水射流噴嘴位置和壓力對掘進機破巖性能的影響

任國強

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司， 山西 晉城 048400）

引言

掘進機的切割機在切割堅硬和磨蝕性巖石時，會受到高作用力、過度磨損和高溫，導致切割機壽命降低、增加機器停機時間。以往的研究表明，水射流有助于顯著提高推進速度，減少粉塵產生，延長切割機壽命，切割力可以減少兩倍，刀具壽命可以延長一倍。噴水噴嘴相對于鎬的位置對于提高切割效率至關重要。以往的研究主要集中在噴嘴位置與單一刀具之間的關系[1-3]。

本文將針對噴嘴最佳位置的噴射、水射流壓力對射流速度的影響以及巖石的破巖性能等方面做進一步的研究。

1 實驗程序

1.1 噴嘴位置

為了研究噴嘴位置對巖石破碎效率的影響，分別對如圖1 所示三種位置的水射流配置與撿拾器相關的噴嘴進行分析。如圖1-1 所示為帶有前置噴嘴的刀盤，噴嘴連接到刀盤上并與鎬座分離。位于刀盤中心位置的噴嘴，如圖1-2 所示，噴嘴埋頭嵌入鎬，使高壓水流過鎬。帶有后部定位噴嘴的刀盤，如圖1-3 所示，噴嘴放置在撿拾器上。為其拾取定位距離的噴嘴前后定位配置約為18 mm。

圖1 一個系統(tǒng)的水射流噴嘴相對于鎬三種位置配置

1.2 巖石標本

在本研究中，巖石樣本采用42.5 級硅酸鹽水泥、B 級石膏粉和河砂。混合后的材料放入模具和巖石盒中，巖石箱的高度、寬度和厚度分別為1000 mm、800 mm 和600 mm。圓柱形試樣的直徑和長度分別為50 mm 和100 mm。人造巖石的力學特性如表1 所示。

表1 人造巖石屬性

1.3 測試平臺

巖石破碎平臺如圖2 所示。液壓缸用于移動工作臺軌道，工作臺上安裝了一個位移傳感器，用于測量刀盤的運動。刀盤的轉速由變頻器控制。齒輪箱輸出軸端部裝有高壓泵用于將水泵入刀盤，最大噴水壓力為40 MPa。巖石箱的側向移動由電機和齒輪箱控制。數(shù)據采集系統(tǒng)能夠監(jiān)測和記錄推力、扭矩和扭矩刀盤位移。選擇四種噴水壓力：10 MPa、20 MPa、30 MPa 和40 MPa。通過保持前進速度、旋轉常數(shù)、噴水位置和噴水壓力對掘進機破巖效率影響進行了計算和分析。

圖2 刀盤破巖試驗臺

2 分析結果

2.1 巖石強度對切削扭矩和推力的影響

圖3 所示為不使用高壓水射流切割三塊人造巖石時掘進機的切割扭矩和推力，推力的波動比切削扭矩的波動更為顯著。這是因為在采掘過程中，刀盤被徑向巖石包圍，切削扭矩是對稱的，振動在鎬齒之間相互偏置，而推力的方向力是軸向的，鎬中的振動疊加在一起。

圖3 巖石強度對切削扭矩和推力的影響

2.2 噴嘴位置對巖石破碎的影響

圖4 和圖5 所示為噴水噴嘴不同位置對切割扭矩和刀盤推力的影響。人造巖石的破碎效率在一定程度上取決于巖石的抗壓強度和水射流壓力。在三種配置中，中心位置的噴嘴具有最高的扭矩和推力降低率，而后部噴嘴的性能增強能力最差。

由圖4 可知，在高壓水射流的作用下，三塊巖石的扭矩降低了41%。圖5 表明隨著水射流的增大，推力降低了30%。對于扭矩和推力的降低，由于噴嘴的定位而產生的差異可高達10%和8%。

圖6 所示為噴水位置對巖石破碎比能量的影響。這三種物質的比能在沒有噴水輔助的情況下切割時，刀頭基本相同。這表明安裝在刀盤上的噴嘴影響（降低）性能。對于中心定位配置比能略高，當輔助有高壓水射流時，中心定位配置方式由于扭矩和推力較低比能量最低（圖4 和圖5 所示）。對于這三種類型的巖石，相比沒有使用水射流輔助的中心配置減少了41.3%、28.3%和20.1%。

圖4 噴嘴位置對不同巖石切割扭矩的影響

圖5 噴嘴位置對不同巖石推力的影響

圖6 不同巖石的比能量和噴嘴位置之間的關系

2.3 水射流壓力對巖石破碎的影響

下頁圖7 所示為噴水壓力對扭矩的影響以及刀盤的推力。隨著噴水壓力的增加，刀盤扭矩和推力顯著減小。對于中心定位配置，UCS10.8推力從4805 N（無噴水輔助）至3350 N（有40 MPa 噴水輔助），扭矩從858 N·m 降至503 N·m，推力和扭矩分別下降30%和41%。對于UCS19.5和UCS28.6，推力分別減少26%和19%，扭矩分別減少28%和20%。

圖7 不同水射流下不同巖石的切割扭矩和推力

圖8 所示為隨著噴水壓力的增加，能量比以緩慢的速度降低，隨后斜率急劇下降。水射流壓力需要超過臨界壓力，對巖石破碎更有效。換句話說，減少比能量約為10%，臨界壓力接近巖石的抗壓強度。在相同的射流壓力下，三種巖石的能量比降低是不同的。

圖8 不同巖石的能量比和水射流壓力之間的關系

2.4 抑塵

圖9-1 和圖9-2 所示為無需噴水協(xié)助下的切割過程和切口。圖9-3 和圖9-4 所示為使用水射流時的切割過程和切口圖。很明顯，在水射流的幫助下，粉塵的產生顯著減少。

圖9 無需噴水和水射流輔助下的切割過程和切口

不同條件下，使用和不使用噴水器的粉塵濃度統(tǒng)計數(shù)據，如表2 所示。抑塵效率可使用以下公式計算。

表2 不同條件下的粉塵濃度 mg/m3

式中：η 為抑塵效率；C0為不使用水射流粉塵濃度；CWJ為考慮到使用水射流的粉塵濃度。

圖10 所示為不同巖石在不同噴水壓力下的標準化抑塵效率η。對于給定的噴水壓力，巖石強度越高，抑塵效率越差。對于相同的配置，效率會提高，隨著水射流壓力的增加，這一點會顯著增加。抑塵效率從22%到72%不等，其中中心定位配置的抑塵效率比其他兩種配置更好。

圖10 不同噴水口的標準化抑塵效率

3 結論

1）水射流的輔助作用改善了掘進機的破巖性能，噴水噴嘴的位置會影響巖石破碎性能。扭矩、推力和比能量方面的最佳性能增強、減少的方法是通過將噴嘴定位在鎬上，然后進行前定位和后定位配置。

2）隨著巖石強度的增加，需要更高的噴水壓力來實現(xiàn)預期的性能改善。對于特定的巖石強度，噴水壓力應增加到獲得理想結果的臨界壓力。為了將固相能量降低10%，閾值壓力應接近巖石的UCS。

3）在水射流的幫助下，細粉塵抑制系數(shù)達到70%以上。隨著噴水壓力的增加，抑塵系數(shù)增大。