芻議硬巖掘進(jìn)機(jī)的截割機(jī)理及截齒力學(xué)特性

摘 要：本文分析了硬巖掘進(jìn)機(jī)的截割原理，在擺動(dòng)和鉆進(jìn)兩種狀態(tài)下分別研究了截齒力學(xué)特性，并提出了硬巖掘進(jìn)機(jī)截齒性能提升的一些建議。

關(guān)鍵詞：硬巖掘進(jìn)機(jī)；切割激勵(lì)；截齒

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.21.074

0 引言

目前在深度地質(zhì)開(kāi)發(fā)中，硬巖掘進(jìn)機(jī)是用于巖石開(kāi)采中極為重要的一個(gè)工具，硬巖掘進(jìn)機(jī)的使用不僅可以在很大程度上提高開(kāi)采礦石的效率，并且可以更好的保證開(kāi)采工作人員的生命安全、改善開(kāi)采環(huán)境，減少事故發(fā)生的概率。然而巖石普遍具有較高的硬度，當(dāng)掘進(jìn)機(jī)對(duì)其進(jìn)行切割時(shí)，若硬巖掘進(jìn)機(jī)的作用不夠精準(zhǔn)或是施加的力的位置和強(qiáng)度不夠理想，不僅容易導(dǎo)致巖石無(wú)法被很好的切割，更容易使掘進(jìn)機(jī)在與巖石的強(qiáng)烈沖擊中受到較大的損害，例如導(dǎo)致硬巖掘進(jìn)機(jī)的截齒受到嚴(yán)重磨損或是截割減速裝置中的齒輪無(wú)法發(fā)揮正常作用等，嚴(yán)重削弱硬巖掘進(jìn)機(jī)的使用壽命。針對(duì)硬巖掘進(jìn)機(jī)有必要進(jìn)行進(jìn)一步深入的研究從而提升截齒的性能，使之更能耐受強(qiáng)烈的摩擦、更好的承受沖擊，使硬巖掘進(jìn)機(jī)在開(kāi)采工作中更好的發(fā)揮作用。

1 硬巖掘進(jìn)機(jī)的截割原理

硬巖掘進(jìn)機(jī)的切割部位主要由以下部件組成：截割電機(jī)、減速器、懸臂段、聯(lián)接筒、截割頭以及蓋板、銷軸等。其中截割減速器與電機(jī)和懸臂構(gòu)成截割部位的主體，截割電機(jī)是驅(qū)動(dòng)截割部位進(jìn)行巖石切割的主要環(huán)節(jié)，電動(dòng)機(jī)連接有截割減速器并且可以通過(guò)控制懸臂中的傳動(dòng)軸，使懸臂驅(qū)動(dòng)截割頭進(jìn)行旋轉(zhuǎn)從而對(duì)堅(jiān)硬的巖石進(jìn)行切割。截割部件與升降油缸和截割頭回轉(zhuǎn)臺(tái)的連接是通過(guò)銷軸實(shí)現(xiàn)的，截割頭回轉(zhuǎn)油缸可以推動(dòng)截割部分隨著回轉(zhuǎn)臺(tái)左右擺動(dòng)，或是繞著銷軸上下擺動(dòng)。

2 硬巖掘進(jìn)機(jī)在擺動(dòng)狀態(tài)時(shí)的截齒力學(xué)特性

處于擺動(dòng)工作狀態(tài)下的硬巖掘進(jìn)機(jī)在圍繞本身的中心線轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)要按照上下或者左右的方向不斷擺動(dòng)，使巖石面受到?jīng)_擊從而破裂。此時(shí)截齒受到的力包括牽引阻力、切割阻力，并且還會(huì)受到側(cè)向力。其中切割阻力受巖石的接觸強(qiáng)度的影響，截齒的類型也會(huì)影響切割阻力。此外，截齒的截角、截齒切割的厚度、切割線之間的距離以及切割頭的轉(zhuǎn)動(dòng)角度等都會(huì)影響切割阻力的大小。而牽引阻力與切割阻力、巖石的強(qiáng)度有關(guān)。側(cè)向力的大小主要受到截齒排列方式的影響。

3 硬巖掘進(jìn)機(jī)在鉆進(jìn)狀態(tài)時(shí)的截齒力學(xué)特性

當(dāng)硬巖掘進(jìn)機(jī)處于鉆進(jìn)工作狀態(tài)時(shí)，巖石從與截齒進(jìn)行接觸開(kāi)始，首先發(fā)生變形，其次巖石的裂紋進(jìn)一步延伸，繼而巖石的緊實(shí)核成型，最終巖石體崩塌。截齒在切割巖石的過(guò)程中，根據(jù)截齒本身的中心線這一基準(zhǔn)，按照固定的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)沿著本身的中心線在縱向進(jìn)深上向著巖石面不斷推進(jìn)。截齒在其回轉(zhuǎn)面上將受到圓周力、切向力和徑向力這三個(gè)不同方向的力。

4 提高硬巖掘進(jìn)機(jī)截齒性能的對(duì)策建議

硬巖掘進(jìn)機(jī)的截齒部分通常情況下是將硬質(zhì)合金和鋼制齒體焊接在一起而形成的，當(dāng)對(duì)硬度很高的巖石進(jìn)行切割時(shí)，截齒部分會(huì)受到很大的截割阻力，同時(shí)會(huì)遭到巨大的沖擊力，此外，在切割巖石時(shí)不可避免的要與巖石形成嚴(yán)重摩擦，摩擦瞬間溫度急劇上升，高溫也會(huì)損壞截齒的性能，使截齒的合金頭發(fā)生磨損或是崩刃，更為嚴(yán)重的會(huì)使刀桿變彎甚至崩斷。為了提升截齒性能，可以從以下幾方面入手：

（1）改善截齒合金刀頭的性能。硬質(zhì)合金的材料選擇對(duì)截齒的性能無(wú)疑有著關(guān)鍵作用，為了使合金刀頭更加能耐受強(qiáng)烈的沖擊，可以利用以高純度鎢粉為原料并經(jīng)過(guò)高溫還原后得到的碳化鎢粉生產(chǎn)合金刀頭，在合金中適當(dāng)增加鈷元素的含量，令合金的韌性進(jìn)一步提升。此外，硬質(zhì)合金刀頭的顆粒度不能太小，以防截齒在高溫摩擦下過(guò)早失效。為了使切割巖石的有效面積增加，截齒合金頭以蘑菇頭形狀最為適宜。

（2）保證截齒的焊接縫隙符合標(biāo)準(zhǔn)。截齒的硬質(zhì)合金刀頭在焊接時(shí)以釬焊方式為主，釬焊的質(zhì)量在很大程度上影響合金刀頭的水平。我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)截齒的焊縫做出了具體規(guī)定，釬焊縫隙的剪切強(qiáng)度不應(yīng)低于240MPa，此外，焊縫內(nèi)所填充的焊接材料應(yīng)保持在一定水平，至少應(yīng)高于80%。

（3）提高截齒體的質(zhì)量。截齒體與硬質(zhì)合金頭共同構(gòu)成了截齒的完整部件，目前截齒的材料多為中碳合金鋼，截齒體的一些關(guān)鍵參數(shù)如韌性和硬度等必須合乎我國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，若制造的截齒體不夠規(guī)范，則容易造成截齒體的彎曲甚至嚴(yán)重變形，阻礙截齒的正常工作。

5 結(jié)語(yǔ)

硬巖掘進(jìn)機(jī)直接作用于堅(jiān)硬的巖石，其工作條件較為惡劣，較高的巖石硬度與不穩(wěn)定的作業(yè)環(huán)境等都會(huì)對(duì)硬巖掘進(jìn)機(jī)的正常工作造成十分嚴(yán)重的危害。作為硬巖掘進(jìn)機(jī)的核心零部件，截割裝置的性能如何無(wú)疑對(duì)硬巖掘進(jìn)機(jī)保持一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、維持較長(zhǎng)使用壽命以及穩(wěn)定運(yùn)行并精確高效完成作業(yè)任務(wù)起著至關(guān)重要的作用。而在切割堅(jiān)硬的巖石時(shí)，截齒是首當(dāng)其沖受到?jīng)_擊的。本文對(duì)硬巖掘進(jìn)機(jī)的截割部分的原理進(jìn)行了研究，并對(duì)硬巖掘進(jìn)機(jī)在擺動(dòng)狀態(tài)和鉆進(jìn)狀態(tài)兩種不同狀態(tài)下的截齒力學(xué)特性進(jìn)行了闡述。硬巖當(dāng)與掘進(jìn)機(jī)的截齒進(jìn)行接觸時(shí)，會(huì)歷經(jīng)四個(gè)階段逐步導(dǎo)致巖石破裂。截齒在工作時(shí)無(wú)論是位于擺動(dòng)狀態(tài)還是鉆進(jìn)狀態(tài)都會(huì)受到包括牽引阻力和切割阻力在內(nèi)的兩種阻力以及牽引力的作用，研究硬巖掘進(jìn)機(jī)的截齒性能可以為相關(guān)部門的工作人員提高截割頭質(zhì)量提供一定的借鑒和參考。

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作者簡(jiǎn)介：魏斌（1981-），男，山西太原人，本科，助理工程師，主要從事售前技術(shù)支持及售后服務(wù)工作。