《岩石疏浚切削機理研究與實驗》是依託上海交通大學，由楊啟擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：岩石疏浚切削機理研究與實驗
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：楊啟
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
本項目以岩石破碎摩爾包絡線理論為基礎，研究岩石在絞刀切削過程中岩石破碎的力學機理，探索絞刀切削岩石載荷的計算方法，研究切削載荷變化規律。構建岩石切削過程中絞刀的運動參數和岩石切削載荷之間的關係，建立絞刀切削岩石的動力學計算模型，在時域下研究當絞刀切削速度和切削岩石厚度發生變化時，分析岩石切削載荷的變化規律，根據時域下的載荷變化規律，最佳化岩石切削刀具的設計理論方法，分析載荷變化對切削設備的影響。探索絞刀切削齒數變化引起的切削頻率變化和切削載荷的之間的關係，分析切削頻率變化對岩石切削載荷變化的影響規律，研究絞刀切削頻率變化產生的衝擊載荷的波動性變化規律，從而最佳化岩石切削設備的設計方法。該項目的研究對岩石疏浚的發展以及海洋礦產資源開採等都具有重要的理論價值和現實意義，具有廣闊的套用前景。
結題摘要
本課題從理論、數值和實驗三個方面研究了單刀齒切削破岩機理和絞刀疏浚破岩機理以及相應的載荷計算方法。 首先，在分析現有切削破岩成果基礎上，設計了刀齒切削實驗裝置，開展了疏浚破岩切削實驗。用理論、實驗和數值方法對刀齒切削破岩進行了研究。結果表明：刀齒切削破岩中，切削前角較大時，岩石為拉伸失效，切削載荷較小；切削前角很小或為負值時，壓碎為主要模式，切削載荷較大；切削前角處於中間時，岩石剪下失效為主要模式。對於圓錐齒切削破岩，切削力與切削厚度之間關係接近冪函式關係，冪指數在1~1.5之間。對於鑿齒切削破岩，切削厚度與切削力之間關係接近於二次函式；切削寬度與切削力之間關係近似於線性關係。此外，圓錐齒錐頂角增加，切削力會逐漸增加，而且增幅逐漸變大；斜切角增加，切削力也會增加，但是斜切角為10°與斜切角為零的情況相比，切向力和法向力均較小，側向力較大；側傾角增加，切削力也增加，同樣，側傾角為10°與側傾角為零的情況相比，切向力和法向力均較小，側向力則較大。根據分析結果，建立了新的切削載荷計算模型，並用實驗進行了初步驗證。 然後，基於單刀齒切削模型建立了三種絞刀載荷計算模型。其中半經驗半數值計算模型將刀齒切削破岩中的破碎角和刀齒相互影響考慮在內，從而更加接近真實情況。該計算模型仿真得疏浚載荷波動劇烈，絞刀功率的峰值和平均值都比較符合實際疏浚情況。利用該計算模型，分析了岩石性質、絞刀形狀和疏浚參數對疏浚載荷影響。結果表明：疏浚載荷與岩石內摩擦角基本為指數關係，疏浚載荷會隨著破碎角增加而減小；絞刀刀臂數目由4~8變化，絞刀功率平均值基本減小；絞刀每個刀臂上刀齒數目從8~16變化，刀齒數目為10時絞刀的功率消耗最大，刀齒數目為16時絞刀功率消耗最小；絞刀轉速增加能夠減小絞刀受力和絞刀扭矩，但絞刀功率保持不變；絞刀橫移速度增加會增加絞刀受力、扭矩和絞刀功率；單獨增加絞刀疏浚厚度時，絞刀受力、絞刀扭矩和絞刀功率隨之線性增加；隨著絞刀傾斜角的增加，絞刀受到的軸向力和法向力均增加，絞刀扭矩和功率也會增加。 最後，本課題對一艘絞刀功率4200kW絞吸挖泥船疏浚岩石現場數據進行實測。實測絞刀功率最大值基本上是全程平均功率的3~6倍。功率最小值始終保持在100kW左右，最大值則達到了3500kW。在疏浚硬岩實驗中，絞刀功率波動非常大，而最大功率達到了4800kW，絞刀平均功率為1180kW。
