高压水射流-截齿联合配置方式及破岩性能研究

摘要

掘进机是煤矿机械化掘进的关键装备,其截齿在截割硬岩过程中受力大、磨损快,导致掘进效率低,进尺成本增加,已经成为影响我国煤炭资源高效开采的重要因素,因此,为提高掘进机截齿在截割坚硬岩体时的适应性和工作高效性,在掌握截齿破岩系统动力学性能和破岩理论的基础上,进行高压水射流-截齿联合配置方式及破岩性能研究,是解决坚硬岩石快速掘进问题,提高综掘机械化程度,并最终实现煤炭资源高效开采的有效途径。本文采用理论分析、仿真和试验相结合的方法,对高压水射流-截齿不同配置方式破岩性能进行研究。
　　论文以机械破岩理论以及水射流破岩理论为基础,对高压水射流-截齿的截割破岩机理进行研究,并研发高压水射流-截齿联合破岩试验台。在考虑岩石抗压强度、密度的基础上,研制试验用岩样,研发中心射流-截齿、前置式射流-截齿、侧置式射流-截齿、后置式射流-截齿四种高压水射流-截齿的配置方式。
　　为验证研发的中心射流-截齿内部流道的可靠性以及研究水射流冲击破岩时岩石的损伤破坏机理,对所研发的中心射流-截齿的内部流道以及水射流冲击破碎岩石的损伤过程进行仿真分析,研究表明,合金头喷嘴结构设计较合理,水射流冲击损伤主要由剪切破坏和拉伸破坏引起,水射流冲击破碎岩石主要集中在冲击点下方,随着水射流压力的增大,水射流的冲击点下方损伤范围逐渐增大。
　　采用SPH粒子法结合FEA有限元法对四种水射流与截齿联合破岩配置方式进行水射流-截齿耦合破岩动力学仿真,分析四种配置方式下联合破岩动态过程以及截齿载荷变化形式,研究不同射流入射角、压力、齿尖与射流冲击点距离、截深等参数对联合破岩截齿载荷的影响,得到不同配置方式破岩过程的岩石拉、压应力以及截齿载荷减小率。
　　在进行不同配置方式仿真分析基础上,对四种配置方式进行试验研究,研究结果表明,高压水射流辅助截齿破岩具有较好的效果,截齿载荷明显减小,从截齿载荷减小率表明四种配置方式最佳为中心射流-截齿,其次是后置式射流-截齿破岩,第三是前置式射流-截齿破岩,辅助效果最差的是侧置式射流-截齿破岩,但后置式射流-截齿存在喷嘴容易损坏等问题。通过试验验证仿真分析的正确性,初步得到了高压水射流-截齿联合破岩不同配置方式的破岩性能,扩充了高压水射流-截齿联合破岩方式,为今后实际工业应用提供参考依据。

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Contents

图清单

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变量注释表

1 绪论

1.1 课题来源(Source of Subject)

1.2 选题背景及研究意义(Background and Significance)

1.3 掘进机截割机构概述(Summarization of Roadheader Cutting Mechanism)

1.4 高压水射流及联合破岩概述(Summarization of High Pressure Water Jet and Combined Breaking Rock)

1.5 国内外研究现状(Research Status at Home and Abroad)

1.6 研究中存在的问题(Existent Problems of Present Research)

1.7 主要研究内容(Main Research Contents)

1.8 本章小结(Summary)

2 岩石特性及破岩理论研究

2.1 岩石力学性质(Mechanical Properties of Rock)

2.2 机械破岩理论(Theory of Mechanical Rock Breaking)

2.3 水射流破岩理论(Theory of Rock Breaking by Water Jet)

2.4 水射流辅助截齿破碎岩石力学分析(Mechanics Analysis of Rock Breaking by Conical Pick Assisted with High Pressure Water Jet)

2.5 本章小结(Summary)

3 水射流-截齿联合破岩实验台的研制

3.1 机械截割系统(Mechanical Cutting System)

3.2 液压系统(Hydraulic System)

3.3 电气控制系统(Electrical Control System)

3.4 高压水系统(High Pressure Water System)

3.5 测试系统(Measurement System)

3.6 岩样配制(Rock Sample Preparation)

3.7 不同配置方式水射流-截齿的研制(Development of Different Configuration Mode Between Water Jet and Pick)

3.8 水射流-截齿联合破岩试验台(Test Bench of Rock Breaking by Pick Assisted with Water Jet)

3.9 本章小结(Summary)

4 高压水射流破岩数值模拟

4.1 合金头喷嘴射流流场结构特性研究(Study on Structural Characteristics of Alloy Head Nozzle Jet Flow Field)

4.2 高压水射流破岩损伤研究(Damage Research of Rock Breaking by High Pressure Water Jet)

4.3 本章小结(Summary)

5 高压水射流-截齿联合破岩仿真研究

5.1 数值模型建立(Building of Numerical Model)

5.2 模型参数(Parameter of Model)

5.3 岩石材料屈服准则(Rock Material Yield Criterion)

5.4 中心射流-截齿破岩数值模拟(Numerical Simulation of Rock Breaking by Water Jet Through Centre of Pick)

5.5 前置式射流-截齿破岩数值模拟(Numerical Simulation of Rock Breaking by Water Jet Placed in Front of Pick)

5.6 侧置式射流-截齿破岩数值模拟(Numerical Simulation of Rock Breaking by Water Jet Placed on Side of Pick)

5.7 后置式射流-截齿破岩数值模拟(Numerical Simulation of Rock Breaking by Water Jet Placed at Back of Pick)

5.8 不同配置方式对比分析(Comparative Analysis of Different Configurations)

5.9 本章小结(Summary)

6 高压水射流-截齿不同配置方式联合破岩实验研究6 Experiment Research on Rock Breaking by Pick Assisted with Water Jet under Different Configuration Mode

6.1 实验目的及内容(Purpose and Content of Experiments)

6.2 中心射流-截齿联合破岩实验方案及分析(Experiment Scheme and Analysis of Rock breaking by Jet Through Centre of Pick )

6.3 前置式射流-截齿联合破岩实验方案及分析(Experiment Scheme and Analysis of Rock breaking by Jet Placed in Front of Pick)

6.4 侧置式射流-截齿联合破岩实验方案及分析(Experiment Scheme and Analysis of Rock breaking by Jet Placed on side of Pick)

6.5 后置式射流-截齿联合破岩实验方案及分析(Experiment Scheme and Analysis of Rock breaking by Jet Placed at back of Pick)

6.6 不同配置方式对比分析(Comparative Analysis of Different Configuration Mode)

6.7 本章小结(Summary)

7 结论与展望

7.1 结论(Conclusions)

7.2 展望(Prospects)

参考文献

作者简历

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