李洪盛，劉送永，郭楚文

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116; 2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 江蘇省礦山智能采掘裝備協(xié)同創(chuàng)新中心(省部共建)，江蘇 徐州 221008; 3.中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 電氣與動(dòng)力工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

2019年，《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒》指出中國(guó)目前仍然是世界最大的能源消費(fèi)國(guó)，且我國(guó)一次能源結(jié)構(gòu)中的比重保持在50%以上，在未來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)煤炭作為我國(guó)主體能源具有無(wú)法替代的地位[1]?！赌茉醇夹g(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃(2016—2030年)》明確要求提升煤炭開(kāi)發(fā)效率和智能化水平，研發(fā)高效建井和快速掘進(jìn)技術(shù)，重點(diǎn)煤礦區(qū)基本實(shí)現(xiàn)工作面無(wú)人化，全國(guó)掘進(jìn)機(jī)械化程度達(dá)到85%以上。

巷道掘進(jìn)和煤炭回采是煤礦生產(chǎn)的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，而巷道掘進(jìn)是礦山開(kāi)采的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，煤礦巷道的快速掘進(jìn)是保證礦井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)措施。據(jù)統(tǒng)計(jì)我國(guó)每年掘進(jìn)巷道12 000 km以上，其中硬巖巷道掘進(jìn)在2 500 km以上。目前，煤炭開(kāi)采已經(jīng)逐漸向深層和復(fù)雜地層發(fā)展，由于地應(yīng)力的增大，通常深部、復(fù)雜地層巖石的彈性模量、硬度和破壞強(qiáng)度等隨之增大，單軸抗壓強(qiáng)度往往達(dá)到100 MPa以上[2]。隨著各類巖石開(kāi)挖機(jī)械在礦山開(kāi)采、隧道掘進(jìn)、油氣井鉆進(jìn)等實(shí)際工程中的廣泛應(yīng)用，對(duì)巖石破碎理論和技術(shù)提出了更高的要求和新的挑戰(zhàn)。

在應(yīng)對(duì)硬巖(抗壓強(qiáng)度80 MPa以上)方面，鉆-爆法是現(xiàn)在公認(rèn)的對(duì)付硬巖最經(jīng)濟(jì)有效的辦法[3-8]，雖然該方法具有靈活、方便、適應(yīng)性強(qiáng)以及不受地質(zhì)條件變化影響的特點(diǎn)，但常規(guī)鉆-爆法存在炮孔利用率低、周邊成型差、效率低、安全性差等諸多突出問(wèn)題。除鉆-爆法外，通過(guò)提高掘進(jìn)機(jī)功率來(lái)增加掘進(jìn)機(jī)截割破巖性能，在截齒材料、結(jié)構(gòu)參數(shù)不變情況下，增大截割機(jī)構(gòu)電機(jī)功率會(huì)導(dǎo)致機(jī)身質(zhì)量以及體積增大，同時(shí)使截齒磨損加劇。

從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，國(guó)內(nèi)外學(xué)者嘗試將高壓水射流技術(shù)引入到掘進(jìn)設(shè)備中以輔助破巖，并取得了一些有益的成果，已開(kāi)始應(yīng)用于石油鉆探、礦山開(kāi)采等工程中，被證實(shí)可以降低刀具溫度、提高刀具破巖能力、延長(zhǎng)刀具的使用壽命等[9-10]。煤炭開(kāi)采、巷道掘進(jìn)、隧道工程以及石油鉆井等領(lǐng)域的研究工作者都致力于推動(dòng)水射流輔助破巖技術(shù)的發(fā)展[11-13]。

高壓水射流破巖是一項(xiàng)利用高速“水箭”沖擊破碎和侵蝕等作用的巖石破碎技術(shù)，它的輔助作用已被證實(shí)可以降低刀具溫度以及截割載荷[14-15]，提高刀具破巖能力，延長(zhǎng)刀具使用壽命[16-18]。目前，以連續(xù)高壓水射流輔助機(jī)械刀具破碎巖石為主，已取得了一些有益的效果，如提高隧道開(kāi)挖、巷道掘進(jìn)效率，減少刀具消耗等[19-21]。但連續(xù)高壓水射流耗水量大，常導(dǎo)致巖石開(kāi)挖機(jī)械作業(yè)場(chǎng)所產(chǎn)生大量積水，造成設(shè)備難以正常工作，即使增加磨料可降低工作壓力[22-23]，但磨料無(wú)法回收，勢(shì)必造成掘進(jìn)成本增加，且設(shè)備在密封、疲勞、穩(wěn)定性、可靠性等方面出現(xiàn)一些難以解決的問(wèn)題，導(dǎo)致迄今為止這些措施都沒(méi)有取得預(yù)期的實(shí)際或?qū)嵱眯Ч?/p>

此外，連續(xù)高壓水射流輔助破巖僅產(chǎn)生單一的“水錘壓力”，應(yīng)力波損傷破巖能力有限，而后續(xù)的“滯止壓力”難以加劇巖石內(nèi)部損傷或裂紋擴(kuò)展，導(dǎo)致其未能在硬巖破碎工程中得到廣泛的應(yīng)用。自激振蕩脈沖射流輔助破巖可以產(chǎn)生高頻“水錘壓力”，應(yīng)力波在巖石內(nèi)部疊加、反射等作用加劇巖石破碎和疲勞破壞，脈沖射流沖擊破碎巖石能力遠(yuǎn)強(qiáng)于連續(xù)水射流[24-26]，且TRIPATHI等[27]研究了連續(xù)射流和超聲脈沖射流技術(shù)在20，40和60 MPa三種壓力下對(duì)花崗巖試件的沖蝕性能，結(jié)果表明，脈沖水射流技術(shù)是一種比連續(xù)水射流更好的方法，可用于不同的制造應(yīng)用，且比目前使用的其他磨料以及非磨料技術(shù)在經(jīng)濟(jì)上更有優(yōu)勢(shì)。但自激振蕩脈沖射流輔助機(jī)械刀具(本文所研究的機(jī)械刀具為截齒)破巖性能受到機(jī)械運(yùn)動(dòng)參數(shù)、脈沖射流水力和結(jié)構(gòu)參數(shù)、機(jī)械刀具與脈沖射流相對(duì)位置等眾多因素的影響，至今未研究分析相關(guān)參數(shù)與其破巖性能指標(biāo)的關(guān)系。

筆者首先基于高壓水射流破巖試驗(yàn)臺(tái)對(duì)巖石進(jìn)行預(yù)制裂縫，然后再利用機(jī)械刀具截割試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行破巖性能試驗(yàn)，建立評(píng)價(jià)自激振蕩脈沖射流預(yù)制裂隙情況下機(jī)械刀具破巖性能參數(shù)指標(biāo)，分析機(jī)械刀具在破巖過(guò)程中截割載荷以及刀具溫度的變化特性，揭示不同自激振蕩噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)以及運(yùn)行參數(shù)產(chǎn)生的預(yù)裂隙對(duì)截割載荷和機(jī)械刀具溫度影響規(guī)律，獲得優(yōu)選的自激振蕩噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)及工作參數(shù)。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)及方案

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

目前研究中水射流噴嘴與截齒的布置方式主要分為前置式、中置式以及后置式[28-31]，如圖1所示。對(duì)于采掘機(jī)械，無(wú)論是采煤機(jī)還是掘進(jìn)機(jī)在截割煤巖過(guò)程中，水射流的噴射方向始終正對(duì)著截齒齒尖，且水射流和截齒的切向速度始終保持一致。為了便于開(kāi)展自激振蕩脈沖射流輔助機(jī)械刀具破巖性能試驗(yàn)研究，所使用的巖石首先在如圖2所示的高壓水射流破巖試驗(yàn)系統(tǒng)上進(jìn)行不同系統(tǒng)壓力、橫移速度以及自激振蕩脈沖噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)下射流割縫試驗(yàn)，然后將其放置在如圖3所示的機(jī)械刀具破巖試驗(yàn)臺(tái)之上進(jìn)行機(jī)械刀具破巖試驗(yàn)，研究相關(guān)射流參數(shù)以及噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)機(jī)械刀具載荷和磨損的影響規(guī)律。

圖2 高壓水射流破巖系統(tǒng)Fig.2 High pressure water jet rock breaking system

圖3 機(jī)械刀具破巖系統(tǒng)Fig.3 Rock breaking system of conical pick

此外，在研究有無(wú)水射流情況下的刀具溫度變化情況時(shí)，截齒切削厚度及橫移速度v需保持一致，且自激振蕩脈沖射流的橫移速度和機(jī)械刀具的橫移速度保持一致。分別通過(guò)機(jī)械刀具截割載荷以及刀具溫度表征刀具受載特性以及刀具磨損特性，在研究自激振蕩脈沖射流輔助機(jī)械刀具破巖過(guò)程中，由于截割載荷以及刀具溫度等用來(lái)評(píng)價(jià)自激振蕩脈沖射流輔助機(jī)械刀具破巖性能指標(biāo)均隨著時(shí)間時(shí)刻變化，因此研究相關(guān)評(píng)價(jià)指標(biāo)與自激振蕩噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)、系統(tǒng)壓力以及橫移速度的變化規(guī)律是揭示自激振蕩脈沖射流對(duì)于機(jī)械刀具降載減磨特性的基礎(chǔ)。此外，截割載荷以及刀具溫度分別可以通過(guò)壓力計(jì)測(cè)量油缸的油壓以及通過(guò)紅外熱像儀獲得。

我把目光收回來(lái)，開(kāi)始走向離樟樹(shù)稍遠(yuǎn)一點(diǎn)的公路邊，打算坐在草坪靜靜地看一會(huì)古樟，結(jié)果在途中撞見(jiàn)了一名坐輪椅的老人。

1.2 試驗(yàn)方案

在進(jìn)行自激振蕩脈沖射流輔助機(jī)械刀具破巖試驗(yàn)過(guò)程中，為了開(kāi)展自激振蕩脈沖射流輔助作用對(duì)于機(jī)械刀具載荷及磨損特性的研究，自激振蕩噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)為振蕩腔腔長(zhǎng)Lc=60 mm，振蕩腔腔徑Dc=30 mm，碰撞壁截面錐角αc=120°，上噴嘴入口直徑d1=2.0 mm，下噴嘴出口直徑d2=2.4 mm。在研究自激振蕩脈沖射流對(duì)于機(jī)械刀具降載減磨特性試驗(yàn)研究中，固定射流的沖擊靶距為10 mm，并設(shè)置機(jī)械刀具的切削厚度為5 mm，考慮到橫移速度需根據(jù)其在井下工作時(shí)的實(shí)際工況設(shè)置，試驗(yàn)方案見(jiàn)表1。

表1 自激振蕩脈沖射流輔助機(jī)械刀具破巖試驗(yàn)方案Table 1 Experimental scheme of rock breaking by conical pick assisted with SOPW

2 自激振蕩脈沖射流輔助機(jī)械刀具破巖過(guò)程分析

2.1 破巖性能評(píng)價(jià)參數(shù)建立

(1)刀具溫度。紅外熱成像作為一種跨學(xué)科技術(shù)，通過(guò)光電紅外探測(cè)器獲取外界散發(fā)的輻射強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)信息表現(xiàn)形式的轉(zhuǎn)化，得到可觀察的圖像或數(shù)字信息，且具有系統(tǒng)作用距離遠(yuǎn)、不易被光源以及粉塵干擾等優(yōu)點(diǎn)。因此，紅外熱圖像能夠反映出機(jī)械刀具在巖石截割過(guò)程中的溫度變化及其溫度分布情況。所采用的FLIR-A615紅外熱像儀采集紅外圖像間隔為0.04 s，1 s輸出25幀圖像，可以及時(shí)采集到截割面的紅外圖像信號(hào)，因此可以看作截割過(guò)程的實(shí)時(shí)溫度信息。使用的紅外熱像儀具體參數(shù)見(jiàn)表2，其可以以曲線和3D圖像形式實(shí)時(shí)記錄溫度變化過(guò)程。

表2 紅外熱像儀設(shè)備相關(guān)參數(shù)Table 2 Related parameters of infrared thermal imager

(2)截割載荷。主要以穩(wěn)定階段的截割載荷平均值分析自激振蕩脈沖射流輔助作用下機(jī)械刀具負(fù)載大小。此外，由于截割載荷隨時(shí)間變化曲線難以有效的評(píng)價(jià)不同條件下的自激振蕩脈沖射流輔助機(jī)械刀具破巖性能，但是考慮到切割位移具有變量確定性因素，因此將建立以截割位移作為自變量截割載荷為因變量的載荷評(píng)價(jià)體系，可以較好的評(píng)價(jià)不同參數(shù)變量條件下機(jī)械刀具在同一位置處載荷大小。

2.2 截割載荷及溫度變化規(guī)律

圖4為空載以及負(fù)載情況下截割載荷隨時(shí)間變化規(guī)律。值得注意的是，壓力變送器所測(cè)得的表征截割載荷的油壓值并非是截割載荷的直接體現(xiàn)，主要是由于當(dāng)機(jī)械刀具在空載截割過(guò)程中，由于液壓油具有一定的黏性，因此機(jī)械刀具在截割破巖過(guò)程中獲得的截割載荷需與空載過(guò)程中的油壓值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理才能獲得表征截割載荷的數(shù)值。

圖4 截割載荷隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Curves of cutting load with time

由圖4可知，截割載荷隨截割時(shí)間呈先急劇增加后穩(wěn)定在一定范圍的變化趨勢(shì)，且截割載荷在穩(wěn)定階段具有一定波動(dòng)性。當(dāng)機(jī)械刀具截割巖石時(shí)，由于初始階段巖石產(chǎn)生變形積累大量的彈性變形能，此時(shí)截割載荷呈上升趨勢(shì)，當(dāng)截割載荷處于波峰位置表示該處出現(xiàn)塊狀巖石剝落，此時(shí)巖石內(nèi)能得到釋放，截割載荷降低到波谷值。為了更清晰的分析巖石破碎過(guò)程中機(jī)械刀具的溫度變化過(guò)程，結(jié)合如圖5，6所示的紅外熱像圖進(jìn)行闡述。

圖5 機(jī)械刀具溫度隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.5 Curve of conical pick temperature with time

在截割起始階段，如圖6(a)所示，能明顯看出截齒與巖樣的接觸面上溫度與其他區(qū)域有明顯區(qū)別，截割面溫度由室溫開(kāi)始迅速升高，該階段截割產(chǎn)生的巖屑溫度較低，從截割面分離時(shí)帶走的熱量也較少，截割面與空氣的熱交換運(yùn)動(dòng)較低，如圖6(b)所示。在截割穩(wěn)定階段，溫度上升到某一范圍時(shí)開(kāi)始呈現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象，截割面上溫度處在相對(duì)較高的范圍內(nèi)，此階段巖屑的溫度相對(duì)較高，并且截割面與空氣的熱交換活動(dòng)較快，因此截割面上失去熱量較快，使截割面溫度達(dá)到相對(duì)平穩(wěn)階段，如圖6(c)，(d)所示。同時(shí)由于巖樣內(nèi)部的不均勻性與截齒截割的非連續(xù)性，導(dǎo)致截割面會(huì)瞬間產(chǎn)生大量熱量，在截割面狹小空間內(nèi)，熱量無(wú)法瞬間輻射出去，從而使得截割面溫度突然升高，如圖6(e)所示。這樣的截割運(yùn)動(dòng)會(huì)使截割面最高溫度產(chǎn)生頻繁的波動(dòng)，但這種波動(dòng)整體上仍在相對(duì)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。在截割結(jié)束階段如圖6(f)所示，當(dāng)機(jī)械刀具截割到巖樣末端時(shí)，由于紅外熱像儀無(wú)法拍攝到機(jī)械刀具前端與巖樣的接觸面，因此在刀具脫離巖樣后，所拍攝到圖像的最高溫度會(huì)突然升高，最高溫度集中在刀具前端，在截割運(yùn)動(dòng)結(jié)束后，機(jī)械刀具溫度緩慢下降。

圖6 機(jī)械刀具截割破巖過(guò)程紅外圖像Fig.6 Infrared images of rock cutting process with conical pick

3 自激振蕩脈沖射流預(yù)裂隙對(duì)機(jī)械刀具降載減磨特性的影響

3.1 系統(tǒng)壓力

射流系統(tǒng)壓力是影響機(jī)械刀具破巖性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，射流系統(tǒng)壓力越大，射流對(duì)巖石造成的損傷越大，繼而使得機(jī)械刀具在后續(xù)的破巖過(guò)程中承受的載荷也將顯著減小。為分析射流系統(tǒng)壓力降低刀具截割載荷的具體作用機(jī)理，在壓力分別為20，30，40，50，60 MPa條件下進(jìn)行機(jī)械刀具破巖試驗(yàn)，機(jī)械刀具截割速度為4 m/min，其試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。同時(shí)定義有無(wú)射流情況下截割載荷差值與無(wú)射流情況下截割載荷的比值為受力變化率，且無(wú)射流情況下的截齒截割載荷為5.264 kN。

圖7 機(jī)械刀具截割載荷隨系統(tǒng)壓力變化趨勢(shì)Fig.7 Cutting load of conical pick versus system pressures

由圖7可知，高壓水射流能夠顯著降低機(jī)械刀具截割載荷，尤其是當(dāng)系統(tǒng)壓力處于30，40，50，60 MPa時(shí)，此時(shí)截割載荷分別減小15.12%，20.84%，27.01%，29.24%。但相對(duì)于50 MPa的系統(tǒng)壓力，當(dāng)系統(tǒng)壓力升高至60 MPa時(shí)，水射流對(duì)于截齒受力的降低效應(yīng)開(kāi)始減小。自激振蕩脈沖射流對(duì)于降低機(jī)械刀具截割載荷相對(duì)于無(wú)輔助情況下具有顯著作用，且隨著系統(tǒng)壓力的升高，截齒受力的峰值及均值均隨之下降，這說(shuō)明提高系統(tǒng)壓力有助于改善截齒受力情況，從而降低截齒因承受過(guò)大載荷而出現(xiàn)過(guò)度磨損甚至折斷的幾率，這在工程應(yīng)用中具有顯著的經(jīng)濟(jì)意義。其主要原因是由于當(dāng)系統(tǒng)壓力在0～50 MPa時(shí)，自激振蕩脈沖射流預(yù)制裂隙的深度隨著系統(tǒng)壓力的增大而快速增大，裂隙直徑也由于射流邊界層能量增加而增加，當(dāng)機(jī)械刀具與射流切割后的巖石互相作用時(shí)，機(jī)械刀具在各個(gè)方向上的力迅速降低，因此截割載荷降低百分比迅速增加。但隨著系統(tǒng)壓力進(jìn)一步增加，自激振蕩脈沖射流作用于巖石產(chǎn)生的裂隙深度及寬度增長(zhǎng)速度均降低，但其射流由于射流結(jié)構(gòu)原因在徑向方向的破壞能力受到限制，對(duì)于機(jī)械刀具的輔助作用能力有限，更高的系統(tǒng)壓力在巖石自由面造成的有限疊加破壞并不足以維持高效的降載效果。因此，當(dāng)系統(tǒng)壓力增加至50 MPa以后，機(jī)械刀具的破巖截割載荷雖然仍然呈下降趨勢(shì)，但其載荷下降速度放緩，通過(guò)不斷增加系統(tǒng)壓力來(lái)降低機(jī)械刀具受力的方法并不可取，反而會(huì)造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)。綜合機(jī)械刀具受力的平均值以及相對(duì)于無(wú)水射流的載荷減小率，當(dāng)射流系統(tǒng)壓力設(shè)置為50 MPa，其對(duì)于機(jī)械刀具的輔助降載效果最好。

圖8為不同系統(tǒng)壓力情況下機(jī)械刀具截割過(guò)程中截割面最高溫度，從圖8可以看出，機(jī)械刀具溫度的升高量隨著系統(tǒng)壓力的增加呈下降趨勢(shì)，且最高溫度都集中在截割接觸面上。其主要原因是巖石首先在射流沖擊作用下已經(jīng)產(chǎn)生了破碎帶，而截割面的溫度主要是由于機(jī)械刀具和巖石接觸面之間的摩擦因數(shù)決定的。隨著射流系統(tǒng)壓力的增加，巖石破碎坑寬度及深度均呈增加趨勢(shì)，因此當(dāng)?shù)毒呓馗钇扑閹r石時(shí)，刀具截割載荷也隨著系統(tǒng)壓力的增加呈下降趨勢(shì)，繼而導(dǎo)致其巖石與機(jī)械刀具的摩擦因數(shù)減小，從而使得截割刀具在破巖過(guò)程中的截割溫度呈下降趨勢(shì)。

圖8 不同系統(tǒng)壓力情況下機(jī)械刀具破巖的紅外圖像Fig.8 Infrared images of conical pick with different system pressures

3.2 振蕩腔腔長(zhǎng)

圖9 機(jī)械刀具截割載荷隨振蕩腔腔長(zhǎng)變化趨勢(shì)Fig.9 Cutting load of conical pick versus cavity lengths

隨著振蕩腔長(zhǎng)度的增加，自激振蕩脈沖射流輔助機(jī)械刀具破碎巖石的機(jī)械刀具截割載荷曲線呈現(xiàn)先降低后增大的變化趨勢(shì)，其中當(dāng)振蕩腔長(zhǎng)度從60 mm增加到70 mm時(shí)，截割載荷波形曲線逐漸降低，說(shuō)明在破巖過(guò)程中振蕩腔長(zhǎng)度的增加有助于降低截齒磨損的作用，而當(dāng)振蕩腔長(zhǎng)度從70 mm增加到80 mm，截割載荷波形曲線逐漸升高，說(shuō)明增加振蕩腔長(zhǎng)度容易加劇截齒磨損。

圖10為不同振蕩腔腔長(zhǎng)條件下機(jī)械刀具截割過(guò)程中截割面最高溫度隨振蕩腔腔長(zhǎng)變化紅外圖像，從圖10中可以看出，機(jī)械刀具溫度的變化趨勢(shì)與截割載荷的變化趨勢(shì)是一致的，其隨振蕩腔腔長(zhǎng)的增加呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，且相對(duì)于無(wú)水射流輔助情況下其溫度降低率隨振蕩腔腔長(zhǎng)呈先上升后下降的變化規(guī)律，表明存在一個(gè)最佳腔長(zhǎng)65～75 mm使得刀具溫度最低。

圖10 機(jī)械刀具最高溫度隨振蕩腔腔長(zhǎng)變化趨勢(shì)Fig.10 Maximum temperature of the conical pick versus cavity lengths

3.3 碰撞壁截面錐角

為揭示截面錐角對(duì)自激振蕩脈沖射流輔助機(jī)械刀具破巖性能的影響規(guī)律，對(duì)比分析了自激振蕩脈沖射流在不同截面錐角情況下輔助機(jī)械刀具破巖時(shí)截割載荷變化趨勢(shì)，如圖11所示。

圖11 機(jī)械刀具截割載荷隨截面錐角變化趨勢(shì)Fig.11 Cutting load of conical pick versus section cone angles

從圖11可以看出，隨著截面錐角的增加，機(jī)械刀具截割載荷呈先下降后上升的變化規(guī)律，且降低趨勢(shì)逐漸增大，其中在錐角為160°時(shí)截齒受力最低，說(shuō)明此時(shí)截齒磨損程度最小。其中，當(dāng)截面錐角從90°增加到160°，截割載荷曲線逐漸降低，說(shuō)明在破巖過(guò)程中截面錐角的增加有降低截齒磨損的作用，而當(dāng)截面錐角從160°增加到180°，截割載荷曲線逐漸升高，說(shuō)明在破巖過(guò)程中截面錐角的增加有加劇截齒磨損的作用，且當(dāng)截面錐角在140°～160°時(shí)自激振蕩脈沖射流輔助機(jī)械刀具破巖性能最佳。此外，當(dāng)截面錐角分別為90°，120°，140°，160°以及180°，其截割載荷分別降低了22.87%，27.27%，31.13%，33.82%以及29.78%，從圖11中能看出隨著截面錐角的均勻增大，受力變化率曲線呈先增大后降低非線性變化規(guī)律，其中在截面錐角為160°時(shí)截割載荷降低效果最明顯。

圖12為機(jī)械刀具截割破巖過(guò)程中截割面最高溫度隨截面錐角的變化過(guò)程，從圖12中可以看出，機(jī)械刀具溫度隨截面錐角的增加呈先下降后上升的變化趨勢(shì)，且相對(duì)于無(wú)水射流輔助情況下其溫度降低率隨振蕩腔腔長(zhǎng)呈先上升后下降的變化規(guī)律，表明存在一個(gè)最佳截面錐角140°～160°使得刀具溫度最低。

圖12 不同截面錐角情況下機(jī)械刀具破巖的紅外圖像Fig.12 Infrared image of conical pick with different section cone angles

3.4 橫移速度

為揭示橫移速度對(duì)自激振蕩脈沖射流輔助機(jī)械刀具破巖性能的影響規(guī)律，對(duì)比分析了自激振蕩脈沖射流在不同橫移速度情況下輔助機(jī)械刀具破碎巖石的截割載荷變化趨勢(shì)，如圖13所示。隨著橫移速度的增大，自激振蕩脈沖射流輔助機(jī)械刀具破碎巖石的截割載荷呈現(xiàn)逐漸增大的現(xiàn)象，說(shuō)明刀具磨損現(xiàn)象逐漸增加，但橫移速度越大，射流對(duì)于巖石的破碎效果越差。

圖13 機(jī)械刀具截割載荷隨橫移速度變化趨勢(shì)Fig.13 Cutting load of conical pick versus traverse speeds

在40 MPa射流系統(tǒng)壓力條件下，當(dāng)射流的橫移速度大于8 m/min時(shí)，射流對(duì)于巖石的破碎效果隨著橫移速度的增加并沒(méi)有得到有效改善，因此在橫移速度大于8 m/min時(shí)，射流的輔助效果較差，截割載荷在突然增大之后其增加趨勢(shì)逐漸變緩，其中在橫移速度從4 m/min增加到8 m/min這一階段，截割載荷增加趨勢(shì)比較明顯，說(shuō)明在8 m/min以內(nèi)的橫移速度情況下機(jī)械刀具磨損比較明顯，且磨損現(xiàn)象隨著橫移速度增加相對(duì)顯著。在橫移速度從8 m/min增加到10 m/min這一階段，截割載荷曲線增加趨勢(shì)相對(duì)緩慢，說(shuō)明在橫移速度大于8 m/min時(shí)，截齒磨損不是相對(duì)明顯，且磨損現(xiàn)象隨著橫移速度增加不顯著，其射流輔助作用較差。相對(duì)于無(wú)射流情況下截割載荷，橫移速度分別為4，6，8，9以及10 m/min的截割載荷分別降低了43.6%，35.3%，32.9%，31.1%以及30.7%，從圖13中能看出隨著橫移速度的均勻增大，截割載荷變化率曲線呈非線性降低的變化規(guī)律，其中在橫移速度為8 m/min時(shí)降低速率逐漸變緩。

圖14為40 MPa系統(tǒng)壓力下機(jī)械刀具截割破巖過(guò)程中截割面最高溫度隨橫移速度變化紅外圖像，從圖14可以看出，隨著橫移速度的增加，機(jī)械刀具溫度呈非線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，而溫度降低率呈下降趨勢(shì)。上述現(xiàn)象是由于橫移速度在0～10 m/min時(shí)，自激振蕩脈沖射流預(yù)制裂隙的深度隨著橫移速度的增大而迅速減小，但是預(yù)置裂隙寬度隨著橫移速度的增大而增大，當(dāng)機(jī)械刀具與射流切割后的巖石互相作用時(shí)，截割載荷降低百分比減小。隨著橫移速度的進(jìn)一步增加，自激振蕩脈沖射流作用于巖石產(chǎn)生的剪切應(yīng)力以及拉伸應(yīng)力均不足以起到輔助破碎巖石的作用，因此，當(dāng)橫移速度增加至8 m/min以后，射流輔助機(jī)械刀具破巖時(shí)的刀具溫度接近于無(wú)水射流輔助，因此其溫度突然升高。綜合截割載荷和刀具溫度變化趨勢(shì)，橫移速度在6 m/min增加到8 m/min這一階段破巖性能相對(duì)較好。

圖14 機(jī)械刀具溫度與橫移速度變化趨勢(shì)Fig.14 Temperature of conical pick with different traverse speeds

4 結(jié) 論

(1)自激振蕩脈沖射流能夠顯著降低機(jī)械刀具截割載荷，當(dāng)系統(tǒng)壓力處于30，40，50以及60 MPa時(shí)，機(jī)械刀具截割載荷分別減小為15.12%，20.84%，27.01%以及29.24%。但當(dāng)系統(tǒng)壓力增加至50 MPa以后，機(jī)械刀具的破巖截割載荷雖然仍然呈下降趨勢(shì)，但其載荷下降速度放緩，綜合機(jī)械刀具截割載荷平均值以及相對(duì)于無(wú)水射流的截割載荷減小率，當(dāng)射流系統(tǒng)壓力設(shè)置為50 MPa，其對(duì)于機(jī)械刀具的輔助降載減磨效果最好。

(2)隨著振蕩腔腔長(zhǎng)以及截面錐角的增加，機(jī)械刀具截割載荷曲線及其溫度均呈現(xiàn)先降低后增大的變化趨勢(shì)，且相對(duì)于無(wú)水射流輔助情況下其截割載荷以及溫度降低率隨振蕩腔腔長(zhǎng)及截面錐角的增加呈先上升后下降的變化規(guī)律，表明存在一個(gè)合適的振蕩腔腔長(zhǎng)65～75 mm及截面錐角140°～160°使得截割載荷及刀具溫度最低。

(3)在40 MPa射流系統(tǒng)壓力條件下，隨著橫移速度的增大，自激振蕩脈沖射流輔助機(jī)械刀具破碎巖石的截割載荷以及機(jī)械刀具溫度均呈現(xiàn)逐漸增大的變化趨勢(shì)，且當(dāng)橫移速度為4～8 m/min時(shí)，截割載荷增加趨勢(shì)比較明顯。但橫移速度越大，射流對(duì)于巖石的輔助破碎效果越差，當(dāng)射流的橫移速度大于8 m/min時(shí)，截割載荷增加趨勢(shì)逐漸變緩，說(shuō)明在8 m/min以內(nèi)的橫移速度情況下機(jī)械刀具溫度變化比較緩慢，且磨損現(xiàn)象隨著橫移速度增加相對(duì)顯著，綜合截割載荷和盜掘溫度變化規(guī)律，橫移速度在6～8 m/min時(shí)射流輔助機(jī)械刀具降載減磨效果相對(duì)較好。