基于LS_DYNA的锚杆钻机冲击旋转破岩机理研究_王晓瑜.docVIP

基于LS_DYNA的锚杆钻机冲击旋转破岩机理研究_王晓瑜 第36卷第04期2015年04月 煤矿机械 CoalMineMachinery Vol.36No.04Apr.2015 doi:10.13436/j.mkjx.201504037 基于LS-DYNA的锚杆钻机冲击旋转破岩机理研究* 王晓瑜 1，2 （1.西安外事学院工学院，西安710077；2.西安建筑科技大学机电工程学院，西安710077） 摘要：分析了锚杆钻机冲击旋转钻进时，动力头冲击凿岩原理、岩石破碎的外载荷特点及应 力分布状况、岩石破碎时的物理过程等；最后使用LS-DYNA有限元分析软件，建立了冲击凿岩系统的有限元模型，对岩石的冲击破碎结果进行仿真与分析,为锚杆钻机的动力头冲击特性研究提供了理论基础。 关键词：锚杆钻机；破岩机理；有限元；单齿；平底钻头 中图分类号：TD421.4；TU457文献标志码：A文章编号：1003－0794（2015）04－0096－03 RsearchofRockBreakingMechanismofHydraulicImpactRotating JumbolterBasedonLS-DYNA WANGXiao-yu1，2 （1.CollegeofEngineering,Xi’anInternationalUniversity，Xi’an710077，China；2.CollegeofMechanicaland ElectricalEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710077，China） Abstract:Analysedtheworkingprincipleofhydraulicjumbolter,theelectronicloadsoutsideofbreakstone,stressdistributionstatus,physicalprocessofbrokeringrocks,establishedfiniteelementmodelofhydraulicimpactrotatingthejumboltercrashingrock-soilsystembasedonLS-DYNA.Analysedtheeffectofbrokeringrockswhendrillmovingforward,providingtheoreticalbasisforimpactcharacteristicsresearch. Keywords:hydraulicimpactor;rockbreakingmechanism；finiteelementmethod;singletoth；fiatbit0 引言 旋转冲击型液压锚杆钻机是锚杆支护工程施工的关键设备之一，广泛使用于煤巷矿道和岩土锚固工程施工中。该设备的核心部件为动力头。当钻 屑由排屑机构不断地从孔底排至孔外，确保凿岩连续顺行进，如此重复工作便形成圆形钻孔。冲击过程原理及受理分析如图1所示。 F Ⅰ β Ⅱ 机的动力头进行冲击凿岩钻孔时，研究冲击凿岩原理，岩石破碎的外载荷特点及应力分布状况、岩石破碎时的物理过程等，可以为旋转冲击型液压锚杆钻机动力头冲击特性研究提供理论基础。 F2αh NFJ Ⅱ Ⅰ 1 动力头冲击凿岩原理 对于旋转冲击型液压锚杆钻机动力头工作时，在极短时间内，冲击锤以一定速度冲击钻尾，钻尾产生压缩应力及应变，以波的形式传递至钻头（或钎头），冲击作用力瞬间变化很大。当冲击速度达到可以在岩体表面形成裂缝时，因弹性波的传递速度大于裂缝的传递速度，则在岩体表面产生局部破碎的现象。 图1冲击过程原理及受理分析 冲击旋转凿岩时，作用在钻头上的冲击力必须大于某一定值，钻刃所受的冲击力 F＞σJyA 式中 （1） ——岩石的抗压强度极限；σJy— ——钻刃接触岩石的面积。A— 正压力N的水平分力（剪切力）FJ对β角所对 冲击旋转式锚杆钻机破岩过程：当液压能驱使锚杆钻机的冲击机构，锚杆尾部受到一定质量及速度的活塞冲击，通过钎头，压应力波作用于孔底岩石上，导致岩石破碎，产生沟槽。当钎杆带动钎头回转，钎头进行再次冲击凿入，此次冲击使岩石破碎产生的沟槽异于上次沟槽位置，在2次沟槽β角的扇形面积内，岩石被剪碎，钎杆带动钎头连续不断地冲击和转动，并不断的排出岩屑，每