芻議硬巖掘進機的截割機理及截齒力學特性

摘 要：本文分析了硬巖掘進機的截割原理，在擺動和鉆進兩種狀態下分別研究了截齒力學特性，并提出了硬巖掘進機截齒性能提升的一些建議。

關鍵詞：硬巖掘進機；切割激勵；截齒

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

0 引言

目前在深度地質開發中，硬巖掘進機是用于巖石開采中極為重要的一個工具，硬巖掘進機的使用不僅可以在很大程度上提高開采礦石的效率，并且可以更好的保證開采工作人員的生命安全、改善開采環境，減少事故發生的概率。然而巖石普遍具有較高的硬度，當掘進機對其進行切割時，若硬巖掘進機的作用不夠精準或是施加的力的位置和強度不夠理想，不僅容易導致巖石無法被很好的切割，更容易使掘進機在與巖石的強烈沖擊中受到較大的損害，例如導致硬巖掘進機的截齒受到嚴重磨損或是截割減速裝置中的齒輪無法發揮正常作用等，嚴重削弱硬巖掘進機的使用壽命。針對硬巖掘進機有必要進行進一步深入的研究從而提升截齒的性能，使之更能耐受強烈的摩擦、更好的承受沖擊，使硬巖掘進機在開采工作中更好的發揮作用。

1 硬巖掘進機的截割原理

硬巖掘進機的切割部位主要由以下部件組成：截割電機、減速器、懸臂段、聯接筒、截割頭以及蓋板、銷軸等。其中截割減速器與電機和懸臂構成截割部位的主體，截割電機是驅動截割部位進行巖石切割的主要環節，電動機連接有截割減速器并且可以通過控制懸臂中的傳動軸，使懸臂驅動截割頭進行旋轉從而對堅硬的巖石進行切割。截割部件與升降油缸和截割頭回轉臺的連接是通過銷軸實現的，截割頭回轉油缸可以推動截割部分隨著回轉臺左右擺動，或是繞著銷軸上下擺動。

2 硬巖掘進機在擺動狀態時的截齒力學特性

處于擺動工作狀態下的硬巖掘進機在圍繞本身的中心線轉動的同時要按照上下或者左右的方向不斷擺動，使巖石面受到沖擊從而破裂。此時截齒受到的力包括牽引阻力、切割阻力，并且還會受到側向力。其中切割阻力受巖石的接觸強度的影響，截齒的類型也會影響切割阻力。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動角度等都會影響切割阻力的大小。而牽引阻力與切割阻力、巖石的強度有關。側向力的大小主要受到截齒排列方式的影響。

3 硬巖掘進機在鉆進狀態時的截齒力學特性

當硬巖掘進機處于鉆進工作狀態時，巖石從與截齒進行接觸開始，首先發生變形，其次巖石的裂紋進一步延伸，繼而巖石的緊實核成型，最終巖石體崩塌。截齒在切割巖石的過程中，根據截齒本身的中心線這一基準，按照固定的轉速轉動，同時沿著本身的中心線在縱向進深上向著巖石面不斷推進。截齒在其回轉面上將受到圓周力、切向力和徑向力這三個不同方向的力。

4 提高硬巖掘進機截齒性能的對策建議

硬巖掘進機的截齒部分通常情況下是將硬質合金和鋼制齒體焊接在一起而形成的，當對硬度很高的巖石進行切割時，截齒部分會受到很大的截割阻力，同時會遭到巨大的沖擊力，此外，在切割巖石時不可避免的要與巖石形成嚴重摩擦，摩擦瞬間溫度急劇上升，高溫也會損壞截齒的性能，使截齒的合金頭發生磨損或是崩刃，更為嚴重的會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。硬質合金的材料選擇對截齒的性能無疑有著關鍵作用，為了使合金刀頭更加能耐受強烈的沖擊，可以利用以高純度鎢粉為原料并經過高溫還原后得到的碳化鎢粉生產合金刀頭，在合金中適當增加鈷元素的含量，令合金的韌性進一步提升。此外，硬質合金刀頭的顆粒度不能太小，以防截齒在高溫摩擦下過早失效。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準。截齒的硬質合金刀頭在焊接時以釬焊方式為主，釬焊的質量在很大程度上影響合金刀頭的水平。我國相關標準中對截齒的焊縫做出了具體規定，釬焊縫隙的剪切強度不應低于240MPa，此外，焊縫內所填充的焊接材料應保持在一定水平，至少應高于80%。

（3）提高截齒體的質量。截齒體與硬質合金頭共同構成了截齒的完整部件，目前截齒的材料多為中碳合金鋼，截齒體的一些關鍵參數如韌性和硬度等必須合乎我國相關標準的規定，若制造的截齒體不夠規范，則容易造成截齒體的彎曲甚至嚴重變形，阻礙截齒的正常工作。

5 結語

硬巖掘進機直接作用于堅硬的巖石，其工作條件較為惡劣，較高的巖石硬度與不穩定的作業環境等都會對硬巖掘進機的正常工作造成十分嚴重的危害。作為硬巖掘進機的核心零部件，截割裝置的性能如何無疑對硬巖掘進機保持一定的結構強度、維持較長使用壽命以及穩定運行并精確高效完成作業任務起著至關重要的作用。而在切割堅硬的巖石時，截齒是首當其沖受到沖擊的。本文對硬巖掘進機的截割部分的原理進行了研究，并對硬巖掘進機在擺動狀態和鉆進狀態兩種不同狀態下的截齒力學特性進行了闡述。硬巖當與掘進機的截齒進行接觸時，會歷經四個階段逐步導致巖石破裂。截齒在工作時無論是位于擺動狀態還是鉆進狀態都會受到包括牽引阻力和切割阻力在內的兩種阻力以及牽引力的作用，研究硬巖掘進機的截齒性能可以為相關部門的工作人員提高截割頭質量提供一定的借鑒和參考。

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