高壓水射流截割頭破巖性能及動力學研究.pdf

1、為實現(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。薄煤層巷道掘進需要截割煤層的頂?shù)装?，導致掘進機可靠性低、效率低，巷道斷面利用率低，掘進成本高。研究新的巖石截割方法，減小掘進機體積和重量，提高掘進機破巖能力，對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象，利用理論和數(shù)值分析方法研究高壓水射流沖擊和機械刀具破巖過程，對所

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

3、強度因子的線性疊加性，求解水射流輔助機械刀具破巖時裂紋尖端I型強度因子，建立了水射流輔助機械刀具破巖條件下切削力和切削力降低百分比力學模型。
　　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，沖擊點附近的粉碎區(qū)形成由剪應力主導，放射性裂紋萌生、擴展由拉應力主導。壓縮應力波在自由邊界反射會誘發(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、流法建立了機械刀具破巖數(shù)值模型，模擬研究了巖石在機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、放射性裂紋擴展及碎片形成三個階段。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)水的密封和機械刀具破巖，因此在水射流輔助機械刀具破巖設計時應盡量維持機械刀具的銳利性。
　　根據(jù)截割頭破巖工況和試驗要求，設計了截割頭破巖試驗臺的傳動系統(tǒng)及參數(shù)測量、采集系統(tǒng)，并編制了

5、相關(guān)信號的采集程序軟件。研制了后置式多級高壓水旋轉(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相似條件、應力相似條件、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研究提供了可靠的破碎對象。
　　在水射流截割頭破巖試驗臺上，對不同強度煤巖、水射流輔助機械刀具破巖方式、水射流參數(shù)等

6、條件下截割頭破巖進行試驗，采用扭矩、推進阻力、破巖比能耗及鉆進深度等衡量水射流截割頭破巖性能。煤巖抗壓強度小于水射流壓力時，水射流截割頭I和III可以明顯地降低截割頭扭矩、推進阻力及比能耗等，但水射流輔助作用下截割頭 II破巖性能未得到增強。煤巖抗壓強度大于水射流壓力時，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，未影響機械截齒的破巖能力，該種形式截割頭對

7、不同性質(zhì)煤巖的適應性好，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。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，對不同條件下截割扭矩的相空間軌跡和李雅普諾夫指數(shù)等進行分析研究，結(jié)果表明破巖系統(tǒng)具有混沌動力學特征。水射流輔助破巖效果較好時，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制。NARX神經(jīng)網(wǎng)絡能夠精確地模擬和有效地預測截割扭矩變化特征，可以為掘進機截割電機的高效運行控制提供依據(jù)。
　　在建立截割頭和煤巖耦合動力學方程基礎上，引入Heaviside函數(shù)建立了統(tǒng)一的動力學系統(tǒng)微分方程。采用四階龍格—庫塔法對不同參數(shù)條件下破巖系統(tǒng)的動力學行為進行求解，結(jié)果表明破巖系統(tǒng)可能處于周期運動或混沌運動狀態(tài)。截割頭處于周期運動時破巖效率高，而處于混沌