挖岩绞刀的岩石切削试验及数值模拟

绞刀是绞吸挖泥船的核心部件,通过现场试验研究绞刀挖掘性能的代价巨大。针对在实船试验中难以遇到合适土质的问题,提出在实验室进行挖掘试验和数值模拟表征绞刀挖掘性能的方法。制作2000 kW功率绞刀的缩比模型和不同单轴抗压强度的岩石模型,在实验室进行不同切削厚度、步进距离等参数的绞刀切削岩石的模型试验,建立1:1尺寸的绞刀数值模型和岩石模型,采用单元删除法模拟2000 kW绞刀切削岩石的过程,分别模拟产量为240和500 m3/h的切削过程,并分析绞刀切削功率和横移拉力。结果表明,挖掘产量240 m3/h时的最大功率为1884 kW、平均功率为1088 kW,满足设计要求。

基于断裂力学的岩石切削数值分析探讨

为研究岩石切削过程中刀具的力学特性以及刀具平均峰值作用力的预测,基于断裂力学和有限元理论建立了岩石切削的数值模型。模拟分析岩石对刀具的反作用过程,得到不同力学特性岩石和刀具作用条件下刀具所受的反作用力,结果表明,冲击速度在一定范围内对刀具平均峰值作用力影响较小;岩石体积呈阶跃性递减,刀具作用力大小与崩落岩石碎片体积变化一致。对模拟、实验以及已有理论计算得到的刀具平均峰值作用力进行线性回归分析,研究结果表明,数值方法计算结果与实验结果、Goktan[1]理论计算结果的线性相关系数分别为0.812、0.930,相关性较好,表明所建数值模型用于模拟岩石切削是正确和可靠的。

水射流辅助岩石切削过程的刀具热应力分析

建立了刀片在水射流辅助切削岩石过程中的热传导模型,并在对岩石切削过程进行热功转换分析的基础上,给出了热流密度、界面温度等边界条件的确定方法,从而建立了水射流条件下刀片的温度场模型。对刀片由于温度变化产生的热应力进行了系统分析,并给出了热应力的计算模型,并且结合计算分析了射流压力等参数对各种热应力的影响。研究表明:热应力是导致岩石切削刀具失效的主要影响因素。热应力受刀具与岩石材料热物性质、刀片尺寸、切削力、切削速度、射流压力等因素影响。水射流的存在可以大幅降低刀具的热应力,热应力的大小与射流压力p的四次方根的倒数成正比。选择合适参数可将热应力控制在临界范围内,避免刀具早期失效,延长其使用寿命。

水射流辅助岩石切削

综述了国内外有关水射流辅助岩石切削的研究成果，包括水射流辅助岩石切削对切削力和刀具磨损的影响，影响水射流辅助岩石切创效果的因素．最后对水射流辅助切削在石材加工中的应用可行性进行了分析．

绞吸挖泥船绞刀头岩石切削动载荷数值仿真

通过绞吸挖泥船绞刀头刀齿运动轨迹分析,建立了绞吸挖泥船单刀齿和多刀齿的空间表达模型。基于绞刀头刀齿切削参数和切削力合成方法以及有效作业刀齿求解方法,对绞刀头工作过程中的切削力和切削力矩进行了数值仿真。利用Matlab编制了计算求解程序,探讨不同绞刀头倾斜角度和横移速度对切削力和切削力矩的影响,得到了对应切削力和切削力矩的最大值变化曲线,总结了其变化规律。

岩石切削机理模型分析及实验研究

切削机理模型是研究岩石钻进切削过程中的切削力以及切削热的基础。在分析岩石切削机理模型的基础上,基于摩尔理论和裂纹扩展理论,分析中硬岩石切削状态,认为在中硬岩石切削过程中岩石存在着脆性切削和延展性切削2种方式,在此基础上得到新的中硬岩石切削机理模型。以砂岩、大理岩和花岗岩为钻进对象,开展微钻实验研究。结果表明:切削过程为岩石在刀具的扭矩和推进力作用下发生破坏,导致小岩屑、大切屑不断循环产生的过程,小大切屑形成主要源于岩石挤压变形和裂纹生成扩展。实验结果与岩石切削机理表现出较好的一致性。

关于岩石切削的有限元摸拟分析

本文建立了切削岩石等脆性材料的力学模型，采用有限元法对切削时产生的力学状态进行了分析。且对刀刃压入后裂纹的产生和扩展的初期阶段进行了摸拟。分析中根据莫尔强度理论，以相对破坏限接近度为指标来判断被削材料的破坏。结果认为：对内部缺陷较少的材料。以应力基准判定裂纹的产生是可行的；裂纹的类型与材料的脆性度有关。切削阻力随切入深度增大呈非线性增加；裂纹扩展的初期路径也与实际切削实验时产生的现象相符。

基于离散单元方法的岩石切削数值模拟分析

在岩石切削过程中,岩石的破坏形式对切削效率和切削参数的选择有重要的影响.本文为了研究岩石破坏形式的影响因素,利用颗粒流软件(PFC2D)建立了由颗粒簇组成岩石试样的数值仿真模型.通过大量的单轴压缩仿真实验和巴西仿真实验,确定了颗粒微观参数和岩石宏观参数之间的关系;研究了不同切削深度以及有无液柱压力情况下,岩石的破碎形式和过程.研究表明,当切削深度比较浅时,岩石主要为塑性破坏,表现为粉末状的颗粒在刀尖不断的堆积;当切削深度达到一定值后,岩石将会发生脆性破坏,表现为裂纹从刀尖开始沿着切削方向扩展,最终扩展至自由面而形成较大的切屑;颗粒簇法向强度比值影响着岩石切削过程中裂纹的扩展情况以及岩屑的形态;液柱压力对岩石的破坏形式也有很大的影响,随着液柱压力的增大,岩石破碎情况从平衡钻井时的切屑掉块变为过平衡钻井时的挤压破碎.

PDC齿切削砾岩的细观损伤模拟

砾岩一般具有孔隙结构复杂、非均匀性严重等特点,PDC钻头钻进砾岩地层时破岩效率普遍较低,室内试验很难有效地研究PDC齿的破岩过程。为此,采用离散元软件PFC2D建立了PDC齿切削砾岩的数值模型,研究不同切削深度、前倾角及岩石非均质度情况下,砾岩的破碎形式和过程,引入破岩比功评价了砾岩切削过程中的破岩效率。研究结果表明:一定范围内增加切削深度,砾岩内部剪切裂纹更快萌生且剪切裂纹占比显著增加,主裂纹沿自由面方向和切削方向绕砾扩展;提高砾岩非均质度,岩石逐渐由塑性破坏转变为脆性破坏,非均质度过高会增加砾岩的整体强度,且使作用在PDC齿上的冲击破坏频率增加,不利于破岩;当PDC齿以1 mm切削深度、5°前倾角切削砾岩时,可获得最高的破岩效率。所得结论可为PDC齿设计及切削参数选择提供理论支持。

岩石在截齿切削下断裂过程的仿真研究

为了研究切削厚度对切削力的影响和不同切削厚度下岩石的断裂形式,编译了基于二维离散元软件PFC2D切削仿真程序,模拟了截齿切削抗压强度为84.9 MPa岩石,仿真结果表明二维离散元仿真岩石切削的过程与Evan的密实核理论符合较好,不同切削厚度下的仿真截割力与试验截割力较为接近,相对误差小于10%。

钻头圆锥钻齿切削岩石数值模拟以及一种新的解析估算模型

旋挖钻钻头圆锥形钻齿切削岩石破碎机理研究,能为旋挖钻钻头结构优化设计与钻进效率提升提供相关技术支持。基于修正的Drucker-Prager塑性模型,建立了圆锥钻齿切削岩石的数值仿真模型,并测试了抗拉强度、抗压强度两种准则计算结果的差异和岩石剪胀角对数值仿真计算的影响。同时,结合岩石抗压强度、内聚力以及摩擦角,给出了一种新的圆锥钻齿切削作用力的解析求解模型。将某砂岩切削试验的测试数据对比,验证了相关计算。从对比结果可知:以抗拉强度准则进行数值模拟所得的钻齿切削作用力小于试验测试值,误差较大;但以抗压强度准则进行计算的结果更接近实验测试数据。同时,所建立的解析估算模型有较好的计算精度,解析估算值与实验值误差的绝对值控制在30%以内。

江麓公司节能环保岩石切削钻机研发成功并销售

近日，中国兵器工业集团江麓机电集团有限公司成功研发岩石切削钻机并实现销售。该钻机在功能上实现了针对不同的岩层硬度采用不同的施工方法。对于硬度，〈5的岩石，如强风化岩，采用动力头带动钻头高速旋转办法，打孔速度最快可达4m／min。

大型绞吸挖泥船挖岩绞刀切削力计算分析

考虑岩石疏浚和煤炭切削的共同特点,并结合绞刀切削的实际情况,借鉴煤炭切削中截齿的受力理论,提出绞刀水下切削岩石的数学模型,并对相关参数的选取进行了探讨.在此基础上,通过编程对4 200kW大型绞吸挖泥船的绞刀受力和功率进行了计算,并对不同横移速度和岩石单轴抗压强度下绞刀受力和功率变化的趋势进行了分析.

圆锥齿切削破岩的切削力估算

通过分析现有切削破岩峰值切削力计算公式和实验数据,进一步明确了切削力与岩石性质及切削厚度之间的关系,得到形式简单、适用性广、误差低的切削力估算公式.分析多组独立的、分别改变切削厚度和岩样进行实验得到的实验结果,并结合现有切削力计算理论拟合实验数据.结果发现：峰值切削力与切削厚度的幂次方成正比,幂指数在1.1~1.5,切削力与岩石的单轴抗压强度的关系最为密切.将研究得到的关系转化为数学计算公式,并通过实验对其进行验证,结果证实它比现有的计算公式精度更高,与实验值更吻合.

大型绞吸挖泥船挖岩绞刀切削数值模拟

针对绞刀切削岩石的特点,建立了考虑步进距离和切层厚度的绞刀受力模型,然后分别建立5 000 kW绞刀物理模型和有限元模型。分析了在反刀切削岩石时绞刀的受力情况,绞刀在最大功率时的应力和变形。计算表明,5 000 kW绞刀在设计工况下,最大变形为1.84 mm,最大应力为140.5 MPa,分别满足刚度要求和强度要求,验证了绞刀设计的合理性。

刀齿切削破岩实验及分形研究

为研究刀齿切削破岩切削载荷与其影响因素之间的关系,进行了刀齿切削破岩实验,分析了切削厚度与切削宽度对切削载荷的影响。然后利用分形理论,得到了切削载荷分形维数和碎块分形维数的计算方法,并计算了各种切削工况下的载荷分形维数和碎块分形维数。研究结果显示:1)切削载荷基本随着切削宽度和切削厚度的增加而增大;2)碎块分形维数会随着切削宽度和切削厚度的增加而增大;3)载荷分形维数随着切削宽度的增加会减小,但与切削厚度关系不大;4)切向力与碎块分形维数之间有很强的线性相关性,对于所进行的实验,切向力可利用回归公式由碎块分形维数唯一确定,这为切向力的估算提供了一种全新思路。

数字钻探随钻参数与岩石单轴抗压强度关系

针对常规的现场岩石单轴抗压强度测试方法周期长、成本高的问题,提出一种基于数字钻探测试岩石单轴抗压强度的方法。根据岩石钻进过程中的受力特点,基于能量分析法,推导了岩石单位切削能与随钻参数的关系式。同时,基于自主研发的多功能岩石钻探测试系统,开展了砂岩及不同强度砂浆试件等完整岩石的数字钻探试验,通过试验结果分析,建立了随钻参数与岩石单轴抗压强度的定量关系模型(DP-UCS模型),并对其进行了验证,结果表明:DP-UCS模型预测的单轴抗压强度与单轴压缩试验测定的单轴抗压强度的差异率平均值小于10%,证明了该模型的有效性。

PDC齿切削砂岩的细观损伤模拟

在岩石切削过程中,刀具的切削参数对岩石的破坏方式和破岩效率有重要影响。为了研究PDC齿在不同切削参数下切削砂岩的细观损伤效果,采用离散单元法建立了PDC齿压入砂岩的数值模型,研究不同切削速度、前倾角及切削深度情况下,砂岩在PDC齿切削过程中的力场分布及裂纹发育情况的变化规律。研究结果表明:在一定范围内增加切削速度、前倾角和切削深度,剪切裂纹提前萌生且其占比增加;前倾角和切削速度对齿尖主裂纹的扩展影响较小,切削深度则对齿尖主裂纹的扩展影响较大;针对研究的砂岩,其临界切削深度为2 mm左右,当切削深度增加时,容易增加PDC齿齿尖产生的裂纹的长度,当裂纹长度达到5 mm及以上时,块体崩碎的频率提高,块体崩碎存在卸载现象。所得结论可为PDC齿的设计及切削参数的选择提供理论支持。

二维离散元法与岩石切割过程仿真

利用二维离散元软件PFC2D对抗压强度为9.96 MPa的岩石材料进行了切削仿真,仿真结果表明,二维离散元仿真软件可以直观动态显示岩石的崩落过程,较有限元软件具有一定优势;随着切削厚度的增加,刀具平均切削力呈线性增加趋势。

基于PFC2D的单齿直线切削破岩过程分析

在石油钻井、隧道开挖等领域经常遇到关于岩石切削的问题,岩石切削问题的研究成为提高机械开采效率的重要突破口。针对钻井过程中锥形齿切削岩石的塑-脆性破碎机理这一科学问题,以提高钻进效率为最终目的,通过实验测试岩石力学参数和离散单元法(PFC2D)建立了锥形齿平行切削岩石的数值模拟,研究岩石切削过程中在不同切削深度下的切削形貌、切削力、破岩比功等。结果表明:(1)岩屑先产生宏观剪切裂纹形成半脱落岩屑,后于薄弱处发生张拉失效导致岩屑弹出,并且在切削深度较浅时产生小尺寸岩屑,在切削深度较深时产生大尺寸岩屑。(2)研究了不同切削深度下产生岩屑时的切削峰值力,发现与Nishimatsu的峰值力模型更加符合,与切削深度呈线性增长的趋势。(3)切削力的峰值基本对应裂纹的激增,随着切削深度的增加裂纹图中台阶数会随之减少;破岩比功与切削深度在一定范围内呈正相关,并可以根据MSE2D与logd的关系图将切削过程划分出塑性破坏阶段、小碎屑阶段、脆性破坏3个阶段。