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工学硕士学位论文 复合动力下碟盘刀具破碎煤岩的 数值模拟与试验 NUMERICAL SIMULATION AND TEST OF COAL ROCK BREAKING BY DISC CUTTER UNDER COMPLEX DYNAMIC 作 者刘延婷 导 师刘春生 教授 黑龙江科技大学 二○二○年六月 学位论文使用授权声明学位论文使用授权声明 本人完全了解黑龙江科技大学有关保留、使用学位论文的规定，同意本人所 撰写的学位论文的使用授权按照学校的管理规定处理 作为申请学位的条件之一， 学位论文著作权拥有者须授权所在学校拥有学位 论文的部分使用权，即①学校档案室和图书馆有权保留学位论文的纸质版和电 子版，可以使用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文；②为教学和 科研目的，学校档案室和图书馆可以将公开的学位论文作为资料在档案室、图书 馆等场所或在校园网上供校内师生阅读、浏览。另外，根据有关法规，同意中国 国家图书馆保存研究生学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一 致，论文的公布（包括刊登）授权黑龙江科技大学研究生学院办理。 （保密的学位论文在解密后适用本授权书） 。 作者签名 导师签名 2020 年 6 月 20 日 2020 年 6 月 20 日 中图分类号 TD421 学校代码 10219 UDC 621 密 级 公开 黑龙江科技大学 工学硕士学位论文 复合动力下碟盘刀具破碎煤岩的 数值模拟与试验 NUMERICAL SIMULATION AND TEST OF COAL ROCK BREAKING BY DISC CUTTER UNDER COMPLEX DYNAMIC 作 者 刘延婷 导 师 刘春生 申请学位 工学硕士 培养单位 机械工程学院 工程领域 机械工程 领域范围 现代机械设计理论与方法 答辩委员会主席 董星 评 阅 人 耿雷 二○二○年六月 论文审阅认定书论文审阅认定书 研究生 刘延婷 在规定的修业年限内， 按照研究生培养方 案的要求，完成了研究生课程和其他培养环节的学习，成绩合格；在 我的指导下独立完成本学位论文,经审阅，论文中的观点、数据、表 述和结构为我所认同，论文撰写格式符合学校的相关规定，同意将本 论文作为学位申请论文送专家评审。 导师签名 2020 年 6 月 20 日 致致 谢谢 转眼间十几载的学生生涯即将结束， 这也是我来到黑龙江科技大学的第三个 年头，读研期间，让我收获颇丰。毕业论文即将完成之际，回忆往事，感慨良多。 首先，非常庆幸自己能够在刘春生教授门下学习，老师在各个方面都给予我 无微不至的照顾。感谢老师这三年对我的悉心指导、不断鼓励和严格的要求，让 我发挥自己的特长，不断地提高自身的综合素质。从选择课题、确定研究方向、 进行试验研究到撰写硕士论文，我的点滴成长都与老师辛勤指导和鼓励息息相 关，凝聚着老师的心血与汗水。老师渊博的学识、敏锐的学术眼光和严谨负责的 态度都让我铭记于心，并深深地影响着我。在此，谨向我的导师刘春生教授致以 最崇高的敬意和最衷心的感谢 感谢黑龙江科技大学机械工程学院的董星老师、吴卫东老师、万丰老师、宋 胜伟老师、张艳军老师、齐立涛老师、张丹老师等在我学习期间给予的无私帮助 和照顾。 感谢李德根老师、任春平老师、徐玉芸师兄以及袁昊师兄在学习上对我知无 不言、言无不尽，感谢我的同门那洪亮、于念君和师弟白云锋、李鑫鹏、韩德亮 和车长瑞在读研期间的陪伴和帮助，感谢所有帮助关心过我的同学和朋友。 特别感谢我的家人和亲人们在经济上的支持和精神上的理解与陪伴， 你们的 支持与陪伴让我勇往直前，永不放弃。 感谢国家自然科学基金项目“复合动力碟盘截割机构破碎煤岩的力学机理 与性能评价” （51974111） ，国家自然科学基金项目“截-楔组合破碎硬岩的机制 及其载荷谱重构”（51674106） ，黑龙江科技大学 2019 年研究生创新科研项目 “水射流辅助碟盘刀具振动破碎煤岩的力学机制”（YJSCX2019-108HKD）给予的 资金支持。 最后，非常感谢各位专家能在百忙之中评阅我的论文，并提出宝贵的指导建 议。在此，谨向各位专家表示深深的感谢 I 摘摘 要要 为提高悬臂式掘进机截割煤岩巷道的能力， 提出了一种新型复合动力下碟盘 截割机构破碎煤岩的方法，该机构不仅可以提高煤岩的破碎能力与刀具寿命，还 可以降低粉尘，实现安全、高效掘进煤岩巷道，以碟盘刀具为研究对象，分别从 理论、数值模拟和试验三方面研究复合动力下碟盘刀具破碎煤岩的载荷特性。 以岩石断裂力学和奥氏观点为基础，建立了碟盘刀齿刀刃和楔面的力学模 型， 将碟盘刀齿楔面和水射流致裂破碎煤岩的裂纹尖端强度因子线性叠加，求得 水射流辅助碟盘刀齿破碎煤岩的裂纹尖端强度因子， 根据矢量叠加原理构建了水 射流辅助碟盘刀齿破碎煤岩径向载荷的力学模型。 采用有限元法建立碟盘刀具振动切削煤岩的数值模型，得出 25 组正交数值 模拟碟盘刀具的载荷谱，选取峰值均值、曲线均值、盒维数和小波能量熵四个评 价指标， 通过功效系数法和方差分析法综合分析运动参数对碟盘刀具破碎煤岩性 能的影响，碟盘刀具破碎性能的影响显著程度依次为进给速度、振动频率和幅 值。采用多元非线性拟合，给出了载荷峰值均值和曲线均值与进给速度、振动频 率和幅值之间的关系式，定性分析了碟盘刀具载荷的变化趋势。应用 SPH/FEM 耦合方法建立水射流辅助碟盘刀齿径向切削煤岩数值模型， 利用 LS-DYNA 软件 模拟有无水射流辅助碟盘刀具， 可知无水射流辅助碟盘刀具径向载荷与楔面角度 呈反比关系；水射流入口压力增加，辅助效果增大；入射角度增大，辅助效果减 小；喷嘴直径增大，辅助效果增大，与力学模型分析结果一致。 利用振动切削试验台进行碟盘刀具单径向切削和振动切削人工制备煤岩试 验， 得出碟盘刀具振动切削煤岩径向载荷与其切削厚度成正比关系；随着碟盘刀 具楔面角度增加， 碟盘刀具振动切削和单径向切削的径向载荷均逐渐减小，并且 振动切削煤岩径向载荷明显小于单径向切削煤岩的径向载荷， 振动切削煤岩载荷 和楔面角度的关系与 LS-DYNA 软件数值模拟所得关系一致。 通过理论、数值模拟和试验对复合动力下碟盘刀具破碎煤岩的研究， 在振动 和水射流的作用下可提高碟盘刀具破碎煤岩的能力，减小刀具载荷，该研究为研 制新型截割刀具与破碎硬岩的方法奠定了基础。 该论文有图 56 幅，表 17 个，参考文献 71 篇 关键词关键词碟盘刀具；复合动力；理论模型；数值模拟；煤岩；载荷特性 II Abstract In order to improve the ability of the cantilever roadheader to cut the coal and rock roadway, a new of breaking the coal and rock with the disc cutting mechanism under the compound power is put forward. The mechanism can not only improve the breaking ability of the coal and rock and the life of the cutting tool, but also reduce the dust and realize the safe and efficient driving of the coal and rock roadway. Taking the disc cutting tool as the research object, from the theory, numerical simulation and test three aspects respectively, the load characteristics of the coal rock broken by the disc cutter under the compound dynamic are studied. On the basis of rock fracture mechanics and austenites viewpoint, the mechanical model of disc cutter tooth and wedge surface is established. The crack tip intensity factors of disc cutter tooth wedge surface and water jet fracture coal rock are superposed linearly, and the crack tip intensity factors of water jet assisted disc cutter tooth fracture coal rock are obtained. According to the vector superposition principle, the radial direction of water jet assisted disc cutter tooth fracture coal rock is constructed Mechanical model of the load. In this paper, the finite element is used to establish the numerical model of vibration cutting coal and rock with disc cutter, and 25 sets of orthogonal numerical simulation load spectrum of disc cutter are obtained. Four uation inds, peak value mean value, curve mean value, box dimension and wavelet energy entropy, are selected. The effect of motion parameters on the perance of disc cutter to break coal and rock, and the perance of disc cutter to break coal and rock are analyzed by power coefficient and variance analysis The significant degree of influence is feed speed, vibration frequency and amplitude. The relationship between the mean value of the peak load and the mean value of the curve, the feed speed, the vibration frequency and the amplitude is given by using the multivariate nonlinear fitting. The numerical model of coal rock radial cutting with water jet assisted disc cutter tooth is established by Using SPH / FEM coupling . By using LS-DYNA software to simulate the water jet assisted disc cutter, it can be seen that the radial load of water jet assisted disc cutter is inversely proportional to the angle of wedge surface; the auxiliary effect increases with the III increase of water jet inlet pressure; the auxiliary effect decreases with the increase of incidence angle; the nozzle diameter increases, The auxiliary effect increases, which is consistent with the results of mechanical model analysis. The results show that the radial load of vibration cutting coal and rock is proportional to the cutting thickness. With the increase of the wedge angle, the radial load of vibration cutting and single radial cutting decrease, and the radial load of vibration cutting coal and rock is less than that of vibration cutting coal and rock The relationship between the radial load of single radial cutting coal rock, the vibration cutting coal rock load and the angle of wedge surface is consistent with the numerical simulation of LS-DYNA software. Through theoretical, numerical simulation and Experimental Research on the coal rock breaking by the disc cutter under the compound power, under the action of vibration and water jet, the ability of the disc cutter to break the coal rock can be improved, and the tool load can be reduced. This research lays a foundation for the development of new cutting tools and hard rock breaking s. Keywords disc cutter; hybrid power; theoretical model; numerical simulation; coal and rock; load characteristics IV 目目 录录 摘摘 要要 ........................................................................................................................ I I 目目 录录 ...................................................................................................................... IVIV 1 1 绪论绪论 ........................................................................................................................ 1 1 1.1 课题目的及意义.................................................. 1 1.2 掘进机国内外发展概况............................................ 1 1.2.1 国外发展现状 ........................................................... 2 1.2.2 国内发展现状 ........................................................... 3 1.3 破岩机理研究 .................................................... 3 1.3.1 机械破岩 ............................................................... 4 1.3.2 水射流破岩 ............................................................. 4 1.4 破岩性能研究现状................................................ 6 1.4.1 机械破碎 ............................................................... 6 1.4.2 水射流破碎 ............................................................. 7 1.4.3 水射流辅助破碎 ......................................................... 8 1.5 主要研究内容.................................................... 9 2 2 复合动力下碟盘刀齿破碎煤岩的力学模型复合动力下碟盘刀齿破碎煤岩的力学模型 ...................................................... 1010 2.1 碟盘刀齿作用下煤岩破碎力学模型................................. 10 2.1.1 刀刃的作用力模型 ...................................................... 10 2.1.2 楔面的作用力模型 ...................................................... 11 2.2 水射流作用下煤岩破碎力学模型................................... 13 2.2.1 水射流冲击煤岩 ........................................................ 13 2.2.2 水射流致裂煤岩 ........................................................ 13 2.3 水射流辅助碟盘刀齿破碎煤岩力学模型............................. 15 2.3.1 水射流辅助碟盘刀齿刀刃破碎煤岩 ........................................ 15 2.3.2 水射流辅助碟盘刀齿楔面破碎煤岩 ........................................ 16 2.4 水射流辅助碟盘刀齿径向切削煤岩力学模型......................... 16 2.5 力学模型计算结果分析........................................... 17 2.6 本章小结....................................................... 18 3 3 碟盘刀具振动切削煤岩正交数值模拟碟盘刀具振动切削煤岩正交数值模拟 .............................................................. 1919 V 3.1 正交数值模拟设计............................................... 19 3.1.1 有限元模型建立 ........................................................ 19 3.1.2 正交数值模拟 .......................................................... 20 3.1.3 数值模拟结果 .......................................................... 21 3.2 功效系数法分析................................................. 22 3.2.1 功效系数法 ............................................................ 22 3.2.2 碟盘刀具破碎性能评价 .................................................. 23 3.3 改进功效系数法的分析........................................... 26 3.3.1 改进功效系数法 ........................................................ 26 3.3.2 不同权重分析 .......................................................... 27 3.4 方差分析法分析................................................. 29 3.4.1 方差分析法 ............................................................ 29 3.4.2 方差分析法计算结果 .................................................... 30 3.5 多元非线性拟合................................................. 31 3.5.1 峰值均值 .............................................................. 31 3.5.2 曲线均值 .............................................................. 35 3.6 本章小结....................................................... 39 4 4 有无水射流辅助碟盘刀具破碎煤岩数值模拟有无水射流辅助碟盘刀具破碎煤岩数值模拟 .................................................. 4040 4.1 数值模型建立................................................... 40 4.1.1 有限单元和光滑粒子法 .................................................. 40 4.1.2 模型参数 .............................................................. 41 4.2 水射流辅助碟盘刀齿径向切削煤岩................................. 42 4.2.1 不同入口压力 .......................................................... 42 4.2.2 不同入射角度 .......................................................... 46 4.2.3 不同直径喷嘴 .......................................................... 49 4.3 无水射流辅助碟盘刀具振动切削煤岩............................... 52 4.4 数值模拟结果分析............................................... 54 4.4.1 水射流辅助碟盘刀齿径向切削煤岩 ........................................ 54 4.4.2 无水射流辅助碟盘刀具振动切削煤岩 ...................................... 57 4.5 数值模拟与理论计算对比分析..................................... 57 4.6 本章小结....................................................... 58 5 5 碟盘刀具破碎煤岩试验碟盘刀具破碎煤岩试验 ...................................................................................... 5959 VI 5.1 振动切削试验过程............................................... 59 5.2 碟盘刀具振动切削煤岩试验载荷................................... 60 5.2.1 不同切削厚度 .......................................................... 60 5.2.2 不同楔面角度 .......................................................... 62 5.3 碟盘刀具径向切削煤岩试验载荷................................... 63 5.3.1 不同楔面角度 .......................................................... 63 5.3.2 有无振动对比分析 ...................................................... 65 5.4 数值模拟与试验对比分析......................................... 66 5.5 本章小结....................................................... 66 6 6 结论与展望结论与展望 .......................................................................................................... 6868 6.1 结 论......................................................... 68 6.2 展 望......................................................... 69 参考文献参考文献 .................................................................................................................. 7070 作者简介作者简介 .................................................................................................................. 7575 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 .............................................................................................. 7676 学位论文数据集学位论文数据集 ...................................................................................................... 7777 1 绪论 1 1 1 绪论绪论 1.1 课题目的及意义 本课题来源于国家自然科学基金项目 “复合动力碟盘截割机构破碎煤岩的力 学机理与性能评价51974111”、 国家自然科学基金项目“截-楔组合破碎硬岩的 机制及其载荷谱重构51674106”与黑龙江科技大学 2019 年研究生创新科研项 目“水射流辅助碟盘刀具振动破碎煤岩的力学机制YJSCX2019-108HKD”。 煤炭资源在我国享有“工业粮食”的称号，是非再生性资源，在我国国民经济 发展占有重要的地位。 我国已探明煤炭储量为 1 388.19 亿 t， 占全球储量 13.2[1]， 2019 年全国原煤产量为 38.5 亿 t，全年能源消费量 48.6 亿 t 标准煤，比 2018 年 增长 3.3。中国工程院预测，2050 年以前，煤炭在我国一次性能源消费结构中 占比将保持在 50左右，煤炭在能源消费结构中仍占主体地位[2]。目前，煤矿综 采程度较高，但综掘机械化发展相对比较缓慢，综掘的效率对于煤矿开采效率影 响较大。调查显示，我国每年巷道掘进总长的四分之一左右是煤岩巷道。 悬臂式掘进机是巷道掘进的关键设备， 当煤岩的坚固系数 f8 时普遍存在掘 进效率低下，设备损耗大，极易出现“趴窝”的问题。如果节理发育不好，即使 在 f≤6 的煤岩巷道掘进时，其功率消耗大、经济效益低[3]。掘进煤岩巷道时，掘 进机普遍存在截齿损耗严重、设备故障率高、掘进速度慢和效率低等问题。针对 上述问题， 研究了高压水射流辅助碟盘破碎煤岩的截割机构，该破碎机构不仅可 以提高破碎煤岩的能力，减少刀具磨损，还可以降低粉尘。该研究有助于煤岩破 碎工程的理论和技术创新与变革，对煤矿安全、高效开采具有重要的推进作用。 1.2 掘进机国内外发展概况 掘进机是将采掘、装载、运输以及降尘等功能集于一体，用来开拓地下巷道 的大型设备， 主要应用于巷道掘进以及煤矿开采等方面。 掘进机主要由工作机构、 装运机构、转载机构和行走机构组成，其中，装运机构和转载机构主要负责将截 割脱落的物体运离工作面，行走机构则负责带动掘进机运动，而主要负责截割工 作的机构（截割机构）最重要的组成部分为截割臂和截割头。国内外掘进机主要 分为全断面掘进机和部分断面掘进机（悬臂式掘进机）两大类，相对全断面掘进 机，悬臂式掘进机具有占地面积小，结构简单，易操作、工作效率高以及为维修 方便等特点，而且，对复杂路面的适应性好，可以连续掘进，对支护时间的要求 更加宽泛，降低了支护的成本。用碟盘刀具代替悬臂式掘进机的多截齿截割头， 并施加复合动力，为更好地研究这种特殊工作机构的掘进机截割性能，国内外掘 进机的发展现状具有很好地参考价值。 硕士学位论文 2 从国内外学者对掘进机工作机构破碎性能的研究中， 其研究方法以及各参数 对截割性能的影响都有助于碟盘刀具破碎煤岩性能研究， 故主要分析国内外掘进 机工作机构截割性能的发展现状。 1.2.1 国外发展现状 19 世纪 70 年代，英国为了修建海底隧道研制了第一台掘进机，后续却没有 引领掘进机的发展。20 世纪 30 年代，美国首次将研制的悬臂式掘进机用于开掘 煤岩巷道，为后来掘进机的发展起了引导作用。直到 20 世纪 30 年代后期掘进机 才真正开始兴起，各个国家都开始了掘进机的研发，初始阶段的掘进机受制于当 时低下的经济水平和落后的机械技术，机械结构和性能参数都未能达到使用需 求。二战结束后，各国就意识到煤炭对于工业生产的重要性，凸显出了采煤行业 对掘进机的迫切需求。各个国家致力于掘进机的研发制造，很快掘进机的研发就 上了一个台阶。从 19491956 年，苏联先后研制了 M2K、M3K 两个型号的掘进 机，特别是 M3K 掘进机成批投入煤矿采掘，并取得了良好效果；同年，美国 Robbins 公司也研制了适用于硬岩掘进的全断面掘进机。1963 年，Robbins 公司 又研发出当时世界上直径最大的掘进机，并投入硬岩掘进。1973 年，在 Robbins 公司的协助下，日本研制出第一台国产掘进机，引领了亚洲地区掘进机的发展。 随着掘进机迅速发展，许多学者对掘进机进行多方面研究，其中，掘进机截 割性能研究现状如下2011 年，Jasiulek 等[4]将运用人工智能检测技术获得掘进 机实际运行参数反馈到掘进机，使其迅速做出反应，提高了其智能化程度。2014 年， Salsani 等[5]应用人工神经网络的方法建立了掘进机截割性能与岩石地质之间 的模型，通过这个模型即可预测出较为准确的掘进机截割性能参数。2015 年， Festa 等[6]定量分析了隧道掘进机作用在软土上的径向位移，通过隧道掘进机的 运动学行为得出了位移模型，并利用实测数据检验了该模型的准确性。2016 年， Rostami[7]认为模型检验预测是预测盾构机性能的最优方法，可选择模型的最符 合实际的工作参数，在现有盾构机（TBM）性能预测模型的基础上，研究能提 高预测精度和 TBM 利用率的预测模型。2017 年，Yagiz[8]基于现场实测结果，利 用场切深指数（FPI）预测 TBM 的性能，统计分析了实验和现场数据，建立了 新的