面向复杂工况的液力变矩器与变速箱效能优化协同控制策略

针对工程机械在复杂工况下能源利用率不高的问题,提出了一种液力变矩器与变速箱效能优化协同控制策略。首先,在装载机功率与力学平衡的基础上,构造了基于牵引性能理论的装载机动力传动系统仿真平台,并通过装载机循环工况采集到的实验数据验证了其有效性和可靠性;其次,基于发动机与液力变矩器台架实验,研究了ZL50型装载机的牵引特性,对比了其在起步、举升、铲掘、匀速4种不同牵引阶段的动力性能,分析了液力变矩器的闭锁点对装载机动力性、平顺性和经济性的影响;最后,提出了面向复杂工况的液力变矩器与变速箱效能优化协同控制策略,并对优化前后的装载机效能进行了对比分析。研究结果表明:在相同的V型循环工况下,采用所提出的控制策略,装载机等油耗输出能量从372.69 kW·h·mL^(-1)提高到420.51 kW·h·mL^(-1),整机效能提高了约12.8%。所提策略可为大型工程机械传动效率低、燃料消耗大、污染排放严重等问题提供解决方案。

全断面隧道掘进机滚刀破岩机理的细观研究

【目的】现有全断面隧道掘进机滚刀破岩数值模拟研究通常集中于宏观层面,关注载荷、岩碴和比能等观测指标,因此,加强对TBM滚刀破岩机理的细观研究具有重要意义。【方法】针对新疆引额供水二期输水工程喀双段遇到的花岗岩,使用颗粒离散元方法,构建平刃滚刀竖向侵入硬岩二维仿真模型,研究了刀下压密区及其附近岩石中的颗粒接触对数与链环分布规律,探讨了链环分布和维数变化与岩石裂纹发展之间的关系。【结果】1)接触链环的维数变化直接影响着刀下压密区细观结构,进而影响着滚刀破岩效果;2)当接触链环维数从低到高变化时,刀下压密区承载能力下降;3)高维接触链环空隙面积增大引起了压密区扩容;4)接触链环维数从低到高的变化是裂纹萌生的内在原因。【结论】本研究揭示了TBM滚刀破岩过程中岩石破碎的细观机理,可为TBM滚刀设计与掘进参数优化提供理论支撑。

井下热力发生器燃烧仿真模拟

井下热力发生技术原理为将热力发生设备集成后置于井下,向井下输送空气、燃料和水,基于高压燃烧喷射机理,燃料与空气在燃烧室中充分燃烧,依靠产生的高温高压烟气将混合掺入的水汽化,产生复合热流体注入地层。因井筒尺寸受限,相比地面多元热流体发生器,井下热力发生器需在外径缩小1倍的情况下,输出排量提升4倍。结构变化后,主要面临燃烧是否充分、换热是否有效、输出温度和排量是否满足设计要求等问题,针对以上问题,本文建立了井下热力发生器流动与传热仿真模型,得到发生器工作时的温度场和流场分布,结果表明,发生器内部燃烧较为充分,最高烟气温度约1600 K,出口烟气温度约1300 K,出水温度370 K,即水温升高近80 K,但随水流量的增大,出口烟气温度有所降低,且当水流量过大,如43.4 t/h时,烟气最高温度、出口烟气温度反而升高,内衬最高温度也略有升高,出水温度降低,出现了冷却性能下降的工作状况。

基于灰关联分析的全断面岩石掘进机滚刀布局优化方法

滚刀的布局需要符合滚刀在刀盘面上分布均匀、分散、对称的布置位置要求,刀盘分块合理、刮碴铲斗排碴顺畅的结构设计要求,以及刀盘变形和应力小、刀盘整体受力平衡的力学性能要求。针对现有的典型滚刀布局模式难以同时满足这些要求的问题,提出一种基于灰关联分析的全断面岩石掘进机滚刀布局优化方法。通过对初始布局方案中的滚刀合理分组,并对组内滚刀极角施加微幅波动,建立初始布局方案集;引入不干涉条件对初始布局方案集进行初选,并以刀盘径向不平衡力、刀盘倾覆力矩、滚刀群质心偏斜量为评价指标对其进行灰关联分析计算,从而得到最优布局方案。引入采用螺旋线型滚刀布局模式的整体式刀盘和采用随机型滚刀布局模式的分体式刀盘,分别对其滚刀布局进行优化,整体式刀盘的各评价指标分别减小48%、99%、57%,分体式刀盘的各评价指标分别减小22%、59%、55%,表明了该方法的通用性和有效性。对优化前后的刀盘进行受力对比分析,发现刀盘的变形和应力未发生明显变化,表明该优化不会对刀盘刚度和应力分布产生不良影响。

TBM的平面刀盘与两级刀盘的力学性能对比分析

为解决全断面岩石掘进机(TBM)大直径(>10m)平面刀盘承受的破岩载荷、偏心载荷过大会造成刀盘大变形、主轴承损坏的问题,引入一种两级刀盘。基于应用在西秦岭隧道的平面刀盘,采用灰关联分析的方法设计了两级刀盘的结构;建立复合岩层条件下平面刀盘和两级刀盘的受力分析模型,对比分析了两种刀盘的破岩总推力和扭矩、刀盘径向不平衡力和倾覆力矩;建立均一岩层条件下两种刀盘的有限元模型,对比分析了两种刀盘的变形和应力分布。结果表明,两级刀盘的各级破岩总推力、扭矩、径向不平衡力、倾覆力矩、刀盘变形和最大应力均比平面刀盘小,说明两级刀盘有效地把破岩载荷分散到各级刀盘,同时提高了刀盘刚度,避免了刀盘应力过度集中,有效减小了刀盘的偏心载荷。

全断面岩石掘进机滚刀布置的优化方法

为解决传统滚刀布置设计方法无法同时考虑刀盘受力平衡和滚刀破岩量均衡的问题,提出了一种全断面岩石掘进机滚刀布置的优化方法。根据极径与极角分别求解的策略,综合考虑设计方案、方案集数目和计算速度的要求,对刀盘初始方案中的滚刀进行合理分组,通过对组内每把滚刀的位置参量(极径、极角)施加微幅波动来建立滚刀布置方案集。采用加权灰靶决策方法,筛选出方案集中的最优方案,并对现有TB880E型掘进机滚刀布置进行了优化。与优化前相比,刀盘倾覆力矩减小了65%,并且不改变滚刀的布局模式,因此该方法不会对刀盘结构刚度产生不良影响,还在一定程度上避免了刀盘应力的集中。

一种海域天然气水合物钻井用相变控温微胶囊

海域天然气水合物(以下简称水合物)钻井过程中易发生水合物分解,进而引起井壁失稳等问题,因此水合物的分解是海域水合物地层钻井面临的重大技术挑战之一。针对目标水合物地层钻井液温度控制要求,优化了二元复合相变芯材,以纳米SiO2改性的三聚氰胺—尿素—甲醛(MUF)树脂为壁材,制备出改性MUF树脂相变微胶囊,并利用扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪、差示扫描量热仪等设备,结合升温实验及微胶囊破损率测试,对制备的相变微胶囊进行了结构表征,探讨了利用相变材料的相变蓄能作用对钻井液温度的调控效果及微胶囊壁材强度,并分析了其与深水水基钻井液的配伍性。研究结果表明:(1)以脂肪醇类二元复合物为芯材的相变微胶囊相变温度为16.8℃,相变潜热为96.3 J/g;(2)其相变蓄冷—释冷作用使悬浮液在升温至相变温度时出现明显的温度台阶,浓度为5%和8%的微胶囊可将悬浮液从15℃升温至20℃的时间分别延长52.9%和94.1%,有利于抑制地层水合物的分解;(3)该微胶囊具有较好的抗剪切强度和密封性,浓度在8%以内时对钻井液的流变性和滤失性影响较小,配伍性良好。结论认为,该相变微胶囊为水合物钻探中智能调控井下钻井液温度从而抑制水合物分解提供了新的解决途径和方法。

基于盘形滚刀破岩模型的数值试验分析

针对室内试验研究盘形滚刀破岩过程的成本高、周期长、不便于重复性教学演示的问题,可采用数值试验方法作为辅助或替代,揭示滚刀破岩机制、优化滚刀结构和切削参数。该文使用显式动力学数值方法,结合有限元和光滑粒子流体动力学,建立盘形滚刀切削岩石的三维数值试验模型,采用基于Rankine失效准则的摩尔-库伦弹塑性本构模型开展缩尺的滚刀线性切削试验,验证数值试验模型的可靠性。以双刀顺次回转破岩模型为例,分析了岩石破裂过程与滚刀载荷曲线。研究表明:在盘形滚刀切削下,岩石表面形成了条形破碎槽,同时在滚刀两侧及下方出现裂纹;随着裂纹延伸至岩石表面,许多小块的岩碴被剥离;使用数值试验方法分析盘形滚刀破岩过程,可以清晰地模拟密实核传力演化、裂纹萌生扩展、岩碴剥离飞溅、载荷阶跃波动等物理现象,有助于学生深入理解盘形滚刀破岩机制。

机械专业数值仿真类课程教学体系建设与实践

为解决我国高等教育现阶段面临的传统陈旧的教学资源与国家高速发展对重点领域、专门人才需求之间的不匹配、不平衡间的矛盾,以培养满足时代需求的创新型人才为目标,提出关于“机械专业数值仿真类课程”的教学体系新模式。首先,结合时代发展趋势和人才培养需求,研究机械数值仿真类课程教学的现状并分析不足之处。其次,从课程认知、理解掌握和应用实践三个层面进行课程教学体系建设,并结合典型工程案例编纂课程教材。再次,从课程教学团队和课程实践基地两方面进行团队建设。最后,利用现代化信息技术,采用多软件线上线下混合教学、多元化课程考核为我国机械类人才培养提供一个新方案。同时,教学成果可供其他高校参考和借鉴,提高我国相关领域人才的培养质量。

微压印中抗蚀剂三维微流场可视化实验研究

为了研究微纳米压印中抗蚀剂的填充行为,采用三维数字离焦微流场测速技术对抗蚀剂内分散的荧光示踪粒子进行粒子离焦图像采集.针对粒子离焦图像的特殊性,提出基于两帧离焦图像的三维粒子跟踪测速(3DPTV)算法.实现了对粒子三维运动轨迹的追踪,构建示踪粒子三维速度场.基于计算流体动力学(CFD)方法建立微压印抗蚀剂填充行为数值计算模型,将可视化实验结果与数值计算结果进行对比,两者吻合较好,证明三维数字离焦微流场测速技术在构建抗蚀剂填充过程微流场中的有效性.

"人机料法环"五位一体的工程机械性能实验教材建设方案

文章针对目前工程机械实验教材较少考虑人机交互、施工工法、作业对象以及环境工况,以致课程与实际不符的问题,提出"人—机—料—法—环"五位一体的创新实验教材建设方案.首先以工程机械为对象,按照动力源—传动系统—牵引与作业机构的功率流开展完整传动链的性能实验;进而结合作业对象的基本特性、工艺参数、环境工况等因素,开展工程机械地面力学性能实验,形成从人到设备再到作业对象完整的闭环教材反馈体系.此教材建设方案与新工科背景下卓越人才的培养目标相匹配,为解决传统工程机械实验教学效果不佳的问题提供了借鉴.

TBM滚刀贯入度对破岩效能的影响规律研究

合理设置TBM贯入度参数对于特定地质条件下的掘进效率至关重要。为研究TBM盘型滚刀在不同贯入度下的破岩效果,采用自主研发的滚刀破岩缩尺试验平台,在不同边界条件下对花岗岩开展盘型滚刀线性切割试验,通过使用FEM(finite element method)和SPH(smooth particle hydrodynamics)相耦合的数值模拟方法重现相关试验以验证模型的合理性,并在此基础上建立原尺双滚刀回旋破岩三维数值模型,研究TBM盘型滚刀不同贯入度下对花岗岩的破岩效果。研究结果表明:有侧限条件下滚刀受力和岩碴体积往往更大,且相邻贯入度之间的法向力和岩碴体积增长幅度随着贯入度的增大而减小,但无侧限条件下的破岩效率更高;滚刀破岩过程是阶跃性的,岩碴的产生主要集中在滚刀荷载跌落阶段,无论刀侧是否存在限制,刀下岩石均被碾压至极细的粉末,刀侧岩石崩出,且岩碴的大小与滚刀荷载跌落幅度正相关;刀下岩石破坏区域近似呈“V”形,随着贯入度的增大,滚刀间的“V”形破坏区域持续向安装半径内侧倾斜;滚刀破岩效率随着贯入度的增大先提高后减小,针对试验岩样,最佳贯入度为2~4mm;本研究所采用滚刀破岩缩尺试验与FEM-SPH数值模拟相结合的方法可以很好地重现花岗岩破裂过程,且两者切削力相对误差均在10%以内,可以为后续TBM滚刀破岩研究提供一定参考。

深埋隧道两级螺旋式刀盘掘进地应力释放机理研究

【目的】护盾式全断面岩石隧道掘进机(TBM)掘进大埋深山岭隧道时,平面式刀盘存在直接掘进的岩爆风险高等问题,亟需对地应力释放机理进行研究,设计一种使地应力稳定释放的刀盘方案。【方法】课题组聚焦一种地应力逐级释放的两级螺旋式刀盘方案,进行两级刀盘开挖围岩过程的大型三维有限元数值模拟,研究盘面间距和一级刀盘直径对围岩变形和应力释放的影响规律。【结果】1)当盘面间距为30 m时,即一级掘进完成后再进行二级掘进,可以避免两级刀盘同时掘进过程中所引起的地应力交汇现象。2)一级刀盘直径为2 m时,两级螺旋式刀盘在隧道掘进中两刀盘释放的应力值都约为平面式刀盘的50%。3)盘面间距统一为3 m时,在隧道末端,一级刀盘直径为2 m时隧道变形量在X方向仅为0.7 mm,Y方向为2.7 mm;一级刀盘直径为5 m时隧道变形量在X方向为0.9 mm,Y方向为4.7 mm。【结论】1)螺旋式两级刀盘的盘面间距对隧道形变的位移量影响不明显,一级刀盘直径对隧道形变的位移量影响明显。2)两级刀盘二级掘进可显著改善地应力的释放状况,降低单次释放的地应力值,提高隧道稳定性,降低岩爆发生的可能性。

深水高孔高渗储层免破胶钻井完井液技术

深水钻完井工程成本高、作业条件苛刻、安全风险大,一旦发生严重的储层损害就有可能导致油气产能大幅度降低,造成巨大的经济损失。为了给深水油气钻探开发中制定和实施储层保护技术措施提供支撑,借助X射线衍射、压汞、扫描电镜、水化膨胀分散实验以及储层敏感性流动实验等手段,分析了中国南海某深水气田储层损害的机理,提出了储层保护技术对策,构建了适合该深水气田储层保护的钻井完井液。研究结果表明:①该深水气田储层为高孔高渗砂岩储层,黏土含量平均为12.38%,存在着强速敏性和中等程度的水敏性;②储层损害的主要原因是钻完井工作液中的固相侵入以及工作储层岩石不配伍;③通过理想充填暂堵方法对宽尺寸孔喉有效暂堵是保护储层的关键技术措施;④所构建的水基钻井完井液在2~75℃深水井筒温度下具有稳定的流变性,直接返排解堵岩心渗透率恢复值介于74.5%~92.24%,与隐形酸完井液顺序污染岩心后渗透率恢复值大于86%。现场应用于4口深水井的效果表明,4口井均未发生井下复杂情况,作业结束后直接返排解堵,节约了完井作业时间。结论认为,该钻井完井液可以满足深水高孔高渗储层钻井技术的要求,实现了免破胶作业,储层保护效果优良。

全断面隧道掘进机滚刀预切槽破岩数值模拟

针对现有全断面隧道掘进机(TBM)滚刀破岩研究对预切槽破岩的破坏原理阐释不深、切槽影响规律揭示不明的问题,构建了基于泰森多边形算法的等效晶质岩石材料的颗粒簇离散元模型,分析了不同预切槽辅助下滚刀贯入岩石的密实核演化、裂纹扩展和成碴破坏等过程,并进行小型刀具静压破岩试验验证了数值模型的可靠性。进行数值模拟,研究了切槽角度、位置、间距等结构参数对裂纹分布、破岩载荷和贯入比能的影响规律。仿真结果表明:基于预切槽弱化围岩和密实核传力双重机制的错缝预切槽破岩方法可极大提高硬岩破碎效率,“窄直切槽、错缝切削、滚刀中置”是最优的切槽结构及排布模式,建议预切槽开口角度为0°、滚刀贯入点和预切槽交错布置且滚刀位于相邻预切槽正中、预切槽最优间距为80 mm。该研究为TBM滚刀破岩机理研究提供了有效手段,为探究辅助滚刀破岩的预切槽合理结构提供了理论依据。

全断面隧道掘进机刀盘刮碴铲斗结构对出碴性能的影响

针对现有全断面隧道掘进机(TBM)刀盘出碴模拟研究所存在的岩碴级配和形状参数考虑不全面、刮碴铲斗结构影响规律揭示不明晰的问题,采用颗粒离散元方法构建考虑了岩碴级配和形状的刀盘落碴、铲碴、溜碴过程的数值模型,并进行缩比出碴试验验证了数值模型的可靠性。进行数值模拟研究了刀盘有无滚刀、铲斗结构形式、铲斗高度、铲斗宽度等因素对以平均出碴速度和出碴率为评价指标的刀盘出碴性能的影响规律。仿真结果表明:滚刀群对出碴过程影响可以忽略不计;三角截面式是较为合理的铲斗结构形式;铲斗高度的建议取值为滚刀高度减去30~50mm;铲斗宽度的建议取值为出碴口宽度的50%。该模型为TBM刀盘出碴性能研究提供了有效手段,为TBM刀盘出碴结构的设计提供了理论依据。

COVID-19疫情背景下国际学生线上实验课程探索与实践

为解决后疫情时代来华留学生专业实验课程授课时间不统一、学生学习动力不足、效率不高的问题,以培养满足时代需求的创新实践型人才为目标,以工程机械性能实验课程为例,提出“在线师生互动+离线自主学习”的国际留学生专业实验课程远程授课新模式。首先,结合时代发展趋势和人才培养的需求,凝练留学生专业实验课程远程教学所面临的关键问题。其次,遵循“以学生为主体”的教学理念、结合各国国情特点、建立考虑时差的留学生远程实验课程构建方案,提出多元化的翻转课堂实验教学方法,以及融合异国国情的多元化仿真案例。最后,利用现代信息技术,整合现有留学生课程实践类资源,将理论与实践结合,开展留学生远程翻转实验课程的应用。所提出的国际学生实验课程教育模式,为后疫情背景下线上实验课程提供一个新方案,有助于教师更好地提高学生学习的积极性,降低实验课程成本,此模式所形成的教学成果可供其他高校参考与借鉴。

多功能缩尺破岩实验台的设计

近年来,随着中国基础建设的不断推进,硬岩掘进装备的短板日益凸显。为探究一种新型破岩机理,提高TBM硬岩掘进效率,设计多功能缩尺直线破岩实验台。课题组通过对不同新型破岩方法展开研究,观察围岩在破岩载荷下的变化,进而验证新型破岩机理,并为新型硬岩掘进装备的研发提供理论依据和技术支持。课题组设计的试验台可完成以下研究项目:1)揭示岩石在破岩载荷下宏观和细观的变化;2)对盘形滚刀刀间距和贯入度(s,p)展开研究,找到两者之间耦合的最优解;3)探究围压对压振破岩效率的影响等。完成实验台的加工调试工作后,通过试切实验可知:1)实验台设计中,滚刀载荷最大拟定值合理;2)滚刀载荷预测模型(CSM)可靠;3)滚刀载荷在切削后一段时间趋于稳定。

TBM带式输送机出渣技术经济比较研究

高效的出渣系统是项目工期和成本策划的重要内容。结合TBM施工实践,对带式输送机出渣技术优势进行分析,总结目前隧道施工常用的5种带式输送机类型,对各类输送机的特点和适用范围进行分析。在此基础上构建TBM法隧道施工模型,对带式输送机出渣和有轨出渣的经济性进行比较,针对TBM带式输送机出渣提出思考和建议:(1)带式输送机应作为TBM法施工出渣首选设备;(2)将节能环保作为输送机设计的重要一环;(3)提高输送机智能化运维管理水平;(4)提高带式输送机关键部件的可靠性;(5)考虑特殊结构设计,提高带式输送机结构设计与工程的适应性。

TBM两级螺旋式刀盘出渣机制数值模拟研究

针对现有全断面岩石隧道掘进机(TBM)两级刀盘出渣缺乏合理的结构方案和优化设计方法,采用颗粒离散元方法构建数值模型模拟TBM两级刀盘出渣过程,并进行出渣缩比试验验证数值模型的可靠性。通过数值模拟研究出渣口排布与尺寸、螺旋形式与螺距、一/二级刀盘直径比、刀盘转速等因素对出渣性能的影响规律。结果表明:螺旋式结构是TBM两级刀盘有效的出渣结构方案;各因素对两级刀盘综合出渣性能的影响程度由大到小依次为刀盘转速>一级刀盘背部出渣口长度>后螺旋螺距。对于掘进直径为8 m的两级螺旋式刀盘,建议其最优结构形式和参数为:面、背部出渣口同位且有前后螺旋,后螺旋螺距0.85 m,一级刀盘背部出渣口长0.9 m,一/二级刀盘直径比不大于0.55,刀盘转速不大于6 r/min。