刍议硬岩掘进机的截割机理及截齿力学特性

摘 要：本文分析了硬岩掘进机的截割原理，在摆动和钻进两种状态下分别研究了截齿力学特性，并提出了硬岩掘进机截齿性能提升的一些建议。

关键词：硬岩掘进机；切割激励；截齿

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

0 引言

目前在深度地质开发中，硬岩掘进机是用于岩石开采中极为重要的一个工具，硬岩掘进机的使用不仅可以在很大程度上提高开采矿石的效率，并且可以更好的保证开采工作人员的生命安全、改善开采环境，减少事故发生的概率。然而岩石普遍具有较高的硬度，当掘进机对其进行切割时，若硬岩掘进机的作用不够精准或是施加的力的位置和强度不够理想，不仅容易导致岩石无法被很好的切割，更容易使掘进机在与岩石的强烈冲击中受到较大的损害，例如导致硬岩掘进机的截齿受到严重磨损或是截割减速装置中的齿轮无法发挥正常作用等，严重削弱硬岩掘进机的使用寿命。针对硬岩掘进机有必要进行进一步深入的研究从而提升截齿的性能，使之更能耐受强烈的摩擦、更好的承受冲击，使硬岩掘进机在开采工作中更好的发挥作用。

1 硬岩掘进机的截割原理

硬岩掘进机的切割部位主要由以下部件组成：截割电机、减速器、悬臂段、联接筒、截割头以及盖板、销轴等。其中截割减速器与电机和悬臂构成截割部位的主体，截割电机是驱动截割部位进行岩石切割的主要环节，电动机连接有截割减速器并且可以通过控制悬臂中的传动轴，使悬臂驱动截割头进行旋转从而对坚硬的岩石进行切割。截割部件与升降油缸和截割头回转台的连接是通过销轴实现的，截割头回转油缸可以推动截割部分随着回转台左右摆动，或是绕着销轴上下摆动。

2 硬岩掘进机在摆动状态时的截齿力学特性

处于摆动工作状态下的硬岩掘进机在围绕本身的中心线转动的同时要按照上下或者左右的方向不断摆动，使岩石面受到冲击从而破裂。此时截齿受到的力包括牵引阻力、切割阻力，并且还会受到侧向力。其中切割阻力受岩石的接触强度的影响，截齿的类型也会影响切割阻力。此外，截齿的截角、截齿切割的厚度、切割线之间的距离以及切割头的转动角度等都会影响切割阻力的大小。而牵引阻力与切割阻力、岩石的强度有关。侧向力的大小主要受到截齿排列方式的影响。

3 硬岩掘进机在钻进状态时的截齿力学特性

当硬岩掘进机处于钻进工作状态时，岩石从与截齿进行接触开始，首先发生变形，其次岩石的裂纹进一步延伸，继而岩石的紧实核成型，最终岩石体崩塌。截齿在切割岩石的过程中，根据截齿本身的中心线这一基准，按照固定的转速转动，同时沿着本身的中心线在纵向进深上向着岩石面不断推进。截齿在其回转面上将受到圆周力、切向力和径向力这三个不同方向的力。

4 提高硬岩掘进机截齿性能的对策建议

硬岩掘进机的截齿部分通常情况下是将硬质合金和钢制齿体焊接在一起而形成的，当对硬度很高的岩石进行切割时，截齿部分会受到很大的截割阻力，同时会遭到巨大的冲击力，此外，在切割岩石时不可避免的要与岩石形成严重摩擦，摩擦瞬间温度急剧上升，高温也会损坏截齿的性能，使截齿的合金头发生磨损或是崩刃，更为严重的会使刀杆变弯甚至崩断。为了提升截齿性能，可以从以下几方面入手：

（1）改善截齿合金刀头的性能。硬质合金的材料选择对截齿的性能无疑有着关键作用，为了使合金刀头更加能耐受强烈的冲击，可以利用以高纯度钨粉为原料并经过高温还原后得到的碳化钨粉生产合金刀头，在合金中适当增加钴元素的含量，令合金的韧性进一步提升。此外，硬质合金刀头的颗粒度不能太小，以防截齿在高温摩擦下过早失效。为了使切割岩石的有效面积增加，截齿合金头以蘑菇头形状最为适宜。

（2）保证截齿的焊接缝隙符合标准。截齿的硬质合金刀头在焊接时以钎焊方式为主，钎焊的质量在很大程度上影响合金刀头的水平。我国相关标准中对截齿的焊缝做出了具体规定，钎焊缝隙的剪切强度不应低于240MPa，此外，焊缝内所填充的焊接材料应保持在一定水平，至少应高于80%。

（3）提高截齿体的质量。截齿体与硬质合金头共同构成了截齿的完整部件，目前截齿的材料多为中碳合金钢，截齿体的一些关键参数如韧性和硬度等必须合乎我国相关标准的规定，若制造的截齿体不够规范，则容易造成截齿体的弯曲甚至严重变形，阻碍截齿的正常工作。

5 结语

硬岩掘进机直接作用于坚硬的岩石，其工作条件较为恶劣，较高的岩石硬度与不稳定的作业环境等都会对硬岩掘进机的正常工作造成十分严重的危害。作为硬岩掘进机的核心零部件，截割装置的性能如何无疑对硬岩掘进机保持一定的结构强度、维持较长使用寿命以及稳定运行并精确高效完成作业任务起着至关重要的作用。而在切割坚硬的岩石时，截齿是首当其冲受到冲击的。本文对硬岩掘进机的截割部分的原理进行了研究，并对硬岩掘进机在摆动状态和钻进状态两种不同状态下的截齿力学特性进行了阐述。硬岩当与掘进机的截齿进行接触时，会历经四个阶段逐步导致岩石破裂。截齿在工作时无论是位于摆动状态还是钻进状态都会受到包括牵引阻力和切割阻力在内的两种阻力以及牵引力的作用，研究硬岩掘进机的截齿性能可以为相关部门的工作人员提高截割头质量提供一定的借鉴和参考。

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作者简介：魏斌（1981-），男，山西太原人，本科，助理工程师，主要从事售前技术支持及售后服务工作。