本文關(guān)鍵詞：高壓水射流截割頭破巖性能及動(dòng)力學(xué)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：為實(shí)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(jìn)需要截割煤層的頂?shù)装?導(dǎo)致掘進(jìn)機(jī)可靠性低、效率低,巷道斷面利用率低,掘進(jìn)成本高。研究新的巖石截割方法,減小掘進(jìn)機(jī)體積和重量,提高掘進(jìn)機(jī)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(jī)械刀具破巖過程,對所研制水射流截割頭的破巖性能進(jìn)行試驗(yàn)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(dòng)力學(xué)行為,為高壓水射流掘進(jìn)機(jī)工業(yè)應(yīng)用提供理論和試驗(yàn)依據(jù)。以巖石斷裂力學(xué)和布辛奈斯克問題解為基礎(chǔ),建立了機(jī)械刀具破巖的理論模型。根據(jù)彈性波動(dòng)力學(xué)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(dòng)應(yīng)力與水射流參數(shù)之間的關(guān)系,并采用巖石動(dòng)態(tài)拉伸和剪切失效準(zhǔn)則建立了巖石粉碎區(qū)和損傷區(qū)范圍的力學(xué)模型。根據(jù)所建立的機(jī)械刀具破巖理論模型,采用裂紋尖端強(qiáng)度因子的線性疊加性,求解水射流輔助機(jī)械刀具破巖時(shí)裂紋尖端I型強(qiáng)度因子,建立了水射流輔助機(jī)械刀具破巖條件下切削力和切削力降低百分比力學(xué)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(diǎn)附近的粉碎區(qū)形成由剪應(yīng)力主導(dǎo),放射性裂紋萌生、擴(kuò)展由拉應(yīng)力主導(dǎo)。壓縮應(yīng)力波在自由邊界反射會(huì)誘發(fā)形成層狀裂紋,提高了水射流沖擊破碎巖石程度。采用顆粒流法建立了機(jī)械刀具破巖數(shù)值模型,模擬研究了巖石在機(jī)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(kuò)展及碎片形成三個(gè)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(jī)械刀具破巖,因此在水射流輔助機(jī)械刀具破巖設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量維持機(jī)械刀具的銳利性。根據(jù)截割頭破巖工況和試驗(yàn)要求,設(shè)計(jì)了截割頭破巖試驗(yàn)臺(tái)的傳動(dòng)系統(tǒng)及參數(shù)測量、采集系統(tǒng),并編制了相關(guān)信號(hào)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(shí)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(xué)相似條件、應(yīng)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(yàn)研究提供了可靠的破碎對象。在水射流截割頭破巖試驗(yàn)臺(tái)上,對不同強(qiáng)度煤巖、水射流輔助機(jī)械刀具破巖方式、水射流參數(shù)等條件下截割頭破巖進(jìn)行試驗(yàn),采用扭矩、推進(jìn)阻力、破巖比能耗及鉆進(jìn)深度等衡量水射流截割頭破巖性能。煤巖抗壓強(qiáng)度小于水射流壓力時(shí),水射流截割頭I和III可以明顯地降低截割頭扭矩、推進(jìn)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(qiáng)。煤巖抗壓強(qiáng)度大于水射流壓力時(shí),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(jī)械截齒的破巖能力,該種形式截割頭對不同性質(zhì)煤巖的適應(yīng)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(qiáng)。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(jìn)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(chǔ),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(jìn)行分析研究,結(jié)果表明破巖系統(tǒng)具有混沌動(dòng)力學(xué)特征。水射流輔助破巖效果較好時(shí),截割扭矩的最大李雅普諾夫指數(shù)變化較大,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(jī)制。NARX神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠精確地模擬和有效地預(yù)測截割扭矩變化特征,可以為掘進(jìn)機(jī)截割電機(jī)的高效運(yùn)行控制提供依據(jù)。在建立截割頭和煤巖耦合動(dòng)力學(xué)方程基礎(chǔ)上,引入Heaviside函數(shù)建立了統(tǒng)一的動(dòng)力學(xué)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(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行求解,結(jié)果表明破巖系統(tǒng)可能處于周期運(yùn)動(dòng)或混沌運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。截割頭處于周期運(yùn)動(dòng)時(shí)破巖效率高,而處于混沌運(yùn)動(dòng)時(shí)破巖效率極低,因此截割頭破巖時(shí)應(yīng)選擇合理的參數(shù)以避免系統(tǒng)出現(xiàn)混沌動(dòng)力學(xué)特征。所建立的破巖系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型可以實(shí)現(xiàn)截割頭鉆進(jìn)煤巖過程的模擬,為截割頭破巖性能和動(dòng)力學(xué)特性研究提供了一種新的方法。
【關(guān)鍵詞】：掘進(jìn)機(jī) 截割頭 煤巖截割理論 水射流 機(jī)械刀具 力學(xué)模型 煤巖破碎機(jī)理 數(shù)值模擬 水射流截割頭破巖試驗(yàn)臺(tái) 破巖性能 混沌特征 混沌時(shí)間序列預(yù)測 耦合動(dòng)力學(xué)行為
【學(xué)位授予單位】：中國礦業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TD421.5
【目錄】：

• 致謝4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-10
• Extended Abstract10-28
• 變量注釋表28-35
• 1 緒論35-55
• 1.1 課題來源35
• 1.2 研究背景及意義35-36
• 1.3 高壓水射流輔助掘進(jìn)機(jī)破巖概述36-40
• 1.4 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀40-53
• 1.5 已有研究存在的問題53
• 1.6 主要研究內(nèi)容53-55
• 2 水射流輔助機(jī)械刀具破巖理論研究55-79
• 2.1 機(jī)械刀具破巖理論研究55-64
• 2.2 水射流破巖理論研究64-73
• 2.3 水射流輔助機(jī)械刀具破巖理論研究73-78
• 2.4 本章小結(jié)78-79
• 3 水射流沖擊和機(jī)械刀具破巖數(shù)值模擬研究79-104
• 3.1 光滑粒子流和顆粒流法79-82
• 3.2 水射流沖擊破巖數(shù)值模擬82-94
• 3.3 機(jī)械刀具破巖數(shù)值模擬94-102
• 3.4 本章小結(jié)102-104
• 4 水射流截割頭設(shè)計(jì)及試驗(yàn)臺(tái)建立104-132
• 4.1 水射流截割頭設(shè)計(jì)104-115
• 4.2 水射流截割頭破巖試驗(yàn)臺(tái)建立115-125
• 4.3 人工煤巖制備125-131
• 4.4 本章小結(jié)131-132
• 5 水射流截割頭破巖性能試驗(yàn)研究132-165
• 5.1 截割頭破巖過程分析132-136
• 5.2 煤巖強(qiáng)度對截割頭破巖性能影響136-140
• 5.3 煤巖強(qiáng)度對不同水射流截割頭破巖性能影響140-154
• 5.4 水壓對水射流截割頭III破巖性能影響154-159
• 5.5 水射流作用對粉塵濃度和截齒磨損影響159-163
• 5.6 本章小結(jié)163-165
• 6 截割頭破巖動(dòng)力學(xué)行為研究165-189
• 6.1 截割載荷非線性動(dòng)力學(xué)特征165-173
• 6.2 混沌截割載荷的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測173-179
• 6.3 截割頭—煤巖耦合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性179-187
• 6.4 本章小結(jié)187-189
• 7 結(jié)論與展望189-193
• 7.1 主要結(jié)論189-191
• 7.2 創(chuàng)新點(diǎn)191-192
• 7.3 展望192-193
• 參考文獻(xiàn)193-205
• 附錄205-207
• 作者簡歷207-210
• 學(xué)位論文數(shù)據(jù)集210

  本文關(guān)鍵詞：高壓水射流截割頭破巖性能及動(dòng)力學(xué)研究，，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

本文編號(hào)：253131