Вставки из карбида вольфрама TBM: незамеченный компонент, стоящий за каждым туннельным отверстием

Пробуривание туннеля в твердой породе предъявляет чрезвычайные требования к режущему оборудованию, и немногие компоненты работают в более суровых условиях, чем режущие инструменты, установленные на лицевой стороне туннелепроходческого станка. Вставки из карбида вольфрама TBM представляют собой небольшие, но критически важные изнашиваемые детали, ответственные за фактическое разрушение, измельчение или фрагментацию горной породы по мере продвижения машины, часто работающие непрерывно под огромными сжимающими нагрузками, когда они встроены в дисковые фрезы, долота или шарошки. Поскольку эти пластины напрямую определяют эффективность резания, стойкость инструмента и общую стоимость проекта, выбор правильного сплава и геометрии является далеко не второстепенным решением. В этой статье объясняется, как вставки из карбида вольфрама работают в режущей системе TBM, что влияет на их производительность и скорость износа, а также как подходить к выбору и техническому обслуживанию для сложных проектов подземных раскопок.

Роль пластин из карбида вольфрама в операциях проходки туннелей

Вставки из карбида вольфрама TBM устанавливаются в режущие инструменты, расположенные поперек вращающейся режущей головки туннелепроходческого станка. Когда режущая головка вращается и продвигается в поверхность скалы, эти вставки воспринимают прямое воздействие и абразивные силы, необходимые для разрушения и удаления горного материала, что позволяет машине проходить сквозь твердые геологические формации с контролируемой скоростью.

Поскольку карбид вольфрама сочетает в себе исключительную твердость и значительную ударную вязкость (редкое сочетание для материалов режущего инструмента), он идеально подходит для этого применения. Чистая твердость сама по себе сделает материал склонным к хрупкому разрушению при повторяющихся ударных нагрузках, типичных для выемки горных пород, тогда как недостаточная твердость приведет к быстрому износу от контакта с абразивной породой. Карбид вольфрама обеспечивает практический баланс между этими двумя свойствами, поэтому он остается доминирующим материалом для режущих пластин TBM, несмотря на продолжающиеся исследования альтернативных сверхтвердых материалов.

Как производятся вставки из карбида вольфрама

Вставки из карбида вольфрама, используемые в ТБМ, производятся методом порошковой металлургии, при котором мелкоизмельченный порошок карбида вольфрама объединяется с металлическим связующим, обычно кобальтом, а затем прессуется под высоким давлением до желаемой формы вставки.

Спекание и уплотнение

После прессования уплотненный материал подвергается процессу спекания при чрезвычайно высоких температурах, в результате которого частицы карбида вольфрама сплавляются вместе и связываются с матрицей кобальта. Этот шаг имеет решающее значение для достижения плотной структуры с низкой пористостью, необходимой для того, чтобы вставка могла выдерживать повторяющиеся ударные нагрузки, возникающие во время бурения туннелей, без преждевременного растрескивания или сколов.

Шлифование и окончательная обработка

После спекания пластины подвергаются точной шлифовке до окончательной геометрии, что обеспечивает постоянство размеров и правильную форму режущей кромки или профиля вершины. Эта точность имеет большое значение для операций TBM, поскольку неравномерная геометрия пластин по всей режущей головке может привести к неравномерному износу и снижению общей эффективности резания.

Факторы, влияющие на выбор марки карбида вольфрама

Не все карбиды вольфрама одинаковы, и выбор подходящего сплава для пластин из карбида вольфрама TBM во многом зависит от конкретных геологических условий и требований к резанию конкретного проекта.

• Содержание кобальта — более высокий процент кобальта увеличивает ударную вязкость, но снижает твердость и износостойкость.
• Размер зерен частиц карбида вольфрама — более мелкая зернистая структура обычно улучшает твердость и удержание кромки.
• Твердость и абразивность горных пород на месте раскопок, которые определяют, насколько агрессивна необходимая марка.
• Наличие сильно трещиноватых или смешанных грунтов, которые могут повысить непредсказуемость ударной нагрузки.
• Целевая скорость подачи и скорость вращения режущей головки, которые влияют на частоту и интенсивность ударов пластины.

Сравнение типов пластин, используемых в различных режущих инструментах

Пластины из карбида вольфрама TBM используются в нескольких различных конструкциях режущих инструментов, каждая из которых подходит для различных горных пород и подходов к раскопкам.

Распространенные модели износа и что они обозначают

Мониторинг износа вставок из карбида вольфрама в ходе проекта бурения туннелей дает ценную информацию о том, насколько текущий класс и геометрия инструмента соответствуют реальным условиям грунта.

Абразивный износ

Постепенный, равномерный износ режущей поверхности обычно указывает на нормальное абразивное взаимодействие с каменным материалом. Хотя это и ожидаемо с течением времени, необычно высокая скорость абразивного износа может указывать на то, что выбранная марка твердого сплава не обладает достаточной твердостью для встречающейся абразивности горных пород.

Сколы и переломы

Сколы или трещины на вставках часто указывают на чрезмерную ударную нагрузку, которая может возникнуть в результате встречи с неожиданно твердыми включениями, валунами или сильно раздробленным грунтом. В этих случаях более прочный сплав с более высоким содержанием кобальта может снизить частоту этого вида отказа, даже за счет снижения общей износостойкости.

Термический крекинг

В случае недостаточного охлаждения или чрезмерной скорости резания локальное накопление тепла может вызвать термическое растрескивание на поверхности пластины. Такая картина износа часто сигнализирует о необходимости пересмотреть скорость вращения режущей головки, производительность системы охлаждения или распределение силы резания по набору инструментов.

Рекомендации по продлению срока службы пластины

Увеличение срока службы вставок из карбида вольфрама TBM требует внимания как к выбору инструмента, так и к постоянной эксплуатации на протяжении всего процесса раскопок. Проведение тщательных геологических исследований перед началом проходки туннелей позволяет инженерным группам выбрать подходящую марку твердого сплава и конфигурацию режущего инструмента, соответствующую ожидаемым грунтовым условиям, вместо того, чтобы полагаться на инструменты общего назначения, которые могут неэффективно работать с конкретными типами горных пород.

Во время работы мониторинг крутящего момента режущей головки, скорости подачи и данных о вибрации может помочь выявить ранние признаки ненормального износа пластины, прежде чем он приведет к значительному повреждению инструмента или снижению эффективности земляных работ. Запланированные интервалы осмотра, когда доступные режущие инструменты визуально проверяются на наличие сколов, трещин или неравномерного износа, также позволяют заранее планировать замену, а не ремонтировать по мере необходимости, который может остановить ход проходки туннелей. Наконец, поддержание правильного выравнивания режущей головки и обеспечение установки режущих инструментов с правильным крутящим моментом помогает предотвратить неравномерное распределение нагрузки, которое может ускорить износ отдельных пластин по режущей поверхности.