岩石疏浚切削机理研究与实验

本项目以岩石破碎摩尔包络线理论为基础，研究岩石在绞刀切削过程中岩石破碎的力学机理，探索绞刀切削岩石载荷的计算方法，研究切削载荷变化规律。构建岩石切削过程中绞刀的运动参数和岩石切削载荷之间的关系，建立绞刀切削岩石的动力学计算模型，在时域下研究当绞刀切削速度和切削岩石厚度发生变化时，分析岩石切削载荷的变化规律，根据时域下的载荷变化规律，优化岩石切削刀具的设计理论方法，分析载荷变化对切削设备的影响。探索绞刀切削齿数变化引起的切削频率变化和切削载荷的之间的关系，分析切削频率变化对岩石切削载荷变化的影响规律，研究绞刀切削频率变化产生的冲击载荷的波动性变化规律，从而优化岩石切削设备的设计方法。该项目的研究对岩石疏浚的发展以及海洋矿产资源开采等都具有重要的理论价值和现实意义，具有广阔的应用前景。

本课题从理论、数值和实验三个方面研究了单刀齿切削破岩机理和绞刀疏浚破岩机理以及相应的载荷计算方法。.首先，在分析现有切削破岩成果基础上，设计了刀齿切削实验装置，开展了疏浚破岩切削实验。用理论、实验和数值方法对刀齿切削破岩进行了研究。结果表明：刀齿切削破岩中，切削前角较大时，岩石为拉伸失效，切削载荷较小；切削前角很小或为负值时，压碎为主要模式，切削载荷较大；切削前角处于中间时，岩石剪切失效为主要模式。对于圆锥齿切削破岩，切削力与切削厚度之间关系接近幂函数关系，幂指数在1~1.5之间。对于凿齿切削破岩，切削厚度与切削力之间关系接近于二次函数；切削宽度与切削力之间关系近似于线性关系。此外，圆锥齿锥顶角增加，切削力会逐渐增加，而且增幅逐渐变大；斜切角增加，切削力也会增加，但是斜切角为10°与斜切角为零的情况相比，切向力和法向力均较小，侧向力较大；侧倾角增加，切削力也增加，同样，侧倾角为10°与侧倾角为零的情况相比，切向力和法向力均较小，侧向力则较大。根据分析结果，建立了新的切削载荷计算模型，并用实验进行了初步验证。.然后，基于单刀齿切削模型建立了三种绞刀载荷计算模型。其中半经验半数值计算模型将刀齿切削破岩中的破碎角和刀齿相互影响考虑在内，从而更加接近真实情况。该计算模型仿真得疏浚载荷波动剧烈，绞刀功率的峰值和平均值都比较符合实际疏浚情况。利用该计算模型，分析了岩石性质、绞刀形状和疏浚参数对疏浚载荷影响。结果表明：疏浚载荷与岩石内摩擦角基本为指数关系，疏浚载荷会随着破碎角增加而减小；绞刀刀臂数目由4~8变化，绞刀功率平均值基本减小；绞刀每个刀臂上刀齿数目从8~16变化，刀齿数目为10时绞刀的功率消耗最大，刀齿数目为16时绞刀功率消耗最小；绞刀转速增加能够减小绞刀受力和绞刀扭矩，但绞刀功率保持不变；绞刀横移速度增加会增加绞刀受力、扭矩和绞刀功率；单独增加绞刀疏浚厚度时，绞刀受力、绞刀扭矩和绞刀功率随之线性增加；随着绞刀倾斜角的增加，绞刀受到的轴向力和法向力均增加，绞刀扭矩和功率也会增加。.最后，本课题对一艘绞刀功率4200kW绞吸挖泥船疏浚岩石现场数据进行实测。实测绞刀功率最大值基本上是全程平均功率的3~6倍。功率最小值始终保持在100kW左右，最大值则达到了3500kW。在疏浚硬岩实验中，绞刀功率波动非常大，而最大功率达到了4800kW，绞刀平均功率为1180kW。