自振脈沖射流預制裂隙對機械刀具破巖過程溫度影響特性

李洪盛，劉送永，郭楚文

(1.中國礦業大學 機電工程學院，江蘇 徐州 221116; 2.中國礦業大學 江蘇省礦山智能采掘裝備協同創新中心(省部共建)，江蘇 徐州 221008; 3.中國礦業大學 電氣與動力工程學院，江蘇 徐州 221116)

2019年，《BP世界能源統計年鑒》指出中國目前仍然是世界最大的能源消費國，且我國一次能源結構中的比重保持在50%以上，在未來很長一段時期內煤炭作為我國主體能源具有無法替代的地位[1]。《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030年)》明確要求提升煤炭開發效率和智能化水平，研發高效建井和快速掘進技術，重點煤礦區基本實現工作面無人化，全國掘進機械化程度達到85%以上。

巷道掘進和煤炭回采是煤礦生產的重要生產環節，而巷道掘進是礦山開采的關鍵環節，煤礦巷道的快速掘進是保證礦井高產穩產的關鍵技術措施。據統計我國每年掘進巷道12 000 km以上，其中硬巖巷道掘進在2 500 km以上。目前，煤炭開采已經逐漸向深層和復雜地層發展，由于地應力的增大，通常深部、復雜地層巖石的彈性模量、硬度和破壞強度等隨之增大，單軸抗壓強度往往達到100 MPa以上[2]。隨著各類巖石開挖機械在礦山開采、隧道掘進、油氣井鉆進等實際工程中的廣泛應用，對巖石破碎理論和技術提出了更高的要求和新的挑戰。

在應對硬巖(抗壓強度80 MPa以上)方面，鉆-爆法是現在公認的對付硬巖最經濟有效的辦法[3-8]，雖然該方法具有靈活、方便、適應性強以及不受地質條件變化影響的特點，但常規鉆-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題。除鉆-爆法外，通過提高掘進機功率來增加掘進機截割破巖性能，在截齒材料、結構參數不變情況下，增大截割機構電機功率會導致機身質量以及體積增大，同時使截齒磨損加劇。

從20世紀70年代開始，國內外學者嘗試將高壓水射流技術引入到掘進設備中以輔助破巖，并取得了一些有益的成果，已開始應用于石油鉆探、礦山開采等工程中，被證實可以降低刀具溫度、提高刀具破巖能力、延長刀具的使用壽命等[9-10]。煤炭開采、巷道掘進、隧道工程以及石油鉆井等領域的研究工作者都致力于推動水射流輔助破巖技術的發展[11-13]。

高壓水射流破巖是一項利用高速“水箭”沖擊破碎和侵蝕等作用的巖石破碎技術，它的輔助作用已被證實可以降低刀具溫度以及截割載荷[14-15]，提高刀具破巖能力，延長刀具使用壽命[16-18]。目前，以連續高壓水射流輔助機械刀具破碎巖石為主，已取得了一些有益的效果，如提高隧道開挖、巷道掘進效率，減少刀具消耗等[19-21]。但連續高壓水射流耗水量大，常導致巖石開挖機械作業場所產生大量積水，造成設備難以正常工作，即使增加磨料可降低工作壓力[22-23]，但磨料無法回收，勢必造成掘進成本增加，且設備在密封、疲勞、穩定性、可靠性等方面出現一些難以解決的問題，導致迄今為止這些措施都沒有取得預期的實際或實用效果。

此外，連續高壓水射流輔助破巖僅產生單一的“水錘壓力”，應力波損傷破巖能力有限，而后續的“滯止壓力”難以加劇巖石內部損傷或裂紋擴展，導致其未能在硬巖破碎工程中得到廣泛的應用。自激振蕩脈沖射流輔助破巖可以產生高頻“水錘壓力”，應力波在巖石內部疊加、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強于連續水射流[24-26]，且TRIPATHI等[27]研究了連續射流和超聲脈沖射流技術在20，40和60 MPa三種壓力下對花崗巖試件的沖蝕性能，結果表明，脈沖水射流技術是一種比連續水射流更好的方法，可用于不同的制造應用，且比目前使用的其他磨料以及非磨料技術在經濟上更有優勢。但自激振蕩脈沖射流輔助機械刀具(本文所研究的機械刀具為截齒)破巖性能受到機械運動參數、脈沖射流水力和結構參數、機械刀具與脈沖射流相對位置等眾多因素的影響，至今未研究分析相關參數與其破巖性能指標的關系。

筆者首先基于高壓水射流破巖試驗臺對巖石進行預制裂縫，然后再利用機械刀具截割試驗臺進行破巖性能試驗，建立評價自激振蕩脈沖射流預制裂隙情況下機械刀具破巖性能參數指標，分析機械刀具在破巖過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構參數以及運行參數產生的預裂隙對截割載荷和機械刀具溫度影響規律，獲得優選的自激振蕩噴嘴結構參數及工作參數。

1 試驗系統及方案

1.1 試驗系統

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。對于采掘機械，無論是采煤機還是掘進機在截割煤巖過程中，水射流的噴射方向始終正對著截齒齒尖，且水射流和截齒的切向速度始終保持一致。為了便于開展自激振蕩脈沖射流輔助機械刀具破巖性能試驗研究，所使用的巖石首先在如圖2所示的高壓水射流破巖試驗系統上進行不同系統壓力、橫移速度以及自激振蕩脈沖噴嘴結構參數下射流割縫試驗，然后將其放置在如圖3所示的機械刀具破巖試驗臺之上進行機械刀具破巖試驗，研究相關射流參數以及噴嘴結構參數對機械刀具載荷和磨損的影響規律。

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

圖3 機械刀具破巖系統Fig.3 Rock breaking system of conical pick

此外，在研究有無水射流情況下的刀具溫度變化情況時，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械刀具的橫移速度保持一致。分別通過機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械刀具破巖過程中，由于截割載荷以及刀具溫度等用來評價自激振蕩脈沖射流輔助機械刀具破巖性能指標均隨著時間時刻變化，因此研究相關評價指標與自激振蕩噴嘴結構參數、系統壓力以及橫移速度的變化規律是揭示自激振蕩脈沖射流對于機械刀具降載減磨特性的基礎。此外，截割載荷以及刀具溫度分別可以通過壓力計測量油缸的油壓以及通過紅外熱像儀獲得。

我把目光收回來，開始走向離樟樹稍遠一點的公路邊，打算坐在草坪靜靜地看一會古樟，結果在途中撞見了一名坐輪椅的老人。

1.2 試驗方案

在進行自激振蕩脈沖射流輔助機械刀具破巖試驗過程中，為了開展自激振蕩脈沖射流輔助作用對于機械刀具載荷及磨損特性的研究，自激振蕩噴嘴結構參數為振蕩腔腔長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于機械刀具降載減磨特性試驗研究中，固定射流的沖擊靶距為10 mm，并設置機械刀具的切削厚度為5 mm，考慮到橫移速度需根據其在井下工作時的實際工況設置，試驗方案見表1。

表1 自激振蕩脈沖射流輔助機械刀具破巖試驗方案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械刀具破巖過程分析

2.1 破巖性能評價參數建立

(1)刀具溫度。紅外熱成像作為一種跨學科技術，通過光電紅外探測器獲取外界散發的輻射強度，經過信息表現形式的轉化，得到可觀察的圖像或數字信息，且具有系統作用距離遠、不易被光源以及粉塵干擾等優點。因此，紅外熱圖像能夠反映出機械刀具在巖石截割過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，可以及時采集到截割面的紅外圖像信號，因此可以看作截割過程的實時溫度信息。使用的紅外熱像儀具體參數見表2，其可以以曲線和3D圖像形式實時記錄溫度變化過程。

表2 紅外熱像儀設備相關參數Table 2 Related parameters of infrared thermal imager

(2)截割載荷。主要以穩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械刀具負載大小。此外，由于截割載荷隨時間變化曲線難以有效的評價不同條件下的自激振蕩脈沖射流輔助機械刀具破巖性能，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價體系，可以較好的評價不同參數變量條件下機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律

圖4為空載以及負載情況下截割載荷隨時間變化規律。值得注意的是，壓力變送器所測得的表征截割載荷的油壓值并非是截割載荷的直接體現，主要是由于當機械刀具在空載截割過程中，由于液壓油具有一定的黏性，因此機械刀具在截割破巖過程中獲得的截割載荷需與空載過程中的油壓值進行數據處理才能獲得表征截割載荷的數值。

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

由圖4可知，截割載荷隨截割時間呈先急劇增加后穩定在一定范圍的變化趨勢，且截割載荷在穩定階段具有一定波動性。當機械刀具截割巖石時，由于初始階段巖石產生變形積累大量的彈性變形能，此時截割載荷呈上升趨勢，當截割載荷處于波峰位置表示該處出現塊狀巖石剝落，此時巖石內能得到釋放，截割載荷降低到波谷值。為了更清晰的分析巖石破碎過程中機械刀具的溫度變化過程，結合如圖5，6所示的紅外熱像圖進行闡述。

圖5 機械刀具溫度隨時間變化趨勢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域有明顯區別，截割面溫度由室溫開始迅速升高，該階段截割產生的巖屑溫度較低，從截割面分離時帶走的熱量也較少，截割面與空氣的熱交換運動較低，如圖6(b)所示。在截割穩定階段，溫度上升到某一范圍時開始呈現波動現象，截割面上溫度處在相對較高的范圍內，此階段巖屑的溫度相對較高，并且截割面與空氣的熱交換活動較快，因此截割面上失去熱量較快，使截割面溫度達到相對平穩階段，如圖6(c)，(d)所示。同時由于巖樣內部的不均勻性與截齒截割的非連續性，導致截割面會瞬間產生大量熱量，在截割面狹小空間內，熱量無法瞬間輻射出去，從而使得截割面溫度突然升高，如圖6(e)所示。這樣的截割運動會使截割面最高溫度產生頻繁的波動，但這種波動整體上仍在相對穩定的范圍內。在截割結束階段如圖6(f)所示，當機械刀具截割到巖樣末端時，由于紅外熱像儀無法拍攝到機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突然升高，最高溫度集中在刀具前端，在截割運動結束后，機械刀具溫度緩慢下降。

圖6 機械刀具截割破巖過程紅外圖像Fig.6 Infrared images of rock cutting process with conical pick

3 自激振蕩脈沖射流預裂隙對機械刀具降載減磨特性的影響

3.1 系統壓力

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

圖7 機械刀具截割載荷隨系統壓力變化趨勢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械刀具截割載荷，尤其是當系統壓力處于30，40，50，60 MPa時，此時截割載荷分別減小15.12%，20.84%，27.01%，29.24%。但相對于50 MPa的系統壓力，當系統壓力升高至60 MPa時，水射流對于截齒受力的降低效應開始減小。自激振蕩脈沖射流對于降低機械刀具截割載荷相對于無輔助情況下具有顯著作用，且隨著系統壓力的升高，截齒受力的峰值及均值均隨之下降，這說明提高系統壓力有助于改善截齒受力情況，從而降低截齒因承受過大載荷而出現過度磨損甚至折斷的幾率，這在工程應用中具有顯著的經濟意義。其主要原因是由于當系統壓力在0～50 MPa時，自激振蕩脈沖射流預制裂隙的深度隨著系統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，當機械刀具與射流切割后的巖石互相作用時，機械刀具在各個方向上的力迅速降低，因此截割載荷降低百分比迅速增加。但隨著系統壓力進一步增加，自激振蕩脈沖射流作用于巖石產生的裂隙深度及寬度增長速度均降低，但其射流由于射流結構原因在徑向方向的破壞能力受到限制，對于機械刀具的輔助作用能力有限，更高的系統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，當系統壓力增加至50 MPa以后，機械刀具的破巖截割載荷雖然仍然呈下降趨勢，但其載荷下降速度放緩，通過不斷增加系統壓力來降低機械刀具受力的方法并不可取，反而會造成經濟浪費。綜合機械刀具受力的平均值以及相對于無水射流的載荷減小率，當射流系統壓力設置為50 MPa，其對于機械刀具的輔助降載效果最好。

圖8為不同系統壓力情況下機械刀具截割過程中截割面最高溫度，從圖8可以看出，機械刀具溫度的升高量隨著系統壓力的增加呈下降趨勢，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產生了破碎帶，而截割面的溫度主要是由于機械刀具和巖石接觸面之間的摩擦因數決定的。隨著射流系統壓力的增加，巖石破碎坑寬度及深度均呈增加趨勢，因此當刀具截割破碎巖石時，刀具截割載荷也隨著系統壓力的增加呈下降趨勢，繼而導致其巖石與機械刀具的摩擦因數減小，從而使得截割刀具在破巖過程中的截割溫度呈下降趨勢。

圖8 不同系統壓力情況下機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

圖9 機械刀具截割載荷隨振蕩腔腔長變化趨勢Fig.9 Cutting load of conical pick versus cavity lengths

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

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

圖10 機械刀具最高溫度隨振蕩腔腔長變化趨勢Fig.10 Maximum temperature of the conical pick versus cavity lengths

3.3 碰撞壁截面錐角

為揭示截面錐角對自激振蕩脈沖射流輔助機械刀具破巖性能的影響規律，對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械刀具破巖時截割載荷變化趨勢，如圖11所示。

圖11 機械刀具截割載荷隨截面錐角變化趨勢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，機械刀具截割載荷呈先下降后上升的變化規律，且降低趨勢逐漸增大，其中在錐角為160°時截齒受力最低，說明此時截齒磨損程度最小。其中，當截面錐角從90°增加到160°，截割載荷曲線逐漸降低，說明在破巖過程中截面錐角的增加有降低截齒磨損的作用，而當截面錐角從160°增加到180°，截割載荷曲線逐漸升高，說明在破巖過程中截面錐角的增加有加劇截齒磨損的作用，且當截面錐角在140°～160°時自激振蕩脈沖射流輔助機械刀具破巖性能最佳。此外，當截面錐角分別為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律，其中在截面錐角為160°時截割載荷降低效果最明顯。

圖12為機械刀具截割破巖過程中截割面最高溫度隨截面錐角的變化過程，從圖12中可以看出，機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，且相對于無水射流輔助情況下其溫度降低率隨振蕩腔腔長呈先上升后下降的變化規律，表明存在一個最佳截面錐角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

為揭示橫移速度對自激振蕩脈沖射流輔助機械刀具破巖性能的影響規律，對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械刀具破碎巖石的截割載荷變化趨勢，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械刀具破碎巖石的截割載荷呈現逐漸增大的現象，說明刀具磨損現象逐漸增加，但橫移速度越大，射流對于巖石的破碎效果越差。

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

在40 MPa射流系統壓力條件下，當射流的橫移速度大于8 m/min時，射流對于巖石的破碎效果隨著橫移速度的增加并沒有得到有效改善，因此在橫移速度大于8 m/min時，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，截割載荷增加趨勢比較明顯，說明在8 m/min以內的橫移速度情況下機械刀具磨損比較明顯，且磨損現象隨著橫移速度增加相對顯著。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相對緩慢，說明在橫移速度大于8 m/min時，截齒磨損不是相對明顯，且磨損現象隨著橫移速度增加不顯著，其射流輔助作用較差。相對于無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律，其中在橫移速度為8 m/min時降低速率逐漸變緩。

圖14為40 MPa系統壓力下機械刀具截割破巖過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，機械刀具溫度呈非線性增長趨勢，而溫度降低率呈下降趨勢。上述現象是由于橫移速度在0～10 m/min時，自激振蕩脈沖射流預制裂隙的深度隨著橫移速度的增大而迅速減小，但是預置裂隙寬度隨著橫移速度的增大而增大，當機械刀具與射流切割后的巖石互相作用時，截割載荷降低百分比減小。隨著橫移速度的進一步增加，自激振蕩脈沖射流作用于巖石產生的剪切應力以及拉伸應力均不足以起到輔助破碎巖石的作用，因此，當橫移速度增加至8 m/min以后，射流輔助機械刀具破巖時的刀具溫度接近于無水射流輔助，因此其溫度突然升高。綜合截割載荷和刀具溫度變化趨勢，橫移速度在6 m/min增加到8 m/min這一階段破巖性能相對較好。

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

4 結 論

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

(2)隨著振蕩腔腔長以及截面錐角的增加，機械刀具截割載荷曲線及其溫度均呈現先降低后增大的變化趨勢，且相對于無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及截面錐角的增加呈先上升后下降的變化規律，表明存在一個合適的振蕩腔腔長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械刀具破碎巖石的截割載荷以及機械刀具溫度均呈現逐漸增大的變化趨勢，且當橫移速度為4～8 m/min時，截割載荷增加趨勢比較明顯。但橫移速度越大，射流對于巖石的輔助破碎效果越差，當射流的橫移速度大于8 m/min時，截割載荷增加趨勢逐漸變緩，說明在8 m/min以內的橫移速度情況下機械刀具溫度變化比較緩慢，且磨損現象隨著橫移速度增加相對顯著，綜合截割載荷和盜掘溫度變化規律，橫移速度在6～8 m/min時射流輔助機械刀具降載減磨效果相對較好。