近日，河南理工大学陈新明教授团队研发了一种新型重力式竖井连续掘进机，并通过软件建模，确定了最优滚筒转动速度。成果以《新型重力式竖井连续掘进机滚动截齿破岩机理》为题于9月15日发表于《采矿与安全工程学报》。

　　新型重力式竖井连续掘进机是一种专门在竖井井筒内破碎岩石的设备，与传统竖井掘进机不同，新型掘进机将掘进机构与行走机构合二为一，形成水平行走、重力下向连续掘进的新模式。该设备为非全断面掘进岩石，不受空间限制，可自由掘进岩石，且便于出碴。掘进机滚动截齿非强制切削，而是依靠掘进机及自身重力、滚筒旋转惯性力、剪切力滚动侵入岩石，化阻力为动力的新模式，能量消耗少。

新型重力式竖井连续掘进机

　　新型重力式竖井连续掘进机包括掘进机构、行走机构、液压机构。掘进机构包括竖轴和十字轴，竖轴与十字轴相连接；十字轴四端各分布相同数量的滚筒，滚筒上等间距安装截齿；行走机构由两组滚筒组成，两组滚筒直线式布置；液压机构分别控制掘进机构和行走机构；掘进机构进行岩石掘进，行走机构控制掘进机的行进和转向。

　　新型重力式竖井连续掘进机滚动截齿破岩机理为：掘进机利用液压机构带动竖轴旋转，竖轴带动十字轴旋转；十字轴上的滚筒自转；安装在滚筒上的截齿受到垂直力、滚筒转动惯性力和剪切力的共同作用侵入岩石进行破岩。当岩石受到的三向合力（主要包括垂直力、惯性力和剪切力）超过自身强度时，岩石与截齿接触点附近区域出现碎裂，截齿压入岩石。滚筒继续转动，截齿从岩石中拔出，岩石在截齿的作用下发生剪切及受拉、压破，小岩块从岩体上脱落下来。随着滚筒不停转动，大量的小岩块从岩体上脱落。当截齿连续掘进岩石一定深度后，行走机构开始运转，推动掘进机进行下一阶段破岩，形成掘进机的连续快速破岩。可以说，岩石在截齿作用下发生破坏脱落是一个复杂的力学过程。因此，研究岩石在截齿滚动作用下的损伤机理具有重要意义。

　　研究人员通过SolidWorks 软件建模、结合HyperMesh 和LS-DYNA有限元分析软件，模拟不同滚筒转动速度下滚动截齿破岩过程。

截齿破岩模型

不同滚筒转速下截齿破岩过程

　　模拟研究结果表明，当滚筒转动速度为30 r/min，岩石整个内部截面出现浅颜色变化；岩石与截齿接触部位发生明显单元块缺失。说明提高滚筒转动速度，加快破坏岩石结构。当滚筒转动速度达到35r/min，岩石内部截面却产生无颜色变化区域。说明提高滚筒转动速度达到一定值之后，截齿已破坏岩石结构。岩石结构承载力失效，应力变化区域减少，确定截齿在最优滚筒转动速度为30 r/min 下破岩比能较低，可加大岩石内部应力变化。可得到截齿破岩过程中存在最优滚筒转动速度为30 r/min，能加大岩石破碎程度，破岩效率高。

截齿破混凝土相似试验过程

　　为了验证数值模拟的合理性，研究人员实施了新型重力式竖井连续掘进机滚动截齿破混凝土相似试验。依次提高滚筒转动速度为20、25、30、35 r/min。在相同时间1min 内，分析滚动截齿破混凝土过程，确定滚筒转动最优速度。

　　试验发现，当转速为30 r/min时，混凝土破坏范围大、碎块数量多、凹陷程度大，截齿破混凝土能力最强，验证数值模拟的合理性。

　　这项研究得到了国家自然科学基金项目、中国博士后科学基金、河南省科技攻关计划项目、山东省重大科技创新工程项目的资金支持。