碟盘刀具振动切削煤岩的理论力学模型与载荷特性

针对煤岩机械刀具破碎煤岩寿命和效率低的问题,提出一种具有轴向振动与径向切削破碎煤岩的方法,为探明碟盘刀具在轴向振动与径向切削破碎煤岩的力学特性,通过分析煤岩崩落面积、当量崩落角、载荷的集中力及其作用位置角,以单位断裂面上受力极限强度和最小能量法的准则,构建碟盘刀具破碎煤岩力学模型。基于扩展线性Drucker-Prager塑性本构模型,采用ABAQUS软件模拟碟盘刀具破碎煤岩的应力云图和载荷特性,在振动切削试验台上通过设定振动频率和振幅等参数测试不同切削厚度下的碟盘刀具破碎煤岩的载荷谱,提取数值模拟和试验碟盘刀具破碎煤岩的载荷特征,对比分析理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值和数值模拟峰值的均值。结果表明:碟盘刀具破碎煤岩的破裂范围呈现月牙状,由中间向两侧递减;振动切削煤岩时其径向载荷明显小于单作用径向切削煤岩的载荷;碟盘刀具在轴向振动与径向切削时不同切削厚度径向载荷理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值的平均误差为9.12%,与试验载荷峰值均值的平均误差为4.88%;轴向载荷理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值的平均误差为9.25%,与试验载荷峰值均值的平均误差为8.34%。通过数值模拟和试验研究验证了碟盘刀具理论模型的准确性。     

碟盘刀具轴向振动破碎煤岩载荷模拟与粉碎量研究

为提高煤岩的破碎效果,利用ABAQUS有限元软件分析一种碟盘刀具破碎煤岩的载荷特性,在切削厚度为14～30 mm的工况下分别进行碟盘刀具轴向振动与径向切削和径向单作用破碎煤岩的仿真试验,采用数值统计和分形比例系数的方法分析碟盘刀具破碎煤岩的载荷谱。结果表明:在碟盘刀具楔面角度为45°时、切削厚度14～30 mm的范围,无轴向振动的碟盘刀具破碎煤岩的径向载荷峰极大值与峰均值比有轴向振动情况下的大6.2%、8.4%,从数值模拟应力云图可看出,施加轴向振动的碟盘刀具破碎煤岩时其楔面对煤岩的应力影响范围更广,计算径向载荷谱的分形比例系数可知,无轴向振动的分形比例系数比有轴向振动条件下的大20.5%～67.5%,说明有轴向振动下更有利于煤岩的大块崩落。该研究可为碟盘刀具的深入研究及工程实际应用提供参考。     

轴向振动截割下碟盘刀刃与煤岩作用机制及其载荷模型

针对现有刀具截割复杂地质条件煤岩(尤其截割硬岩时)损耗高、效率低和易磨损等问题，提出了具有截-楔效应的碟盘刀具复合振动截割破碎煤岩的方法，碟盘刀具径向进给与不同振动形式和姿态来实现复合截割破碎煤岩。以碟盘刀刃为研究对象研究轴向振动截割对煤岩损伤破坏的力学特性，基于剪切破碎理论给出刀刃作用载荷破坏煤岩条件以及刀刃轴向向下振动、向上振动和径向截割煤岩时等效集中载荷的计算方法，采用位移应变等效力合成的方法建立刀刃结构参数与载荷关联模型，模拟研究其径向单作用截割和轴向振动复合截割工况下破碎煤岩的载荷特性，研究碟盘刀具在有振和无振的实验条件下破碎煤岩载荷，对比分析了刀刃载荷的理论计算、数值模拟与实验。结果表明：碟盘刀刃对煤岩的损伤区域面积由中间向两侧逐渐递减与数值模拟应力云图相吻合；振动截割条件下数值模拟和实验的刀刃径向载荷均小于无振条件下的载荷值；轴向振动截割下其数值模拟和实验载荷均与轴向振动位移呈现明显的周期波动规律，且存在超前相位差，径向与轴向载荷幅值与振动位移幅值非同时性，其相位差随振动频率增大而减小；随着截割厚度增大，碟盘刀具径向载荷理论值、模拟值与实验值呈现递增变化规律相吻合，且其误...     

截楔刀齿振动切削破岩载荷特性的数值模拟

为研究碟盘刀具在轴向振动和径向切削复合破岩过程中应力的分布情况及载荷特性,以单个截楔刀齿作为等效分析对象,采用ABAQUS软件建立截楔刀齿等效模型,模拟刀齿破岩过程,分析不同结构下刀齿的应力云图和载荷曲线。结果表明:齿尖部分所受应力远大于齿体部分,且齿体与齿尖所受应力最大值均与刀齿楔面角度正相关;楔入深度增加,应力分布区域由齿体向齿尖处集中。径向载荷的峰值和均值均与齿尖等效半径正相关,且大于轴向载荷的峰值和均值;轴向向下载荷峰值与等效半径正相关,向上载荷峰值和径向载荷均值则负相关;轴向载荷均值受等效半径影响较小。该研究为新型破岩刀具的设计提供了理论依据。     

边缘牙齿形碟盘破碎煤岩的力学机理及其模型

为提高煤岩的破碎效率与破碎能力,介绍一种具有楔劈特征的边缘牙齿形碟盘轴向振动与径向切削破碎煤岩的方法。采用抗压、抗剪等不同阶段主导作用相结合的力学方法,分析牙齿宽度对煤岩在挤压、压裂和破碎各阶段,以及由碟盘楔面倾角楔劈作用下大块煤岩崩落各过程的力学关系;运用复合作用效应的叠加原理,建立了各工况下破碎煤岩的力学模型,揭示边缘牙齿碟盘破碎煤岩的力学机理。研究表明:在煤岩由初期压馈小岩坑的形成、裂纹的产生、贯通直至由碟盘楔面楔劈作用下大块煤岩崩落过程力学描述的基础上,得到了碟盘径向与轴向载荷与碟盘结构参数,以及煤岩破碎相关联参数的数学模型;得出复合轴向向上运动方式有利于破碎煤岩依据;碟盘刀具径向与轴向载荷均随切削厚度的增加而增加,单切削作用时理论模型径向和轴向与数值模拟计算结果相差11%和4%,复合作用时理论模型径向和轴向与数值模拟计算结果相差3%和18%,验证了理论计算与数值模拟其载荷随破碎煤岩厚度等参数的变化规律具有一致性。该研究为高效率、高破碎能力的破碎机构研制提供了理论参考。     

含夹矸煤岩截齿安装角对截割力的影响研究

为研究含夹矸煤岩截齿安装角度对截割力影响，运用Pro/E构建镐型截齿和含夹矸煤岩的三维模型，采用ABAQUS有限元软件对截齿截割含夹矸煤岩动态过程进行数值模拟，分析不同截齿安装角度下的应力云图与载荷曲线。结果表明：截齿最大截割力出现在最大切削厚度处附近，改变截齿安装角度，对截齿截割力影响较小；随着截齿安装角的增大，截割力均值和截割力峰值均值呈现先减小后增大的趋势。随牵引速度增大，截齿截割力均值、截割力峰值均值呈增加趋势，该研究为调整截齿安装角来提高截齿破碎性能奠定基础。     

煤岩样力学参数下碟盘刀齿破岩数值模拟

为研究煤岩模拟材料的力学性能参数,将煤、水泥按比例配制,进行单轴压缩试验,依据测得的煤岩样参数进行破碎煤岩的数值模拟试验。结果表明:随着配比的增加,抗压强度呈指数关系下降,力学参数下所得振动切削煤岩的Mises应力影响比径向切削的范围更广,并且振动切削的径向载荷比径向单作用切削情况下小17%。该研究为后期截割材料的制作以及截割试验的进行奠定了基础。     

含瓦斯煤岩蠕变渗流耦合试验研究

应用自行设计的CSCG-160型重力液压恒载蠕变渗流试验系统,进行了煤样蠕变渗流特性试验,研究煤体蠕变过程中变形和渗流特性,并将试验结果与数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明:煤岩蠕变特性明显,蠕变载荷较小时,煤岩呈现衰减蠕变,较高的蠕变载荷水平下煤岩具有典型的蠕变3阶段;煤岩试样的环向应变随轴向应变的增大而增大,体积应变随轴向应变的增加呈现先增大后减小的趋势;煤岩渗透率随时间变化的曲线与煤岩蠕变试验曲线的变化趋势一致,煤岩的渗透率随蠕变载荷水平的增加而增大;煤岩蠕变过程的渗透率随轴向应变的增大而增大,渗透率增加的速率也随着轴向应变的增大而增大。     

难采煤岩的高效破碎方法研究

针对我国难采煤岩比例日渐上升,传统煤岩开采方法效率低下的问题,开展了难采煤岩的高效破碎方法综述研究。首先按照工作原理分类,将现有的煤岩高效破碎技术分为纯射流破煤岩、射流辅助机械破煤岩、冲击截齿辅助破煤岩、碟盘刀具破煤岩、激光破煤岩、钻孔胀裂剂破煤岩,阐述了各煤岩破碎技术的工作原理,并初步总结了各技术的优势。其次综述了各煤岩破碎方法的研究现状,对当前国内研究基础进行了概括,并根据现有研究分析了各技术的局限性,通过建立的局限度指标,对不同煤岩破碎技术的局限性做出了评价,其中射流破煤岩局限度最低,激光破煤岩最高,冲击截齿辅助破煤岩、碟盘刀具破煤岩与钻孔胀裂剂破煤岩,在忽略理论局限指标基础上与射流破煤岩的局限度相同,具有同样的工程应用价值与理论研究价值。最后对我国难采煤岩破碎技术的未来发展趋势进行了分析,在考虑到国内煤岩地质条件向深部开采与难采煤岩发展的趋势基础上,提出了“高地应力的克服或利用”“黏性煤岩的黏度预防或黏度失效”2个发展构想,另外考虑到我国物联网的发展与智能化开采的不断完善,提出了我国难采煤岩破碎技术的未来发展趋势与传统技术发展过程不同,是多种煤岩破碎技术并存且相互联合的构想,从而实现薄煤层、硬质煤层、高瓦斯煤层等其他复杂赋存条件下各种煤岩破碎技术的联合工作。     

采煤机滚筒端盘截齿角对截割载荷特性的影响

以采煤机滚筒端盘截齿为研究对象,应用非线性仿真软件ABAQUS建立端盘截齿与煤岩的刚柔耦合模型,利用模型的动态仿真过程,研究了截齿载荷随3种轴向倾斜角和二次旋转角不同的变化规律。研究表明:截齿截割瞬间,截割阻力随着轴向倾斜角和二次旋转角的增大而增加,牵引阻力和侧向阻力变化平稳。     

截齿破碎煤岩侧向载荷分布特性研究

为探求不同类型镐型截齿破碎煤岩侧向载荷分布规律,实现低能耗、高效破碎煤岩,利用多截齿参数可调式旋转截割实验台,采用锐齿、棱齿和钝齿分别开展破碎煤岩测试实验研究,应用概率论与数理统计分析方法,给出不同类型截齿破碎煤岩侧向载荷的分布特性。结果表明:在实验研究范围内,三种截齿侧向载荷呈正负交替的变化趋势均较显著。棱齿侧向载荷负向波动较为明显。侧向载荷统计特征服从正态分布规律,分布特点可表征煤岩体的崩落状况。     

动静载荷耦合作用下PDC刀具的失效机理

运用应力波理论分析了冲击-静压切削模式下PDC刀具的破损机理，得出了冲击应力波的幅值、入射角（刀具侵入角）、刀-岩接触间隙，以及在接触面上的多次透、反射造成加载-卸载-再加载的循环，对破岩效果和PDC刀具破坏有很大影响.在自行研制的动静态多功能岩石破碎试验台上，以砂浆块和花岗岩为试验对象进行了冲击-静压切削破岩试验.结果表明：在硬岩破碎中，PDC刀具的破坏模式主要是轴向崩裂、冲击压碎和径向崩裂3种；施加一定的静压可使刃面与岩面充分接触，有利于应力波的传播，从而提高破岩效果和PDC刀具的使用寿命.     

大粒径破碎岩石承压变形特性

为研究大粒径破碎岩石承压变形特性,研制了大尺寸破碎岩石承压变形试验系统,选取某矿区典型顶板砂岩,考虑垮落区破碎岩石粒径的分布特征和受力状态,进行了正态分布的粒径级配和梯形分级加载试验。试验表明:随轴向载荷增加,破碎岩石轴向变形逐渐增大,残余碎胀系数和空隙率逐渐减小,加载较恒载阶段尤为明显;恒载初期,轴向应变增长较快,而后逐渐变缓并趋于平稳,应变时间历程呈现对数关系;加载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值呈现先减小后增大,恒载阶段,随载荷增大,破碎岩石试样轴向应变差值则呈现先增大后减小;破碎岩石承压后的变形分为瞬时压缩变形和长期压缩变形两个阶段,主要由颗粒位置调整、原始或新生小颗粒滑动填充空隙引起的;破碎砂岩试样以粒径15~20 mm为承压变形过程中的稳定粒径,试验后,粒径15 mm的含量均有增加,粒径20 mm的含量则均有减小,为破碎砂岩试样总质量的16.76%。     

反井钻机球形镶齿滚刀破岩数值分析

利用有限元软件,建立球形镶齿滚刀三维数值模型,分析了滚刀破岩原理、岩石应力和滚刀受力情况,研究了刀齿间距和刀齿排距对滚刀破岩效果的影响,得到了滚刀结构参数与岩石破碎特性的规律。数值模拟结果表明:1滚刀破岩力具有明显的阶跃特征,从而证实了岩石的跃进破碎特性。2刀齿间距较大时,破岩比能变化较小;破岩比能总体随刀齿间距的减小而减小。3破岩比能随刀齿排距的增加,先减小,后增大。在35~45mm范围内,球形镶齿滚刀排距存在1个最佳值。     

载荷谱细观特征量与截割性能评价的熵模型

为研究煤岩截割破碎载荷谱特征及性能的评价方法,通过对实验瞬态载荷谱及其细观特征量的提取,提出载荷谱能量积聚段梯度、幅值增量和能量的3种特征量的算法,给出载荷谱细观特征推演宏观截割性能评价的数学描述,采用熵理论对载荷谱进行关联性分析,建立了载荷谱特征量熵和综合加权熵的数学模型,以截齿截割煤岩的力学过程为例,在时域范畴内探讨不同滚筒转速的煤岩破碎载荷谱特征及效果。结果表明:在最大切削厚度相同的条件下,载荷谱熵随转速增大呈增大的变化规律,随转速的增大,载荷谱序列的无序度随之增大,表征煤岩破碎程度和粉尘量的相对变化趋势,载荷谱特征量熵和综合加权熵与比能耗和破碎程度等性能指标间呈正相关性。提出的载荷谱熵模型与算法可作为截割性能评价的一种有效方法。     

复合锥单牙轮钻头牙齿磨损研究

复合锥单牙轮钻头是基于球形单牙轮钻头的新型单牙轮钻头，其独特破岩方式能提高钻头效率。但现场试验发现，钻头牙轮小端一侧切削齿和保径齿磨损严重，牙轮大端切削齿和保径齿基本没有磨损，导致整个钻头钻进速度降低。为弄清偏磨机理，通过有限元分析方法对钻头各齿圈牙齿载荷变化规律进行了分析，并分析了各齿圈牙齿的切削轨迹形状和牙齿与岩石的接触时间。结果表明：牙轮大端的牙齿载荷大于牙轮小端的牙齿载荷，但牙轮小端牙齿与岩石的接触时间更长。综合分析牙齿破岩时间和牙齿轴向载荷，理论上⑥号齿圈牙齿磨损应该最小。现场试验结果表明：不但⑥号齿圈磨损较小，①、④、⑤号齿圈的磨损更小；钻头一侧保径齿磨损严重，且⑦、⑧号齿圈磨损严重，根据研究结果分析认为钻头钻进过程中向井壁一侧发生倾斜，导致钻头一侧切削齿和保径齿磨损严重。     

小波分解重构截齿载荷谱的幅值关联性与分形特征

为了研究截齿截割煤岩载荷谱的特性,采用FFT分析载荷谱频谱特性,利用Db4和Sym5两种小波基对载荷谱分解与重构,提取分解与重构后载荷谱各层高、低频幅值均值,基于分形理论计算2种小波基重构载荷谱各层的盒维数。结果表明:载荷谱的幅值存在稳态值,幅值主要集中在0~5Hz;获得了Db4和Sym5两种小波基下重构各层载荷谱幅值均值拟合曲线,其中第4层幅值均值拟合曲线的最大值与原载荷谱的分别相差0.17%和0.12%,在全域范围内,Db4与Sym5各层低频重构载荷谱更趋近于原载荷谱均值变化规律,可作为一种计算载荷均值的有效方法。通过前一层低频与后一层的高频和低频部分的盒维数线性叠加数学关系以及盒维数叠加误差,可判断小波分解重构的精度。     

孔隙多金属硫化物细观力学和切削载荷特性的数值模拟

为了提高生成矿体网格单元的质量以及求解效率, 利用有限元软件结合APDL语言提出了一种针对孔隙多金属硫化物复杂几何模型的网格优化措施, 实现了整体映射网格与局部自由网格相结合的划分方法;对多金属硫化物受压损伤破坏过程和围压下单截齿切削破碎孔隙矿体过程进行了数值模拟, 分析了孔隙率及孔隙形态对多金属硫化物细观力学行为和切削载荷特性的影响。研究结果表明, 在外载作用下, 海底多金属硫化物矿体孔隙结构密集区域易出现应力集中现象, 同时随着狭长裂隙出现, 应力集中现象更加明显, 从而使矿体更容易失稳破坏;在单截齿切削破碎矿体过程中, 随着孔隙率增加, 矿体破碎过程所需切削载荷有所减小, 并且在矿体由等轴孔隙向狭长孔隙过渡过程中, 应力集中加剧并且切削载荷进一步减小。     

瑞利随机分布下滚筒截割载荷重构算法与数值模拟

为了获得滚筒截割载荷特性曲线,对截齿与滚筒的受力进行了分析研究,得到了截齿轴向阻力与滚筒截割载荷的数值关系,运用自制的多截齿旋转截割煤岩实验设备,进行了截齿截割煤岩实验,得到了截齿三向力曲线,建立了滚筒截割载荷随机载荷曲线重构模型,给出了载荷重构算法,利用测试数据对滚筒截割载荷进行了数值模拟,得到了滚筒截割载荷重构载荷谱。研究结果表明:实验条件下煤岩崩落周期约为0.04 s,滚筒截割载荷数值上大于滚筒上各截齿同一时刻各截割阻力之和;滚筒截割载荷与参与截割的截齿截割阻力峰值、随机分布状态、截齿位置角、煤岩崩落周期及各截齿作用位置有关;所提算法与修正离散正则化算法比较,计算速度提高了约70倍,少样本数据下,该算法精度优于修正离散正则化算法,但重构数据只在重构点处具有真实性;使用改进的FFT算法进行重构曲线数值拟合,与FFT算法相比,计算量减小为原来的1/16,计算速度提高了约27倍,拟合优度相同,均为0.94,拟合曲线在总体趋势上比较平滑,呈现月牙形,与截割厚度变化规律一致,波形特征比较容易辨识,特征值便于判断和提取。研究结果为截齿三向力与滚筒截割载荷的关联提供依据,同时为滚筒截割载荷重构及数值拟合提供高效便捷的算法。     

基于AdvantEdge的钛合金Ti6Al4V的高速铣削有限元仿真

利用专用有限元分析软件AdvantEdge对航空钛合金Ti6Al4V的铣削加工过程进行了二维模拟仿真。采用单因素试验,获得了轴向铣削深度ap、铣削速度vc、每齿进给量fz、径向铣削深度ae对铣削力的影响规律,分析了不同铣削速度下的温度场分布及铣削速度对刀具前、后刀面切削温度的影响规律。研究结果表明,铣削钛合金Ti6Al4V时,建议在条件允许的情况下采用较高的铣削速度、较大的径向铣削深度、较小的轴向铣削深度和每齿进给量。在试验的铣削速度为60~120 m/min内并不存在Salomon所预言的"临界速度"。刀具的温度分布具有明显的梯度变化,最高温度位于前刀面主切削刃附近,距离刀尖0.01~0.02 mm的位置。