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Analysis of tool perance and cutterhead design of pipe jacking tunneling machine for mine 作 者 姓 名 王娟 工 程 领 域 机械工程 学 号 31804078 指 导 教 师 郭正刚 完 成 日 期 2021 年 06 月 大连理工大学 Dalian University of Technology 万方数据 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 - I - 摘 要 煤矿开采作业中，矿工开采是主要的作业方式。然而煤矿作业施工条件差，一旦发 生坍塌事故，会造成大量人员伤亡。采取科学合理及时的救援措施是救援工作的关键。 因此，迫切需要研制一种安全快速且适用于复杂环境的钻进技术及装备。采用顶管施工 方法能够适用于井下大断面环境下的救援工作。切刀和滚刀作为常用的切削工具，破碎 煤岩机理以及相关切削参数的设置，有助于提高破碎煤岩的效率，这些也会影响刀盘的 设计。因此本文开展研究常用的破岩刀具破碎煤岩作用机理、切削参数对破岩效果的影 响规律以及刀盘的开发设计，对我国自主研发刀具、优化刀具结构并在实际工程中应用 提供一定的基础和参考，同时也可为顶管施工快速安全掘进提供理论依据。主要的研究 内容如下 （1）基于煤岩的材料性质和切刀的结构特点，建立切刀切削煤岩的有限元分析模 型，模拟了切刀破碎煤岩的切削过程，分析了切刀作用下的煤岩破碎原理和切削力变化 的影响规律，研究了切刀不同切削前角和不同切削深度下的切削力的变化规律； （2）对滚刀破岩理论以及破坏准则进行了归纳总结，根据 Drucker-Prager 塑性准 则和相关力学等知识，建立单把滚刀破碎岩石的有限元分析模型，模拟了滚刀破碎煤岩 的破岩过程，分析了不同时刻的应力云图以及滚刀所受的三向力的变化规律，分析了单 滚刀破碎煤岩的贯入度、切削速度对切削力的影响规律； （3） 基于 Drucker-Prager 模型描述煤岩塑性本构关系， 分别在双滚刀同时切削和顺 次切削条件下，模拟了双滚刀作用下煤岩变形、破碎和剥离的破坏过程。分析了刀间距 对切削力、岩石破碎量和比能的影响，最后对比两种切削方式的不同； （4）针对矿用顶管掘进机进行了刀盘结构设计，包括刀盘的选型、刀盘支撑梁位 置、刀盘开口率等，并且创建了刀盘三维实体模型。针对四种不同的工况进行了有限元 模拟分析， 保证了刀盘的可靠性和设计的合理性。 最后， 选用广东某碎石场为实验基地， 进行了现场实验，验证了刀盘设计的合理性。 通过本课题的研究， 得出了切削刀具切削煤岩的作用机理以及不同的切削参数对切 削刀具破岩效果和破岩受力的影响规律； 设计了矿用顶管掘进机刀盘的结构和获得了不 同工况下的刀盘变形图和应力云图，为优化刀具的结构、刀盘设计以及掘进参数提供了 一定的基础和思考，同时也可为顶管施工快速安全掘进提供理论依据。 关键词顶管掘进机；切刀；滚刀；性能分析；刀盘 万方数据 矿用顶管掘进机刀具性能分析及刀盘设计 - II - Analysis of tool perance and cutterhead design of pipe jacking tunneling machine for mine Abstract Miner mining is the main mode of operation in coal mining. However, the coal mine operation construction conditions are poor, once the collapse accident, will cause a large number of casualties. Taking scientific, reasonable and timely rescue measures is the key to rescue work. Therefore, it is urgent need to develop a safe fast and right for complex environment drilling technology and equipment. The pipe jacking construction can be suitable for rescue work under the environment of large cross-section underground. Cutters and disc cutters are commonly used cutting tools. The mechanism of crushing coal rock and the setting of related cutting parameters help to improve the efficiency of crushing coal rock, which will also affect the design of the cutterhead. Therefore, this article has carried out research on the mechanism of commonly used rock-breaking tools to break coal rock, the influence of different cutting parameters on rock-breaking perance and design of cutterhead, which provide a certain foundation for my countrys independent research and development of cutting tools, optimization of cutting tool structure, and application in practical engineering. And reference, at the same time, it can also provide a theoretical basis for rapid and safe tunneling of pipe jacking construction. The major research work are as follows 1 Based on the material properties of coal rock and the structural characteristics of the cutter, a finite element analysis model of the cutter cutting coal rock is established, the cutting process of the cutter breaking coal rock is simulated, and the principle of coal rock crushing under the action of the cutter is analyzed. And the influence law of cutting force change, the change law of cutting force under different cutting rake angles and different cutting depths of the cutter is studied. 2 The rock breaking theory and failure criteria of the hob are summarized. According to the Drucker-Prager plasticity criterion and related mechanics, a finite element analysis model for rock breaking by a single hob is established, and the finite element analysis model for rock breaking by a hob is simulated. In the rock breaking process, the stress cloud diagram at different moments and the change law of the three-dimensional force of the hob are analyzed, and the influence of the penetration of the coal rock with a single hob and the cutting speed on the cutting force is analyzed. 3 Based on the Drucker-Prager model to describe the plastic constitutive relationship of coal rock, the failure process of coal rock deation, fragmentation and peeling under the 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 - III - action of dual hobs was simulated under the conditions of simultaneous cutting and sequential cutting with dual hobs. The influence of tool spacing on cutting force, rock fragmentation and specific energy is analyzed, and finally the differences between the two cutting s are compared. 4 The cutterhead structure design is carried out for the mine pipe jacking machine, including the selection of the cutterhead, the position of the cutterhead support beam, the opening rate of the cutterhead, etc., and a three-dimensional solid model of the cutterhead is created. The finite element simulation analysis was carried out for four different working conditions, which verified the rationality of the cutterhead design. Finally, a crushed rock yard in Guangdong was selected as the experimental base to conduct field experiments. Through the research of this subject, the mechanism of the cutting tools cutting coal rock and the influence of different cutting parameters on the rock breaking effect and breaking forces are obtained; the structure the cutterhead of the mine pipe jacking machine are designed. Obtained cutterhead deation diagrams and stress cloud diagrams under different working conditions, which provide a certain foundation and thinking for optimizing the structure of the cutter, cutterhead design and tunneling parameters, and also provide a theoretical basis for rapid and safe tunneling of pipe jacking construction. Key Words Pipe jacking machine; Cutter; Disc cutter; Perance analysis; Cutterhead 万方数据 矿用顶管掘进机刀具性能分析及刀盘设计 - IV - 目 录 摘 要 ..................................................................................................................................... I Abstract ..................................................................................................................................... II 1 绪论 ...................................................................................................................................... 1 1.1 课题研究背景及研究意义 ....................................................................................... 1 1.2 国内外研究现状 ....................................................................................................... 1 1.2.1 煤矿救援方式研究现状 ................................................................................. 1 1.2.2 顶管掘进机破碎刀具研究现状 ..................................................................... 4 1.2.3 顶管掘进机刀盘设计研究现状 ..................................................................... 7 1.3 研究内容 ................................................................................................................... 8 2 切刀切削机理与效果数值模拟研究 ................................................................................ 11 2.1 切削力学模型 ......................................................................................................... 11 2.2 切刀切削煤岩的有限元模拟 ................................................................................. 13 2.2.1 Drucker-Prager 本构模型 ............................................................................. 13 2.2.2 有限元仿真模型的建立 ............................................................................... 15 2.3 切刀切削煤岩的有限元模拟结果分析 ................................................................. 18 2.3.1 切削机理的研究 ........................................................................................... 18 2.3.2 切削参数对切削力的影响分析 ................................................................... 19 2.3.3 仿真结果与理论模型结果比较 ................................................................... 22 2.4 本章小结 ................................................................................................................. 23 3 单滚刀切削机理与效果数值模拟研究 ............................................................................ 24 3.1 盘形滚刀破岩理论及破坏准则 ............................................................................. 24 3.1.1 破岩理论 ....................................................................................................... 24 3.1.2 破坏准则 ....................................................................................................... 28 3.2 单滚刀作用下破岩有限元模拟 ............................................................................. 29 3.2.1 有限元模型的建立 ....................................................................................... 30 3.2.2 有限元仿真过程分析 ................................................................................... 33 3.3 贯入度对滚刀破岩特性分析 ................................................................................. 37 3.3.1 贯入度对破岩效果的影响 ........................................................................... 37 3.3.2 贯入度对滚刀破岩受力的影响 ................................................................... 38 3.4 切削速度对滚刀破岩特性分析 ............................................................................. 39 3.4.1 切削速度对破岩效果的影响 ......................................................................... 39 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 - V - 3.4.2 切削速度对滚刀破岩受力的影响 ................................................................. 40 3.5 本章小结 ................................................................................................................. 41 4 双滚刀切削机理与效果数值模拟研究 ............................................................................ 42 4.1 双滚刀作用下破岩有限元模拟 ............................................................................. 42 4.1.1 有限元模型的建立 ....................................................................................... 43 4.1.2 掘进性能评价指标 ....................................................................................... 43 4.2 刀间距对滚刀破岩特性分析 ................................................................................. 44 4.2.1 刀间距对破岩效果的影响 ........................................................................... 44 4.2.2 刀间距对滚刀破岩受力的影响 ................................................................... 45 4.3 不同切削次序对滚刀破岩特性分析 ..................................................................... 47 4.3.1 不同切削次序对双刀破岩效果 ................................................................... 47 4.3.2 不同切削次序的双刀破岩结果分析 ........................................................... 50 4.4 本章小结 ................................................................................................................. 52 5 矿用顶管掘进机刀盘设计分析 ........................................................................................ 53 5.1 刀盘设计的技术参数 ............................................................................................. 53 5.2 刀盘结构设计 ......................................................................................................... 54 5.2.1 刀盘形式及支撑方式 ................................................................................... 54 5.2.2 支撑梁支撑位置 ........................................................................................... 56 5.2.3 辐条数量 ....................................................................................................... 56 5.2.4 刀盘开口方式 ............................................................................................... 56 5.2.5 刀具布置方案 ............................................................................................... 57 5.3 刀盘三维实体建模及有限元分析 ......................................................................... 62 5.3.1 刀盘三维实体模型 ....................................................................................... 62 5.3.2 刀盘有限元分析 ........................................................................................... 62 5.3.3 典型工况分析 ............................................................................................... 63 5.4 现场实验 ................................................................................................................. 66 5.5 本章小结 ................................................................................................................. 69 结 论 .................................................................................................................................. 71 参 考 文 献 ............................................................................................................................ 73 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 .................................................................................. 77 致 谢 .................................................................................................................................. 78 大连理工大学学位论文版权使用授权书 .............................................................................. 79 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 - 1 - 1 绪论 1.1 课题研究背景及研究意义 我国经济不断发展，能源消费整体也随之升高，而煤炭消费量占比最高，这种情况 短期内不会发生根本地变化[1]。煤矿开采作业中，矿工开采是主要的作业方式，然而煤 矿作业施工条件差， 生产安全十分重要[2, 3]。 有些煤矿工作人员因为缺乏安全知识、 安全 监管不到位和设施不完善间接导致不安全行为[4]，最终导致事故的发生。一旦发生坍塌 事故， 矿井系统将受到严重破坏， 不仅会造成生产中断， 还会造成人员伤亡和财产损失。 发生事故以后的巷道，救援十分关键。一般情况下，井下通道会被堆积体堵塞，井 下作业的人员会被困住， 难以自救脱险。 在这种情况下， 构建一条安全快速的救援通道， 垮落的块体之间的连接状态和联动关系以及关键块体所在的位置都会影响救援通道的 构建[5]，因此，在发生事故的巷道中掘进与正常作业不同，刀盘破岩机理及巷道成孔形 式都有较大的改变，需要对其进行专项研究。 煤矿事故之后的救援工作不仅时间紧迫，而且需要考虑安全、速度、效率等诸多因 素， 采取科学合理及时的救援措施是救援工作的关键。 受灾后的巷道作业对象成分复杂， 照明不良，通信受阻[6],可能后发生二次坍塌事故。现有的人工清障救援、钻机钻孔等手 段存在一定的问题。人工清障救援，速度太慢，危险性高，很容易错过黄金救援时间 72 小时；钻机钻井方法并不能准确保证不会发生钻头受阻、钻偏等情况，可能会导致二次 坍塌，不利于救援。在这种情况下，迫切需要研制一种安全高效且能够应用于复杂条件 下的钻进技术及装备。顶管施工利用的是非开挖铺管技术，采用顶管施工方法能够适用 于井下大断面环境下的救援工作，可以实现快速安全地构建救援通道。本文开展研究常 用的破岩刀具破碎煤岩作用机理、 切削参数对破岩效果的影响规律以及刀盘的开发设计， 对我国自主研发刀具、优化刀具结构并在实际工程中应用提供一定的基础和参考，同时 也可为顶管施工快速安全掘进提供理论依据。 本课题来源于“井下大断面救援通道顶管快速构建技术与装备2018YFC0808205” 的子课题 1 “针对坍塌岩体条件下的大开口复合刀盘系统研发” ， 时间为 2018.7-2021.6。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 煤矿救援方式研究现状 煤矿事故发生后, 救援人员针对现场的事故情况会迅速开展地救援工作。事故的发 生必然会导致巷道的破坏、人员被困，应急救援通道的构建刻不容缓。一般常用的就是 万方数据 矿用顶管掘进机刀具性能分析及刀盘设计 - 2 - 钻机和掘进机两种救援装备。针对钻机而言，在救援中是最常用的应急救援装备，目前 国内最常用的是全液压式救灾钻机，型号为 ZDY4000S 型，如图 1.1 所示，能够满足直 径 0.6 m、孔深 50 m 的大直径水平范围内的钻孔要求。 图 1.1 ZDY4000S 全液压式钻机 Fig. 1.1 ZDY4000S full hydraulic drilling rig 德国宝峨公司生产的其中 RB50 型车载钻机最大钻深可达 1200-1500 米，RB-T100 型拖车式钻机钻深可达 2500-3000 米，能够极大地提高大直径深孔的钻进效率。美国雪 姆 T 系列快速钻机性能优良， 非常适合煤矿灾害应急救援,其主要特点是 车载速度快， 在事故发生地点准备工作时间为 60-120 分钟便可作业；钻井效率高[7]。 其次，在掘进机救援研究方面，国内相关研究人员开发了一种用于井下救援的掘进 机[8]， 能够在坍塌的矿井中进行快速掘进， 满足井下救援掘进要求， 快速构建救援通道， 如图 1.2 所示。刘福新等[9]针对煤矿发生坍塌以后复杂的环境特点，为了满足煤矿坍塌 后及时救援工作的要求，研发了一种抢险救援装备。此设备能够迅速地清理障巷道内的 堆积体，快速建立救援通道。 万方数据 大连理工大学专业学位硕士学位论文 - 3 - 图 1.2 EBZ120QX 型掘进机 Fig. 1.2 EBZ120QX type roadheader 国外救援机器人研究成功的例子有很多，特别是 Murphy 等人[10, 11]领导的机器人辅 助搜索和救援中心CRASAR， 已经完成了许多搜救任务， 包括 2001 年世贸中心的救援。 在这些任务中，他们测试了不同机器人系统的救援能力，积累了宝贵的经验，并总结了 事故现场的机器人性能要求。在国内，北京理工大学研究团队[12]设计了一种用于卫星遥 感的搜索救援机器人系统，可用于地下煤矿环境，由一个操作控制单元和两个移动设备 组成，具有防爆和防水功能，如图所示。该机器人 MSRBOTS 能够观察和通过遥控器收 集煤矿环境信息。因此，该系统可以被视为实现遥感的多功能传感器。MSRBOTS 是为 煤矿搜索和救援而开发的，当机器人系统检测到危险时，它将发出信号警告救援人员远 离。 a b 图 1.3 煤矿搜索救援机器人a3D 模型 b实物图 Fig. 1.3 The coal mine search-and-rescue robota 3D model; b real figure 万方数据 矿用顶管掘进机刀具性能分析及刀盘设计 - 4 - 目前，快速钻机在矿山救援中的应用还未处于成熟阶段，需要开发具有不同适应性 的钻井救援技术和