工程指导意义。