采掘机械用截齿磨损的研究进展

张利平

（阳煤三矿生产调度指挥中心， 山西 阳泉 045000）

引言

镐形截齿和盘形滚刀是目前采矿业中用来碎石的主要机械工具。在破碎石的效果上镐行截齿要比盘形滚刀的作用效果好。因为镐形截齿在破碎石的过程中唯一需要抵抗的是岩石的拉应力，岩石的压应力是拉应力的10倍。但是在实际的使用过程中截齿磨损的情况容易发生在镐形截齿上，所以，这样就会影响到破碎石的作用效果。因此努力降低截齿磨损的程度是现在机械领域非常关键的问题。

1 镐形截齿的作用机理

采掘机械在使用截齿工作的时候需要将截齿固定在截割头上，构成截齿的主要部分包括硬质合金头、齿柄以及锥形齿体三部分。在截齿工作的情况下，接触岩石的部分是硬质合金头，然后配合截割头的回转作用，在相应的作用力相互配合的情况下将岩石碾压成粉末并压实，在裂纹形成较大的情况下将岩石剪切下来。其中参与破碎岩石的主要作用力是应压力FN、剪切力FC以及切割过程中的摩擦力FD。三种作用力的作用原理见图1。截齿出现磨损的情况多发生在截齿自转的情况下，截齿的刀片在过大摩擦力的作用下，出现平面磨损的现象，导致在截割的过程中需要耗费较大的截割力，并且在不断的摩擦中产生了较多的热量，当硬质合金的温度超过650℃时，就会使磨损的情况加剧，最严重的后果使截齿不能再发挥作用。若截齿的质量不高，在破碎石中的使用寿命会减少，从而增加了相应的成本。

2 造成截齿磨损的原因

在破碎岩石的过程中，截齿都会产生相应的磨损，出现这样的情况是很正常的。这是由于岩石的硬度过大以及截齿自身的原因造成的，经过研究发现截齿磨损的原因可以归结为以下几点。

图1 镐形截齿破碎石作用力图解

2.1 截齿的自主回转原因

正常情况下，截齿在工作的过程中是通过自主回转的运动方式来减轻自身磨损的。截齿自主回转形成的摩擦力是两个作用力的合力，这两种力分别是FC切割力和FN法向力，在回转过程中产生的摩擦力FD是FC与FN两者的合力与摩擦系数相乘得出的。但是当截齿不能正常回转时，截齿收到磨损的情况会相对严重。

2.2 硬质合金头遭受FC与FN作用力的影响损坏

在实际的操作过程中，FC与FN作用力的影响是损坏合金头的主要原因。强度较大的合金头不易发生损坏。

2.3 不合理的切割方式

在实际的工作中，在进行切割时要将切割的深度维持在一定的范围，但是在设计切割头的时候，切割的角度理论与实际是不一样的，在截齿运行的时候会带动圆锥体参与破碎石的工作，因此就会发生磨损的问题。

2.4 其他的物理性因素

其他的物理性因素，比如岩石自身的性质、截齿的产品质量以及在运动过程中的相关参数等，都可以造成截齿磨损的问题。

3 截齿磨损的研究试验

3.1 标准台架试验

3.1.1 标准台架试验概述

利用已有系列的标准材料的试验机按照现有材料试验标准进行试验的方法称为标准台架试验。这样的实验方法比较真实有效，但是实验成本相对较高，具体实施起来还相对困难。

3.1.2 三体两体磨损试验机实验

两体试验机是以冲击的方式接触岩石，三体磨损试验机是通过在泥浆搅拌器和泥浆泵将岩石磨碎样品输送到摩擦接触面而实现磨损的。通过研究这两种磨损试验机发现，对金属磨损程度较大的是岩石单项抗压强度与适应的含量。从磨粒磨损的情况来看两者是完全相反的[1]。

3.1.3 销盘试验

销盘试验的磨损截割力在240～700 N之间，进行试验的截割速度分别 0.15 m/s、1.15 m/s、0.24 m/s，在获取实验温度的过程中利用热传感器来实现，整个试验维持在10 min，温度在560℃以上。标准销盘式摩擦磨损试验机见图2。

3.2 模拟工况台架试验

3.2.1 工况试验台的概述

试验台在建立的过程中需要结合工况的实际情况来进行。通过将实际的工作环境进行相应的模拟，将工况台试验按照等比例或者非等比例的方法将试验台的情况再现，以发现工况台试验中存在的优缺点。

3.2.2 多齿单齿试验台

多齿单齿试验台的实验方法是由CSIRO澳大利亚工业科学院为了测试金刚石齿尖的镐形截齿而设计的实验。这项实验可以根据不同的截齿进行测试，发现金刚石齿尖可以达到800℃以上的高温，并且在这样的情况下截齿的磨损还较小，截割力没有较大的变化，从而证实了金刚石齿尖比传统的硬质合金头硬度要大很多，具有耐高温耐磨损的优点[2]。图3为CSIRO截割与磨损试验机。

3.2.3 滚筒式试验台

在经过澳大利亚设计出了CSIRO截割与磨损试验机后，波兰的一所科技大学也设计出了大尺寸的滚筒式试验台，这样的试验台实现了可以将不同角度不同截齿进行安装，在岩石切割的过程中可以从全方位对磨损情况进行观察研究。图4为波兰设计的滚筒式截割与磨损试验台。

图4 波兰滚筒式截割与磨损试验台

3.2.4 我国设计的截割与磨损试验台

我国设计的截割与磨损试验台主要是采用回转以及直线运动的方式进行，在煤矿采掘机设备中应用非常广。在进行截割的钢托程中可以将截割的深度、间距以及速度控制在合理的范围，并且可以起到实时监测温度的作用。图5为我国设计的截割与磨损试验台[3]。

图5 我国截割与磨损试验台

4 截齿磨损研究在生产中的应用

截齿磨损进行相关实验的目的就是尽可能将截齿的耐磨性以及耐高温的性能发挥到最大的效果，采掘机械在实际的运行过程中可以检查截齿的磨损情况，以便发现问题及时更换。其中对于磨损程度判断的方式有多种，比如有学者提出借助于不同的声音来判断截齿磨损的情况，还有通过人工神经网络分析截割数据，在研究数据的基础上判断磨损程度，以保障截齿的正常运行[4]。

5 结语

通过研究造成磨损情况的原理以及影响磨损的相关因素，将国内外的截齿磨损试验台进行相应的总结，进一步研究有效提高截齿耐磨性的方法，对我国的机械行业的发展具有重要意义。