碟盘刀具截割姿态倾角与破岩模式特征

刀具破岩模式识辨是提高截割能力的关键基础,而刀具截割姿态对破岩模式影响显著,探究截割姿态与破岩模式之间的内在关联,反演低能耗、高效能破岩的最佳截割姿态参数。基于碟盘刀具轴向向上振动时楔面作用岩石的大块崩落状态,在非线性岩石破坏准则的基础上,根据Mohr-Coulomb准则给出了岩石拉剪耦合破坏条件,扩展延伸成三段式线性岩石破坏全域准则(拉破坏、拉剪耦合破坏、剪破坏、压剪耦合破坏和压破坏),给出了不同破岩模式下刀具楔面挤压应力的数学描述,基于楔面作用的最小能量原则提出了破岩模式识辨方法,构建了刀具倾斜姿态截割岩石的载荷模型,并通过数值模拟和实验分析了不同截割姿态倾角下刀具载荷特性和岩石破碎特征(岩石块率分布和粉尘粒度分布)与破岩模式之间的关联特性。结果表明:碟盘刀具楔面能耗表征值与姿态倾角呈正比,破岩模式由拉剪耦合破坏向压剪耦合破坏转变;振动截割时刀具楔面能耗表征值明显小于无振动截割,且多以拉剪耦合破坏为主,而无振动截割时拉剪、压剪耦合破坏近似等比存在;当轴向速度楔面分量大于进给速度楔面分量时,摩擦力转变为破岩助力,楔面能耗明显下降;碟盘刀具破碎岩石宏观形态呈大块月牙状,岩粉细观形态呈类多面体和类球状,刀具姿态倾角与岩石碎片量呈反比,与岩粉量呈正比(类球状粉尘减少、类多面体粉尘增加),表明姿态倾角增大,刀具齿刃碾挤压作用减弱,楔面挤压产生粉尘能耗增加,与破岩模式识辨过程中截割姿态对楔面能耗的影响规律相一致;碟盘刀具径向载荷与姿态倾角呈下凹规律,理论和模拟与实验径向载荷规律具有一致性,其平均误差分别为8.46%和9.55%,验证了碟盘刀具破岩模式识辨方法、倾斜姿态截割岩石的载荷模型和数值模拟的合理性。

水射流辅助碟盘刀具截割煤岩载荷特性

针对机械刀具截割煤岩效率低的问题,将水射流辅助截割技术应用到碟盘刀具截割煤岩。构建了水射流辅助刀齿截割煤岩的理论载荷模型,通过LS-DYNA软件分析了不同条件下水射流辅助刀齿破碎单位体积煤岩载荷。结果表明:理论和模拟径向载荷变化规律保持一致;适当增大水射流入口压力和喷嘴直径,减小入射角度,有利于提高水射流辅助效果,且影响程度从大到小依次为喷嘴直径、入口压力和入射角度。

碟盘刀具振动切削煤岩的理论力学模型与载荷特性

针对煤岩机械刀具破碎煤岩寿命和效率低的问题,提出一种具有轴向振动与径向切削破碎煤岩的方法,为探明碟盘刀具在轴向振动与径向切削破碎煤岩的力学特性,通过分析煤岩崩落面积、当量崩落角、载荷的集中力及其作用位置角,以单位断裂面上受力极限强度和最小能量法的准则,构建碟盘刀具破碎煤岩力学模型。基于扩展线性Drucker-Prager塑性本构模型,采用ABAQUS软件模拟碟盘刀具破碎煤岩的应力云图和载荷特性,在振动切削试验台上通过设定振动频率和振幅等参数测试不同切削厚度下的碟盘刀具破碎煤岩的载荷谱,提取数值模拟和试验碟盘刀具破碎煤岩的载荷特征,对比分析理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值和数值模拟峰值的均值。结果表明:碟盘刀具破碎煤岩的破裂范围呈现月牙状,由中间向两侧递减;振动切削煤岩时其径向载荷明显小于单作用径向切削煤岩的载荷;碟盘刀具在轴向振动与径向切削时不同切削厚度径向载荷理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值的平均误差为9.12%,与试验载荷峰值均值的平均误差为4.88%;轴向载荷理论模型计算值与数值模拟载荷峰值均值的平均误差为9.25%,与试验载荷峰值均值的平均误差为8.34%。通过数值模拟和试验研究验证了碟盘刀具理论模型的准确性。

不同楔面角度碟盘刀具切削煤岩的载荷与小波能量熵

为研究碟盘刀具破碎煤岩的载荷特性和破碎效果,利用ABAQUS有限元软件模拟有齿与无齿碟盘刀具在不同楔面角度和切削厚度情况下破碎煤岩。采用统计方法和小波能量熵分析碟盘刀具复合破碎煤岩的载荷谱特征及破碎能耗。结果表明:碟盘楔面角度不变,碟盘刀具的径向、轴向载荷随切削厚度的增加呈线性增大;切削厚度不变,随碟盘楔面角度的增大,径向载荷逐渐增大而轴向载荷逐渐减小;切削厚度较小时,无齿碟盘与有齿的小波能量熵差比大;切削厚度较大时,无齿碟盘与有齿的小波能量熵差比较小,即切削厚度越小碟盘齿及齿的大小对煤岩破碎性能影响越显著。当切削厚度为22 mm、楔面角度为35°~55°时,无齿碟盘径向与轴向矢量叠加载荷均值及其小波能量熵比有齿碟盘的分别大6. 0%和43. 5%。该研究可以为碟盘刀具的设计与性能研究奠定基础。

碟盘刀具轴向振动破碎煤岩载荷模拟与粉碎量研究

为提高煤岩的破碎效果,利用ABAQUS有限元软件分析一种碟盘刀具破碎煤岩的载荷特性,在切削厚度为14~30 mm的工况下分别进行碟盘刀具轴向振动与径向切削和径向单作用破碎煤岩的仿真试验,采用数值统计和分形比例系数的方法分析碟盘刀具破碎煤岩的载荷谱。结果表明:在碟盘刀具楔面角度为45°时、切削厚度14~30 mm的范围,无轴向振动的碟盘刀具破碎煤岩的径向载荷峰极大值与峰均值比有轴向振动情况下的大6.2%、8.4%,从数值模拟应力云图可看出,施加轴向振动的碟盘刀具破碎煤岩时其楔面对煤岩的应力影响范围更广,计算径向载荷谱的分形比例系数可知,无轴向振动的分形比例系数比有轴向振动条件下的大20.5%~67.5%,说明有轴向振动下更有利于煤岩的大块崩落。该研究可为碟盘刀具的深入研究及工程实际应用提供参考。

碟盘刀具振动与切削破碎煤岩力学特性的数值模拟

为获得碟盘刀具的运动与结构参数在轴向振动与径向切削复合破碎煤岩过程中的力学特性,运用ABAQUS有限元分析软件,建立等效单刀齿复合破碎煤岩的三维实体模型,采用单因素实验方案,分析不同运动与结构参数作用下煤岩体的应力状态与刀具的载荷。结果表明:刀齿轴向向自由面方向振动时,煤岩体中应力主要分布在刀齿齿尖与楔面处,拉应力区域集中在齿尖处,压应力主要分布在楔面上方,随着刀具向自由面方向振动应力区域向齿尖处扩展。刀齿径向载荷和轴向载荷峰值的周期性与振动过程和方向有正相关性。刀齿径向载荷与振动幅值和频率成反比,与径向速度和切削厚度成正比,轴向载荷与切削厚度成正比。该研究对碟盘刀具破碎煤岩的深入分析和高效破岩机构的设计有着基础性借鉴意义。

碟盘刀具上刀齿切削煤岩的载荷特性研究

为探求碟盘刀具切削煤岩载荷规律和高效破碎煤岩机构特性评价方法,采用碟盘刀具结构简化处理方法,以一个刀齿作为等效分析单元,在载荷理论模型构建中,给出了等效切削厚度的概念和算法,以数值模拟、试验和理论方法获取了刀齿切削煤岩的载荷曲线,探讨轴向振动径向切削煤岩载荷特性和对比特征。结果表明:刀齿径向切削数值模拟、试验和理论载荷随楔面角的变化规律是吻合的,验证了刀齿径向切削煤岩力学模型的正确性,其理论径向载荷与试验最大值和平均值分别减小5%和增大14%,轴向载荷均值理论与试验均值减小19.5%,轴向载荷方向呈现正负的变化,当完全楔入煤岩中,轴向载荷方向呈现由向下变为向上的变化规律。类比分析了刀齿轴向向上振动与径向复合切削,其径向载荷理论值比径向切削试验均值减少了约32%,而轴向载荷比试验均值减少了约27%。碟盘刀具轴向振动径向复合切削方法破碎煤岩特性的研究,为研制硬岩破碎机构提供技术参考。

基于正交数值模拟的碟盘刀具破碎煤岩性能评价

为探究不同运动参数交互作用下碟盘刀具破碎煤岩的性能,根据进给速度、振动幅值和频率这3个运动参数,设计了3参数5水平的25组正交数值模拟实验。通过对碟盘刀具振动切削煤岩的数值模拟,给出了一种可赋予不同权重评价指标的改进功效系数法。在未考虑碟盘刀具生产率的条件下,采用功效系数法综合分析了峰值均值、曲线均值、小波能量熵和盒维数4个评价指标对破碎煤岩性能的影响。结果表明,进给速度、振动频率和幅值对破碎性能的影响依次减小,获得了破碎性能较好的不同参数组合。该研究为碟盘刀具多参数优化提供了参考。

碟盘刀具的刚度计算与模态分析

为研究碟盘刀具主要结构参数对其刚度与模态的影响,将碟盘刀具等效为悬臂梁,利用差分法构建了碟盘刀具刚度的计算模型,采用ABAQUS有限元分析软件建立碟盘刀具与刀轴的三维实体模型,运用Lanczos算法分析了不同结构碟盘刀具的模态,获得碟盘刀具的固有频率和模态振型等参数。结果表明:碟盘刀具近似刚度和固有频率均与楔面角度及半径负相关;碟盘刀具振型主要集中在楔面部分,从边缘到中心变形量逐渐减小,第4阶变形量达到最大;固有频率与振型均在第1阶至第2阶、第3阶至第4阶、第5阶至第6阶三处变化剧烈。该研究为完善碟盘刀具的结构设计提供了借鉴。

碟盘刀具破碎煤岩载荷谱的分形与FFT能量特征

为评价碟盘刀具径向切削与轴向振动复合破碎煤岩的性能,应用分形理论和FFT能量方法分析碟盘刀具数值模拟的载荷谱。通过分析总载荷谱在2^-8尺度下的盒维数和FFT能量特征,研究碟盘刀具复合破碎煤岩的性能与碟盘刀具楔面角度的关系。结果表明:随着楔面角度增大,碟盘刀具径向载荷增大,轴向载荷减小,总载荷增大,其方向角变化范围减小并逐渐趋向0°,呈现非对称周期性。随楔面角度增大,碟盘刀具总载荷盒维数逐渐减小,比能耗减小,破碎煤岩块度增大,粉尘量减小,归一化的FFT能量减小。该研究揭示了不同楔面角度下碟盘刀具破碎煤岩的比能耗与分形特征评价破碎性能的一致性,为实现高效破碎煤岩提供了参考。

运动参数对碟盘刀具破碎煤岩载荷的影响

为了提高煤岩的破碎性能,优化碟盘刀具运动参数,采用方差分析法和多元非线性拟合综合分析了进给速度、振幅和频率对载荷谱的影响,通过多因素和单因素分析给出碟盘刀具运动参数对载荷谱的影响关系,建立了碟盘刀具径向、轴向和总载荷与进给速度、振幅和频率之间的模型。结果表明:进给速度、振动幅值和频率对碟盘刀具破碎性能的影响占比分别为46.60%、26.31%和27.09%。随进给速度增大,碟盘刀具总载荷增大;随振幅和频率的增大,总载荷减小。不同进给速度和频率的组合对内能和动能有着不同的影响。该研究为调整碟盘刀具运动参数来提高破碎性能奠定了基础。

基于星点设计的碟盘刀具截割煤岩性能评价与预测

为提高碟盘刀具截割煤岩性能,减小碟盘刀具载荷,以进给速度、切削厚度、振动频率设计了3因素5水平15组星点设计数值模拟,构建了数值模拟载荷回归模型,采用响应面法绘制等高线图确定了因素取值范围,根据熵值法分配权重后计算15组数值模拟综合评价值Wi,对比分析了碟盘刀具振动切削实验结果与回归模型预测值,验证回归模型的准确性。结果表明,通过星点设计与响应面法给出了进给速度、切削厚度、振动频率对碟盘刀具性能的影响范围。数值模拟结果与回归模型预测值平均偏差为1.98%,实验载荷谱径向载荷峰值均值与回归模型预测值平均偏差为14.19%。

多自由度悬臂截割机构碟盘刀具的空间位姿模型

为实现碟盘刀具不同姿态使煤岩受拉和拉-剪破碎,采用拓扑几何设计了一种并联悬臂式碟盘刀具截割机构,运用螺旋理论分析并联机构的自由度,计算了其不同位置正反解,通过坐标变换构建碟盘刀具相对悬臂回转中心的姿态坐标模型,利用最小二乘法求解碟盘刀具的截割范围。结果表明:悬臂二级摆动可在一级摆动基础上使碟盘刀具增加120°的水平摆动和57°的垂直摆动范围;在悬臂一、二级同时摆动下,碟盘刀具轴线的水平和垂直摆动范围分别为-100°~100°与-87°~84°,碟盘刀具覆盖的巷道断面面积比传统悬臂增加了69.26%,其碟盘刀具轴线与巷道断面坐标系x、y、z三轴夹角分别为0°~180°、6°~177°和0°~100°。

碟盘刀具截割煤岩温度及磨损行为研究

采掘机械截割刀具与煤岩体作用的产热机制、磨损行为及截割载荷与煤岩特征定量关系,是解决截割刀具磨损失效、寿命短,实现安全、高效掘进巷道的关键。通过综合分析温度对刀具寿命、磨损及截割效率的影响,探究碟盘刀具截割煤岩的温度及磨损分布规律,揭示碟盘刀具截割煤岩的产热机制与磨损特性,在无振动和轴向激励振动截割条件下,通过摩擦做功分别确立了刀具楔面和刀刃的热流密度计算关系式,基于瞬时点热源情况下半无限体传热模型和热补偿原理,给出了碟盘刀具楔面不规则面热源和刀刃线热源的传热模型,建立了任意一点的温度数学模型,解算分析相关参数对刀具温度场影响,利用有限元ABAQUS和离散元EDEM软件,模拟不同进给速度下碟盘刀具截割煤岩的温度场及磨损特性,搭建碟盘刀具振动截割煤岩的实验系统,测试碟盘刀具破碎煤岩的温度特征,综合理论、模拟和实验探究碟盘刀具温度与磨损行为特征及分布规律。结果表明:碟盘刀具温度变化特征主要集中在刀刃上,从刀刃向楔面逐渐递减,沿碟盘刀具圆周温度呈类抛物线分布,温度从中间刀刃向两侧逐渐减小;不同进给速度下,无振动和轴向激励振动理论计算(截割时间趋于无穷大)获得的稳态平均最高温度分别为374.76和245.72℃,模拟获得的(截割时长3 s左右)平均最高温度分别为80.13和73.60℃,无振动的平均最高温度高于振动8.87%,实验获得的(截割时长3 s左右)分别为72.56和66.99℃,无振动的平均最高温度高于振动8.45%,模拟和实验的平均误差为11.69%;碟盘刀具截割煤岩实验过程中刀具出现的周向自旋现象利于其均匀磨损,振动截割相对于无振动更为明显;碟盘刀具刀刃温度耗散呈现非线性下降趋势,从刀刃向楔面快速传递,其结构形式可避免因温度累积集中而加剧刀具局部磨损;碟盘刀具磨损集中在刀刃处,圆周相对磨损量呈类抛物线分布,中间刀刃相对磨损量较大,两侧刀刃相对磨损量逐渐减小,ABAQUS模拟结合刀具磨损模型估算刀刃相对磨损量特征规律与EDEM模拟给出的相同;碟盘刀具圆周相对磨损量与温度特征规律相吻合,相关性系数均高于0.90,截割温度能够表征刀具磨损情况。综合理论、模拟和实验获得了碟盘刀具截割煤岩的温度分布特性与磨损规律的内在关联,3者温度变化规律具有一致性,验证了刀具传热模型的准确性和有效性。

基于损伤力学的碟盘刀具振动截割煤岩径向载荷

为探究碟盘刀具振动截割煤岩的载荷特性与破碎性能,根据煤岩损伤力学和Mohr-Coulomb强度准则,构建碟盘刀具径向载荷损伤力学模型,利用ABAQUS软件和振动截割实验台获得碟盘刀具振动截割煤岩径向载荷谱,采用峰值标准差和频谱分析实验载荷谱,表征截割过程中煤岩崩落的状态,验证了径向载荷理论计算值、数值模拟值和实验值的一致性。结果表明:截割煤岩厚度为10~25 mm时,数值模拟和实验的径向载荷峰值均值与理论值平均误差分别为3.17%和7.66%,与理论值吻合度较高,验证了力学模型的准确性;截割煤岩厚度增加,径向载荷呈线性增大趋势,载荷谱峰值标准差呈指数规律变化,载荷谱波动频率中幅值的低频成分相对占比随之增大,煤岩大块崩落的概率增大。

碟盘刀具复合振动切削煤岩的损伤力学模型

为获得碟盘刀具振动切削破碎煤岩载荷大小,通过分析碟盘刀具与煤岩的作用过程,考虑其振动对煤岩的损伤作用,采用Weibull和对数正态分布确定了损伤因子,根据Mohr-Coulomb准则建立碟盘刀具振动切削煤岩大块崩落的理论损伤力学模型,运用ABAQUS有限元软件仿真碟盘刀具破碎煤岩过程,对比分析了理论模型计算数值与仿真载荷。结果表明,Weibull与对数正态分布所建立的理论模型计算值与仿真的载荷均值具有较好的吻合性。不同煤岩强度下Weibull与对数正态分布下理论模型计算值与仿真值的平均误差分别为2.29%和2.34%。经仿真验证,Weibull分布与对数正态分布所建立的损伤力学模型适用于碟盘刀具振动切削破碎煤岩载荷的定量计算。

基于Mohr-Coulomb准则的碟盘刀具径向载荷模型

为构建碟盘刀具破岩径向载荷的理论模型,揭示其与煤岩的作用关系,通过分析弧形刀刃和楔面与煤岩的作用载荷,采用赫兹接触理论及Mohr-Coulomb准则研究刀刃和楔面的载荷特性,运用矢量叠加原理构建了刀刃和楔面矢量合成碟盘刀具破岩径向载荷模型。通过实验研究不同截割厚度和楔面角的载荷谱,获得了载荷谱峰值和频率特征值,与所构建的理论模型进行对比分析。结果表明:碟盘刀具径向载荷随截割厚度的增大呈增大趋势,楔面角度在35°~50°范围,径向载荷随楔面角的增大呈增大趋势;碟盘刀具径向载荷的理论与实验具有一致性,最大误差在6%左右,验证所建立理论模型的准确性。

基于EDEM二次开发的碟盘刀具截割煤岩温度特性

为揭示碟盘刀具破岩时的温度特性,通过对EDEM离散元软件进行二次开发,构建颗粒与几何体的传热模型,实现碟盘刀具与煤岩颗粒的温度场计算,基于二次开发的EDEM软件仿真碟盘刀具截割煤岩过程中温度特性,分析截割厚度和振动频率对刀具表面温度的影响。结果表明,刀具表面温度随截割厚度的增大而增加,随刀具振动频率的增大而减小。刀具温度分布主要在刀齿周围,刀齿温度从中间向两侧逐渐减小。当碟盘刀具截割厚度为25 mm时,刀具刀齿温度最大值为76.5℃;当振动频率为55 Hz,刀齿温度最大值为46.7℃。

煤岩样力学参数下碟盘刀齿破岩数值模拟

为研究煤岩模拟材料的力学性能参数,将煤、水泥按比例配制,进行单轴压缩试验,依据测得的煤岩样参数进行破碎煤岩的数值模拟试验。结果表明:随着配比的增加,抗压强度呈指数关系下降,力学参数下所得振动切削煤岩的Mises应力影响比径向切削的范围更广,并且振动切削的径向载荷比径向单作用切削情况下小17%。该研究为后期截割材料的制作以及截割试验的进行奠定了基础。

轴向振动截割下碟盘刀刃与煤岩作用机制及其载荷模型

针对现有刀具截割复杂地质条件煤岩(尤其截割硬岩时)损耗高、效率低和易磨损等问题,提出了具有截-楔效应的碟盘刀具复合振动截割破碎煤岩的方法,碟盘刀具径向进给与不同振动形式和姿态来实现复合截割破碎煤岩。以碟盘刀刃为研究对象研究轴向振动截割对煤岩损伤破坏的力学特性,基于剪切破碎理论给出刀刃作用载荷破坏煤岩条件以及刀刃轴向向下振动、向上振动和径向截割煤岩时等效集中载荷的计算方法,采用位移应变等效力合成的方法建立刀刃结构参数与载荷关联模型,模拟研究其径向单作用截割和轴向振动复合截割工况下破碎煤岩的载荷特性,研究碟盘刀具在有振和无振的实验条件下破碎煤岩载荷,对比分析了刀刃载荷的理论计算、数值模拟与实验。结果表明:碟盘刀刃对煤岩的损伤区域面积由中间向两侧逐渐递减与数值模拟应力云图相吻合;振动截割条件下数值模拟和实验的刀刃径向载荷均小于无振条件下的载荷值;轴向振动截割下其数值模拟和实验载荷均与轴向振动位移呈现明显的周期波动规律,且存在超前相位差,径向与轴向载荷幅值与振动位移幅值非同时性,其相位差随振动频率增大而减小;随着截割厚度增大,碟盘刀具径向载荷理论值、模拟值与实验值呈现递增变化规律相吻合,且其误差均值分别为12.01%和6.37%,截割厚度对载荷影响程度从大到小依次为正值轴向载荷、径向载荷和负值轴向载荷;碟盘刀刃轴向向上振动时径向载荷(最大振幅处对应载荷均值)的理论值、模拟值与实验值的误差分别为11.65%和13.99%,其轴向载荷的误差分别为10.46%和13.51%,轴向向下振动时径向载荷的误差分别为13.91%和5.61%,其轴向载荷的误差分别为14.90%和7.88%。结合已有文献碟盘楔面载荷模型共同验证了碟盘刀刃载荷模型的正确性,进而说明了运用位移应变等效力合成的方法建立复合运动破岩载荷模型的可行性。