水射流噴嘴位置和壓力對掘進(jìn)機(jī)破巖性能的影響

任國強(qiáng)

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司， 山西 晉城 048400）

引言

掘進(jìn)機(jī)的切割機(jī)在切割堅(jiān)硬和磨蝕性巖石時(shí)，會(huì)受到高作用力、過度磨損和高溫，導(dǎo)致切割機(jī)壽命降低、增加機(jī)器停機(jī)時(shí)間。以往的研究表明，水射流有助于顯著提高推進(jìn)速度，減少粉塵產(chǎn)生，延長切割機(jī)壽命，切割力可以減少兩倍，刀具壽命可以延長一倍。噴水噴嘴相對于鎬的位置對于提高切割效率至關(guān)重要。以往的研究主要集中在噴嘴位置與單一刀具之間的關(guān)系[1-3]。

本文將針對噴嘴最佳位置的噴射、水射流壓力對射流速度的影響以及巖石的破巖性能等方面做進(jìn)一步的研究。

1 實(shí)驗(yàn)程序

1.1 噴嘴位置

為了研究噴嘴位置對巖石破碎效率的影響，分別對如圖1 所示三種位置的水射流配置與撿拾器相關(guān)的噴嘴進(jìn)行分析。如圖1-1 所示為帶有前置噴嘴的刀盤，噴嘴連接到刀盤上并與鎬座分離。位于刀盤中心位置的噴嘴，如圖1-2 所示，噴嘴埋頭嵌入鎬，使高壓水流過鎬。帶有后部定位噴嘴的刀盤，如圖1-3 所示，噴嘴放置在撿拾器上。為其拾取定位距離的噴嘴前后定位配置約為18 mm。

圖1 一個(gè)系統(tǒng)的水射流噴嘴相對于鎬三種位置配置

1.2 巖石標(biāo)本

在本研究中，巖石樣本采用42.5 級(jí)硅酸鹽水泥、B 級(jí)石膏粉和河砂?；旌虾蟮牟牧戏湃肽＞吆蛶r石盒中，巖石箱的高度、寬度和厚度分別為1000 mm、800 mm 和600 mm。圓柱形試樣的直徑和長度分別為50 mm 和100 mm。人造巖石的力學(xué)特性如表1 所示。

表1 人造巖石屬性

1.3 測試平臺(tái)

巖石破碎平臺(tái)如圖2 所示。液壓缸用于移動(dòng)工作臺(tái)軌道，工作臺(tái)上安裝了一個(gè)位移傳感器，用于測量刀盤的運(yùn)動(dòng)。刀盤的轉(zhuǎn)速由變頻器控制。齒輪箱輸出軸端部裝有高壓泵用于將水泵入刀盤，最大噴水壓力為40 MPa。巖石箱的側(cè)向移動(dòng)由電機(jī)和齒輪箱控制。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)能夠監(jiān)測和記錄推力、扭矩和扭矩刀盤位移。選擇四種噴水壓力：10 MPa、20 MPa、30 MPa 和40 MPa。通過保持前進(jìn)速度、旋轉(zhuǎn)常數(shù)、噴水位置和噴水壓力對掘進(jìn)機(jī)破巖效率影響進(jìn)行了計(jì)算和分析。

圖2 刀盤破巖試驗(yàn)臺(tái)

2 分析結(jié)果

2.1 巖石強(qiáng)度對切削扭矩和推力的影響

圖3 所示為不使用高壓水射流切割三塊人造巖石時(shí)掘進(jìn)機(jī)的切割扭矩和推力，推力的波動(dòng)比切削扭矩的波動(dòng)更為顯著。這是因?yàn)樵诓删蜻^程中，刀盤被徑向巖石包圍，切削扭矩是對稱的，振動(dòng)在鎬齒之間相互偏置，而推力的方向力是軸向的，鎬中的振動(dòng)疊加在一起。

圖3 巖石強(qiáng)度對切削扭矩和推力的影響

2.2 噴嘴位置對巖石破碎的影響

圖4 和圖5 所示為噴水噴嘴不同位置對切割扭矩和刀盤推力的影響。人造巖石的破碎效率在一定程度上取決于巖石的抗壓強(qiáng)度和水射流壓力。在三種配置中，中心位置的噴嘴具有最高的扭矩和推力降低率，而后部噴嘴的性能增強(qiáng)能力最差。

由圖4 可知，在高壓水射流的作用下，三塊巖石的扭矩降低了41%。圖5 表明隨著水射流的增大，推力降低了30%。對于扭矩和推力的降低，由于噴嘴的定位而產(chǎn)生的差異可高達(dá)10%和8%。

圖6 所示為噴水位置對巖石破碎比能量的影響。這三種物質(zhì)的比能在沒有噴水輔助的情況下切割時(shí)，刀頭基本相同。這表明安裝在刀盤上的噴嘴影響（降低）性能。對于中心定位配置比能略高，當(dāng)輔助有高壓水射流時(shí)，中心定位配置方式由于扭矩和推力較低比能量最低（圖4 和圖5 所示）。對于這三種類型的巖石，相比沒有使用水射流輔助的中心配置減少了41.3%、28.3%和20.1%。

圖4 噴嘴位置對不同巖石切割扭矩的影響

圖5 噴嘴位置對不同巖石推力的影響

圖6 不同巖石的比能量和噴嘴位置之間的關(guān)系

2.3 水射流壓力對巖石破碎的影響

下頁圖7 所示為噴水壓力對扭矩的影響以及刀盤的推力。隨著噴水壓力的增加，刀盤扭矩和推力顯著減小。對于中心定位配置，UCS10.8推力從4805 N（無噴水輔助）至3350 N（有40 MPa 噴水輔助），扭矩從858 N·m 降至503 N·m，推力和扭矩分別下降30%和41%。對于UCS19.5和UCS28.6，推力分別減少26%和19%，扭矩分別減少28%和20%。

圖7 不同水射流下不同巖石的切割扭矩和推力

圖8 所示為隨著噴水壓力的增加，能量比以緩慢的速度降低，隨后斜率急劇下降。水射流壓力需要超過臨界壓力，對巖石破碎更有效。換句話說，減少比能量約為10%，臨界壓力接近巖石的抗壓強(qiáng)度。在相同的射流壓力下，三種巖石的能量比降低是不同的。

圖8 不同巖石的能量比和水射流壓力之間的關(guān)系

2.4 抑塵

圖9-1 和圖9-2 所示為無需噴水協(xié)助下的切割過程和切口。圖9-3 和圖9-4 所示為使用水射流時(shí)的切割過程和切口圖。很明顯，在水射流的幫助下，粉塵的產(chǎn)生顯著減少。

圖9 無需噴水和水射流輔助下的切割過程和切口

不同條件下，使用和不使用噴水器的粉塵濃度統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，如表2 所示。抑塵效率可使用以下公式計(jì)算。

表2 不同條件下的粉塵濃度 mg/m3

式中：η 為抑塵效率；C0為不使用水射流粉塵濃度；CWJ為考慮到使用水射流的粉塵濃度。

圖10 所示為不同巖石在不同噴水壓力下的標(biāo)準(zhǔn)化抑塵效率η。對于給定的噴水壓力，巖石強(qiáng)度越高，抑塵效率越差。對于相同的配置，效率會(huì)提高，隨著水射流壓力的增加，這一點(diǎn)會(huì)顯著增加。抑塵效率從22%到72%不等，其中中心定位配置的抑塵效率比其他兩種配置更好。

圖10 不同噴水口的標(biāo)準(zhǔn)化抑塵效率

3 結(jié)論

1）水射流的輔助作用改善了掘進(jìn)機(jī)的破巖性能，噴水噴嘴的位置會(huì)影響巖石破碎性能。扭矩、推力和比能量方面的最佳性能增強(qiáng)、減少的方法是通過將噴嘴定位在鎬上，然后進(jìn)行前定位和后定位配置。

2）隨著巖石強(qiáng)度的增加，需要更高的噴水壓力來實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能改善。對于特定的巖石強(qiáng)度，噴水壓力應(yīng)增加到獲得理想結(jié)果的臨界壓力。為了將固相能量降低10%，閾值壓力應(yīng)接近巖石的UCS。

3）在水射流的幫助下，細(xì)粉塵抑制系數(shù)達(dá)到70%以上。隨著噴水壓力的增加，抑塵系數(shù)增大。