岩质隧道膨胀劈裂机械及试验研究

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在公路隧道、采矿工程等硬岩开挖中,破碎岩石是最基础的工作之一,岩石的破碎目前主要采用钻爆法。然而,在使钻爆法施工时,爆破产生的副作用越来越突出,如爆破地震波、空气冲击波、飞石和噪声等。此外爆破能量利用率也较低,只能采用间断循环作业,大大影响了施工效率。因此,近年来,世界上先进发达国家提出并且研究应用非爆破的分裂破岩工艺。岩石劈裂设备是一种机械式的静态劈裂岩石的机器,将高压油作为能量源,通过置于孔中的胀裂设备工作机构直接对岩石作用工作压力,形成岩石产生拉裂、剪切破坏的主要作用力,使巨大的岩石在工作压力的作用下从内部分裂而实现与整体岩石的分离。  本课题研究内容,一是研究开发出一款新型岩石劈裂设备。岩石劈裂设备整机应具有顺利完成岩石分离的功能:工作机构将力直接作用于岩石从而劈裂岩石;液压系统根据工作过程的需要及时提供或关闭高压油;检测压力设备在劈裂岩石的过程中检测、记录工作压力地大小;装载小车将液压及液压控制系统以及工作机构运送到指定工作场地。通过上述各部件和系统的共同协调作用完成岩石的分离。为实现设备的基本功能,对工作机构、超高压液压系统、装载小车进行详细的设计、计算、选型和校核等。  其次是对工作机构进行机构的运动分析,利用有限元软件ANSYS完成工作过程中重要零件的受力分析。新型劈裂设备的核心机构是工作机构,将工作机构放入岩石孔中工作,通过超高压液压系统加压,使竖直方向的力转变为水平方向的力,作用于岩石壁上,从而使岩石破碎开。由于岩石孔径很小,所需劈裂力很大,因此工作机构的设计应采用高性能的金属材料,不能选用复杂的机构,所研究设计的扩张机构采用位置约束的方式,保证运动机构按照要求完成扩张以及复位功能,实现了劈裂岩石的要求。其中,运动件之间的连接采用不完全的球面接触连接,也是最关键的连接方式,在设计过程中需要对其进行强度分析,由于加工困难,还需要分析连接机构的接触应力。  最后对新型劈裂器进行岩石劈裂模拟实验,在不同的岩石孔径、不同的岩围条件下,进行新型劈裂器劈裂岩石的模拟实验,观看劈裂器在劈裂岩石的整个工作过程,根据实验结果的对比分析,对新型劈裂器的工作机构、液压系统进行优化设计,并且提出新型劈裂器在实际操作过程中的注意事项。
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