超声波辅助PDC切削齿振动破岩仿真分析

PDC钻头在软至中硬地层钻进时具有钻速高、使用寿命长、设计灵活等显著优点,在钻井领域中的需求量逐年增加。而超声波钻进作为一种新型碎岩技术,由于在钻进过程中具有穿透能力强、钻进效率高等优点而获得了广泛关注。以超声波振动辅助PDC钻头破岩有望取得良好的钻进效果。为此,基于线型Drucker-Prager模型,利用ABAQUS软件建立了超声波辅助PDC钻进振动切削岩石的二维有限元模型,分析了不同超声波振动频率下PDC钻进破岩比功和切削力的变化规律,比较了超声波振动切削与常规切削岩屑形成过程的差异。研究结果表明,当激励频率从20 kHz至40 kHz增长的过程中,破岩比功与平均切削力都呈现先减少后增加的变化趋势,即存在一个最优频率位于25~30 kHz间,使破岩比功最小,钻进效率最高;超声波辅助振动切削的破岩方式与常规切削的塑性破坏不同,主要以脆性破坏为主,其切屑形成过程共分为4个阶段,且切削力保持为零的阶段较常规切削更为明显;当激励频率接近岩石固有频率时,超声波振动切削的平均切削力较常规切削小20.5%,并更易产生大块岩屑,使岩石产生更多体积破碎,从而提高破岩效率。     

高速切削参数对刀具性能影响的数值仿真

应用数值仿真,分析了切削速度、切削深度和进给量对刀具温度、磨损的分布以及变化规律的影响。所得结果和分析结论,对选择合适的高速切削加工参数,提高刀具寿命具有一定的参考应用价值。     

合金涂层刀具精镗磨损特性实验研究

以涂层硬质合金刀具对铸钢轴箱体轴承孔精镗实验为基础,采用多因素正交试验对刀具寿命进行研究,反复调整切削参数并用有限元分析软件对切削过程进行模拟,得出了最小表面磨损率和所对应的最佳切削速度及温度,建立了刀具寿命的经验模型,为进一步研究刀具优化和切削参数、提高刀具寿命等方面提供了理论基础。     

Mathematical Model and Results of Rock Cutting Modeling

The process of rock cutting, during which the layer of crushed material is formed in the vicinity of the cutting tool, is examined by means of finite-element method. Different combinations of elasticity and plasticity states are analyzed for the layer and rock; the causes of possible wear of the cutting edge are established.     

铣削镍基高温合金刀具耐用度的试验研究

基于铣削镍基高温合金刀具耐用度的实验,结合铣削镍基高温合金的刀具磨损形态影响因素的分析,得出了铣削速度对刀具耐用度影响的数学模型,提出了合理的切削工艺参数,实例表明切削速度对刀具耐用度影响最大。     

PCBN刀具材料的性能及切削20CrMnTi合金钢试验研究

以CBN为原料、TiCN和Al为结合剂, 在1550 ℃、5.5 GPa高温高压条件下合成了不同CBN含量的PCBN刀具材料。对PCBN刀具材料进行了显微结构观察、力学性能(磨耗比、硬度)以及高速精密切削20CrMnTi合金钢的切削性能检测。结果表明, PCBN刀具材料的结合剂均匀分布在CBN颗粒周围, 致密性良好;PCBN刀具材料的硬度、磨耗比与CBN含量成正比, CBN含量70%时, PCBN的硬度和磨耗比均最大, 分别为32.97 GPa和7400;高CBN含量的PCBN刀具使用寿命更长。切削试验结果表明, PCBN刀具高速切削20CrMnTi合金钢时的磨损是黏结磨损、氧化磨损、扩散磨损以及局部剥落等各种磨损机制综合作用的结果。     

EBZ230悬臂式掘进机在硬岩中的应用

掘进机在中等硬度及软岩中的掘进速度要比放炮掘进快,但岩石硬度较高时,不仅单进不高而且使掘进机的材料成本增加,且减少掘进机的使用寿命,通过松动爆破再用掘进机截割有效地解决了在硬岩掘进中的问题。     

新型广谱金刚石破碎岩石工具的研制

新型广谱金刚石钻头由钻头钢体和金刚石刀头组成。金刚石刀头由若干含金刚石孕镶层和纯合金层相间组成。该新型金刚石钻头破碎岩石是以金刚石破碎为主、以破碎穴效应为辅的方式进行的。其特点是破碎岩石效率较高，对岩石的适应性较强，使用寿命高，钻头的导向性及工作稳定性较好，钻进效果与钻进质量明显提高。     

硬岩超深孔α掏槽爆破掘进技术研究

根据金属矿山采切工程特点及天溜井一次成井实践,对硬岩超深孔爆破掘进技术进行了分析研究,提出了硬岩超深孔α掏槽法。α掏槽法将掏槽、扩槽及掘进井巷断面之间的相互关系进行了量化,简单明确,便于现场布置和施工,可应用于硬岩超深孔掘进爆破工程。     

TBM滚刀破岩效果及新型刀具的应用研究

TBM滚刀磨损是影响TBM掘进效率和施工成本的重要因素,不同刀刃刃形的破岩效率和磨损均会有所不同。本文对楔形弧刃滚刀的破岩机理进行了分析,建立了滚刀法向切削力计算模型,分析了滚刀刀刃角对法向切削力的影响;继而设计了3种不同刀间距、3种不同刃形滚刀,并进行了室内滚刀破岩试验。试验结果表明：刀间距15 mm为合理刀间距;尖刃滚刀最易磨损,齿刃比弧刃滚刀破岩效果好,破岩效率相对较高且耐磨损。结合工程现场实际情况,研发了一种新型齿刃楔形刀具,并应用到工程现场TBM斜井掘进。应用情况表明：新型齿刃楔形刀具比两种常规刀具的磨损量减少20%,刀具寿命有所提高。新型齿刃楔形刀具的研发和成功应用,解决了斜井TBM掘进刀具的较大磨损和频繁更换问题,为TBM长距离斜井掘进提供了技术支持,缩短了掘进工期,节约了施工成本。     

小直径钻削温度场的研究

对直径为2 mm的高速钢钻头在允许的最大切削速度和进给量条件下,对45钢进行钻孔时的切削温度进行了理论计算和实际测量,得到了钻头前刀面上切削温度值远远低于高速钢耐用度时的温度值,此时钻头磨损的主要形式是机械磨损的结论。     

超声振动切削SiCp/Al复合材料的刀具磨损机理分析

采用硬质合金YG6刀具分别在普通切削和超声切削方式下,对切削SiCP/Al复合材料时的刀具磨损机理进行了分析,发现超声切削的刀具磨损机理主要是磨料磨损和粘结磨损,但都没有普通切削时严重,这也是超声切削为何能减小刀具磨损的一个重要原因。     

水射流辅助岩石切削过程的刀具热应力分析

建立了刀片在水射流辅助切削岩石过程中的热传导模型,并在对岩石切削过程进行热功转换分析的基础上,给出了热流密度、界面温度等边界条件的确定方法,从而建立了水射流条件下刀片的温度场模型。对刀片由于温度变化产生的热应力进行了系统分析,并给出了热应力的计算模型,并且结合计算分析了射流压力等参数对各种热应力的影响。研究表明：热应力是导致岩石切削刀具失效的主要影响因素。热应力受刀具与岩石材料热物性质、刀片尺寸、切削力、切削速度、射流压力等因素影响。水射流的存在可以大幅降低刀具的热应力,热应力的大小与射流压力p的四次方根的倒数成正比。选择合适参数可将热应力控制在临界范围内,避免刀具早期失效,延长其使用寿命。     

盘形滚刀磨损预测模型

盾构或TBM长距离掘进硬岩施工中,不可避免地会遇到盘形滚刀磨损问题。通过分析滚刀的磨损机理,确定了滚刀最主要的直接磨损机制是基于塑性去除的磨粒磨损;基于Rabinowicz磨粒磨损方程和CSM滚刀破岩力模型,通过近似计算和数学推导,建立了滚刀直接磨损的磨损速率和线磨损速率预测模型;并通过广州地铁7号线9标和广深港狮子洋隧道正滚刀的磨损数据进行了验证。结果表明,基于材料磨损机制建立滚刀磨损预测模型的可行性,所建立的预测模型也能较准确地反映滚刀的真实磨损情况。所建立的滚刀磨损速率模型可用于预测不同安装半径滚刀的正常掘进距离,所提出的滚刀线磨损速率可以作为衡量滚刀耐磨蚀性的重要指标;并且给出了滚刀磨损速率、线磨损速率与地层抗压强度、刀刃屈服强度、滚刀安装半径、滚刀直径、刀刃宽度、刀间距、贯入度等参数之间的定量关系;但该模型仅适用于正滚刀和中心刀的正常磨损预测,对于边滚刀还需考虑二次磨损。     

深部大断面硬岩巷道掘进中深孔爆破参数研究

根据深部围岩的力学性能及爆轰动力学原理,分析了炮眼深度对掏槽效率的影响,探讨了中深孔爆破常见掏槽方式,对深部大断面硬岩巷道掏槽爆破、周边眼光面爆破参数和装药结构量进行了计算,并对施工中其它需要注意的问题进行了阐述,对现场爆破参数的选取和施工具有一定的指导意义。     

刀具耐磨复合涂层制备工艺及性能研究

刀具磨损是机械加工刀具常见的失效形式,高速钢刀具是最常用的切削刀具,为了提高刀具的耐磨性,采用化学复合镀方法,以高速钢为基体材料、Ni-W-P为基质合金、添加耐磨微粒α-Al2O3,镀制Ni-W-P+α-Al2O3多元复合镀层。实验结果表明:该工艺得到的Ni-W-P+α-Al2O3多元复合镀层表面光亮、质感均匀、镀层结合力良好、耐蚀性优良,经过相同次数磨损试验,Ni-W-P+α-Al2O3热处理镀层的耐磨性能是W6Mo5Cr4V2高速钢的3.33倍。     

EBZ-135掘进机截割头结构优化设计

 摘要：掘进机是巷道掘进的主要设备。该文就某企业掘进机存在截割头振动较大、截齿受力不均的问题,用ANSYS/LS-DYNA10.0软件建立了截割头和煤岩的数值模拟模型。通过仿真得到了截割头和各截齿的受力。再根据受力情况,反复调整优化了截齿截线间距,使得截割头和各截齿所受力的差异系数趋于平衡。同时,差异系数的减小,使掘进机的振动得到了有效控制,截割性能明显提高。     

液压支架立柱导向套切削参数匹配及其性能研究

为了保证螺纹连接的可靠性和维修时拆装的便利性,液压支架立柱导向套趋于采用矩形螺纹结构。但在其加工过程中,存在断屑性能不佳和刀具磨损等问题,在一定程度上制约了生产的正常进行。针对上述状况,通过分析不同型号刀具的试切结果,制订了适应导向套矩形螺纹加工的槽宽及牙型标准。以单因素法调整进给量和转速,并通过刀片涂层耐用度对比,材料切除率、切削力和切削功率计算,确定了加工导向套矩形螺纹的切削参数。通过项目评价,分析了在最佳切削参数时的切削性能。研究表明,已批量采用B刀具替代A刀具加工液压支架立柱导向套矩形螺纹,提高了生产效率,降低了加工成本。     

基于ABAQUS的气动潜孔锤球齿碎岩及布齿优化

为提高坚硬地层大直径潜孔锤的破岩效率与使用寿命,运用ABAQUS软件建立了球齿碎岩仿真模型,对比分析?18 mm球齿在不同钻进参数下冲击切削碎岩过程中的破碎比功、侵入深度、破碎范围与应力影响范围等曲线,优选钻进参数和布齿。分析结果表明：当钻压为1.2 kN、冲击功为30 J时,对岩石的破碎效率较高,球齿入岩的位移可达0.67 mm,并对岩石进行应力界限划分,得出应力影响范围为43.4 mm;通过双齿冲击切削模拟确定了较为优秀的圈距与间距：圈距取47.4 mm,间距取43.4~51.4 mm;考虑到球齿的磨损,利用圈距与间距对?711 mm大直径潜孔锤进行了优化布齿。     

超高速下单粒金刚石与岩石相互作用响应的研究

随着钻进深度的加深,破碎硬岩地层愈发困难,提高转速成为硬岩地层快速有效破碎的可行方法之一。孕镶金刚石钻头在硬岩层中具有较好的应用效果,常规转速下孕镶钻头与岩石之间相互作用机理较为完善,超高转速下也有相应的应用和研究基础,但碎岩机理尚未完全清晰。为探究常规速度至超高速下单粒金刚石对岩石的切削力和硬岩的破碎变化情况,以孕镶钻头和岩石相互作用界面响应模型为基础,利用ABAQUS软件建立单粒金刚石切削岩石的二维模型,并提出一种近似分析方法,并进一步推导单粒金刚石受力表达式。结果表明：（1）单粒金刚石对岩石的切削作用主要集中在切削具与岩石接触界面的中上部,高速下比常规切削速度下单粒金刚石受切削力减小,且主要作用部位受到切削速度改变的影响。（2）金刚石颗粒作用岩石中存在塑性破坏和脆性破坏且两种破坏模式交替产生,超高速下岩石产生脆性破坏的比例相比于常规切削速度有所增加,且超高速下切削力波动范围更小,岩石破碎所需的能量更少。（3）提出一种孕镶金刚石钻头碎岩响应近似分析方法,将产生碎岩作用的金刚石颗粒等价为具有“刀尖”和“前、后刀面”的切削具进行分析,推导得到单粒金刚石受力表达式,其受力与切削速度、切削深度等因素有关。研究结果可以为提高转速切削硬岩地层的进一步研究及应用提供依据和参考。