摘要
截齿是掘进机破碎岩石的主要刀具，其性能直接影响巷道岩石的掘进效率和掘进成本。科学合理的设计镐形截齿结构、优化截齿破岩参数、提高截齿熔覆层材料的固有性能和加大掘进破岩功率，是提高截齿破岩性能的有效途径，但加大截割功率会导致截齿磨损加剧。硬岩截割过程中的截齿磨损严重问题仍然普遍存在，本文针对含有切缝的岩体可有效降低截齿截割力这一特性，展开了截齿破碎预切缝岩体的力学特性和疲劳寿命分析。研究内容对于降低掘进机功率和截齿磨损，提高掘进机硬岩破碎性能具有重要意义。 本文深入分析截齿破岩性能和磨损等国内外研究现状，指出现在研究虽然在很大程度上提高了截齿破岩性能，但是仍然没有解决截齿在破碎硬岩过程中磨损严重的问题，基于此，本文利用实验和数值模拟相结合的方法，开展针对预切缝岩体的截齿截割力学特性和疲劳寿命分析的研究。基于ANSYS/LS-DYNA建立截齿破碎岩石有限元模型，截齿采用柔性体进行建模，岩石采用RHT本构模型，利用LS-PrePost进行截齿破岩后处理提取输出结果，并将计算截割力结果导入ANSYSWorkbench进行疲劳寿命分析。 借助单轴压缩试验台对截齿截割连续岩石数值模型校验，基于此，研究截齿截割参数对截齿截割性能和疲劳寿命的影响。分析截齿截割角度、截割深度和截割速度对截齿截割力、截齿截割比能耗、截齿截割应力以及截齿疲劳寿命的影响。随截齿截割角度增大，截齿平均峰值截割力先减小后增大；截齿截割比能耗先减小后增大；岩石损伤宽度和深度逐渐减小，对应截齿应力面积逐渐减小。截齿疲劳寿命随截割角度增大先增大后减小。随截齿截割深度增加，截齿平均峰值截割力和截割比能耗逐渐增大，岩石损伤宽度和深度增大，截齿应力面积逐渐增大；截齿疲劳寿命随截割深度增大而减小。随着截齿截割速度增大，截齿平均峰值应力和截齿截割比能耗逐渐增大，岩石损伤宽度和深度增大，截齿应力云图面积增大；截齿疲劳寿命随截齿截割速度增大而减小。 基于截齿截割板状岩石试验台校验截齿截割板状岩石数值模型，基于矫正模型，研究截齿截割板状岩石截割性能和截齿疲劳寿命的影响。分析双截齿截齿间距对截齿截割力、截齿应力和截齿疲劳寿命的影响，探索截齿截割非连续岩石板状岩石间距对截齿截割力、截割应力以及截齿疲劳寿命的影响。截齿截割力、峰值截割力和截齿应力云图随厚度增大而增大，随板状岩石高度和截割位置增大而减小，而截齿疲劳寿命则相反。建立截齿截割非连续岩石数值模型，研究非连续板状岩石间距对截齿截割性能和疲劳寿命影响。随双截齿间距增大，截齿截割板状岩石峰值力先增大后减小，截齿峰值应力先增大后减小，并且截齿的疲劳寿命先减小后增大。随非连续岩石板状岩石间距增大，截齿的平均峰值截割力和截齿峰值应力减小而截齿疲劳寿命增大。双截齿截割非连续岩石较单截齿截割非连续岩石，峰值截割力和截齿峰值应力小，截齿疲劳寿命最小值明显增大。
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