动静组合载荷作用下切削破岩的力学特性及实验研究

论文摘要

岩石切削是一个复杂的动力学过程,表现出较强的非线性特征。自上世纪六十年代以来岩石力学界的学者们对岩石破碎开展了深入的研究,取得了丰硕的成果。然而,过去的理论和实验研究主要集中在单一静载或冲击载荷下岩石破碎特征及其相应的最优加载形式上,针对动静组合载荷作用下的切削破岩研究则更少,本文正是基于上述问题对动静组合载荷作用下切削破岩进行了力学分析和实验研究。借鉴单一静载荷或冲击破岩试验的研究成果,分析了静压切削和冲击切削过程,建立了切削力学模型;确定了动静组合载荷切削破岩实验方案和实验参数。在多功能实验装置上对岩石进行了静压切削、冲击切削和动静组合载荷作用下切削破岩实验,并对切削力信号进行采样和处理。为了研究动静载荷参数的变化对切削破岩效果的影响,应用了混沌理论对岩石切削过程进行了计算分析。通过利用功率谱、相空间重构、关联维数、最大Lyapunov指数等分析技术探讨了混沌发生的切削条件。其结果表明,切削破岩是一种不规则、非周期的混沌现象。关联维数就是岩石破碎机理改变的一个灵敏度量,可以有效的识别切削力在动静组合载荷作用下发挥作用的程度。理论分析与实验结果的结论表明:静压切削或冲击切削的破岩深度、切削力随WOB的增加均随之增加。冲击切削与静压切削相比,不仅可以增大切削深度,而且可以大量降低切削力。动静组合载荷作用下切削破岩效果比单一的静载或动载具有明显的优势,这一初步的研究成果对于丰富和发展岩石破碎学理论,开发研制新型钻采设备具有重要的理论意义和工程应用价值。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 切削破岩方法的研究现状
• 1.3 切削破岩的理论研究与进展
• 1.4 研究课题的意义
• 1.5 研究内容和方法
• 第二章 动、静载荷作用下机具破岩的切削力学分析
• 2.1 动、静载荷下切削破岩力学分析
• 2.1.1 静压—切削
• 2.1.2 冲击—切削破岩分析
• 2.2 动、静载荷下岩石切削过程分析
• 2.3 小结
• 第三章 切削破岩实验装置的改造
• 3.1 概述
• 3.2 动静组合载荷破岩的实验原理
• 3.3 动静组合载荷破岩装置结构
• 3.3.1 竖向静压加载装置
• 3.3.2 水平切削装置
• 3.3.3 液压加载装置
• 3.3.4 冲击加载机构
• 3.3.5 刀具安装机构
• 3.3.6 主要零部件
• 3.3.7 油源部分和电气部分配置
• 3.3.8 控制系统
• 3.3.9 测量系统
• 第四章 切削破岩实验分析
• 4.1 动静组合载荷破岩实验技术
• 4.1.1 试件制备
• 4.1.2 刀具的主要参数
• 4.1.3 实验参数的确定
• 4.1.4 实验方法和步骤
• 4.2 实验结果与分析
• 4.2.1 变WOB下的切削实验
• 4.2.2 变冲击能下的冲击—切削实验
• 4.2.3 变WOB下的冲击—切削实验
• 4.3 小结
• 第五章 切削力信号的混沌分析
• 5.1 引言
• 5.2 混沌动力学原理简述
• 5.2.1 混沌理论的产生和发展
• 5.2.2 混沌的基本概念
• 5.2.3 混沌的特性
• 5.3 混沌动力学的处理方法
• 5.3.1 功率谱分析方法
• 5.3.2 时间序列的相空间重构
• 5.3.3 延迟时间和嵌入维数的确定
• 5.3.4 最大Lyapunov指数的计算
• 5.3.5 关联维数的计算
• 5.4 小结
• 第六章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A: 攻读硕士学位期间的主要研究成果
• 附录B: Matlab计算程序