三一重型裝備有限公司 沈陽 110027

1 研究背景

懸臂式掘進(jìn)機(jī)是用于截割、破碎巖石的采掘設(shè)備,截齒在截割頭旋轉(zhuǎn)、鉆進(jìn)或擺動的作用下進(jìn)行巖石破碎[1-2]。截齒在工作過程中,要承受較大的壓應(yīng)力、剪切應(yīng)力和沖擊負(fù)荷。隨著工作時間的增加,截齒溫度升高,會產(chǎn)生軟化的問題。在巖石硬度較大的工況下,截齒磨損更加嚴(yán)重。因此,截齒是整個設(shè)備中最容易受損的重要零件[3-5]。截齒的失效形式主要有合金頭脫落、崩刃、磨損,以及刀桿彎曲、斷裂等[6-7]。截齒性能的好壞、使用壽命的長短直接影響掘進(jìn)機(jī)的工作效率和可靠性,同時也決定著掘進(jìn)機(jī)的使用經(jīng)濟(jì)性[8]。

當(dāng)前,掘進(jìn)硬巖化已經(jīng)成為一種趨勢,對截齒性能的要求也越來越高[9]。截齒結(jié)構(gòu)如圖1所示。截齒一般由合金鋼齒體和硬質(zhì)合金頭釬焊而成,其使用性能取決于齒體的材質(zhì)、硬質(zhì)合金的性能和釬焊接頭的質(zhì)量[10]。

為了進(jìn)一步提升截齒質(zhì)量,延長截齒使用壽命,使其能更好地適用于巖石硬度較高的工況,筆者在齒體材質(zhì)、硬質(zhì)合金性能及釬焊質(zhì)量相同的條件下,進(jìn)行合金頭直徑、合金頭埋深及齒頭增加耐磨層對截齒性能影響的研究。

圖1 截齒結(jié)構(gòu)

2 截割試驗

2.1 試驗準(zhǔn)備

為了驗證合金頭直徑、合金頭埋深及齒頭增加耐磨層對截齒性能的影響,筆者制作了五種不同的截齒,具體參數(shù)見表1。其中,JC1截齒為正常的硬巖截齒,在工作中表現(xiàn)正常,其它四種截齒以JC1截齒為參照,進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

表1 試驗截齒參數(shù)

2.2 試驗工況

針對硬巖截齒所適用工況,選定試驗地點為貴州某高鐵隧道的一處施工段。該施工段巖質(zhì)均勻,硬度在f8與f9之間。隧道使用STR260H隧道掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行臺階法施工,試驗時正在進(jìn)行上臺階掘進(jìn)。隧道的上臺階截面為拱形,長度為13 m,最高處為5.4 m,截面面積為52.74 m2。每掘進(jìn)1.8 m進(jìn)行支護(hù),截割巖石體積為94.92 m2。

2.3 試驗方法

試驗分五次進(jìn)行,用每種截齒向前掘進(jìn)1.8 m。因為巖石比較均勻,所以暫不考慮巖石變化對試驗數(shù)據(jù)的影響[11]。分別記錄工作時間長度、更換截齒的數(shù)量,然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2.4 試驗結(jié)果

通過截割試驗得到工作時長和截齒消耗數(shù)量,見表2。

表2 截割試驗結(jié)果

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 單位時間內(nèi)截齒消耗數(shù)量

由表2可以計算出單位時間內(nèi)截齒的消耗數(shù)量。相同時間內(nèi)截齒消耗數(shù)量越少,表征截齒使用壽命越長,截齒性能越好。反之,相同時間內(nèi)截齒消耗數(shù)量越多,表征截齒使用壽命越短,截齒性能越差。單位時間內(nèi)截齒消耗數(shù)量見表3。

表3 單位時間內(nèi)截齒消耗數(shù)量

為了更加直觀地比較不同截齒的單位時間消耗數(shù)量,根據(jù)表3繪制1 h截齒消耗數(shù)量圖,如圖2所示。JC3截齒消耗最多,1 h為2.73個。JC4截齒消耗最少,1 h為1.27個。在五種截齒中,JC3截齒使用壽命最短,性能最差,JC4截齒使用壽命最長,性能最優(yōu)。通過單位時間內(nèi)截齒消耗數(shù)量可以看出,五種截齒性能由優(yōu)至差依次為JC4、JC5、JC2、JC1、JC3。

圖2 1 h截齒消耗數(shù)量

3.2 截割單位體積巖石截齒消耗數(shù)量

由表2可以計算出截割單位體積巖石時截齒的消耗數(shù)量。截割相同體積的巖石,截齒消耗數(shù)量越少,表征截齒性能越好;反之,截齒消耗數(shù)量越多,表征截齒性能越差。截割單位體積巖石截齒消耗數(shù)量見表4。

表4 截割單位體積巖石截齒消耗數(shù)量

為了直觀地比較截割單位體積巖石截齒的消耗數(shù)量,根據(jù)表4繪制截割1 m3巖石截齒消耗數(shù)量圖,如圖3所示。截割1 m3巖石,JC3截齒消耗最多,為0.25個,JC4截齒消耗最少,為0.10個,說明在五種截齒中,JC3截齒性能最差,JC4截齒性能最優(yōu)。通過截割單位體積巖石截齒消耗數(shù)量可以看出,五種截齒性能由優(yōu)至差依次為JC4、JC5、JC2、JC1、JC3。

圖3 截割1 m3巖石截齒消耗數(shù)量

3.3 單位時間內(nèi)截割巖石體積

由表2數(shù)據(jù)可以計算出單位時間內(nèi)截齒截割巖石的體積。在相同時間內(nèi)截割巖石的體積越大,表征工作效率越高,截齒性能越好。反之,截割巖石的體積越小,表征工作效率越低,截齒性能越差。單位時間內(nèi)截齒截割巖石體積見表5。

表5 單位時間內(nèi)截齒截割巖石體積

為了直觀地比較不同截齒單位時間內(nèi)截割巖石的體積,根據(jù)表5繪制不同截齒單位時間內(nèi)截割巖石體積圖,如圖4所示。JC3截齒單位時間內(nèi)截割巖石體積最小,為11.04 m3/h。JC5截齒單位時間內(nèi)截割巖石體積最大,為13.18 m3/h。在五種截齒中,JC3截齒工作效率最低,性能最差,JC5截齒工作效率最高,性能最優(yōu)。通過截齒在單位時間內(nèi)截割巖石體積可以看出,五種截齒性能由優(yōu)至差依次為JC5、JC4、JC2、JC1、JC3。

圖4 不同截齒單位時間內(nèi)截割巖石體積

4 結(jié)束語

通過試驗表明,對于齒體材質(zhì)、硬質(zhì)合金性能及釬焊質(zhì)量相同的截齒,合金頭直徑、合金頭埋深及齒頭增加耐磨層會對截齒性能產(chǎn)生影響。合金頭直徑大的截齒相比合金頭直徑小的截齒,使用壽命更長,截割效率更高,性能更好。合金頭埋深大的截齒相比合金頭埋深小的截齒,使用壽命更長,性能更好。有耐磨層的截齒相比沒有耐磨層的截齒,使用壽命更長,截割效率更高,性能更好。齒頭直接熔覆耐磨層的截齒相比齒頭車削部分齒體后再進(jìn)行耐磨層堆焊填充的截齒,使用壽命更長,截割單位體積巖石時消耗更少,但整體截割效率較低。

通過研究可見,適當(dāng)增大合金頭直徑、增大合金頭埋深,以及齒體增加耐磨層,是提高截齒整體性能的有效方法。