一种挖岩刀齿与岩石之间相互作用力的计算方法技术

一种疏浚工程与岩石切削技术领域的挖岩刀齿与岩石之间相互作用力的计算方法，包括以下步骤：确定岩石类型与挖岩用刀齿；测定岩石的抗拉、抗压强度；测定刀齿齿尖圆角；确定切削角度、切削深度相关参数；进行刀齿线性切削岩石试验，确定切削沟槽横断面积与切削深度关系；通过公式计算挖岩刀齿与岩石之间相互作用力即切削阻力。本发明专利技术通过切削沟槽的横断面积、岩石强度以及相关切削参数等建立刀齿与岩石间相互作用力模型，进而对刀齿切削岩石的切削阻力进行预估。本发明专利技术方法适用于具有一定强度的岩石切削阻力计算，具有量纲统一、综合考虑各种切削参数及结果较为准确的优点。虑各种切削参数及结果较为准确的优点。虑各种切削参数及结果较为准确的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种挖岩刀齿与岩石之间相互作用力的计算方法


[0001]本专利技术涉及的是一种疏浚工程与岩石切削
的作用力计算方法，特别是一种具有量纲统一、综合考虑了各种切削参数的挖岩刀齿与岩石之间相互作用力的计算方法。

技术介绍

[0002]港口、航道建设疏浚过程中，往往会遇到岩石地层，为了满足通航水深及工程施工的需求，需要对水下岩石进行切削破碎，因此需要对刀齿切削岩石所受阻力进行预估计算。而目前刀齿与岩石间相互作用力的计算公式，一部分是由二维切削理论推导得来，与实际切削阻力相差较大，另一部分是根据试验数据建立的经验公式，往往只适用于特定工况，且量纲不协调。

技术实现思路

[0003]本专利技术针对现有技术的不足，提出一种挖岩刀齿与岩石之间相互作用力的计算方法，本专利技术具有量纲统一、综合考虑各种切削参数及结果较为准确的优点；采用该方法可以较为准确的预估挖岩刀齿切削风化岩时所受阻力，对港口、航道建设疏浚过程中遇到的岩石切削破碎问题具有重要意义。
[0004]本专利技术是通过以下技术方案来实现的：本专利技术提供一种挖岩刀齿与岩石之间相互作用力的计算方法，包括以下步骤：步骤一，确定岩石类型与挖岩用刀齿；步骤二，测定岩石的抗拉、抗压强度；步骤三，测定刀齿齿尖圆角；步骤四，确定切削角度、切削深度相关参数；步骤五，进行刀齿线性切削岩石试验，确定切削沟槽横断面积与切削深度关系；步骤六，通过以下公式计算挖岩刀齿与岩石之间相互作用力峰值，即峰值切削阻力：
[0005][0006]式中，F
p
切削阻力，单位kN；d为切削深度，单位mm；A(d)为切削沟槽横断面积与切削深度之间的关系，单位mm2；σ
t
为岩石抗拉强度，单位MPa；σ
c
为岩石抗压强度，单位MPa；α为切削角度，单位(
°
)；g(α)为切削角度对岩石强度的影响因子；r为刀齿齿尖圆角半径，单位mm；r0为r的修正量，单位mm；p为常系数。
[0007]步骤七，通过以下公式计算挖岩刀齿与岩石之间相互作用力平均值，即均值切削阻力：
[0008]F
a
＝K
·
F
p
[0009]式中，F
a
为平均切削阻力，单位kN；K为常系数。
[0010]进一步地，在本专利技术中，岩石抗压强度σ
c
为无侧限抗压强度，通过无侧限抗拉强度试验测得；岩石抗拉强度σ
t
通过巴西劈裂试验测得。
[0011]更进一步地，在本专利技术中，g(α)为与切削角度α相关的二次函数，具体的函数关系与岩石材质及刀齿材质有关，可通过试验的结果进行拟合。
[0012]更进一步地，在本专利技术中，r0为r的修正量，为F
p
‑
r关系曲线与r轴交点的绝对值，p＝0.7。
[0013]更进一步地，在本专利技术中，K为常系数，根据岩石种类的不同，取值范围在1.2～1.6之间，可根据刀齿线性切削岩石试验确定。
[0014]在本专利技术中，切削沟槽是一个与切削深度呈二次相关的量，可通过岩石线性切削试验测量获得。使用挖岩刀齿进行岩石的线性切削试验，得到切削沟槽，在切削沟槽上取数个断面，测量切削深度与横断面的面积，获得横断面积与切削深度之间的关系A(d)。
[0015]岩石强度测量包括无侧限抗压强度σ
c
与抗拉强度σ
t
两种，无侧限抗压强度可通过无侧限抗拉强度试验测得，抗拉强度可通过巴西劈裂试验测得。
[0016]岩石强度对阻力的影响中，还需考虑切削角度α的影响，切削角度为刀齿切岩面与水平方向的夹角。切削角度的影响程度作为抗拉强度σ
t
与无侧限抗压强度σ
c
比值的指数，其表达式g(α)为与切削角度α相关的二次函数，具体的函数关系与岩石材质及刀齿材质有关，可通过试验的结果进行拟合。
[0017]刀齿钝度是一个与刀齿齿尖圆角半径相关的量，r为刀齿尖角的圆角半径，当刀齿为锋利刀齿时，r＝0；当刀齿磨钝后，r的大小为刀齿齿间的圆角半径。r0为r的修正量，为F
p
‑
r关系曲线与r轴交点的绝对值。p为常系数，在一般施工环境中，认为p＝0.7。
[0018]与现有技术相比，本专利技术具有如下有益效果为：
[0019]第一，本专利技术综合考虑了刀齿切削岩石时的各项参数，包括岩石自身的参数(例如：无侧限抗压强度、抗剪强度等)、刀齿的参数(例如：刀齿的钝度等)以及体现二者相互作用的参数(例如：形成的沟槽横断面积、切削角度等)。使用参数较为全面，可使得出的切削阻力更贴近实际值。
[0020]第二，本专利技术综合考虑了三维情况下的切削破坏过程，专利技术中使用的抗拉强度、沟槽横断面积等均可体现切削的三维特征。
[0021]第三，本专利技术等式左右两端量纲一致。与现有的经验公式相比，本专利技术中阻力预估模型的量纲为m2·
Pa，与力的量纲N一致，更符合实际。
附图说明
[0022]图1为本专利技术的流程图；
[0023]图2为本专利技术实施例中岩石破碎过程示意图；
[0024]图3为本专利技术实施例中刀齿钝度圆角半径示意图；
[0025]图4为本专利技术实施例中通过计算公式得到的理论值与实际试验值之间的对应关系。
具体实施方式
[0026]下面结合附图对本专利技术的实施例作详细说明，本实施例以本专利技术技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本专利技术的保护范围不限于下述的实施例。
[0027]实施例
[0028]具体实施流程如图1所示，试验采用风化岩作为切削岩石试样，尺寸为100cm
×
45cm
×
10cm，切削面平整。测定的岩石抗拉强度为16.51MPa，抗拉强度为1.47MPa。试验采用
刀齿为尖齿，齿尖宽度为20mm，齿尖基本为锋利齿尖，r＝0，如图3所示。在刀齿上安装测力传感器，可监测刀齿切削过程中的切削阻力。试验采用恒定切削速度0.5m/s，通过改变刀齿的切削深度0.5cm至3.0cm以及切削角度40
°
至60
°
(即刀齿前刀面与水平方向的夹角，图2中的α)，监测不同工况下刀齿所受切削力随时间的变化。
[0029]试验结束后，对沟槽横断面积进行测量，对每一条沟槽，平均取5个断面进行测量其面积A与深度d之间的关系，可得针对本次试验采用的风化岩及刀齿，横断面积A与深度d之间的关系为，A＝d(3.75d+20)，g(α)为g(α)＝0.0008α2‑
0.0865α+4.0556。针对刀齿钝度，取r+r0＝2.5，p＝1.3。峰值切削力F
p
与均值切削力F
a
的比值K为1.2。综上可得，峰值切削力F
p
的表达式为
[0030][0031]均值切削力F
a
的表达式为
[003本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种挖岩刀齿与岩石之间相互作用力的计算方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，确定岩石类型与挖岩用刀齿；步骤二，测定岩石的抗拉、抗压强度；步骤三，测定刀齿齿尖圆角；步骤四，确定切削角度、切削深度相关参数；步骤五，进行刀齿线性切削岩石试验，确定切削沟槽横断面积与切削深度关系；步骤六，通过以下公式计算挖岩刀齿与岩石之间相互作用力峰值，即峰值切削阻力：式中，F
p
为峰值切削阻力，单位kN；d为切削深度，单位mm；A(d)为切削沟槽横断面积与切削深度之间的关系，单位mm2；σ
t
为岩石抗拉强度，单位MPa；σ
c
为岩石抗压强度，单位MPa；α为切削角度，单位(
°
)；g(α)为切削角度对岩石强度的影响因子；r为刀齿齿尖倒角半径，单位mm；r0为r的修正量，单位mm；p为常系数。步骤七，通过以下公式计算挖岩刀齿与岩石之间相互作用力平均值，即均值切削阻力：F
a
＝F...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁鑫，刘功勋，金鹏，王费新，尹纪富，洪国军，谢康，陆寅松，周忠玮，
申请(专利权)人：中交疏浚技术装备国家工程研究中心有限公司，
类型：发明
国别省市：