Destičky z karbidu wolframu TBM: Průvodce výběrem, výkonem a dodavatelem

Na projektu tunelu z tvrdého kamene je řezací hlava TBM jediným kontaktem mezi strojem a zemí. Stovky břitových destiček z karbidu wolframu jezdí na této řezné hlavě každou chvíli. Každý z nich je zodpovědný za lámání skály, přenášení nákladu a přežití v prostředí, které zahrnuje prach, vodu, vibrace a tvrdá minerální zrna. Pokud břitová destička selže dříve, řezná hlava se zastaví, tunel ztratí hodiny a tým vleze do omezeného prostoru, aby ji vyměnil. Důsledkem nejsou jen náklady na vložku; je to cena za to, že se stroj nepohybuje. To je důvod, proč je výběr destičky z karbidu wolframu TBM rozhodnutím projektu, nikoli objednávkou náhradního dílu.

Proč je karbid wolframu standardem pro břitové destičky TBM

Základním důvodem je materiál. Karbid wolframu nebo slinutý karbid je kompozit vyrobený z částic karbidu wolframu spojených dohromady kobaltovou kovovou matricí. Karbidové částice dodávají materiálu jeho mimořádnou tvrdost. Kobaltové pojivo mu dodává houževnatost, aby přežil otřesy. Vložky TBM pracují proti hornině, která může obsahovat křemen, který je tvrdší než téměř každý inženýrský materiál. Za normálního provozu je vložka vystavena vysokým tlakovým zatížením a náhlým bodovým zatížením od nepravidelných skalních stěn. Příliš tvrdý materiál se odštípne. Příliš měkký materiál se rychle opotřebuje. Karbid wolframu poskytuje rovnováhu, které se žádný jiný praktický materiál nevyrovná.

Materiál lze ladit v mezích. Obsah kobaltu se obvykle pohybuje od asi 6 procent do 13 procent a velikost zrna karbidu wolframu může být jemná, střední nebo hrubá. Jemnější zrno obvykle poskytuje vyšší tvrdost a lepší držení ostří. Hrubší zrno poskytuje lepší houževnatost a odolnost proti tepelným šokům. U břitových destiček TBM je provozní stav normálně abrazivní a rázově zatížený, takže typická je vyváženější třída. Hodnoty tvrdosti těchto jakostí běžně spadají do rozmezí HRA 86 až 92. Konkrétní jakost by měla být vybrána až poté, co jsou známy horninové podmínky.

V praxi to znamená, že stejná vložka, která hladce funguje v měkkém hliněném a pískovém tunelu, může mít velmi krátkou životnost v tvrdém žulovém tunelu. Třída, která je dobrá pro žulu, může být příliš křehká pro velmi rozbitou půdu. Vstupními údaji, na kterých záleží, je typ horniny, jednoosá pevnost v tlaku a obsah křemene. Stručně řečeno: jakost materiálu je výchozím bodem pro výběr břitové destičky a musí odpovídat zemi, nikoli stroji.

Geometrie vložení: Více než ostrá hrana

Vložky TBM jsou často zobrazeny jako ostré zuby, ale ve skutečnosti fungují spíše jako škrabky a drtiče. Geometrie vložky určuje, jak se zatížení přenáší na horninu, jak se vložka opotřebovává a jak velká síla je potřeba k proniknutí.

Hlavními geometrickými vlastnostmi jsou tvar nosu, úhel nosu, kužel těla a montážní sekce. Kónický hrot je běžný a je účinný pro pronikání horniny. Kulovitý nebo tupější nos rozšiřuje kontaktní plochu, snižuje riziko odštípnutí a někdy je preferován pro velmi tvrdé nebo masivní skály. Pro vytvoření lineárního zlomu lze v některých provedeních použít hrot ve tvaru dláta. Neexistuje jediná nejlepší geometrie. Volba závisí na očekávané hornině a konstrukci frézy.

Kromě tvaru hrotu musí vložka pevně držet v držáku. Uvolněná vložka vibruje, vytváří štěrbinu v držáku a předčasně se opotřebovává. Tělo vložky je často vyrobeno s mírně větším průměrem než otvor nebo štěrbina, takže může být nalisováno nebo připájeno na místo. Toto lícování je jedním z důvodů, proč na tolerancích obráběcích prací záleží. Ani správná známka nemůže kompenzovat špatné přizpůsobení.

Dobré porozumění geometrii břitových destiček také pomáhá týmu tunelů rozpoznat, proč se některé břitové destičky opotřebovávají v kuželovitém vzoru a proč u jiných vzniká plochá. Vzor opotřebení často poskytuje informace o kontaktním úhlu. Tyto znalosti jsou užitečné pro úpravu parametrů řezné hlavy nebo změnu typu břitové destičky.

Přehled toho, jak design břitové destičky TBM ovlivňuje výkon, naleznete v tomto článku vložky z karbidu wolframu pro stroje na vrtání tunelů .

Faktory výběru pro břitové destičky TBM

Výběr vpravo Vložka TBM není jednorázové rozhodnutí. Je to iterativní proces, který začíná geologickými daty pro tunel a pokračuje zkouškami na fréze. V následující tabulce jsou uvedeny nejdůležitější faktory výběru.

Toto je místo, kde může dodavatel přidat hodnotu. Profesionální výrobce jednoduše neoznačí vložku jako „tvrdá“ nebo „pro skálu“. Požádají o geologickou zprávu, specifikaci řezné hlavy a požadovanou velikost břitové destičky. Mohou porovnat vybranou třídu a geometrii s typickými údaji o výkonu. Tento dialog je zvláště důležitý, když tunel prochází několika geologickými zónami. Hard-rocková vložka může fungovat na většině trasy, ale měkčí úsek nebo zlomová zóna může způsobit rychlé změny.

Běžnou praxí je testovat jeden nebo dva návrhy břitových destiček na začátku projektu. Doba pozorování nemusí být dlouhá. Pokud břitové destičky vykazují silné třísky, je třída příliš tvrdá nebo geometrie příliš špičatá. Pokud se břitové destičky rychle opotřebovávají, ale hornina není zvláště abrazivní, třída je příliš měkká nebo jsou nesprávné parametry řezné hlavy. Tyto testy odhalují, jak se skutečná hornina chová pod strojem, což je vždy lepší než odhad pouze v laboratoři.

Kvalita výroby a problém konzistence

Třída a geometrie jsou viditelnou částí výběru břitové destičky. Neviditelnou součástí je výrobní konzistence. Karbid wolframu se vyrábí z prášku. Pokud je prášek špatně promíchán, pokud se distribuce velikosti zrn pohybuje nebo pokud proces slinování není řízen, mohou se břitové destičky z jedné šarže chovat odlišně od jiné. V tunelu je tato nekonzistence velmi těžko akceptovatelná, protože řezná hlava nese mnoho břitových destiček najednou. Pokud se jedna ze sta břitových destiček rychle opotřebuje, může vytvořit místní oblast na čele tunelu, která není zcela vyříznuta, přičemž zůstane velký kus skály, který musí být rozbit sousední frézou.

Výroba spolehlivé břitové destičky TBM vyžaduje integrovanou výrobní linku. V našem závodě v Changzhou v Číně začínáme s lisováním prášku z karbidu wolframu pomocí lisů TPA. Tato metoda využívá řízený tlakový profil k vytvoření zeleného tělesa s konzistentním tvarem a hustotou. Surové těleso se pak slinuje v nízkotlakých slinovacích pecích. Nízkotlaké slinování snižuje konečnou zbytkovou poréznost a vytváří jemnější a hustší strukturu. Hustá struktura s malým počtem pórů je přímo spojena s lepší odolností proti opotřebení a nižším rizikem lomu.

Po slinování jsou destičky broušeny na konečné rozměry a povrchovou úpravu. Přesné broušení se provádí na pětiosých CNC nástrojových bruskách a geometrie nástroje je ověřována pomocí digitálního ustavovacího zařízení. U kulatých nástrojů a dalších přesných součástí se naše výroba řídí uznávaným německým výrobním standardem. Tento systém nám poskytuje měřítko pro tolerance a životnost nástroje. Kontrolní nástroje jsou součástí procesu; nejsou odstraněny z produkčního prostředí a používány pouze pro závěrečné kontroly. Používají se také k řízení chodu strojního broušení.

Společnost je certifikována podle ISO9001 a ISO14001. Tyto certifikace ukazují, že výrobní systém je auditován a že jsou zavedeny procesy environmentálního řízení a řízení kvality. U tunelového projektu podporuje tato úroveň kontroly jednoduchý, ale důležitý cíl: vložky, které dorazí na místo, by se měly chovat konzistentně s vložkami, které byly testovány.

Životnost a náklady v reálném světě

Náklady na vložku TBM jsou malé ve srovnání s náklady na prostoje tunelu. To je důvod, proč je třeba na výběr vložek nahlížet jako na faktor produktivity, nikoli pouze jako na nákupní řádkovou položku.

Špatně přizpůsobená břitová destička může také způsobit problémy s geometrií. Pokud se břitová destička opotřebovává nerovnoměrně, řezný kotouč se může přestat otáčet a zaříznout plochou hranu do kamene. To zvyšuje řezný odpor pro celou řezací hlavu. Dodavatelé tunelování vědí, že náklady na neočekávané zastavení řezné hlavy nejsou jen práce nebo nové díly; je to také ztráta výroby a riziko pro harmonogram.

Účinnou praxí je sledovat životnost vložky na zónu tunelu v metrech předem. To vytváří jednoduchou výkonnostní křivku, kterou lze srovnat s typem horniny. Když vložka dosáhne konce své životnosti, je možné provést plánovanou výměnu na bezpečném místě. Materiál použitý v břitové destičce, její geometrie a kvalita výroby, to vše přispívá k tomuto plánu.

Vztah mezi výběrem břitové destičky, podmínkami horniny a výkonem řezné hlavy je podrobněji popsán v našem článku o proč jsou břitové destičky TBM z karbidu wolframu klíčové pro podzemní stavby .

Vložka TBM z karbidu wolframu je malá součástka s velkým vlivem na postup tunelu. Materiál musí být odolný proti oděru. Geometrie musí odpovídat skále. Třída musí odpovídat skutečné řezné hlavě. A výroba musí vyrábět konzistentní díly. Když tyto faktory zapadnou, vložka funguje tak, jak byla navržena na předvídatelnou vzdálenost. Když je jeden faktor špatný, trpí tím stroj. Nákupčí a technici tunelování by měli výběr břitových destiček považovat za technické vyjednávání: shromáždit geologická data, prodiskutovat návrh řezné hlavy a požadovat dodavatele, který může řídit celý výrobní proces. Dny, kdy řezná hlava zůstane dole, jsou dražší než samotná břitová destička.