Effect of cutting tool blunting on the performances of various mechanical excavators used in low- and medium-strength rocks

Abstract

Full-scale laboratory cutting tests that measure the specific energy (SE) are widely used to evaluate rock cuttability by mechanical excavators, and in particular roadheaders fitted with radial or drag-type bits. Radial or drag-type bits are often changed during operation as they wear and become blunt. In this study, full-scale cutting tests were carried out on different rock types using bits with varying degrees of wear in order to assess the impacts of pick bluntness on cutting forces and the SE. The relationships between wear flats and cutting forces, SE, and various rock properties such as uniaxial compressive strength, tensile strength, indentation index, Shore hardness, Schmidt hammer hardness, and density were examined and are discussed in this paper. The mean cutting force increased 2- to 3-fold and the cutting SE rose 4- to 5-fold with a 4-mm wear flat as compared to a sharp pick. Critical wear flats were plotted for different rock property values, and 25 MJ/m³ was considered the threshold SE above which cutting performance was considered to be poor. Best-fit predictive models based on statistical analysis of the laboratory cutting test results are introduced as a means to estimate SE as a function of bit type, wear condition, and various mechanical properties of the rock. These models can be used to predict the performances of mechanical excavators that use radial tools, especially roadheaders, continuous miners, and longwall drum shearers.

Résumé

Les tests de découpe à grande échelle, permettant de mesurer l'énergie spécifique (ES), sont largement employés en laboratoire afin d'évaluer l'aptitude à la découpe des roches par excavatrices mécaniques, notamment les haveuses montées avec des trépans racleurs rotatifs ou radiaux Ces derniers doivent être changés régulièrement lors des expériences du fait de leur usure par épointement. Dans cette étude, les tests ont été réalisés sur différents types de roches, en utilisant des pics présentant divers degrés d'usure, et ce dans le but d'estimer l'effet de l’épointement sur les forces de coupe et sur l'ES. Les relations entre plat d'usure, force de coupe, ES et de nombreuses propriétés des roches (telles que dureté Shore, dureté Schmidt Hammer et densité) font l’objet de cet article. En comparaison de celles obtenues avec une pointe aiguisée, les forces moyennes de coupe avec une pointe usée (plat de 4 mm) ont été multipliées par un facteur de 2 à 3, et l'ES de coupe par un facteur de 4 à 5. Il est alors possible de tracer les valeurs critiques de plat d'usure pour différentes propriétés des roches. Les performances de coupe sont considérées comme pauvre en dessous d'un seuil d'ES de 25 MJ/m³. Des modèles de régression basés sur une analyse statistique des résultats de coupes en laboratoire permettent alors d'estimer l'ES en fonction du type de pic, de la condition d'usure, ainsi que de nombreuses propriétés mécaniques de roches.