截齿顺次破岩机制的细观数值模拟及截线间距优化研究①_田听雨.pdf

截齿顺次破岩机制的细观数值模拟及截线间距优化研究 ① 田听雨１， 何 冰２，３， 王树景２，３， 谢学斌１， 唐进元４ （１．中南大学 资源与安全工程学院，湖南 长沙 ４１００８３； ２．江苏徐州工程机械研究院，江苏 徐州 ２２１００４； ３．高端工程机械智能制造国家重点实验室，江 苏 徐州 ２２１００４； ４．中南大学 机电工程学院，湖南 长沙 ４１００８３） 摘 要 为优化镐型截齿在截割头上的布置以提高掘进机截割效率，借助 ＰＦＣ３Ｄ颗粒离散元数值模拟软件构建了两把截齿顺次截 割岩石的三维模型，对不同截割深度和截线间距组合工况进行了模拟试验，分析了镐型截齿顺次破岩机制和最优截线间距与截割 深度的比值（ｓ／ ｈ）。 结果表明，岩石在截齿作用下的破坏模式以张拉破坏占主导，并伴随挤压和剪切的综合破坏；截齿顺次截割时， 两相邻截齿之间存在明显的协同作用，前刀在岩石内残留的裂纹使得岩石易于截割，可以提高后刀的截割效率；在模拟试验范围 内，随着 ｓ／ ｈ 值增加，比能耗呈先减小再增加的变化规律，模拟结果表明最优 ｓ／ ｈ 值约为３。 该研究可为掘进机截割头排布设计提供 参考依据。 关键词 掘进机； 破岩； 镐型截齿； 顺次截割； 截线间距； 比能耗； 颗粒离散元 中图分类号 ＴＤ４２１文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３－６０９９．２０１８．０３．００７ 文章编号 ０２５３－６０９９（２０１８）０３－００３０－０５ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｍｉｃ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ Ｓｔｕｄｙ ｆｏｒ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｏｆ Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ Ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｂｙ Ｃｏｎｃｉａｌ Ｐｉｃｋｓ ａｎｄ Ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ Ｃｕｔｔｅｒ Ｓｐａｃｉｎｇ Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ＴＩＡＮ Ｔｉｎｇ⁃ｙｕ１， ＨＥ Ｂｉｎｇ２，３， ＷＡＮＧ Ｓｈｕ⁃ｊｉｎｇ２，３， ＸＩＥ Ｘｕｅ⁃ｂｉｎ１， ＴＡＮＧ Ｊｉｎ⁃ｙｕａｎ４ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｒｅｓｏｕｒｃｅｓ ａｎｄ Ｓａｆｅｔｙ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｘｕｚｈｏｕ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ， Ｘｕｚｈｏｕ ２２１００４， Ｊｉａｎｇｓｕ， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｓｔａｔｅ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ， Ｘｕｚｈｏｕ ２２１００４， Ｊｉａｎｇｓｕ， Ｃｈｉｎａ； ４．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｃｅｎｔｒａｌ Ｓｏｕｔｈ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００８３， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｐｉｃｋ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏａｄｈｅａｄｅｒ， ａ ｔｈｒｅｅ⁃ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｒｏｃｋ ｃｈｉｐｐｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｔｗｏ ｃｏｎｃｉａｌ ｐｉｃｋｓ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ ｕｓｉｎｇ ３Ｄ ｇｒａｎｕｌａｒ ｆｌｏｗ ｍｅｔｈｏｄ ＰＦＣ３Ｄ． Ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｕｔｔｉｎｇ ｄｅｐｔｈｓ ａｎｄ ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｐａｃｉｎｇ ｗｅｒｅ ｐｅｒｆｏｒｍｅｄ． Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｏｆ ｒｏｃｋ ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｕｍ ｒａｔｉｏ ｏｆ ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｐａｃｉｎｇ ｔｏ ｃｕｔｔｉｎｇ ｄｅｐｔｈ （ｓ／ ｈ） ｗｅｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ． Ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｉｎｄｕｃｅｄ ｂｙ ｃｕｔｔｉｎｇ ｗａｓ ｄｏｍｉｎａｔｅｄ ｂｙ ｔｅｎｓｉｌｅ ｆａｉｌｕｒｅ， ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ａｃｃｏｍｐａｎｉｅｄ ｂｙ ｓｑｕｅｅｚｉｎｇ ａｎｄ ｓｈｅａｒｉｎｇ ｆａｉｌｕｒｅ． Ｔｈｅｒｅ ｗａｓ ａ ｓｙｎｅｒｇｉｓｔｉｃ ｅｆｆｅｃｔ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｗｏ ｐｉｃｋｓ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ． Ｓｏｍｅ ｃｒａｃｋｓ ｌｅｆｔ ｂｙ ｔｈｅ ｐｒｅｖｉｏｕｓ ｐｉｃｋ ｗａｓ ｅａｓｉｌｙ ｃｕｔ ｂｙ ｔｈｅ ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ ｃｕｔｔｉｎｇ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ， ｔｈｕｓ ｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃｕｔｔｉｎｇ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ． Ｉｎ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｓ， ｔｈｅ ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ ｓｈｏｗｅｄ ａ ｔｒｅｎｄ ｏｆ ｒｉｓｉｎｇ ａｆｔｅｒ ａｎ ｉｎｉｔｉａｌ ｆａｌｌｉｎｇ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓ／ ｈ ｖａｌｕｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍａｌ ｓ／ ｈ ｖａｌｕｅ ｗａｓ ａｒｏｕｎｄ ３． Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｍａｙ ｂｅ ｏｆ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｐｉｃｋ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｒｏａｄｈｅａｄｅｒ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｒｏａｄｈｅａｄｅｒ； ｒｏｃｋ ｆｒａｇｍｅｎｔａｔｉｏｎ； ｃｏｎｃｉａｌ ｐｉｃｋ； ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ ｃｕｔｔｉｎｇ； ｃｕｔｔｉｎｇ ｓｐａｃｉｎｇ； ｓｐｅｃｉｆｉｃ ｅｎｅｒｇｙ ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ； ｇｒａｎｕｌａｒ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ 部分断面掘进机以其作业连续、掘进速度快、巷道 成型好等优点被广泛应用于矿井巷道、桥涵及隧道施 工。 镐型截齿作为掘进机直接参与截割岩石的部件，其 截割性能直接影响到整机的掘进效率、可靠性及使用寿 命［１］。 研究镐型截齿破岩机制及截齿布置对于优化截 割头设计和提高掘进效率意义重大。 随着计算机技术的快速发展，数值模拟已被广泛应 用于刀具切削岩石的研究中，成为继理论分析、试验分 析后的另一种重要研究方法。 为了揭示刀具作用下力 的传递规律和裂纹扩展机制，国内外许多学者将颗粒离 散元法引入到刀具破岩机制的分析中并取得一些研究 成果［２－８］，但这些研究大多基于对单齿截割过程的分析， ①收稿日期 ２０１７－１２－１２ 作者简介 田听雨（１９９２－），男，辽宁盘山人，硕士研究生，主要从事岩土工程相关研究和工作。 第 ３８ 卷第 ３ 期 ２０１８ 年 ０６ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．３８ №３ Ｊｕｎｅ ２０１８ ChaoXing 而在实际工作中镐型截齿在截割头上按螺旋线方式布 置［９］，截割同一平面时存在着先后顺序，不同的截线间 距必然对截割效果产生重要影响。 基于此，本文借助颗 粒离散元软件 ＰＦＣ３Ｄ构建了镐型截齿⁃岩石颗粒的三维 模型，进行了不同截割深度⁃截线间距组合工况下的线 性截割模拟试验，从细观角度分析研究截齿顺次截割规 律和最优截线间距与截割深度的关系，为截齿截线间距 和排布方式设计提供参考和依据。 １ 镐型截齿破岩模型 １．１ 岩石颗粒模型细观参数的确定 在颗粒流离散元中，岩石的宏观力学响应通过颗粒 间的相互作用来实现，但颗粒的细观参数与材料的宏观 物理力学参数并无明确的对应关系，为了保证模拟试验 与实验室试验的可比性，就需要对颗粒参数进行标 定［１０－１１］。 本次模拟试验采用花岗岩作为截割材料，为使模拟 结果更接近实际情况，首先需要在实验室测得花岗岩单 轴压缩试验的应力⁃应变曲线，然后借助 ＰＦＣ３Ｄ建立单轴 压缩模拟试验对岩石颗粒细观参数进行标定，以模拟试 验与实验室试验二者所得的应力⁃应变曲线最大程度地 吻合作为标定完成的准则，如图 １ 所示。 经过反复的选 择和标定，得到岩石颗粒的细观参数如表 １ 所示。 应变/ 100 80 60 40 20 0 0.10.00.20.30.40.5 应力/MPa 实验室试验 模拟试验 图 １ 单轴压缩试验的应力⁃应变曲线 表 １ 花岗岩颗粒模型的细观参数 细观参数单位数值 密度ｇ／ ｃｍ３２ ９５０ 最小颗粒半径ｍｍ０．７５ 颗粒接触弹性模量ＧＰａ３０．４ 黏结弹性模量ＧＰａ３０．４ 黏结刚度比２．３ 黏结法向、法相强度ＭＰａ７０．６ １．２ 镐型截齿破岩模型的建立 试验采用如图 ２ 所示的镐型截齿进行岩石截割，为 提高计算效率，模拟只取截齿的合金头作为刀具模型。 通过 Ｆｉｓｈ 函数将截齿模型导入到 ＰＦＣ３Ｄ建立如图 ３ 所 示的镐型截齿⁃岩石颗粒三维模型，其中岩石颗粒模型 尺寸为５０ ｍｍ ４０ ｍｍ １３０ ｍｍ，由４０６４９ 个球形颗粒 组成。 模拟试验前需要赋予镐型截齿足够大的刚度（岩 石颗粒平均刚度的 １０ 倍）以保证截齿不会发生磨损 变形。 5514 16 图 ２ 镐型截齿示意（单位ｍｍ） s Y Z h vx α 1截齿2截齿 Y X 图 ３ 镐型截齿⁃岩石颗粒的三维模型 参照文献［１２］的截齿线性截割试验，选定截齿截割 速度 ｖｘ＝１．０ ｍ／ ｓ，打击角 α＝５５，通过改变截割深度 ｈ 和截齿间距 ｓ 就可以观察到不同工况下裂纹的扩展情 况和截齿荷载关系。 为模拟顺次截割过程，首先让 １＃截 齿以恒定的速度截割岩石颗粒模型，达到设定的截割距 离（ｌ＝３０ ｍｍ）后删除１＃截齿，然后２＃截齿再开始参与截 割。 试验过程中实时监测岩石模型中的拉、剪裂纹数， 岩石颗粒间的应力、截齿的截割阻力（Ｘ 方向）、牵引阻 力（Ｙ 方向）和侧向力（Ｚ 方向）等相关数据。 ２ 试验及结果分析 ２．１ 镐型截齿顺次破岩过程分析 图４ 为截割深度ｈ＝７ ｍｍ、截线间距ｓ＝２１ ｍｍ 工况 下岩石 ＸＯＹ 面的最大与最小主应力分布情况。 模拟结 果显示整个模型区域大部分由压应力控制，在集中力 作用点，即截齿齿尖处，形成一圈一圈的等值压应力迹 线，越靠近作用点，压应力越大；而拉应力基本只出现在 最大主应力图中等值压应力迹线外边缘与自由面之间 的一定范围内，但由于岩石的抗拉强度远低于抗压强 度，在拉应力的作用下岩石内容易形成与自由面贯通的 裂纹发生宏观破坏，所以截齿截割岩石的破坏过程可分 为两个阶段首先高压应力区内的岩石颗粒在截齿挤压 作用下发生破碎形成密实核，然后密实核作为传力媒介 １３第 ３ 期田听雨等 截齿顺次破岩机制的细观数值模拟及截线间距优化研究 ChaoXing 将截齿荷载传递给周围岩石，使包围它的岩石产生拉应 力，进而岩石发生张拉破坏。 另外，由于 １＃截齿对截割 槽两侧岩石的挤压破碎作用，２＃截齿截割的岩石不再完 整致密，所以 ２＃截齿齿尖前方的应力大小和影响范围有 所减小。 图 ４ 最大主应力和最小主应力等值线云图 （ａ） ｚ＝４４ ｍｍ； （ｂ） ｚ＝６５ ｍｍ 截齿破岩过程中，岩石颗粒间会受到挤压或张拉作 用，当颗粒间的作用力超过颗粒的法向或者切向黏结强 度时就会在颗粒间产生拉裂纹或剪裂纹。 在 １＃截齿破 岩过程中，随着截齿前移，裂纹不断地向四周发育和扩 展，岩石的脆性特征和部分裂纹的相互搭接、贯通使得 截齿周围岩石发生宏观破坏，块状岩屑在截齿的作用下 从岩石表面剥落，但仍会有大量未贯通的裂纹残留在截 割槽内（见图 ５（ａ））。 当 ２＃截齿截割时，破岩过程与 １＃ 截齿无异，但残留的裂纹破坏了岩石的完整性，使岩石 更易于截割破碎（见图 ５（ｂ）），故 ２＃截齿前刃面积聚的 岩屑体积和块度都明显优于 １＃截齿。 对比分析拉剪裂 纹数可知，拉裂纹数约为剪裂纹数的 ３ 倍，说明截齿截 割岩石以张拉破坏占主导，并伴随挤压和剪切的共同作 用，这与基于拉伸破坏建立的 Ｅｖａｎｓ 理论［１３］吻合。 图 ６ 为截齿三向荷载随截割距离动态变化图。 观 察图 ６ 可知，三向荷载均表现出随截割距离增加而不断 出现上升和下降的波动与循环，符合“跃进式”的变化特 征［５］。 三向荷载中，截割阻力最大，牵引阻力次之，侧向 力最小，说明截割过程中截齿以切向破岩为主。 对比 １＃ 和 ２＃截齿荷载可知，２＃截齿截割阻力和牵引阻力的波动 幅度较 １＃截齿有所减弱，通过两齿的相互协同作用破岩 图 ５ 截齿顺次截割岩石的动态过程 （ａ） １＃截齿； （ｂ） ２＃截齿 截割距离/mm 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 100203040506070 牵引阻力/N 1675 N 1319 N 1截齿 2截齿 截割距离/mm 5000 4000 3000 2000 1000 0 -1000 -2000 -3000 -4000 -5000 100203040506070 侧向力/N 148 N -520 N 1截齿 2截齿 截割距离/mm 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 100203040506070 截割阻力/N 2020 N 1598 N 1截齿 2截齿 图 ６ 截齿荷载随截割距离变化曲线 可以降低截齿荷载，与此同时残留的裂纹削弱了靠近 １＃ 截齿一侧的岩石对 ２＃截齿的摩阻作用，所以侧向力由原 ２３矿 冶 工 程第 ３８ 卷 ChaoXing 先在 ０ 附近上下波动变为明显偏向 Ｙ 轴负方向，即 １＃截 齿方向，但１＃和２＃截齿的侧向力都远小于截割阻力和牵 引阻力，在实际工程中可以不予考虑。 ２．２ 截线间距对破岩的影响 截线间距是两相邻截齿间的水平距离，其对截割头 的破岩效果、受力大小、能量消耗和截割效率都产生重 要影响［９］。 所以，截线间距是设计截割头、进行截齿排 列时要充分考虑的重要参数。 截割深度 ｈ＝７ ｍｍ 时，岩石模型在不同截线间距下 的裂纹分布如图 ７ 所示。 可以看出，随着截线间距增 加，岩石的破碎方式明显不同。 根据两相邻截齿形成的 裂纹能否相互贯通，可将顺次截割分为相关截割模式和 非相关截割模式。 当截线间距 ｓ＝７ ｍｍ 时，截线间距过 小，２＃截齿的大部分仍然处于 １＃截割槽内截割岩石，重 复截割将导致岩粉量增多，能耗提高，虽然此时为相关 截割模式，但截割条件很差。 当 ｓ＝１４～２８ ｍｍ 时，２＃截 齿新发育的裂纹与 １＃截齿残留的裂纹能够在一定范围 内相互搭接、贯通，两截齿间存在协同作用，侧向裂纹的 贯通可以对岩石进行有效地破碎，此时岩屑块度大，截 割效率高，是真正意义上的相关截割模式。 但当 ｓ＝２８ ｍｍ 时侧向裂纹的贯通深度明显减小，这表明岩石的破 碎模式开始向非相关截割模式过渡。 随着截线间距继 续增加，由于截线间距过大，新发育的裂纹无法扩展到 １＃截割槽的影响范围内，两截割槽间形成明显的“岩 脊”，截齿的协同作用得不到发挥，２＃截齿相当于在完整 岩石中截割，故此时为非相关截割。 综上，在截齿破碎 岩石时，存在一个最优截线间距，按此间距优化布置截 齿，可以获得更高的截割效率。 图 ７ 不同截线间距下岩石的破碎状态 （ａ） ｓ＝７ ｍｍ； （ｂ） ｓ＝１４ ｍｍ； （ｃ） ｓ＝２１ ｍｍ； （ｄ） ｓ＝２８ ｍｍ； （ｅ） ｓ＝３５ ｍｍ； （ｆ） ｓ＝４２ ｍｍ 统计不同截线间距下截齿截割阻力和牵引阻力的 平均值绘制成如图 ８ 所示的拟合曲线。 从整体上看，随 着截齿间距增加，截齿荷载均有逐渐增加的趋势，但增 长速率逐渐放缓并最终趋于稳定，其中稳定值与单齿截 割荷载接近。 使用对数函数进行回归分析发现二者拟 合曲线的相关系数约为 ０．９７，说明截齿间距与截齿荷载 之间存在明显的相关关系，由回归分析得到的关系式可 对不同截齿间距下截齿的荷载进行分析和预测。 截线间距/mm ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ 2000 1000 0 -1000 -2000 -3000 10020304050 2截齿平均荷载/N ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 截割阻力 牵引阻力 y 589.5lnx-524.34 R2 0.9716 y -801.7lnx897.26 R2 0.9664 图 ８ 平均荷载与截线间距的拟合曲线 ２．３ 不同截割深度下的最优截线间距 截割深度的改变将引起截割槽影响范围的变化［４］， 所以为达到最佳截割状态，截齿间距应随着截割深度变 化而变化，因此为使研究具有普遍意义，对最优截线间 距 ｓ 与截割深度 ｈ 的比值关系进行研究。 为对比分析不同工况下截齿的截割效率，引入比能 耗的概念［６］。 比能耗是评价截割效率高低的重要参数， 比能耗越大说明截割单位体积岩石消耗的能量越多，即 截割效率越低，其表达式为 ＳＥ ＝ ＭＲＦ ｌ Ｖｃｕｔ （１） 式中 ＳＥ 为比能耗；ＭＲＦ 为平均截割阻力；ｌ 为截割距 离；Ｖｃｕｔ为破碎岩屑体积。 根据每次截割完成后断裂颗粒的体积和模型的孔 隙率，可以计算获得破碎岩屑的体积。 将不同工况下的 平均截割阻力和破碎岩屑体积代入式（１）中计算对应工 况下的比能耗，统计各数据于表 ２（由于篇幅原因，只列 出４ 种截线间距下的统计数据，其中 ｓ／ ｈ＝０ 代表单齿截 割状态），并绘制不同截割深度下比能耗随 ｓ／ ｈ 变化的 拟合关系曲线如图 ９ 所示。 由表 ２ 和图 ９ 可以看出，在 一定范围内，随着截割深度增加，比能耗逐渐降低，这是 因为破碎岩屑的块度随截割深度增加而增大，大块岩屑 比例的增加，对于降低比能耗有促进作用［１４］。 在不同 截割深度下，比能耗随截线间距变化规律基本相同。 当 ｓ／ ｈ＝１ 时，比能耗最大，且高于单齿截割的比能耗，说明 岩石颗粒被过度研磨造成能量的极大浪费，截割效率很 低，在工程实际中应该避免出现此类现象；当 ｓ／ ｈ＝２～４ ３３第 ３ 期田听雨等 截齿顺次破岩机制的细观数值模拟及截线间距优化研究 ChaoXing 表 ２ 数值模拟数据统计表 ｈ ／ ｍｍ ｓ／ ｈ 值 破碎功 ／ Ｊ 岩屑体积 ／ ｃｍ３ 比能耗 ＳＥ ／ （Ｊｃｍ －３ ） ０４７．７４．０２１１．９ ５ １１５．４１．１３１３．６ ３３８．５３．４３１１．２ ５６１．３５．０８１２．１ ０６０．６５．５４１０．９ ７ １１９．３１．５５１２．５ ３４８．０４．９４９．７ ５６１．２５．６７１０．８ ０８１．１７．８４１０．３ ９ １３７．０２．９８１２．４ ３７６．４８．２２９．３ ５９２．５８．９２１０．４ ０１０７．５１０．９９９．８ １１ １５８．３５．２２１１．２ ３９５．１１１．１８８．５ ５９７．９１０．２３９．６ s/h值 ■ 15 14 13 12 11 10 9 8 10234567 比能耗SE/J cm-3 ● ● ● ● ● ● ● ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ■ ■ ■ ■ ■ ■ s 5 mm s 7 mm s 9 mm s 11 mm 图 ９ 比能耗随 ｓ／ ｈ 值的变化曲线 时，截齿顺次截割的比能耗低于单齿截割的比能耗，说 明顺次截割可以有效提高后刀的截割效率，此时为相 关截割。 当 ｓ／ ｈ＝５～６ 时，截割效率与单齿截割基本相 等，此时为非相关截割。 由统计曲线可知，该类型花岗 岩的最优截线间距与截割深度的比值约为 ３，采用此 间距优化设计截割头，可以提高掘进机的截割效率。 ３ 结 论 １） 模拟结果说明，借助 ＰＦＣ３Ｄ模拟的截齿破岩过 程及理论分析与实验室试验结果相近，可以在一些情 况下代替实验室试验，从细观角度更加全面、系统地了 解截齿顺次破岩机制。 ２） 通过采用张拉和剪切相结合的复合破坏准则 进行分析表明，最终裂纹的扩展和贯通是拉应力引起 的，所以截齿作用下岩石的破坏模式以张拉破坏占主 导，并伴随挤压和剪切的综合破坏。 ３） 截齿顺次截割岩石时，根据两相邻截齿产生的 裂纹能否相互贯通，可将截割模式划分为相关截割和 非相关截割。 在相关截割模式下，相邻两截齿之间存 在协同作用，侧向裂纹的贯通有利于岩屑的剥落；而在 非相关截割模式下，两相邻截割槽之间会形成明显的 “岩脊”，前刀与后刀的截割效率基本相同。 ４） 在不同截割深度⁃截线间距工况下，比能耗均表 现出随 ｓ／ ｈ 值增加呈先减小再增大的变化规律，模拟试 验结果表明该类型花岗岩的最优 ｓ／ ｈ 值约为 ３，采用此 间距优化设计截割头，可以提高掘进机的截割效率。 参考文献 ［１］ 杨 盼，王 琪，马丹丹，等． 截齿镍基钴包碳化钨激光熔覆涂层 磨损性能研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１５，３５（１）１１６－１１９． ［２］ 杨圣奇，黄彦华． ＴＢＭ 滚刀破岩过程及细观机理颗粒流模拟［Ｊ］． 煤炭学报， ２０１５，４０（６）１２３５－１２４４． ［３］ Ｏｎａｔｅ Ｅ， Ｒｏｊｅｋ Ｊ． Ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｓｃｒｅｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｄｙｎａｍｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｇｅｏｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｐｒｏｂｌｅｍｓ［Ｊ］． Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｉｎ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ２００４，１９３ （２７ － ２９）３０８７－３１２８． ［４］ Ｒｏｊｅｋ Ｊ， Ｏｎａｔｅ Ｅ， 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