采掘機械用截齒磨損的研究進展

張利平

（陽煤三礦生產調度指揮中心， 山西 陽泉 045000）

引言

鎬形截齒和盤形滾刀是目前采礦業中用來碎石的主要機械工具。在破碎石的效果上鎬行截齒要比盤形滾刀的作用效果好。因為鎬形截齒在破碎石的過程中唯一需要抵抗的是巖石的拉應力，巖石的壓應力是拉應力的10倍。但是在實際的使用過程中截齒磨損的情況容易發生在鎬形截齒上，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在機械領域非常關鍵的問題。

1 鎬形截齒的作用機理

采掘機械在使用截齒工作的時候需要將截齒固定在截割頭上，構成截齒的主要部分包括硬質合金頭、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合金頭，然后配合截割頭的回轉作用，在相應的作用力相互配合的情況下將巖石碾壓成粉末并壓實，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。截齒出現磨損的情況多發生在截齒自轉的情況下，截齒的刀片在過大摩擦力的作用下，出現平面磨損的現象，導致在截割的過程中需要耗費較大的截割力，并且在不斷的摩擦中產生了較多的熱量，當硬質合金的溫度超過650℃時，就會使磨損的情況加劇，最嚴重的后果使截齒不能再發揮作用。若截齒的質量不高，在破碎石中的使用壽命會減少，從而增加了相應的成本。

2 造成截齒磨損的原因

在破碎巖石的過程中，截齒都會產生相應的磨損，出現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，經過研究發現截齒磨損的原因可以歸結為以下幾點。

圖1 鎬形截齒破碎石作用力圖解

2.1 截齒的自主回轉原因

正常情況下，截齒在工作的過程中是通過自主回轉的運動方式來減輕自身磨損的。截齒自主回轉形成的摩擦力是兩個作用力的合力，這兩種力分別是FC切割力和FN法向力，在回轉過程中產生的摩擦力FD是FC與FN兩者的合力與摩擦系數相乘得出的。但是當截齒不能正常回轉時，截齒收到磨損的情況會相對嚴重。

2.2 硬質合金頭遭受FC與FN作用力的影響損壞

在實際的操作過程中，FC與FN作用力的影響是損壞合金頭的主要原因。強度較大的合金頭不易發生損壞。

2.3 不合理的切割方式

在實際的工作中，在進行切割時要將切割的深度維持在一定的范圍，但是在設計切割頭的時候，切割的角度理論與實際是不一樣的，在截齒運行的時候會帶動圓錐體參與破碎石的工作，因此就會發生磨損的問題。

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、截齒的產品質量以及在運動過程中的相關參數等，都可以造成截齒磨損的問題。

3 截齒磨損的研究試驗

3.1 標準臺架試驗

3.1.1 標準臺架試驗概述

利用已有系列的標準材料的試驗機按照現有材料試驗標準進行試驗的方法稱為標準臺架試驗。這樣的實驗方法比較真實有效，但是實驗成本相對較高，具體實施起來還相對困難。

3.1.2 三體兩體磨損試驗機實驗

兩體試驗機是以沖擊的方式接觸巖石，三體磨損試驗機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現磨損的。通過研究這兩種磨損試驗機發現，對金屬磨損程度較大的是巖石單項抗壓強度與適應的含量。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

銷盤試驗的磨損截割力在240～700 N之間，進行試驗的截割速度分別 0.15 m/s、1.15 m/s、0.24 m/s，在獲取實驗溫度的過程中利用熱傳感器來實現，整個試驗維持在10 min，溫度在560℃以上。標準銷盤式摩擦磨損試驗機見圖2。

3.2 模擬工況臺架試驗

3.2.1 工況試驗臺的概述

試驗臺在建立的過程中需要結合工況的實際情況來進行。通過將實際的工作環境進行相應的模擬，將工況臺試驗按照等比例或者非等比例的方法將試驗臺的情況再現，以發現工況臺試驗中存在的優缺點。

3.2.2 多齒單齒試驗臺

多齒單齒試驗臺的實驗方法是由CSIRO澳大利亞工業科學院為了測試金剛石齒尖的鎬形截齒而設計的實驗。這項實驗可以根據不同的截齒進行測試，發現金剛石齒尖可以達到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，從而證實了金剛石齒尖比傳統的硬質合金頭硬度要大很多，具有耐高溫耐磨損的優點[2]。圖3為CSIRO截割與磨損試驗機。

3.2.3 滾筒式試驗臺

在經過澳大利亞設計出了CSIRO截割與磨損試驗機后，波蘭的一所科技大學也設計出了大尺寸的滾筒式試驗臺，這樣的試驗臺實現了可以將不同角度不同截齒進行安裝，在巖石切割的過程中可以從全方位對磨損情況進行觀察研究。圖4為波蘭設計的滾筒式截割與磨損試驗臺。

圖4 波蘭滾筒式截割與磨損試驗臺

3.2.4 我國設計的截割與磨損試驗臺

我國設計的截割與磨損試驗臺主要是采用回轉以及直線運動的方式進行，在煤礦采掘機設備中應用非常廣。在進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，并且可以起到實時監測溫度的作用。圖5為我國設計的截割與磨損試驗臺[3]。

圖5 我國截割與磨損試驗臺

4 截齒磨損研究在生產中的應用

截齒磨損進行相關實驗的目的就是盡可能將截齒的耐磨性以及耐高溫的性能發揮到最大的效果，采掘機械在實際的運行過程中可以檢查截齒的磨損情況，以便發現問題及時更換。其中對于磨損程度判斷的方式有多種，比如有學者提出借助于不同的聲音來判斷截齒磨損的情況，還有通過人工神經網絡分析截割數據，在研究數據的基礎上判斷磨損程度，以保障截齒的正常運行[4]。

5 結語

通過研究造成磨損情況的原理以及影響磨損的相關因素，將國內外的截齒磨損試驗臺進行相應的總結，進一步研究有效提高截齒耐磨性的方法，對我國的機械行業的發展具有重要意義。