高压水射流掘进机截割头设计

掘进机是煤矿巷道掘进的主要设备,国内现有的掘进机主要依靠截齿截割,当煤岩硬度较大时,截割头振动剧烈,大大缩短了截齿的使用寿命。为了改善截割头的振动情况,在截割头上引入高压水射流辅助截齿截割,并对高压水射流掘进机截割头关键环节进行具体设计。研究发现,截割头上高压水射流配置方式包括四种:前置式、后置式、中心式和侧置式,其中应优先选择前置式,当水压达到40MPa时,截割头上一般可布置(5~15)个喷嘴,且优先布置在工作环境比较恶劣的球面与锥面的过渡位置。进行高压水射流掘进机截割头截割实验,研究表明所设计的截割头能有效降低截割头振动,当水压达到40MPa时,振幅平均值降低45.6%,且振动更加平稳。     

新型旋转磨料水射流截齿的设计与仿真

掘进机截割硬岩时,截齿存在截割力大、磨损严重、温度高等问题,提出一种新型旋转磨料水射流截齿,喷嘴和截齿为一体式结构,射流靶距较小,能够更好地发挥水射流的破碎作用,且该喷嘴采用轴向和切向分别入流的方式,解决了旋转射流存在的中心低速低压区、磨料射流混合效果不好的问题,提高了破岩效率。利用Fluent对喷嘴内外部流场进行数值模拟,验证了新型喷嘴的可行性,可以通过调整轴向和切向入流比例以适应不同的工况条件。     

钢粒子水射流联合破岩试验研究

在自制的截割试验台进行钢粒子水射流联合破岩的试验研究,对截齿破岩冲蚀体积测量,通过截割测试系统对截齿截割力实时监测。试验结果表明:在同一条件下,钢粒子水射流联合破岩效果明显优于纯水射流辅助破岩;钢粒子水射流联合破岩的实际最优粒径为0.5～1.5mm;钢粒子水射流联合截割时截割力的平均值、最大—平均值以及最大值都比纯水射流辅助截割时要小得多,且所受截割力的波动性也很小。     

悬臂纵轴式掘进机截割破岩机理分析

基于当前矿井纵轴式掘进机的使用现状,为分析其截割破岩机理,对纵轴式掘进机的结构构成进行了详细分析。将截割载荷作为主要的掘进机破岩机理分析基础,建立了单齿截割受力分析模型,计算出截割机构的牵引阻力以及任意截齿的截割侧向力。针对目前截割机构主要的工作状态为摆截割,分析了摆动截割时截割头载荷计算模型并分析了其所受的截割载荷,为后续结构分析提供了理论基础。     

掘进机截割硬岩的载荷模拟研究

硬岩掘进机已成为目前我国悬臂式掘进机发展的主要趋势,截割头载荷及截割功率问题是硬岩掘进机设计的关键.基于硬岩条件下单个截齿的受力,建立了截割头载荷的数学模型,用Matlab对掘进机截割不同硬度岩石进行了载荷模拟,分析了截割头载荷特性及功率变化规律.结果表明,随着截割对象接触强度增加,截割头的各向载荷均呈非线性的剧增趋势,而转矩及功率随之增加,呈线性变化,所得结论为硬岩掘进机截割功率的选择及整机研制提供了理论依据.     

硬岩掘进机截齿承载能力的计算

以硬岩条件下单个截齿受力为基础,分析了掘进机截割头用于截割岩石的载荷大小及其作用形式,并通过截齿截割机构各参数与截齿受力之间的关系模型给出了截齿受力的计算方法。     

悬臂式掘进机截割头截齿的优化与改进

针对悬臂式掘进机截齿磨损严重、过载停机以及截齿受力不均而被损坏等情况,通过建立截割头和煤岩的3D模型,分析截割头载荷的数学模型,对截割头截齿部分进行受力分析,针对截割头的截齿排列提出合理性方案,使各截齿受到外力差异减小,进而提升掘进机的性能并获取更大的生产价值。     

悬臂式掘进机硬岩截割部的设计分析

针对悬臂式掘进机在截割硬岩时存在截齿消耗大、掘进效率低等问题,基于悬臂式掘进机截割硬岩的主要破岩形式与具体截割原理,设计了悬臂式掘进机硬岩截割部的主要结构,分析了各连接件的功能特点,并进行了部分关键零部件的选型计算,以供悬臂式掘进机硬岩截割部的设计参考.     

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。     

截齿截割过程中应力叠加效果对截割载荷的影响

为了优化掘进机截割头上截齿排布,进一步提高巷道掘进效率,研究了截割应力叠加作用下的截割载荷变化规律.使用动力学仿真软件LS-DYNA建立了相邻两截齿截割数值仿真模型,利用HJC混凝土模型模拟岩石材料,分析了截齿以不同截齿间距破岩时的应力分布及截割力变化规律.结果表明:随着截齿间距的增加,截齿作用下的应力叠加区域不断减小,进给阻力平均峰值不断增大;当截齿间距过大时,应力叠加现象消失,截齿的应力影响区相互独立,进给阻力平均峰值达到最大且基本保持不变.     

Rock Breaking Performance of a Pick Assisted by High-pressure Water Jet under Different Configuration Modes

In the process of rock breaking, the conical pick bears great cutting force and wear, as a result, high-pressure water jet technology is used to assist with cutting. However, the effect of the water je...     

硬岩掘进机高压水耦合破岩影响因素实验研究

硬岩掘进机(TBM)在硬岩甚至超硬岩段掘进时,采用高压水射流辅助破岩成为一种有效提高破岩效率的新的研究方向。由于高压水射流破岩受诸多因素影响,作用规律复杂,其破岩机理一直未能被准确揭示。主要利用正交实验方法研究水射流压力、喷嘴直径、喷嘴移动速度对破岩沟槽深度与沟槽宽度的影响,同时结合刀盘贯入度优化水射流压力、喷嘴直径、移动速度等关键参数,探索高压水射流与岩石耦合破岩规律,为进一步揭示破岩机理提供依据。     

汽车钛合金连杆切削加工中的刀具磨损研究

以汽车钛合金连杆为研究对象,分析了钛合金连杆在切削加工工艺过程中的刀具磨损量、切削力和刀具寿命随着切削速度、润滑压力的变化规律。试验分析结果表明:刀具磨损量随着切削速度的增加而增加,随着水射流润滑压力的增加先减小后增加;刀具切削力和轴向力均随着水射流压力的增大先减小后增加,但轴向力的变化较切削力更加敏感,变化速率更快;刀具寿命随着切削速度的增加而减小,随着水射流压力的增加先增大后减小,钛合金连杆的最佳工况为切削速度75m/min,润滑压力10MPa。     

低压水射流辅助聚晶金刚石刀具车削硬质石材

提出了低压水射流辅助聚晶金刚石刀具切削硬质石材的加工方法。分析了低压水射流参数、加工工艺参数和刀具的弹性对切削过程、切削力和加工表面质量的影响，研究了水射流辅助聚晁金刚石刀具切削硬质石材的加工机理和加工工艺。     

Finite element simulation of high-pressure water-jet assisted metal cutting

Experimental studies have shown that improved metal cutting efficiency can be obtained when a high-pressure water/coolant jet is injected at the tool–chip interface. The pressure exerted on the chip face by the jet is expected to reduce, for example, friction along the tool–chip interface, temperature rise in the chip and the workpiece, the cutting force, and residual stress in the finished workpiece, leading to a longer tool life and a better surface integrity for the finished workpiece. This paper presents the results of finite element simulations of high-pressure water-jet assisted orthogonal metal cutting, in which the water jet is injected directly into the tool–chip interface through a small hole on the rake face of the tool. The mechanical effect of the high-pressure water jet is approximated as a pressure loading at the tool–chip interface. The frictional interaction along the tool–chip interface is modeled by using a modified Coulomb friction law. Chip separation is modeled by a nodal release technique and is based on a critical stress criterion. The effect of temperature, strain rate and large strain is considered. Cooling effect of the high-pressure jet on the temperature distribution is modeled with a convective heat-transfer coefficient. The effect of water jet hole position and pressure is studied. Contour plots showing the distributions of steady-state temperature and stress and the residual stress are presented. The simulation results show a reduction in temperature, the cutting force and residual stresses for water-jet assisted cutting conditions. The mechanical effect of the water jet is found to reduce the contact pressure and shear stress along the tool–chip interface and also the contact zone length for certain water jet hole locations.     

TiAlN涂层硬质合金刀具车削钛合金螺纹试验

为研究Ti Al N涂层硬质合金刀具车削钛合金螺纹的切削性能,采用Ti Al N涂层硬质合金螺纹刀片进行试验,得出了在进给量2.4mm/r、背吃刀量0.2mm时的最优切削速度为28m/min。在此条件下,验证了刀片前角较小时主切削力小,散热效率高;而前角较大时,切屑螺旋角小且切削长度较长,断屑效果不佳。当进给方向向左时,后刀面的磨损主要是在左后刀面,磨损相对右后刀面严重,较大的后角使得刀片右后刀面磨损宽度小,涂层剥落宽度也小,寿命更长。     

超高压水射流作用下岩石损伤破碎机理

由于水射流的高紊动与岩石材料的复杂性,水射流作用下岩石破坏机理的研究一直都是难点问题。运用全解耦流固耦合理论,建立超高压水射流冲击岩石介质的数值分析模型,射流采用标准k－ε模型和控制体积法,岩石采用线弹性和有限元法,计算分析淹没条件下岩石介质在水射流冲击作用下内部的应力分布规律。其次,根据岩石介质内部应力分布特征,基于岩石微元强度遵循Weibull分布的概率理论,将Mohr-Coulomb破坏准则作为随机分布变量,建立岩石损伤变量演化方程和连续损伤统计本构模型及用量纲一破坏系数来表征岩石破坏的准则。再次,按建立的流固耦合分析模型、岩石损伤模型和破坏准则,运用分阶段法对水射流的破岩过程进行了数值分析。最后,运用扫描电镜对水射流切割岩石断口形貌进行观测试验,分析岩石在超高压射流作用下微观破坏机制,主要有穿晶断裂和剪切错动两种形式,进一步验证数值模拟分析的结果,建立起水射流破岩过程中岩石微观破坏机制和宏观断裂分析的桥梁。     

多孔射流钻头破岩钻孔规律试验研究

利用自行研制的射流破岩系统,对淹没和围压条件下多孔射流钻头的破岩钻孔规律进行了试验研究,重点考虑了水力参数(冲蚀时间、射流压力、围压、喷距)和结构参数(孔眼数量和侧向孔眼扩散角)对破岩效果的影响,结果表明:随着冲蚀时间的增加,破岩效果先增加,后趋于平缓;随着射流压力的增大破岩效果随之增大;随着围压的增加破岩效果随之减小;随着喷距的增加破岩效果呈先增大后减小的趋势,存在最优喷距范围;随着孔眼数量的增多,破岩成孔形状越来越圆整;随着侧向孔眼扩散角的增大,破岩效果呈先增大后减小趋势,存在最优扩散角范围。试验结果可为多孔射流钻头水力参数选择和结构参数设计提供依据。     

钴结壳水射流切削系统参数设计

为了避免刀具切削钴结壳时产生冲击载荷,提出了深海钴结壳水射流切削方法。采用仿真计算和实验测试研究了水射流系统参数与其切削性能的作用规律。仿真结果表明:水射流系统的工作压力、喷距和喷射角度是决定水射流切削能力的主要参数;其重要程度依次为工作压力、喷距和喷射角度;提高水射流系统工作压力是提高射流切削能力最有效的方法;在射流工作压力一定的情况下,为了提高射流的切削能力,射流的喷距宜小于4 mm(4倍喷嘴直径)内,射流的喷射角度约为13°。实验结果表明:提高射流的工作压力可以显著提高射流的切削能力,减小射流的喷距有助于提高射流的切削能力,射流的最优喷射角度约为13°。     

负压排屑装置楔形结构优化设计与仿真

为解决超大长径比深孔加工排屑困难问题,在分析DF系统负压排屑作用机理的基础上,建立负压射流模型,通过采用填充部分前/后分离区所占区域的方法,设计了一种位于射流喷嘴处的楔形结构,以减少前/后分离区的能量损耗。理论计算及Fluent仿真优化实验结果表明,该楔形尺寸在长度L1=75 mm、宽度L2=1 mm时效果最好,切削液流速增大约10.07%,湍流动能增大约11.39%,负压区压力值减小约79.26%,该楔形结构提高了负压排屑能力,最大程度地减少了前/后分离区的能量损耗。