采掘機(jī)械用截齒磨損的研究進(jìn)展

張利平

（陽(yáng)煤三礦生產(chǎn)調(diào)度指揮中心， 山西 陽(yáng)泉 045000）

引言

鎬形截齒和盤(pán)形滾刀是目前采礦業(yè)中用來(lái)碎石的主要機(jī)械工具。在破碎石的效果上鎬行截齒要比盤(pán)形滾刀的作用效果好。因?yàn)殒€形截齒在破碎石的過(guò)程中唯一需要抵抗的是巖石的拉應(yīng)力，巖石的壓應(yīng)力是拉應(yīng)力的10倍。但是在實(shí)際的使用過(guò)程中截齒磨損的情況容易發(fā)生在鎬形截齒上，所以，這樣就會(huì)影響到破碎石的作用效果。因此努力降低截齒磨損的程度是現(xiàn)在機(jī)械領(lǐng)域非常關(guān)鍵的問(wèn)題。

1 鎬形截齒的作用機(jī)理

采掘機(jī)械在使用截齒工作的時(shí)候需要將截齒固定在截割頭上，構(gòu)成截齒的主要部分包括硬質(zhì)合金頭、齒柄以及錐形齒體三部分。在截齒工作的情況下，接觸巖石的部分是硬質(zhì)合金頭，然后配合截割頭的回轉(zhuǎn)作用，在相應(yīng)的作用力相互配合的情況下將巖石碾壓成粉末并壓實(shí)，在裂紋形成較大的情況下將巖石剪切下來(lái)。其中參與破碎巖石的主要作用力是應(yīng)壓力FN、剪切力FC以及切割過(guò)程中的摩擦力FD。三種作用力的作用原理見(jiàn)圖1。截齒出現(xiàn)磨損的情況多發(fā)生在截齒自轉(zhuǎn)的情況下，截齒的刀片在過(guò)大摩擦力的作用下，出現(xiàn)平面磨損的現(xiàn)象，導(dǎo)致在截割的過(guò)程中需要耗費(fèi)較大的截割力，并且在不斷的摩擦中產(chǎn)生了較多的熱量，當(dāng)硬質(zhì)合金的溫度超過(guò)650℃時(shí)，就會(huì)使磨損的情況加劇，最嚴(yán)重的后果使截齒不能再發(fā)揮作用。若截齒的質(zhì)量不高，在破碎石中的使用壽命會(huì)減少，從而增加了相應(yīng)的成本。

2 造成截齒磨損的原因

在破碎巖石的過(guò)程中，截齒都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磨損，出現(xiàn)這樣的情況是很正常的。這是由于巖石的硬度過(guò)大以及截齒自身的原因造成的，經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)截齒磨損的原因可以歸結(jié)為以下幾點(diǎn)。

圖1 鎬形截齒破碎石作用力圖解

2.1 截齒的自主回轉(zhuǎn)原因

正常情況下，截齒在工作的過(guò)程中是通過(guò)自主回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式來(lái)減輕自身磨損的。截齒自主回轉(zhuǎn)形成的摩擦力是兩個(gè)作用力的合力，這兩種力分別是FC切割力和FN法向力，在回轉(zhuǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦力FD是FC與FN兩者的合力與摩擦系數(shù)相乘得出的。但是當(dāng)截齒不能正?；剞D(zhuǎn)時(shí)，截齒收到磨損的情況會(huì)相對(duì)嚴(yán)重。

2.2 硬質(zhì)合金頭遭受FC與FN作用力的影響損壞

在實(shí)際的操作過(guò)程中，F(xiàn)C與FN作用力的影響是損壞合金頭的主要原因。強(qiáng)度較大的合金頭不易發(fā)生損壞。

2.3 不合理的切割方式

在實(shí)際的工作中，在進(jìn)行切割時(shí)要將切割的深度維持在一定的范圍，但是在設(shè)計(jì)切割頭的時(shí)候，切割的角度理論與實(shí)際是不一樣的，在截齒運(yùn)行的時(shí)候會(huì)帶動(dòng)圓錐體參與破碎石的工作，因此就會(huì)發(fā)生磨損的問(wèn)題。

2.4 其他的物理性因素

其他的物理性因素，比如巖石自身的性質(zhì)、截齒的產(chǎn)品質(zhì)量以及在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的相關(guān)參數(shù)等，都可以造成截齒磨損的問(wèn)題。

3 截齒磨損的研究試驗(yàn)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架試驗(yàn)

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架試驗(yàn)概述

利用已有系列的標(biāo)準(zhǔn)材料的試驗(yàn)機(jī)按照現(xiàn)有材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗(yàn)的方法稱為標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)架試驗(yàn)。這樣的實(shí)驗(yàn)方法比較真實(shí)有效，但是實(shí)驗(yàn)成本相對(duì)較高，具體實(shí)施起來(lái)還相對(duì)困難。

3.1.2 三體兩體磨損試驗(yàn)機(jī)實(shí)驗(yàn)

兩體試驗(yàn)機(jī)是以沖擊的方式接觸巖石，三體磨損試驗(yàn)機(jī)是通過(guò)在泥漿攪拌器和泥漿泵將巖石磨碎樣品輸送到摩擦接觸面而實(shí)現(xiàn)磨損的。通過(guò)研究這兩種磨損試驗(yàn)機(jī)發(fā)現(xiàn)，對(duì)金屬磨損程度較大的是巖石單項(xiàng)抗壓強(qiáng)度與適應(yīng)的含量。從磨粒磨損的情況來(lái)看兩者是完全相反的[1]。

3.1.3 銷盤(pán)試驗(yàn)

銷盤(pán)試驗(yàn)的磨損截割力在240～700 N之間，進(jìn)行試驗(yàn)的截割速度分別 0.15 m/s、1.15 m/s、0.24 m/s，在獲取實(shí)驗(yàn)溫度的過(guò)程中利用熱傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，整個(gè)試驗(yàn)維持在10 min，溫度在560℃以上。標(biāo)準(zhǔn)銷盤(pán)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)見(jiàn)圖2。

3.2 模擬工況臺(tái)架試驗(yàn)

3.2.1 工況試驗(yàn)臺(tái)的概述

試驗(yàn)臺(tái)在建立的過(guò)程中需要結(jié)合工況的實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行。通過(guò)將實(shí)際的工作環(huán)境進(jìn)行相應(yīng)的模擬，將工況臺(tái)試驗(yàn)按照等比例或者非等比例的方法將試驗(yàn)臺(tái)的情況再現(xiàn)，以發(fā)現(xiàn)工況臺(tái)試驗(yàn)中存在的優(yōu)缺點(diǎn)。

3.2.2 多齒單齒試驗(yàn)臺(tái)

多齒單齒試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)驗(yàn)方法是由CSIRO澳大利亞工業(yè)科學(xué)院為了測(cè)試金剛石齒尖的鎬形截齒而設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)可以根據(jù)不同的截齒進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)金剛石齒尖可以達(dá)到800℃以上的高溫，并且在這樣的情況下截齒的磨損還較小，截割力沒(méi)有較大的變化，從而證實(shí)了金剛石齒尖比傳統(tǒng)的硬質(zhì)合金頭硬度要大很多，具有耐高溫耐磨損的優(yōu)點(diǎn)[2]。圖3為CSIRO截割與磨損試驗(yàn)機(jī)。

3.2.3 滾筒式試驗(yàn)臺(tái)

在經(jīng)過(guò)澳大利亞設(shè)計(jì)出了CSIRO截割與磨損試驗(yàn)機(jī)后，波蘭的一所科技大學(xué)也設(shè)計(jì)出了大尺寸的滾筒式試驗(yàn)臺(tái)，這樣的試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了可以將不同角度不同截齒進(jìn)行安裝，在巖石切割的過(guò)程中可以從全方位對(duì)磨損情況進(jìn)行觀察研究。圖4為波蘭設(shè)計(jì)的滾筒式截割與磨損試驗(yàn)臺(tái)。

圖4 波蘭滾筒式截割與磨損試驗(yàn)臺(tái)

3.2.4 我國(guó)設(shè)計(jì)的截割與磨損試驗(yàn)臺(tái)

我國(guó)設(shè)計(jì)的截割與磨損試驗(yàn)臺(tái)主要是采用回轉(zhuǎn)以及直線運(yùn)動(dòng)的方式進(jìn)行，在煤礦采掘機(jī)設(shè)備中應(yīng)用非常廣。在進(jìn)行截割的鋼托程中可以將截割的深度、間距以及速度控制在合理的范圍，并且可以起到實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫度的作用。圖5為我國(guó)設(shè)計(jì)的截割與磨損試驗(yàn)臺(tái)[3]。

圖5 我國(guó)截割與磨損試驗(yàn)臺(tái)

4 截齒磨損研究在生產(chǎn)中的應(yīng)用

截齒磨損進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)的目的就是盡可能將截齒的耐磨性以及耐高溫的性能發(fā)揮到最大的效果，采掘機(jī)械在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中可以檢查截齒的磨損情況，以便發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)更換。其中對(duì)于磨損程度判斷的方式有多種，比如有學(xué)者提出借助于不同的聲音來(lái)判斷截齒磨損的情況，還有通過(guò)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析截割數(shù)據(jù)，在研究數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上判斷磨損程度，以保障截齒的正常運(yùn)行[4]。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)研究造成磨損情況的原理以及影響磨損的相關(guān)因素，將國(guó)內(nèi)外的截齒磨損試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行相應(yīng)的總結(jié)，進(jìn)一步研究有效提高截齒耐磨性的方法，對(duì)我國(guó)的機(jī)械行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。