高壓水射流與多刀具耦合破岩系統的動力學特性研究

《高壓水射流與多刀具耦合破岩系統的動力學特性研究》是依託中國礦業大學，由劉送永擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：高壓水射流與多刀具耦合破岩系統的動力學特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：劉送永
• 依託單位：中國礦業大學

項目摘要

本項目以提高採掘裝備破碎堅硬煤岩效率、降低破岩系統衝擊和磨損為研究目標，運用流體力學、斷裂力學、離散元法等理論和方法，開展高壓水射流與多刀具耦合破岩系統的動力學特性研究。在建立煤岩彈塑脆性模型、掌握採掘裝備工作機構破碎不同煤岩特性時的運動和動力學特性基礎上，利用高壓水射流高速、低溫衝擊高效破岩的特點，考慮水射流衝擊和刀具銑削耦合破岩時影響刀具熱應力、機械應力交替變化的因素，研究水射流破碎堅硬煤岩的表面損傷形式，建立水射流輔助單個刀具耦合破岩力學模型、自控水力刀具破岩自開啟力學模型、自控水力刀具的疲勞應力模型和水射流輔助多個刀具耦合破岩的動力學模型，分析不同條件下輔助水射流壓力、位置、噴嘴直徑等參數的變化規律和自控刀具的負載特性，掌握不同條件下刀具受力狀態、磨損形式與煤岩特性關係，提出改進刀具性能的措施；獲得水射流輔助多個刀具破岩系統的最佳配置形式，提高採掘裝備開採堅硬煤岩的可靠性。

結題摘要

針對堅硬煤岩對採掘裝備工作機構衝擊、磨損嚴重的問題，利用高壓水射流高速、低溫衝擊高效破岩的特點，考慮水射流衝擊和刀具銑削耦合破岩時刀具熱應力、機械應力交替變化的條件，基於流體力學、斷裂力學、離散元法等理論和方法，建立了水射流破碎堅硬煤岩的表面損傷模型、水射流輔助單個刀具耦合破岩力學模型、自控水力刀具破岩自開啟力學模型、水射流輔助多個刀具耦合破岩的動力學模型，以降低刀具磨損量、刀具應力、截割比能耗、粉塵量和提高系統破岩效率、煤岩破碎塊度為目標，深入開展水射流高速衝擊和多刀具銑削耦合破岩機理研究。結果表明，最佳配置方式為中心射流-截齒，其次是後置式射流-截齒破岩，輔助效果最差的是側置式射流-截齒破岩，中心射流-截齒受力減小率最大，最大為30.96%，其次是後置式射流-截齒，最大為28.96%，第三是前置式射流-截齒28.17%，射流輔助效果最差的是側置式射流-截齒，最大為25.42%，射流壓力超過岩石抗壓強度時，截齒受力減小率有明顯的提升，水射流入射角為60°~90°時，具有較好的輔助截齒破岩效果；當自控水力截齒阻尼孔直徑為0.25mm時，自控水力截齒與普通水力截齒流量對比約為0.2，能夠有效解決水量浪費問題；當無因次靶距x1/d＜10，水射流軸向速度只包括核心區和撞擊區，水射流動能到壓力能轉換效率較高；當無因次靶距x1/d＜5，無因次衝擊壓力峰值為1，水射流能量損失幾乎為零，能夠充分發揮水射流的破碎作用；在壓力為22 MPa水射流輔助作用下，水射流截割頭I截割扭矩平均降低約30 %，推進阻力平均降低約30 %，截割頭旋轉截割比能耗、鑽進切削比能耗及破岩比能耗平均降低約35 %。水射流截割頭II扭矩平均降低約5.5 %，推進阻力平均降低約2.2 %，比能耗平均降低約9 %。水射流截割頭III扭矩平均降低約22 %，推進阻力平均降低約25.5 %，截割頭比能耗平均降低約27.5 %，與水射流截割頭II相比該種水射流輔助破岩效果較好。