Vložky z karbidu volfrámu TBM: Sprievodca výberom, výkonom a dodávateľom

Na projekte tunela z tvrdej skaly je rezacia hlava TBM jediným kontaktom medzi strojom a zemou. Stovky doštičiek z karbidu volfrámu jazdia na tejto reznej hlave kedykoľvek. Každý z nich je zodpovedný za lámanie skál, prenášanie nákladu a prežitie v prostredí, ktoré zahŕňa prach, vodu, vibrácie a tvrdé minerálne zrná. Ak doštička zlyhá skôr, fréza sa zastaví, tunel stratí hodiny a tím vylezie do obmedzeného priestoru, aby ju vymenil. Dôsledkom nie sú len náklady na vložku; je to cena za to, že sa stroj nepohybuje. Preto je výber karbidovej doštičky TBM rozhodnutím projektu, nie objednávkou náhradných dielov.

Prečo je karbid volfrámu štandardom pre doštičky TBM

Hlavným dôvodom je materiál. Karbid volfrámu alebo slinutý karbid je kompozit vyrobený z častíc karbidu volfrámu spojených kobaltovou kovovou matricou. Karbidové častice dodávajú materiálu jeho mimoriadnu tvrdosť. Kobaltové spojivo mu dodáva húževnatosť, aby prežilo nárazy. Vložky TBM pôsobia proti hornine, ktorá môže obsahovať kremeň, ktorý je tvrdší ako takmer každý inžiniersky materiál. Pri normálnej prevádzke je vložka vystavená vysokým tlakovým zaťaženiam a náhlym bodovým zaťaženiam z nepravidelných skalných stien. Príliš tvrdý materiál sa odštiepi. Príliš mäkký materiál sa rýchlo opotrebuje. Karbid volfrámu poskytuje rovnováhu, ktorej sa nevyrovná žiadny iný praktický materiál.

Materiál sa dá v rámci limitov doladiť. Obsah kobaltu sa zvyčajne pohybuje od približne 6 percent do 13 percent a veľkosť zŕn karbidu volfrámu môže byť jemná, stredná alebo hrubá. Jemnejšie zrno zvyčajne poskytuje vyššiu tvrdosť a lepšiu retenciu hrán. Hrubšie zrno poskytuje lepšiu húževnatosť a odolnosť proti tepelným šokom. V prípade doštičiek TBM je prevádzkový stav normálne abrazívny a zaťažený nárazmi, takže typický je vyváženejší stupeň. Hodnoty tvrdosti týchto tried bežne spadajú do rozsahu HRA 86 až 92. Špecifická trieda by sa mala vybrať až po známosti horninových podmienok.

V praxi to znamená, že tá istá vložka, ktorá hladko funguje v mäkkom hlinenom a pieskovom tuneli, môže mať veľmi krátku životnosť v tvrdom žulovom tuneli. Druh, ktorý je vhodný pre žulu, môže byť príliš krehký pre veľmi rozbitú pôdu. Vstupné údaje, na ktorých záleží, sú typ horniny, jednoosová pevnosť v tlaku a obsah kremeňa. Stručne povedané: trieda materiálu je východiskovým bodom pre výber doštičky a musí zodpovedať zemi, nie stroju.

Vložiť geometriu: viac než len ostrá hrana

Vložky TBM sú často zobrazené ako ostré zuby, ale v skutočnosti fungujú skôr ako škrabky a drviče. Geometria vložky určuje, ako sa zaťaženie prenáša na horninu, ako sa vložka opotrebováva a aká sila je potrebná na prienik.

Hlavné prvky geometrie sú tvar nosa, uhol nosa, kužeľ tela a montážna časť. Kužeľovitý hrot je bežný a je účinný na prenikanie do skaly. Guľovitý alebo tupší nos rozširuje kontaktnú plochu, znižuje riziko odštiepenia a niekedy sa uprednostňuje pri veľmi tvrdých alebo masívnych horninách. Na vytvorenie lineárneho zlomu je možné v niektorých prevedeniach použiť hrot v tvare dláta. Neexistuje jediná najlepšia geometria. Výber závisí od očakávanej horniny a konštrukcie frézy.

Okrem tvaru hrotu musí vložka pevne držať v držiaku. Uvoľnená vložka vibruje, vytvára štrbinu v držiaku a predčasne sa opotrebuje. Telo vložky sa často vyrába s o niečo väčším priemerom ako otvor alebo štrbina, aby sa dala zatlačiť alebo prispájkovať na miesto. Toto lícovanie je jedným z dôvodov, prečo na toleranciách obrábacích prác záleží. Ani správna známka nemôže kompenzovať zlé prispôsobenie.

Dobré pochopenie geometrie vložiek tiež pomáha tunelovému tímu rozpoznať, prečo sa niektoré vložky opotrebúvajú v tvare kužeľa a prečo sa u iných vytvára plochá. Vzor opotrebovania často poskytuje informácie o kontaktnom uhle. Tieto znalosti sú užitočné pri nastavovaní parametrov reznej hlavy alebo pri zmene typu doštičky.

Prehľad o tom, ako dizajn vložky TBM ovplyvňuje výkon, nájdete v tomto článku vložky z karbidu volfrámu pre stroje na razenie tunelov .

Faktory výberu pre doštičky TBM

Výber doprava Vložka TBM nie je jednorazové rozhodnutie. Ide o iteratívny proces, ktorý začína geologickými údajmi pre tunel a pokračuje skúškami na fréze. V nasledujúcej tabuľke sú uvedené najdôležitejšie faktory výberu.

Toto je miesto, kde môže dodávateľ pridať hodnotu. Profesionálny výrobca jednoducho neoznačí vložku ako „tvrdú“ alebo „na kameň“. Požiadajú o geologickú správu, špecifikáciu reznej hlavy a požadovanú veľkosť doštičky. Môžu porovnať vybranú triedu a geometriu s typickými údajmi o výkone. Tento dialóg je obzvlášť dôležitý, keď tunel prechádza niekoľkými geologickými zónami. Hard-rocková vložka môže fungovať na väčšine trasy, ale mäkšia časť alebo zlomová zóna môže spôsobiť rýchle zmeny.

Bežnou praxou je testovanie jedného alebo dvoch návrhov vložiek na začiatku projektu. Obdobie pozorovania nemusí byť dlhé. Ak doštičky vykazujú silné triesky, trieda je príliš tvrdá alebo geometria príliš špicatá. Ak sa doštičky rýchlo opotrebúvajú, ale hornina nie je obzvlášť abrazívna, trieda je príliš mäkká alebo sú nesprávne parametre reznej hlavy. Tieto testy odhaľujú, ako sa skutočný kameň správa pod strojom, čo je vždy lepšie ako len odhad v laboratóriu.

Kvalita výroby a problém konzistencie

Typ a geometria sú viditeľnou časťou výberu doštičky. Neviditeľnou súčasťou je výrobná konzistencia. Karbid volfrámu sa vyrába z prášku. Ak je prášok zle premiešaný, ak sa distribúcia veľkosti zŕn posúva alebo ak proces spekania nie je kontrolovaný, vložky z jednej šarže sa môžu správať odlišne od inej. V tuneli je táto nekonzistentnosť veľmi ťažko akceptovateľná, pretože rezná hlava nesie veľa doštičiek naraz. Ak sa jedna zo sto vložiek rýchlo opotrebuje, môže vytvoriť miestnu oblasť na čele tunela, ktorá nie je úplne vyrezaná, pričom zostane veľký kus horniny, ktorý musí susediaci fréza zlomiť.

Výroba spoľahlivej vložky TBM vyžaduje integrovanú výrobnú linku. V našom zariadení v Changzhou v Číne začíname s lisovaním prášku z karbidu volfrámu pomocou lisov TPA. Táto metóda využíva kontrolovaný profil tlaku na vytvorenie zeleného tela s konzistentným tvarom a hustotou. Surové teleso sa potom speká v nízkotlakových spekacích peciach. Nízkotlakové spekanie znižuje konečnú zvyškovú pórovitosť a vytvára jemnejšiu a hustejšiu štruktúru. Hustá štruktúra s niekoľkými pórmi je priamo spojená s lepšou odolnosťou proti opotrebovaniu a nižším rizikom zlomenín.

Po spekaní sú doštičky brúsené na konečné rozmery a povrchovú úpravu. Presné brúsenie sa vykonáva na päťosových CNC nástrojových brúskach a geometria nástroja je overená digitálnym zariadením na nastavenie nástroja. V prípade okrúhlych nástrojov a iných presných komponentov sa naša výroba riadi uznávaným nemeckým výrobným štandardom. Tento systém nám poskytuje meradlo tolerancií a životnosti nástroja. Inšpekčné nástroje sú súčasťou procesu; neodstraňujú sa z produkčného prostredia a používajú sa len na záverečné kontroly. Používajú sa aj na riadenie operácie strojového brúsenia.

Spoločnosť je certifikovaná podľa ISO9001 a ISO14001. Tieto certifikácie naznačujú, že výrobný systém je kontrolovaný a že sú zavedené procesy environmentálneho manažérstva a kvality. Pre projekt tunela táto úroveň kontroly podporuje jednoduchý, ale dôležitý cieľ: vložky, ktoré prichádzajú na miesto, by sa mali správať konzistentne s vložkami, ktoré boli testované.

Životnosť a náklady v reálnom svete

Náklady na vložku TBM sú malé v porovnaní s nákladmi na prestoje tunela. To je dôvod, prečo výber vložiek treba vnímať ako faktor produktivity, nielen ako riadkovú položku nákupu.

Zle prispôsobená doštička môže tiež spôsobiť problémy s geometriou. Ak sa doštička opotrebováva nerovnomerne, nožový kotúč sa môže prestať otáčať a zarezať plochý okraj do skaly. Tým sa zvyšuje rezný odpor celej reznej hlavy. Dodávatelia tunelov vedia, že náklady na neočakávané zastavenie reznej hlavy nie sú len práca alebo nové diely; je to aj strata výroby a riziko pre harmonogram.

Účinnou praxou je sledovať životnosť vložky na zónu tunela v metroch vopred. To vytvára jednoduchú krivku výkonu, ktorú možno porovnať s typom skaly. Keď vložka dosiahne koniec svojej životnosti, je možné vykonať plánovanú výmenu na bezpečnom mieste. K tomuto plánu prispieva materiál použitý vo vložke, jej geometria a kvalita výroby.

Vzťah medzi výberom doštičky, skalnými podmienkami a výkonom reznej hlavy je podrobnejšie popísaný v našom článku o prečo sú vložky TBM z karbidu volfrámu kľúčové pre podzemné stavby .

Vložka z karbidu volfrámu TBM je malý komponent s obrovským vplyvom na postup tunela. Materiál musí byť odolný proti oderu. Geometria musí zodpovedať skale. Trieda musí zodpovedať skutočnej reznej hlave. A výroba musí produkovať konzistentné diely. Keď tieto faktory zapadnú na miesto, vložka funguje tak, ako je navrhnutá na predvídateľnú vzdialenosť. Keď je jeden faktor nesprávny, trpí tým stroj. Nákupcovia a tuneloví inžinieri by mali výber vložiek považovať za technické vyjednávanie: zhromaždiť geologické údaje, prediskutovať dizajn reznej hlavy a požadovať dodávateľa, ktorý môže kontrolovať celý výrobný proces. Dni, kedy rezná hlava zostane dole, sú drahšie ako samotná doštička.