高压水射流辅助锥形PDC齿破碎花岗岩试验研究

深部地层岩石硬度高、研磨性强、可钻性差,地质条件复杂、施工难度大,高压水射流辅助钻井可有效延长钻头寿命,提高钻进效率。采用室内试验与理论分析相结合的方法,开展了高压水射流辅助锥形PDC齿破碎花岗岩试验,分析了高压水射流辅助锥形PDC齿和常规PDC齿破碎花岗岩特性,揭示了射流压力、喷射距离、喷嘴直径及喷射角度等因素对锥形PDC齿破岩效果的影响规律。研究结果表明:在高压水射流辅助破岩条件下,锥形PDC齿与常规PDC齿的破岩比能分别降低了17.36%与19.63%;射流压力越大,射流辅助锥形PDC齿破岩效果越好;在研究条件下,喷距范围为5~10 mm可使水射流辅助锥形PDC齿破岩效果最佳;当喷嘴直径为2 mm时,切削力离散系数最小;喷射角度为30°时,锥形PDC齿切削力与破岩比能达到最小值;喷射角度为20°时,切削力离散系数最小,切削力最稳定。研究结果可为适用于深部硬岩钻井的锥形PDC钻头水力结构设计与优化提供理论支撑。

水射流切根装置设计与试验研究

切根已成为退化羊草草原恢复的重要改良方法之一。针对传统牧草切根机存在的扰动大、刀盘入土困难、易损伤等技术难题,设计了一种水射流切根装置。通过理论分析确定了喷嘴的直径范围为0.25~0.5mm,水射流装置射流速度为400m/s,对土地表面的冲击压强为16MPa。试验结果表明,水射流切根装置的切割深度与喷嘴直径和装置作业速度密切相关:当速度相同时,直径越大,流量越大,切割深度越大;当直径相同时,切割速度越小,切割深度越大。

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。

切缝辅助滚刀破岩临界间距试验及预测模型研究

提高坚硬岩石条件下滚刀破岩能力是隧道施工的长期追求目标,而采用水射流辅助滚刀破岩可有效降低岩石开挖难度和刀具载荷,是一种很有前景的新型破岩技术。针对水射流切缝辅助滚刀破岩这一方式,首先采用破岩试验验证了切缝间距对切缝辅助滚刀破岩效果的影响,证明在岩石材料、贯入度、切缝深度一定条件下,切缝辅助滚刀破岩存在一个临界间距,当切缝间距小于临界间距时,切缝侧才能发生贯通破碎;然后采用岩石剪切破坏理论分析并提出了一个线性化临界间距计算模型,该模型表明临界间距的大小与切缝深度L和贯入度H的差值(L-H)线性线性相关。

高压水射流联合机械截齿清理粘底矿车装置的研制

介绍高压水射流联合机械截齿清理粘底矿车装置的工作原理,说明了新研制的清理装置的结构、技术参数及试验效果。

水下线型聚能切割器内外炸高对射流侵彻性能的影响

借助ANSYS/LS-DYNA程序,对线型聚能切割器在水下切割钢板的性能进行了数值模拟研究,并通过试验对数值模拟仿真结果进行了验证。通过数值模拟和试验对比,重点分析了水下聚能切割器空气内炸高和水外炸高对射流侵彻靶板的特性影响。数值模拟和试验结果表明:聚能槽内的水介质会阻碍射流的形成,严重影响切割性能,设置适量的空气内炸高并减小水外炸高,可以提供射流形成的空间,大幅提高射流的侵彻能力;空气内炸高越小,射流的形成越不充分,形成射流的速度和动能越小,侵彻能力越弱。

磨料射流切割替代剪切闸板的可行性研究

在高含硫油气田钻井作业中,剪切闸板与H2S接触可能发生硫化物应力腐蚀开裂导致剪切闸板失效,不能快速剪断钻杆,将导致恶性事故发生。为避免这一现象,提出了采用磨料射流切割替代剪切闸板切割钻杆、钻铤的设想,通过分析磨料射流切割的机理及特点,得出此设想在理论上具备可行性的结论。只要选取适合的参数,将切割时间控制在闸板防喷器规定的关闭时间内,磨料射流切割就可以替代剪切闸板。

高压水射流对采煤机截煤性能的影响

为了探究水射流对煤壁的损伤规律,建立了水射流破煤有限元计算模型,应用软件Ansys/LS-DYNA对水射流破煤过程进行数值模拟,结果表明:煤壁冲击中心处受到的损伤最为严重,中心处周围煤壁损伤较小,说明水射流冲击波衰减较快;随着流速的增加,煤壁所受的应力随着水射流流速的增加而增大,但是冲击中心周围的损伤范围变化不大,说明增加流速对冲击波衰减的速度影响较小。为了探究水射流对采煤机截煤性能的影响,建立了采煤机滚筒在有、无水射流条件下截煤的有限元计算模型,对两种条件下的截煤过程进行数值模拟,结果表明:在有水射流的条件下,截齿受力减小,随着水射流流速的增加,截齿受力逐渐减小,当水射流流速为300 m/s时,水射流辅助截煤经济性最好。

数控水刀在石材切割中的应用研究

数控水刀装置系统,可以广泛地应用于各种金属和非金属材料的切割加工,而且能够实现机械切割设备难以实现的特种曲线加工,特别是其人机交互性能良好、工作压力和切割比能耗较低、整套系统成本低廉等优点,在石材切割加工方面具有很好的应用发展前景。

水力切缝上方TBM滚刀贯入破坏机制模拟研究

为了提高坚硬岩层隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)贯入度和降低滚刀受力,高压水射流辅助TBM滚刀破岩已在工业界初步应用。为了揭示水力切缝滚刀破岩机制,基于水力切缝岩石滚刀贯入试验进行了三维颗粒流模拟,研究了滚刀贯入力和贯入刚度随切缝深度的变化规律,揭示了不同切缝深度滚刀纵横剖面内的裂纹扩展和力链演化过程,分析了拉裂纹和剪裂纹随切缝深度的变化规律,明确了不同切缝岩石滚刀贯入的破坏模式和破坏机制。结果表明,第1次贯入的贯入刚度和贯入力随切缝深度的增加大致呈线性降低,第2次贯入的峰值力和贯入刚度小于第1次。而且,50~80 mm刀间距的变化对峰值贯入力的影响并不显著。随着切缝深度的增加,滚刀下方力链集中区边缘的倾角变大。由此导致破坏倾向于倾斜向下发展,当刀间距增加时,破坏由切缝一侧倾斜破坏向两切缝中间岩脊倾斜破坏转变,研究结果可为TBM滚刀与水射流布置和切缝深度的选取提供一定参考。

压力容器支撑裙及屏蔽结构水下切割装置的设计

对压力容器支撑裙及屏蔽结构水下自动切割装置的设计背景、功能特性、结构组成及试验内容等方面进行介绍;对切割装置控制系统的设计特点,工作特性进行了分析,论述了装置使用的可行性、可靠性及与工作环境的适应性。

磨料水射流辅助与常规工况下滚刀破岩特性对比研究

为了研究磨料水射流辅助与常规工况下滚刀破岩特性的差异性,开展了两种工况下的破岩试验,对比分析了不同切削间距下岩石破碎状态、破岩载荷以及破岩效率的差异性。研究结果表明,相较于传统滚刀破岩,磨料水射流辅助滚刀破岩可提高滚刀贯入硬岩的能力,促使裂纹在岩体内部的拓展,产生大尺寸岩渣。磨料水射流辅助下滚刀垂直力和滚动力均明显低于常规滚刀破岩,平均下降了39%和25%,同时,磨料水射流辅助下滚刀破岩量增多,破岩效率进一步提高,约为常规滚刀破岩效率的1倍~2倍。研究结果为提高硬岩地质条件下滚刀破岩性能,实现隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)的高效掘进提供参考。

射流联合盾构切削钢筋混凝土仿真与试验

针对传统盾构刀具直接切削钢筋混凝土所产生的弊端,进行磨料水射流联合盾构刀具切削钢筋混凝土研究。通过仿真和试验探究了磨料水射流在不同横移速度下对钢筋和素混凝土的切削效果和切割机理并确定了切割钢筋混凝土的最佳横移速度。研究结果表明:磨料水射流对钢筋和混凝土的切割机理存在差异性,水射粒子对钢筋的切割贡献十分有限;混凝土的切口深度和宽度大于钢筋,对横移速度变化的敏感性小于钢筋;在高横移速度下混凝土切口损伤宽度得到扩大但并不显著、钢筋出现切割残余;切割深度随着横移速度的增加而减小,下降速度由陡变缓;10 mm/min的横移速度较好满足切割C55钢筋混凝土的要求。基于前期研究成果开展模拟盾构切削试验,分析了磨料水射流联合盾构刀具破除C55钢筋混凝土的效果、刀具损伤和参数特征。试验结果表明:磨料水射流联合盾构刀具切削能有效解决盾构刀具直接切削所产生的钢筋缠绕问题,减少了刀具损伤,控制了扭矩峰值。

水刀辅助破岩技术的搭载及应用

为解决硬岩隧道掘进机在硬岩地层掘进时遇到的掘不动、掘进慢等难题,研发出一种掘进机搭载辅助破岩系统,即在现有硬岩掘进机开挖系统的基础上集成水射流破岩技术,在水射流与滚刀共同作用下进行破岩。针对水刀辅助破岩技术的搭载及应用进行研究:1)系统介绍辅助破岩系统的搭载设计理念,并对其配套的射流系统泵站、输送系统、喷射系统等进行工作原理和性能参数介绍。2)采用模拟现场工况试验的方法,实现水刀辅助破岩技术搭载的试验研究,得到破岩效果指标参数与高压水射流参数之间的关系。3)基于水刀辅助破岩搭载技术现场应用情况,采用实时采集数据的方法,得到应用过程中的试验方法、试验数据、掘进效果、环境温度、系统功率、存在问题等结果,并提出相应的解决措施。4)基于辅助破岩技术的现场工业性试验,提出辅助破岩技术的优化改进方向。结果表明:硬岩掘进机水刀辅助破岩技术的搭载及应用可行,270 MPa水压耦合掘进时场切深指数均值下降约38.1%,转矩切深指数下降约16.9%,破岩效果显著提升。然而,高压水系统的搭载带来隧道内温度的升高、高压水系统管路异常磨损2方面的问题,从而影响设备的正常掘进,是提升水刀辅助破岩搭载技术应用性的重点努力方向。

水射流煤焦切焦器性能下降原因分析及解决方法

对某大型焦化企业煤系沥青焦(以下简称"煤焦")用切焦器使用多年后性能严重下降的原因进行了具体分析,并对其进行了包括喷嘴、流道等方面的局部改造,从而恢复了其使用性能,并提高了工作效率,实现了煤焦用联合切焦器的国产化。

水射流辅助机械滚刀破岩试验研究

为解决极端软硬不均、极硬岩(硬度超过180 MPa)等复杂地质条件下,隧道掘进机破岩过程中刀具破岩效率低及“啃不动”的问题,采用滚刀岩机作用综合试验台,搭载高压水射流装置,采用不同的水射流参数及掘进参数对花岗岩试样开展破岩试验,研究不同条件下水射流辅助机械滚刀破岩对掘进参数及效率的影响。通过试验获得水射流破岩合理的靶距与压力,探明水射流与机械滚刀交叉轨迹复合破岩、同轨迹复合破岩相对于纯机械滚刀破岩刀盘推力、转矩及破岩效能的变化特性。

水刀水射流速度计算方法

应用伯努利方程,分析了水刀高压管内水流体的能量变化,简化了水射流速度的计算方法,使实际应用中能了解到水射流速度与增压缸输出压力变化的相互关系。

高压水射流前方切缝辅助TBM滚刀破岩试验研究

为提升坚硬岩层TBM滚刀破岩效率,降低滚刀磨损及消耗进而提高TBM整机掘进速度,采用最新研制的高压水射流辅助TBM滚刀破岩试验测试系统,进行坚硬花岗岩水射流先行切割滚刀后行破岩的室内试验,研究同一掌子面相同切深、不同刀间距条件下全尺度滚刀的受力规律和破岩特征。结果表明,完整岩石及水射流作用下滚刀的法向力、滚动力和侧向力随刀间距的增加缓慢增加;相比完整岩石,三向力降低幅度分别为19%~41%、10%~34%和16%~59%,破岩体积增加24%~72%,破岩比能降低7%~48%,切割系数升高幅度为6%~17%,且随着刀间距的增加缓慢降低;水射流切缝岩石碎片的尺寸明显增大,但岩粉质量有所降低,岩石破坏多数以张拉破坏为主。

TBM滚刀与高压水射流布局对滚刀破岩效率影响的室内试验

硬岩掘进机(TBM)在完整高强度岩体中掘进性能受限,可通过搭载高压水射流系统在工作面上切缝以提升滚刀破岩效率,然而相关大尺寸试验较少且缺乏系统性。为探究滚刀-高压水射流切割布局对滚刀破岩效率的影响,采用福建龙岩黑云母花岗岩先后进行了高压水射流切割与全尺寸滚刀破岩试验。试验包括滚刀沿双水刀切缝间、单水刀切缝上、三水刀切缝间、单水刀切缝一侧4种布局,同时也进行了无水射流切缝辅助的滚刀破岩以作对比。试验过程中采集了破岩滚刀力,收集了破岩产生的渣片并进行筛分。最后根据试验现象分析了不同布局下的裂纹扩展形态。结果表明:水刀滚刀切割轨迹重叠有助于滚刀贯入,滚刀力降低并促进侧向裂纹向斜上方自由面扩展,但产生的岩片尺寸有限;滚刀沿三水刀切缝的中间切缝破岩时,刃底一侧的侧向裂纹扩展可能受到抑制;滚刀沿两水刀切缝之间破岩性能最优,刃底两侧的侧向裂纹均能朝水刀切缝底部扩展并贯通以形成大岩片,且切缝深度越深滚刀破岩效率越高,但增幅逐渐变小。试验成果可为滚刀-高压水射流联合破岩TBM刀盘设计及破岩性能估计提供参考。

水射流辅助刀具切削钴结壳

为了减小钴结壳切削过程中产生的冲击载荷,提高集矿机的行走安全性,提出了水射流辅助刀具切削钴结壳的切削方法.分析了单个截齿切削钴结壳时的受力情况,建立了水射流辅助刀具切削钴结壳的力学模型,通过仿真计算获取了水射流压力和刀具在钴结壳表面产生初始裂纹所需最小切削力的作用规律.仿真结果表明:与纯刀具切削相比,当水射流作用点和刀具作用点重合时,刀具在钴结壳表面产生初始裂纹所需的最小切削力明显下降;随着水射流压力的增加,刀具所需的最小切削力急剧下降.开展了水射流辅助刀具切削钴结壳模拟料实验.实验结果表明:与纯刀具切削钴结壳相比,水射流辅助刀具切削钴结壳时,切削过程中冲击载荷的最大值明显下降,当射流压力为5 MPa时,冲击载荷的最大值下降约50%,有效值下降约10%.