掘進機截齒截割硬巖的試驗與數(shù)值模擬研究.pdf

1、采用掘進機開挖煤巖巷道是一種高效、連續(xù)、經濟的方法，在采礦和巖土工程中的應用很有優(yōu)越性。長期以來，國內外學者圍繞機械刀具破碎硬巖的問題，從理論分析、數(shù)值模擬和試驗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。如截齒破巖機理失效模式說法不一；截割頭性能預測模型應用的局限性；多種數(shù)值方法應用于刀具破巖模擬，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；以往的試驗研究主要在線性截割試驗裝置上進行，與實際工況不符等。針

2、對上述問題，本文將對截齒破巖機理、單齒旋轉截割試驗和數(shù)值模擬及掘進機性能預測模型的建立進一步探討。
　　提出一種尋找最佳截割條件的方法，根據(jù)截割頭在實際工況中的設計參數(shù)與運動參數(shù)，確定不同截齒間距和切削深度條件下的試驗方案，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。試驗結果表明，當切削深度一定時，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)關系，且具有很好的相關性；分析討

3、論錐形截齒的破巖機理，將巖石在單齒旋轉截割作用下的破碎過程大致分為初始壓碎區(qū)中細粒巖屑生成、密實核形成并儲能、各向裂紋的擴展與連通、斷裂體崩落、二次壓碎區(qū)中細粒巖屑生成五個階段，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)單齒旋轉破巖的試驗研究，探討了不同齒尖材料錐形截齒的磨損特性。利用高速攝像機和紅外熱像儀對三種截齒的截割過程進行監(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。結果表明，硬質合金截齒、合金鋼截齒及帶有鎳基耐磨涂層截齒的質量損失依次為0.07％，0.28%和0.22%，硬質合金耐磨性優(yōu)勢突出，堆焊耐磨涂層對截齒有一定的保護作用。
　　根據(jù)以往研究者的線性截割試驗和本文的旋轉截割試驗，采用顆粒流離散元軟件PFC3D進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行模擬截割試驗，結果表明，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，從細觀角度證明巖石的拉伸斷裂失效占主導地位。其次，建立代表旋轉截割試驗用砂巖的顆粒體模型，分別進行不同截齒間距和截齒磨損前后的模擬截割試驗，再現(xiàn)了不同截齒間距條件下的巖石破壞效果。結果表明，離散元方法獲得的截割載荷與試驗方法測定結果接近，并可對截割比能耗進行準確預測。
　　根據(jù)N.Bilgin提出的截割力預測公式，提出一個新的掘進機性能預測模型。按照EBZ260W縱

6、軸式掘進機截割頭設計制造參數(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各工況進行模擬計算。結果表明，模型預測結果與人工巖壁試驗及現(xiàn)場試驗得到的瞬間截割率平均值很吻合。同時，在不同巖石單軸抗壓強度下，模擬計算得到的瞬時截割率也得到了相關經驗公式的驗證。
　　針對掘進機開采硬巖時截割頭嚴重磨損這一難題，本文對錐形截齒破巖機理、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研究