張利平

（陽煤三礦生產(chǎn)調(diào)度指揮中心， 山西 陽泉 045000）

引言

鎬形截齒和盤形滾刀是目前采礦業(yè)中用來碎石的主要機(jī)械工具。在破碎石的效果上鎬行截齒要比盤形滾刀的作用效果好。因?yàn)殒€形截齒在破碎石的過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。其中參與破碎巖石的主要作用力是應(yīng)壓力FN、剪切力FC以及切割過程中的摩擦力FD。三種作用力的作用原理見圖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650℃時(shí)，就會使磨損的情況加劇，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

在破碎巖石的過程中，截齒都會產(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大以及截齒自身的原因造成的，經(jīng)過研究發(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，截齒在工作的過程中是通過自主回轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)方式來減輕自身磨損的。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相對嚴(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)候會帶動(dòng)圓錐體參與破碎石的工作，因此就會發(fā)生磨損的問題。

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)過程中的相關(guān)參數(shù)等，都可以造成截齒磨損的問題。

3 截齒磨損的研究試驗(yàn)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)臺架試驗(yàn)

3.1.1 標(biāo)準(zhǔn)臺架試驗(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)成本相對較高，具體實(shí)施起來還相對困難。

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。通過研究這兩種磨損試驗(yàn)機(jī)發(fā)現(xiàn)，對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看兩者是完全相反的[1]。

3.1.3 銷盤試驗(yàn)

銷盤試驗(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)溫度的過程中利用熱傳感器來實(shí)現(xiàn)，整個(gè)試驗(yàn)維持在10 min，溫度在560℃以上。標(biāo)準(zhǔn)銷盤式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)見圖2。

3.2 模擬工況臺架試驗(yàn)

3.2.1 工況試驗(yàn)臺的概述

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

3.2.2 多齒單齒試驗(yàn)臺

多齒單齒試驗(yàn)臺的實(shí)驗(yàn)方法是由CSIRO澳大利亞工業(yè)科學(xué)院為了測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

在經(jīng)過澳大利亞設(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，這樣的試驗(yàn)臺實(shí)現(xiàn)了可以將不同角度不同截齒進(jìn)行安裝，在巖石切割的過程中可以從全方位對磨損情況進(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。

圖4 波蘭滾筒式截割與磨損試驗(yàn)臺

3.2.4 我國設(shè)計(jì)的截割與磨損試驗(yàn)臺

我國設(shè)計(jì)的截割與磨損試驗(yàn)臺主要是采用回轉(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)測溫度的作用。圖5為我國設(shè)計(jì)的截割與磨損試驗(yàn)臺[3]。

圖5 我國截割與磨損試驗(yàn)臺

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)行過程中可以檢查截齒的磨損情況，以便發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)更換。其中對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判斷截齒磨損的情況，還有通過人工神經(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

通過研究造成磨損情況的原理以及影響磨損的相關(guān)因素，將國內(nèi)外的截齒磨損試驗(yàn)臺進(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，對我國的機(jī)械行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。