反井钻机ZX315镐型镶齿滚刀有效钻压分析

反井钻机在金属和非金属矿山坚硬岩石地层中钻进井筒时,在因反井钻杆和硐室空间问题限制钻机能力的情况下,经常需要采用略高于有效破岩钻压进行钻进,而通过全尺寸滚刀破岩实验或单齿压入实验可以判断有效钻压.选用ZX315镐型镶齿滚刀和单轴抗压强度141.6 MPa的花岗岩,进行直线往复式滚刀破岩实验对.在25～150 kN不同钻压时,通过观察破岩面、称重破碎岩碴、记录实验数据,分析得到钻压与破岩体积关系曲线拐点,进而获得有效钻压为100 kN,根据钻压与滚动力关系曲线得到滚刀的滚动摩擦因数为0.203,通过对岩石单轴抗压强度和有效钻压的拟合,得到单轴抗压强度与有效钻压的关系公式,可计算得到有效扭矩.通过对不同岩石的有效破岩钻压分析,得到有效破岩钻压与岩石单轴抗压强度的关系,并推算得出ZX315镐型镶齿滚刀的有效钻进钻压近似为岩石单轴抗压强度的75.48％.     

水射流-机械滚刀复合破岩影响因素

针对极硬岩、极端软硬不均等特殊地层,滚刀破岩效率低下,刀具磨损(损坏)严重,掘进机换刀频繁,作业效率低的问题,通过搭建水射流滚刀复合破岩实验系统,针对不同花岗岩,采用不同的机械滚刀间距及水射流辅助破岩方式,开展了纯机械滚刀破岩、水射流切割岩石和水射流机械滚刀复合破岩实验研究,探明了水射流与机械滚刀复合破岩水射流破岩切缝深度、刀具三向力及破岩比能变化规律,为水射流破岩技术在隧道掘进机工程应用提供指导。     

前倾安装和传统安装盘形滚刀破岩前锋点位移量和弧长的对比分析

全断面岩石掘进机盘形滚刀与岩石的相互作用一直是领域学者研究的热点和难题.代表性研究成果是Ozdemir等学者通过盘形滚刀线性滚压破碎岩石的试验建立的盘形滚刀破岩力——推压力和滚动力计算公式,这与实际破岩过程中盘形滚刀和岩石的相互作用有较大差异,为此,本文通过建立盘形滚刀实际破岩运动模型,应用微位移矢量分析方法,导出了前倾安装盘形滚刀、传统安装盘形滚刀实际破岩运动中破岩点的位移,尤其是侧向位移和破岩点弧长的解析式.通过某实际工程用全断面岩石掘进机盘形滚刀算例发现:在盘形滚刀贯入度相同的条件下,前倾安装盘形滚刀破岩点侧向位移和破岩点弧长均小于传统安装盘形滚刀破岩点侧向位移和破岩点弧长,从而揭示了前倾安装盘形滚刀破岩力对岩石的作用效果明显好于传统安装盘形滚刀破岩力对岩石的作用效果.     

刃型参数对滚刀破岩影响的线性切割试验

采用北京工业大学自主研制的机械破岩试验平台,分别应用V刃、平刃和圆刃滚刀对重庆青砂岩进行线性切割破岩试验。基于破岩现象和试验数据,从滚刀力、刀刃应力、比能和岩渣等方面研究刃型参数对滚刀破岩机理和效率的影响,并讨论不同刃型滚刀的适用性。研究结果表明：刃型参数会影响岩石内部裂纹扩展模式,改变滚刀破岩机理。圆刃滚刀的破岩曲线呈线性增长趋势,刀尖接触应力较高,滚刀力较小,刀刃下方径向裂纹扩展充分,岩片多为“两侧薄、中间厚”,滚刀更容易侵入岩石,但滚刀的受力状态不好;平刃滚刀的破岩曲线呈幂函数增长趋势,刀尖接触应力小,岩石损失范围更小,破岩裂纹平直扩展并产生扁平状岩片,破岩相对较难,但刀具受力状态较好;V刃滚刀破岩性能介于圆刃与平刃滚刀之间。无论何种刃型的滚刀,随着贯入度增加,岩石内部裂纹扩展范围加大,刀刃接触应力呈降低趋势。对于重庆青砂岩而言,圆刃滚刀比能最低,破岩效率最优。     

盘形滚刀破岩效能理论分析

盘形滚刀破岩的一维模型是研究盘形滚刀破岩的基础.已有理论研究成果给出了盘形滚刀推力预测公式,已有压痕试验成果不仅给出了盘形滚刀推力预测公式还证明了存在破岩比能最小的刀间距.这些研究成果都是在正安装盘形滚刀条件下做出的.通过对比外倾安装和正安装盘形滚刀与岩石相互作用的力学模型,应用塑性理论证明了外倾安装盘形滚刀比正安装盘形滚刀的破岩比能低.以某实际TBM工程为例,发现,就单把盘形滚刀而言,外倾安装的盘形滚刀比正安装盘形滚刀破岩比能最高可降低11%以上,最低也可降低2.3%;还发现盘形滚刀轨迹圆半径越小,采用外倾安装盘形滚刀的破岩比能减小相对量越大;盘形滚刀半径越大,外倾安装盘形滚刀的破岩比能减小相对量也越大;盘形滚刀切深越小,外倾安装盘形滚刀的破岩比能减小相对量也越大.此结论将为盘形滚刀的设计和应用提供有价值的参考.     

TBM盘形滚刀破岩刃弧长研究分析

根据全断面隧道掘进机(TMB)盘形滚刀破岩运动的规律,综合考虑滚刀和掌子面相互的关系,利用空间几何理论以及空间运动学的坐标变换矩阵法建立了盘形滚刀工作刃破岩的运动学模型.采用Matlab软件编程对模型求解,得到盘形滚刀对掌子面的理论压碎轨迹的仿真图形及其破岩刃各点一次破岩弧长分布规律.结合仿真结果对比研究了TBM刀盘上中心刀和正刀的破岩刃弧长分布的规律.随着盘形滚刀刀位半径的增加,滚刀破岩刃一次破岩弧长呈下降趋势,但累计破岩弧长线性增加.盘形滚刀破岩仿真方法有利于对刀具磨损、破岩机理、刀具优化设计及其在刀盘上布局优化的研究.     

全断面隧道掘进机破岩机理离散元分析

将基于微观胶结试验得到的岩石微观力学模型植入离散元软件,模拟滚刀破岩过程并重点分析滚刀破岩各阶段的宏微观机理.结果表明:滚刀破岩过程按破岩阻力和侵入深度的关系可以分为3个阶段,即加载阶段、卸载阶段和残余跃进阶段;破岩过程中的胶结破坏主要分为拉破坏和剪扭破坏2种类型,其中,中裂纹主要由拉剪扭复合破坏引起,斜裂纹主要由拉破坏引起,证实了张拉破坏理论.加载阶段是滚刀破岩的必经阶段,卸载阶段是滚刀破岩的关键阶段,有效利用卸载阶段破碎特性可以提高破岩效率.     

旋切方式作用的新型钻头破岩特性与试验分析

在分析传统三牙轮钻头破岩特性的基础上,提出一种旋切方式破岩的新型钻头(旋切钻头)。运用柱坐标与复合运动原理,建立破岩过程切削齿的位置方程、速度方程和加速度方程。同时结合算例参数,分析不同齿圈切削齿破岩过程接触段上的速度和加速度分布规律。根据加速度计算结果进行切削齿破岩工作力学和失效机制研究。结果表明:在钻进过程中,旋切钻头的切削齿以冲击、旋切方式破岩,不同齿圈切削齿同时切削井壁,且大齿圈切削齿过井眼中心,运动速度快,可有效地提高钻头心部破岩效率。试验结果验证了算例分析和计算方法的正确性,建立的计算方法修正了现有研究的部分错误,且适用于其他牙轮钻头与复合钻头的研究。     

滚刀-高移速水射流耦合切削极硬花岗岩试验与模拟研究

目前,全断面隧道掘进机(tunnel boring machine,TBM)滚刀与高压水射流耦合破岩研究中,水射流切槽大多由低移速水射流切割而成,这与实际情况下耦合在TBM刀盘上的高移速水射流所制备的切槽不同,进而影响滚刀-水射流耦合破岩结果的可靠性。针对上述问题,采用2种喷嘴直径(0.5 mm和0.7 mm)、3种移速(1.8,2.4和3.0 m/s)的高移速水射流,耦合小尺度TBM滚刀(刃宽为2.3 mm和直径为43.2 mm),对极硬花岗岩进行切削试验,研究不同切削模式下的岩石破碎效果、滚刀法向力以及破岩比能的变化规律,同时开展全尺度滚刀与高移速水射流切槽耦合破岩的数值模拟,作为小尺度破岩试验的补充。研究结果表明：高移速水射流切槽的底长和高度随喷嘴直径的增大而增大,随喷嘴移速的增大而减小;在共轨破岩试验中,小滚刀下方岩石被高移速水射流部分移除,导致破岩载荷和破岩效率降低;在错轨破岩试验中,当小滚刀与水射流切槽间距大于15 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果趋于消失,当间距为12 mm时,水射流切槽辅助滚刀破岩效果最显著,破岩比能比纯滚刀切削降低68%;由于高移速水射流切槽小、滚刀...     

岩石温度对盘形滚刀掘进参数破岩特性的影响

为了研究在岩石温度变化条件下盘形滚刀掘进参数对破岩特性的影响,以颗粒流理论为平台,从细观角度上建立了基于岩石温度变化的盘形滚刀热力学破岩数学模型,模拟了不同工况下岩石裂纹生成、扩展和岩渣形成的全过程,并对掘进参数对破岩特性的影响规律进行了研究,从细观角度解释了不同岩石温度下滚刀的破岩机制.利用直线式TBM滚刀破岩实验台,通过实验验证在岩石温度变化条件下掘进参数对滚刀破岩的影响规律是否与数值模拟有较好的一致性.研究结果表明:1)岩石温度升高,降低了岩石硬度、强度等力学性质,破岩时裂纹数增多且微裂纹迅速扩展,降低了滚刀破岩载荷,提高了破岩效率;2)低贯入度时,岩石不容易被侵入破碎;随着岩石温度的升高,岩石越来越容易挤压破裂;随着贯入度增加,失效区域进一步扩大,破岩效率提高;3)滚刀之间的协同作用随刀间距的增加而减弱,最优刀间距随岩石温度的升高而增加,随贯入度的增大而增加;4)提高岩石温度能增强滚刀之间的协同作用,提高破岩效率.     

刚体一般运动的静力学比拟

本文用比拟法推得了刚体一般运动的螺旋轴方程。这个方法就是将刚体一般运动与空间一般力系进行类比,而一般力系的中心轴方程是巳知的。这是推导螺旋轴方程的一种新的简便的方法。     

用切线坐标求解有心力运动问题

利用切线坐标讨论了质点在有心力作用下的轨道微分方程 ,并用该方程对行星的运动轨道进行了研究 ,同时导出了动力参数的切线坐标方程     

破产时刻罚金折现期望值的更新方程及应用

罚金函数是保险公司破产前瞬间盈余和破产时赤字的函数。在不变利率强度情况下,文献[4]对罚金折现期望作了研究。文献[6]在利率强度带有Posson跳的情况下,对罚金折现期望作了理诉研究,并出了罚金折现期望的更新方程,利用这个更新方程对经典风险理论中一些结果作进一步的讨论。该文在[4],[6]的基础上首先给出[6]中更新方程的另一种简单的概率证明,然后利用Laplace变换和这个更新方程得出了罚金折现期望函数近似计算公式。     

论欧拉公式中Pcr的精确度

本文先采用挠曲线精确微分方程求出细长压杆临界力，再与用欧拉公式求出的细长压临界力进行比较。得出“欧拉公式求压杆临界力的精确度很高”的结论。     

虚力功率方程

本文从虚功率原理导得虚力功率方程。此方程能够用于计算构件的变形。本文不仅有实用价值，而且还有理论上的意义。     

渐开线圆柱齿轮横截面的几何性质

本文应用渐开线方程,导出了渐开线圆柱齿轮在非受力状态下,横截面上轮齿及整个截面的面积、形心和惯性矩的准确计算式。     

面内温度载荷作用下简支梁的振动和稳定

基于Euler-Bernoulli梁自由振动的基本微分方程,得到了简支梁在面内温度载荷作用下的固有频率和临界力的精确解,并揭示了二者之间的内在联系.研究表明,温度引起的轴向载荷越大,固有频率越低,其固有频率的平方和轴向载荷成线性关系.     

基于神经网络的拉索主动控制力的实现

拉索容易在外部激励下发生大幅振动,给拉索提供轴向控制力进行拉索主动控制是一种新的方法.本文拉索主动控制策略采用经典二次型线性最优控制,由于LQR控制的关键是根据状态矩阵即时求出Riccati方程,但是Riccati方程是一个矩阵非线性方程,其阶数高,变量间又相互耦合,求解十分困难,为了减小控制力输出滞后,更快的求解出控制力,更好的应用于拉索实时控制,本文基于神经网络具有很强的学习能力和非线性逼近能力,根据大量实验数据采用神经网络方法来预测下一步拉索振动状态所对应的控制力,并进行了仿真,证实了其有效性.     

雷诺润滑系统中薄膜力线性与非线性动特性分析

以一维滑块雷诺润滑系统为研究对象,建立了薄膜厚度方程、薄膜瞬态压强方程、薄膜力的Taylor级数展开式等数学模型,推导出了薄膜力的各阶非线性刚度和阻尼系数及其无量纲量的解析式.研究表明,在分析雷诺润滑系统时,对于小振动情况,可采取线性动特性系数;在大振动情况下,须采用非线性动特性系数,否则,将产生较大误差,甚至相反的结论.     

松散矿岩的剪切性质及其理论

本文研究了松散矿岩的剪切强度及其影响强度的重要因素,同时检验库伦公式在松散矿岩的条件下应用的可靠性,从而寻求到一个比较简单和完善的、适用于松散矿岩的数学模型。作者利用大型直剪机和先进的测试手段,对松散矿岩的不同粒度,级配、含水量和压实度等多种参数对剪切强度和内摩擦角的影响进行了试验和理论分析,发现在用土力学中的库伦公式对全部试样的结果进行处理时,如果把同一试样施加的同一垂直应力归为一组来比较,发现后面循环的剪切强度总是较前面循环试验所得的剪切强度要高。这种系统的差别表明采用库伦模型来处理像本试验中这样的松散矿岩,必定有某种未知的重要因素未加考虑。为了查明在库伦模型中未改虑的重要因素,采用典型试样L_5的结果进行了分析,从单位体积变形能的观点,推导出适合于松散矿岩的一个新的数学模型,即τ=D′_1σ+D′_2nσ+D′_3σ~2。从这个新的剪切强度公式可以看出,库伦公式未考虑的重要因素就是材料的孔隙率n。用新的公式来处理L_5的结果,不仅与数理统计理论相符,而且可从理论上解释其逻辑性。此外在实践中也可以减少大量的试验试样和试验时间。在对试样L_5进行典型分析建立的各种应力应变和剪切强度的关系,同样也适用于其他试样结果的分析,这就更进一步证明新的公式的可靠性。