科普丨硬岩掘进，截齿损耗大怎么解决？

一、截齿损耗大的核心原因

硬岩掘进(如矿山开采、隧道施工)中，截齿作为直接破碎岩石的关键部件，其高损耗主要由以下因素导致：

岩石特性：硬岩硬度高(抗压强度>100MPa)、耐磨性强，截齿接触时承受剧烈摩擦和冲击。

工作载荷：掘进过程中截齿需克服岩石剪切力，同时面临交变载荷，易引发疲劳断裂。

温度与磨损：高速切削下截齿与岩石摩擦生热(温度可达300℃以上)，导致材料软化，加剧磨粒磨损。

设计与工艺缺陷：截齿材质韧性与耐磨性不匹配、齿形角度不合理，或制造工艺不足。

设备参数不当：掘进机转速、推进速度匹配不合理，导致截齿过载或切削效率低下。

二、系统性解决方案

（一）材料与结构优化

高性能材料升级

硬质合金+耐磨涂层：采用超细晶粒硬质合金作为齿头，表面沉积TiC、TiN等陶瓷涂层，提升硬度和抗氧化性。

复合材料应用：齿体使用高强度合金钢，结合梯度材料设计，平衡抗冲击与耐磨性能。

新型陶瓷材料：碳化硅(SiC)、立方氮化硼(CBN)等超硬材料用于特殊硬岩(抗压强度>250MPa)，但需注意韧性匹配。

结构设计优化

齿形参数调整：增大截齿前角减少切削阻力，后角优化排渣效率;采用“锥度+螺旋槽”设计，降低岩石粘附。

组合式截齿：多齿头并联或串联结构，分散载荷，如“主齿+辅助齿”布局，延长单齿工作寿命。

（二）掘进工艺与参数优化

岩石预处理技术

超前预裂：采用液压劈裂、静态爆破或激光切割对硬岩进行超前裂隙化处理，降低岩石整体性，减少截齿冲击载荷。

水力压裂：向岩层注入高压水(压力>50MPa)，利用水压扩展天然裂隙，削弱岩石强度。

设备参数智能匹配

转速 - 推进速度协同控制：通过PLC系统建立硬岩硬度 - 截齿载荷模型，动态调整参数(如硬岩时降低转速至15-20rpm，推进速度0.5-1m/min)，避免过载。

振动辅助切削：在截齿臂添加低频振动装置(频率50-100Hz)，利用共振效应降低岩石破碎阻力，减少切削力30%以上。

（三）冷却与润滑系统升级

高效冷却技术

高压喷雾冷却：在截齿附近布置超音速雾化喷嘴(压力>10MPa)，水雾粒径<50μm，实现截齿 - 岩石接触区精准降温，控制温度<150℃。

循环油冷系统：通过内置油路对截齿柄部进行强制润滑冷却，降低摩擦系数至0.1以下，减少热疲劳。

自润滑截齿设计

在截齿头部开设储油槽，填充二硫化钼(MoS₂)固体润滑剂，工作时受压渗出形成润滑膜，减少金属 - 岩石直接摩擦。

（四）智能监测与维护

截齿状态实时监测

安装应变传感器、温度传感器于截齿座，通过无线传输实时监控载荷(>额定值120%时预警)和温度(>200℃时报警)，实现预防性更换。

利用机器视觉定期扫描截齿磨损量，当齿头磨损深度>5mm时自动提示更换。

标准化维护流程

建立“掘进进尺-截齿检查”关联机制，采用超声波探伤检测齿体内部裂纹，避免疲劳断裂。

制定截齿更换周期表，根据岩石硬度分级。

（五）新型技术应用

激光熔覆修复

对磨损截齿采用激光熔覆技术，在齿头表面熔覆高耐磨合金层，修复后硬度可达HRC65-70，重复利用率提升50%。

仿生学设计

模仿自然界动物牙齿结构，设计仿生截齿，通过不规则刃口降低岩石切削阻力，磨损量减少20%-30%。

三、总结

硬岩掘进中截齿损耗是材料、载荷、工艺多因素耦合的结果，需从“材料升级-工艺优化-智能维护”三方面协同解决。未来可结合AI算法和增材制造进一步提升可靠性，实现降本增效。