杜長龍，蔡衛(wèi)民，劉送永，劉增輝

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自控水力截齒破巖性能仿真及試驗研究

杜長龍，蔡衛(wèi)民，劉送永，劉增輝

(中國礦業(yè)大學機電工程學院，江蘇徐州，221116)

基于流體動力學理論，研發(fā)一種根據(jù)截齒受力自動調(diào)節(jié)流量的自控水力截齒?；赟PH理論采用LS?DYNA軟件對該截齒的破巖特性進行仿真，在單齒截割試驗臺上對截齒的破巖特性進行試驗研究。研究結(jié)果表明：隨著水射流壓力增高，截齒受力減小率逐漸升高；當水射流壓力超過巖石的抗壓強度時，截齒受力明顯降低；隨著截深增加，截齒受力減小率逐漸下降，所以，截割截深較淺的巖石更能高效發(fā)揮水射流的輔助作用；當截深為5 mm，壓力為60 MPa時，截齒受力減小率為30.96%，且截槽更寬，破碎體積更大。

掘進機；自控水力截齒；水射流輔助；SPH理論；巖石破碎

掘進機截割硬巖時，截齒存在截割力大、磨損量大、溫度高等問題，降低了截齒壽命和截割效率。為解決上述問題，國內(nèi)外學者對水射流破巖進行了大量的研究。REHBINDER等[1]對水射流破巖理論及輔助破巖理論進行了深入研究，認為水射流能夠加速巖石裂紋的產(chǎn)生和擴展。常宗旭等[2]對煤巖體水射流破碎機理進行了實驗研究，指出煤巖體中強度較弱的一系列微元首先破壞，形成裂隙，進入裂隙空間的水射流對裂隙發(fā)生水楔作用，使裂隙尖端產(chǎn)生拉應力集中，導致裂隙迅速發(fā)展和擴大。GUHA等[3]對射流清洗材料的最佳靶距進行了數(shù)值模擬，指出靶距為5倍噴嘴直徑時射流沖擊效果最好，靶距大于26倍噴嘴直徑時，射流失去沖擊作用。OZCELIK 等[4]對高壓水射流破巖過程進行了試驗研究，對噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)和工作參數(shù)(如噴嘴直徑、噴嘴移動速度、噴嘴間距、水壓)進行了優(yōu)化。DEHKHODA等[5]對脈沖射流的破巖效果進行了試驗研究，研究表明初始拉伸裂紋的形成取決于脈沖頻率，亞裂紋的形成取決于脈沖長度，破碎大截深的巖石需要較大的脈沖長度。黃飛等[6]建立了高壓水射流沖擊各向同性巖石的數(shù)學模型，研究了在高壓水射流沖擊作用下巖石的裂紋產(chǎn)生規(guī)律及破壞機制。在此基礎(chǔ)上，國內(nèi)外學者對水射流輔助刀具破巖進行了大量研究。SHET等[7]利用有限單元法對高壓水射流輔助刀具金屬切削進行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)刀具受力明顯降低。KOTWICA[8]對刀具有無水射流輔助切割極限抗壓強度105 MPa的人造巖石進行了實驗研究，指出在有水射流輔助作用下，刀具切割巖石效率明顯提高。張文華等[9]建立了高壓水射流機械齒聯(lián)合破巖數(shù)值模型，發(fā)現(xiàn)聯(lián)合破巖的破碎效率約為高壓水射流和機械齒單獨破巖效率之和的2倍。盧義玉等[10]對水射流輔助PDC刀具破碎巖石進行了力學分析，認為水射流布置在刀具的后方，刀具受力可減少30%~50%。JIANG等[11]對水射流—機械刀具聯(lián)合破巖進行了試驗研究，指出噴嘴布置在刀具前方破巖效果好于噴嘴布置在刀具兩側(cè)。LIU等[12]建立了單齒破巖模型和不同布置方式的水射流輔助破巖損傷模型，發(fā)現(xiàn)前置式截齒峰值力減少14%~30%，后置式截齒峰值力減少為28%~40%。CICCU等[13]對高壓水射流輔助圓盤滾刀加快挖掘速度進行了實驗研究，指出高壓水射流輔助刀具具有較好的效果，水射流滲透巖石加快巖石破碎。上述研究驗證了水射流輔助破巖的優(yōu)越性和可行性。但是目前水射流輔助破巖噴嘴持續(xù)噴水，造成水量和能量大量浪費，且容易在掘進面產(chǎn)生水患問題，影響煤巖的運輸。為此，本文作者對一種自控水力截齒進行研究，其能夠根據(jù)截齒受力自動調(diào)節(jié)流量，在利用高壓水射流進行破巖的基礎(chǔ)上，可解決能量浪費和水患問題，而且由于截齒和水射流的作用點一致，能夠更好地發(fā)揮水楔作用，進行水射流輔助機械刀具破巖。對自控水力截齒破巖特性進行仿真和試驗研究，旨在找到自控水力截齒破巖規(guī)律，為其在掘進機上的實際應用提供參考。

1 自控水力截齒研發(fā)

目前水射流噴嘴與截齒的布置方式主要有前置式、后置式、側(cè)置式，但均為分離式結(jié)構(gòu)，為避免噴嘴磨損，射流靶距較大，未能充分發(fā)揮水射流的破碎作用。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)流體動力學理論，研發(fā)一種新型自控水力截齒，噴嘴和截齒為一體式，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 自控水力截齒結(jié)構(gòu)

齒柄尾部深入齒座內(nèi)腔，并可以沿軸向移動，齒座內(nèi)腔設(shè)置閥套，閥套設(shè)有環(huán)形凸起，限制齒柄的軸向位移，閥套和齒座之間設(shè)有O型密封圈，齒柄和齒座、閥套之間設(shè)有滑動摩擦阻力小且能承受高壓的RC56軸用C型組合密封，齒柄內(nèi)腔、合金頭、齒座分別開設(shè)流道并相互連通，齒柄尾部設(shè)有阻尼孔，齒座尾部開設(shè)有泄漏孔。

1.2 工作原理

齒柄尾部存在環(huán)形小斷面，高壓水作用在小斷面上，使齒柄始終受到軸向向前的液壓力。當截齒截割煤巖時，截齒受截割阻力的作用，當截割阻力大于高壓水在小斷面產(chǎn)生的壓力和摩擦阻力的合力時，推動齒柄向后移動，高壓通道打開，如圖1所示的開啟狀態(tài)，由于內(nèi)腔始終充滿水，流量迅速增大，沖擊動能以3次方關(guān)系迅速增大，利用高壓水進行輔助破巖。

當截齒截割巖石后，截齒脫離破碎巖石而卸載，齒柄小斷面作用力大于摩擦阻力，推動齒柄向前移動，高壓通道關(guān)閉，如圖1所示的關(guān)閉狀態(tài)。高壓水通過阻尼孔轉(zhuǎn)化為低壓水保持噴射，最大限度地減少無用射流能量消耗，節(jié)省水量，且當粉塵進入噴嘴后，中心流道內(nèi)的低壓水迅速變?yōu)楦邏核a(chǎn)生沖擊力將粉塵噴出，有效防止噴嘴堵塞現(xiàn)象。

2 破巖特性仿真研究

2.1 模型建立

水射流輔助破巖是一個復雜的過程，涉及大變形、非線性和彈塑性動態(tài)問題，將變形較大的水射流處理成SPH光滑粒子，巖石采用常用的Lagrange方法。SPH算法的核心是插值理論，它通過一系列均勻分布的光滑粒子來求解各種邊界條件下的偏微分方程[14]。對于任意連續(xù)光滑場函數(shù)，用()來近似某一點的場函數(shù)值，()可表述為

式中：為光滑核函數(shù)，目前最常用的光滑核函數(shù)是3次B樣條曲線函數(shù)；為光滑長度；和為空間不同位置點的向量。

在式(1)的基礎(chǔ)上，利用散度定理即可得到場函數(shù)的空間導數(shù)，進而離散化可得

式中：m為第個SPH粒子的質(zhì)量；ρ為第個粒子的密度；為光滑長度范圍內(nèi)的粒子數(shù)。

通過上述過程的處理，即可用光滑核函數(shù)的場函數(shù)來近似光滑場函數(shù)的空間導數(shù)項，進而實現(xiàn)基本方程的離散，SPH方法離散后的Navier?Stocks方程為：

式中：ρ為第個粒子的密度；為第個粒子在方向的坐標；W為光滑核函數(shù)；和分別為第個粒子處的應力和應變張量，和分別為第個粒子處的應力和應變張量，和使用的是逆變指標；μ為流體黏性系數(shù)；為2個粒子之間的相對速度在方向的分量。

在LSDYNA中建立自控水力截齒破巖的數(shù)值模型，水射流采用SPH光滑粒子模型，直徑為0.8 mm，長度為500 mm，徑向粒子數(shù)為5，軸向粒子數(shù)為500，巖石采用Lagrange方法建立，Lagrange方法較為常用。巖石長×寬×高為100 mm×100 mm×50 mm，其底面采用位移約束固定，左右側(cè)面及后面施加無反射邊界條件，頂面及前面為自由邊界，有限元模型如圖2所示。

圖2 水射流輔助破巖有限元模型

水射流采用MAT_NULL流體空模型，其本構(gòu)狀態(tài)關(guān)系采用Gruneisen狀態(tài)方程，即

表1 水射流狀態(tài)方程參數(shù)

截齒采用MAT_RIGID剛性體模型，選取硬質(zhì)合金YG系列材料參數(shù)，其參數(shù)如表2所示。

表2 截齒材料參數(shù)

由于巖石材料在拉、壓2種情況下都會發(fā)生斷裂損傷，因此，采用最大主應力準則和體積拉應力準則聯(lián)合判斷是否產(chǎn)生損傷累積。材料只要滿足最大主應力準則(1≥f，1為最大主應力，f為斷裂應力)就發(fā)生斷裂。一旦材料處于體積拉伸狀態(tài)，就產(chǎn)生損傷累積，而在體積壓縮狀態(tài)，若滿足最大主應力準則，則壓縮強度置零，單元破壞失效，否則壓縮強度服從與應變率有關(guān)的Mohr?Coulomb準則，在拉、壓2種情況下，只要損傷參量達到1，單元即破壞失效，壓力和偏應力均被置零，單元格被刪除，形成破碎坑。

2.2 仿真結(jié)果分析

在水射流壓力為40 MPa，截深為10 mm，巖石強度為37.48 MPa的條件下，對自控水力截齒破巖過程進行仿真分析，不同時刻巖石等效應力變化如圖3所示，截割過程如圖4所示。

接觸時間/μs：(a) 2；(b) 6；(c) 10

圖4 截割過程

由圖3和圖4可知：在截齒與巖石接觸之前，水射流作用在巖石表面，巖石發(fā)生彈性變形，水射流粒子飛濺反彈；當截齒與巖石接觸后，截齒受力急劇增加，由于水射流與截齒在巖石的作用點較近，能量進行集中疊加；相對無水射流情況，巖石在更短的時間發(fā)生破壞，同時巖石反作用在截齒上的力明顯降低。當應力達到巖石設(shè)定的最大破壞等效應力時，巖石單元發(fā)生破壞被刪除，如圖3(c)所示，截齒與巖石分離，完成1次巖石的躍進式斷裂破壞。

在截割深度為10 mm，巖石強度為37.48 MPa的條件下，水射流壓力分別為25，40和60 MPa時自控水力截齒受力與無水射流單齒受力對比如圖5所示。

(a) 25 MPa有無水射流截齒受力對比；(b) 40 MPa有無水射流截齒受力對比；(c) 60 MPa有無水射流截齒受力對比1—單齒；2—中心射流截齒。

由圖5可知：當水射流壓力為25 MPa時，受力波形有一定的下移，波峰力有小幅度下降，說明水射流作用有一定的效果，但并不明顯；當壓力達到40 MPa時，受力波形已經(jīng)不再連續(xù)，而成為間斷波。這是由于水射流的速度遠遠高于截齒的截割速度，所以，在截齒截割巖石時，截齒中心截割點前方一部分巖石已經(jīng)被水射流破壞，導致截齒受力大大降低，并且由于巖石前方部分巖石破壞碎裂，巖石更易發(fā)生崩落，同時截齒與截割前方存在一定的空隙，導致截齒受力降到零。當壓力達到60 MPa時，受力波形繼續(xù)下降，但波形與40 MPa水壓波形相似且下降幅度較小。

有水射流輔助作用下，受力波形上下波動次數(shù)變少，說明巖石破碎范圍變大。為定量分析有水射流輔助作用下截齒受力減少情況，定義截齒受力減小率為

式中：2為截齒受力減小率，%；s為無水射流單齒截割受力，kN；w為有水射流時截齒截割受力，kN。

圖6所示為在截割速度2 m/min，不同截深、不同水壓下截齒受力減少率的情況。由圖6可知：隨著水射流壓力的增大，截齒受力減少率逐漸增大，當水射流壓力從25 MPa增大到40 MPa時，超過巖石的抗壓強度，截齒受力減小率明顯增大，當水射流壓力繼續(xù)增大，截齒受力減小率緩慢增大。這說明水射流壓力存在1個臨界點，即巖石的抗壓強度。隨著截深的增大，截齒受力減少率逐漸下降，說明截割截深較淺的巖石更能高效發(fā)揮水射流的輔助破碎作用。

水壓/MPa：1—25；2—40；3—50；4—60。

當水壓為60 MPa，截深為5 mm時，截齒受力減少率為33.46%，水射流輔助破巖能夠明顯減少截齒受力情況，有助于提高截齒壽命。

3 破巖特性試驗研究

3.1 單齒截割試驗臺

圖7所示為自控水力截齒單齒截割試驗臺，主要由機械截割系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、高壓水發(fā)生系統(tǒng)、測試系統(tǒng)等組成。

圖7 自控水力截齒單齒截割試驗臺

由圖7可知：高壓泵采用3SP40?A系列高精度試驗用高壓柱塞泵，為截齒系統(tǒng)提供最高壓力為80 MPa的高壓水，推進油缸推動截齒進行直線截割運動，夾緊油缸用以夾緊巖石，保證截割過程的穩(wěn)定性，油壓傳感器和水壓傳感器分別用來測量截割過程截齒截割阻力和高壓水壓力。

3.2 試驗結(jié)果分析

圖8所示為截深為10 mm，普通截齒和不同高壓水壓力下自控水力截齒受力情況。

(a) 普通截齒破巖受力；(b) 壓力為25 MPa，自控水力截齒破巖受力；(c) 壓力為40 MPa，自控水力截齒破巖受力；(d) 壓力為60 MPa，自控水力截齒破巖受力

由圖8可知：隨著高壓水壓力的增大，截齒受力逐漸下降，當高壓水壓力達到40 MPa時，截齒受力明顯降低；普通截齒受力波動較大，自控水力截齒受力波動較小，且高壓水壓力越大，受力波動越平緩，經(jīng)分析認為，水射流通過截齒截割出的巖石縫隙進入巖石內(nèi)部，產(chǎn)生擠脹效應，降低了截齒前方的巖石強度。普通截齒受力在某一段時間內(nèi)會有明顯的突降，這是由于截齒前方破碎的巖石粒度較大，需要積聚較高的能量才能將巖石破壞。而當高壓水壓力達到40 MPa時，自控水力截齒的受力不存在明顯的凸降，這是由于水射流的水楔作用，在很大程度上降低了截齒的受力峰值，提高截齒壽命。

圖9所示為在不同壓力、不同截深下，自控水力截齒受力減小率變化。在相同截深的條件下，隨著高壓水壓力的增高，受力減小率明顯上升；在相同壓力的條件下，隨著截深增加，受力減小率明顯下降，所以，當截深較小時，水射流具有較好的輔助破巖效果。

水壓/MPa：1—25；2—40；3—50；4—60。

試驗結(jié)果和仿真結(jié)果受力減小率變化趨勢一致，且數(shù)值相差不大，證明了仿真結(jié)果的正確性。當截深為5 mm，壓力為60 MPa時，截齒受力減小率為30.96%，并且在同等截深下，水射流從25 MPa到 40 MPa，受力減小率有1個明顯提升，經(jīng)分析認為高壓水的工作壓力達到40 MPa(超過巖石抗壓強度)時，能夠更好地發(fā)揮水楔作用進行水射流輔助破巖，所以，應該根據(jù)巖石的抗壓強度選擇不同的工作壓力。圖10所示為40 MPa工作壓力的自控水力截齒和普通截齒巖石破碎坑對比。

(a) 壓力為40 MPa，自控水力截齒；(b) 普通截齒

由圖10可以看出：在無水射流情況下，截齒截割產(chǎn)生巖石碎屑都存在深槽兩邊，且截槽較規(guī)整，巖石破碎體積較小，而在水射流的情況下，截齒破碎過程中產(chǎn)生的巖屑，較小的巖塊都被高壓水沖走，從而減小了截齒摩擦，減小截齒受力，截槽寬度較寬，巖石的破碎體積較大。由于高壓水的沖蝕作用，在巖石的側(cè)面產(chǎn)生1條較長的裂縫，且隨著截齒的截割，在深槽的底部也存在一條裂縫，該裂縫有利于巖石裂紋的擴展，降低巖石的強度，對巖石的破碎具有一定的積極作用。

4 結(jié)論

1) 隨著高壓水壓力的增高，截齒受力減小率逐漸增大，當水射流壓力超過巖石的抗壓強度時，截齒受力明顯降低，水射流壓力繼續(xù)增大，截齒受力小幅度下降。

2) 隨著截深的增加，截齒受力減小率逐漸下降，所以，截割截深較淺的巖石更能高效發(fā)揮水射流的輔助作用。

3) 當截深為5 mm，壓力為60 MPa時，截齒受力減小率為30.96%，能夠很大程度地減小截齒磨損，提高截齒壽命。

4) 相對于普通截齒，自控水力截齒破碎巖石截槽寬度較寬，截槽邊緣有較大的巖石塊破碎，且?guī)r石底部存在1條裂縫，能夠降低巖石強度，有利于巖石裂紋擴展。

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Simulation and experimental study on rock breaking performance of self-control water pick

DU Changlong, CAI Weimin, LIU Songyong, LIU Zenghui

(School of Mechatronic Engineering, China University of Mining and Technology, Xuzhou 221116, China)

A kind of picks with water self-control on the basis of cutting force was designed based on the fluid dynamics theory. The numerical study on rock breaking performance was carried out using LS?DYNA program based on SPH theory. And the experiments of the rock breaking performance of the pick were conducted on the single tooth cutting test bed. The results show that the reduction rate of pick force increases with the increase of the water jet pressure, and the pick force decreases significantly when the water jet pressure exceeds the rock compression strength. Moreover, the reduction rate of pick force decreases with the increase of the cutting thickness gradually, which shows that the cutting rock with small cutting thickness can play the role of water assistance more efficiently. When the cutting thickness and water jet pressure is 5 mm and 60 MPa, respectively, the reduction rate of pick force is 30.96%, while the cutting slots are wider and the breaking volumes are larger.

roadheader; self-control water pick; water assistance; SPH theory; rock breaking

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.09.034

TD231.62

A

1672?7207(2016)09?3162?07

2015?09?07；

2015?11?18

國家自然科學基金資助項目(51375478)；江蘇省產(chǎn)學研前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2014036) (Project(51375478) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(BY2014036) supported by the Research Prospective Joint Research of Jiangsu Province)

杜長龍，博士，教授，博士生導師，從事煤巖破碎理論及方法研究；E-mail: jdjxx3@cumt.edu.cn

(編輯 劉錦偉)