Płytki z węglika wolframu TBM: wybór, działanie i przewodnik dostawcy

W przypadku tunelu w twardej skale głowica urabiająca TBM stanowi jedyny kontakt między maszyną a gruntem. W każdej chwili na głowicy tnącej znajdują się setki płytek z węglika wolframu. Każdy z nich jest odpowiedzialny za rozbijanie skał, przenoszenie ciężarów i przetrwanie w środowisku zawierającym kurz, wodę, wibracje i twarde ziarna minerałów. Jeśli płytka ulegnie wcześniejszej awarii, głowica tnąca zatrzymuje się, tunel traci wiele godzin, a zespół wspina się do ograniczonej przestrzeni, aby ją wymienić. Konsekwencją jest nie tylko koszt wkładki; jest to koszt zatrzymania maszyny. Dlatego też wybór płytki z węglika wolframu TBM jest decyzją projektową, a nie zamówieniem części zamiennej.

Dlaczego węglik wolframu jest standardem dla płytek TBM

Podstawowy powód jest materialny. Węglik wolframu lub węglik spiekany to kompozyt wykonany z cząstek węglika wolframu połączonych ze sobą metaliczną osnową kobaltową. Cząsteczki węglika nadają materiałowi niezwykłą twardość. Spoiwo kobaltowe zapewnia wytrzymałość pozwalającą przetrwać wstrząsy. Wkładki TBM działają na skały zawierające kwarc, który jest twardszy niż prawie każdy materiał konstrukcyjny. Podczas normalnej pracy wkładka poddawana jest dużym obciążeniom ściskającym i nagłym obciążeniom punktowym od nieregularnych ścian skalnych. Zbyt twardy materiał będzie się odpryskiwał. Zbyt miękki materiał będzie się szybko zużywał. Węglik wolframu zapewnia równowagę, której nie zapewnia żaden inny praktyczny materiał.

Materiał można dostrajać w określonych granicach. Zawartość kobaltu zwykle waha się od około 6 do 13 procent, a wielkość ziaren węglika wolframu może być drobna, średnia lub gruba. Drobniejsze ziarno zazwyczaj zapewnia wyższą twardość i lepsze zachowanie krawędzi. Grubsze ziarno zapewnia lepszą wytrzymałość i odporność na szok termiczny. W przypadku płytek TBM warunki pracy są zwykle ścierne i obciążone udarami, dlatego typowy jest bardziej zrównoważony gatunek. Wartości twardości dla tych gatunków zwykle mieszczą się w zakresie HRA 86 do 92. Konkretny gatunek należy wybrać dopiero po poznaniu warunków skały.

W praktyce oznacza to, że ten sam wkład, który sprawnie pracuje w tunelu z miękkiej gliny i piasku, może mieć bardzo krótką żywotność w tunelu z twardego granitu. Gatunek dobry do granitu może być zbyt kruchy w przypadku bardzo spękanego gruntu. Dane wejściowe, które mają znaczenie, to rodzaj skały, jednoosiowa wytrzymałość na ściskanie i zawartość kwarcu. Podsumowując: punktem wyjścia przy doborze płytki jest gatunek materiału, który musi być dostosowany do podłoża, a nie maszyny.

Wstaw geometrię: więcej niż ostra krawędź

Płytki TBM są często przedstawiane jako ostre zęby, ale w rzeczywistości działają bardziej jak skrobaki i kruszarki. Geometria wkładki określa, w jaki sposób obciążenie jest przenoszone na skałę, w jaki sposób wkładka się zużywa i jaka siła jest potrzebna do penetracji.

Główne cechy geometrii to kształt nosa, kąt nosa, zbieżność korpusu i sekcja montażowa. Stożkowa końcówka jest powszechna i skutecznie penetruje skałę. Kulisty lub tępy nosek rozszerza powierzchnię styku, zmniejsza ryzyko odprysków i czasami jest preferowany w przypadku bardzo twardych lub masywnych skał. W niektórych projektach można zastosować końcówkę w kształcie dłuta, aby utworzyć liniową przerwę. Nie ma jednej najlepszej geometrii. Wybór zależy od oczekiwanej skały i konstrukcji głowicy urabiającej.

Oprócz kształtu końcówki wkładka musi być mocno trzymana w uchwycie. Luźna wkładka wibruje, tworzy szczelinę w uchwycie i przedwcześnie się zużywa. Korpus wkładki jest często wykonany z nieco większą średnicą niż otwór lub szczelina, dzięki czemu można go wcisnąć lub przylutować na miejsce. To dopasowanie jest jednym z powodów, dla których tolerancje obróbki mają znaczenie. Nawet poprawna ocena nie jest w stanie zrekompensować złego dopasowania.

Dobre zrozumienie geometrii płytki pomaga także zespołowi pracującemu w tunelu rozpoznać, dlaczego niektóre płytki zużywają się w kształcie stożka, a u innych powstają spłaszczenia. Wzór zużycia często dostarcza informacji o kącie zwilżania. Wiedza ta jest przydatna przy doborze parametrów głowicy lub zmianie typu płytki.

Przegląd wpływu konstrukcji płytki TBM na wydajność można znaleźć w tym artykule na temat: płytki z węglika wolframu do maszyn do drążenia tuneli .

Czynniki wyboru płytek TBM

Wybór prawa Wkładka TBM nie jest decyzją jednorazową. Jest to proces iteracyjny, który rozpoczyna się od danych geologicznych tunelu i kończy się testami na głowicy urabiającej. W poniższej tabeli wymieniono najważniejsze czynniki wyboru.

To miejsce, w którym dostawca może dodać wartość. Profesjonalny producent nie będzie po prostu etykietował płytki jako „twardą” lub „do kamienia”. Poproszą o raport geologiczny, specyfikację głowicy tnącej i wymagany rozmiar płytki. Mogą porównać wybrany gatunek i geometrię z typowymi danymi dotyczącymi wydajności. Dialog ten jest szczególnie ważny, gdy tunel przechodzi przez kilka stref geologicznych. Twarda skała może wystarczyć na większości trasy, ale bardziej miękki odcinek lub strefa uskoków może spowodować szybkie zmiany.

Powszechną praktyką jest testowanie jednego lub dwóch projektów płytek na początku projektu. Okres obserwacji nie musi być długi. Jeśli na płytkach występują duże odpryski, gatunek jest zbyt twardy lub geometria jest zbyt spiczasta. Jeśli płytki zużywają się szybko, ale skała nie jest szczególnie ścierna, gatunek jest zbyt miękki lub parametry głowicy skrawającej są nieprawidłowe. Testy te ujawniają, jak rzeczywista skała zachowuje się pod maszyną, co zawsze jest lepsze niż domysły laboratoryjne.

Jakość produkcji i problem spójności

Gatunek i geometria są widoczną częścią wyboru płytki. Niewidoczną częścią jest spójność produkcji. Węglik wolframu produkowany jest z proszku. Jeśli proszek jest słabo wymieszany, jeśli rozkład wielkości ziaren ulega zmianie lub jeśli proces spiekania nie jest kontrolowany, wkładki z jednej partii mogą zachowywać się inaczej niż inne. W tunelu ta niekonsekwencja jest bardzo trudna do zaakceptowania, ponieważ w głowicy frezowej mieści się wiele płytek jednocześnie. Jeśli jedna na sto wkładek ulegnie szybkiemu zużyciu, może to spowodować utworzenie na przodzie tunelu miejscowego obszaru, który nie zostanie w pełni przecięty, w wyniku czego pozostanie duży kawałek skały, który będzie musiał zostać rozbity przez sąsiedni frez.

Produkcja niezawodnych płytek TBM wymaga zintegrowanej linii produkcyjnej. W naszym zakładzie w Changzhou w Chinach zaczynamy od prasowania proszku węglika wolframu przy użyciu pras TPA. Metoda ta wykorzystuje kontrolowany profil ciśnienia w celu stworzenia zielonej bryły o spójnym kształcie i gęstości. Surową masę poddaje się następnie spiekaniu w niskociśnieniowych piecach do spiekania. Spiekanie niskociśnieniowe zmniejsza ostateczną porowatość resztkową i wytwarza delikatniejszą i gęstszą strukturę. Gęsta struktura z niewielką liczbą porów jest bezpośrednio powiązana z lepszą odpornością na zużycie i niższym ryzykiem pękania.

Po spiekaniu wkładki są szlifowane do ostatecznych wymiarów i wykończenia powierzchni. Precyzyjne szlifowanie odbywa się na pięcioosiowych szlifierkach narzędziowych CNC, a geometria narzędzia jest weryfikowana za pomocą cyfrowego urządzenia do ustawiania narzędzi. W przypadku narzędzi okrągłych i innych precyzyjnych komponentów nasza produkcja odbywa się zgodnie z uznanymi niemieckimi standardami produkcyjnymi. System ten stanowi dla nas punkt odniesienia w zakresie tolerancji i trwałości narzędzia. Instrumenty kontrolne są częścią procesu; nie są usuwane ze środowiska produkcyjnego i wykorzystywane jedynie do kontroli końcowych. Służą także do sterowania pracą szlifierki maszyny.

Firma posiada certyfikaty ISO9001 i ISO14001. Certyfikaty te wskazują, że system produkcji podlega audytowi oraz że istnieją procesy zarządzania środowiskiem i jakością. W przypadku projektu tunelu ten poziom kontroli służy prostemu, ale ważnemu celowi: wkładki docierające na miejsce powinny zachowywać się spójnie z wkładkami, które zostały przetestowane.

Rzeczywista trwałość i koszt wkładu

Koszt wkładki TBM jest niewielki w porównaniu z kosztem przestoju tunelu. Z tego powodu wybór płytek należy postrzegać jako czynnik produktywności, a nie tylko jako element zamówienia.

Źle dopasowana płytka może również powodować problemy z geometrią. Jeśli płytka zużywa się nierównomiernie, tarcza tnąca może przestać się obracać i wbić płaską krawędź w skałę. Zwiększa to opór skrawania całej głowicy tnącej. Wykonawcy tuneli wiedzą, że koszt nieoczekiwanego zatrzymania głowicy urabiającej to nie tylko robocizna i nowe części; jest to także utrata produkcji i ryzyko dla harmonogramu.

Skuteczną praktyką jest śledzenie trwałości płytki w poszczególnych strefach tunelu, w metrach z wyprzedzeniem. Tworzy to prostą krzywą wydajności, którą można porównać z rodzajem skały. Gdy żywotność wkładu dobiegnie końca, można dokonać zaplanowanej wymiany w bezpiecznym miejscu. Materiał zastosowany w płytce, jej geometria i jakość produkcji – wszystko to składa się na ten plan.

Zależność pomiędzy wyborem płytki, warunkami skały i wydajnością głowicy skrawającej omówiono bardziej szczegółowo w naszym artykule na temat dlaczego płytki z węglika wolframu TBM mają kluczowe znaczenie w budownictwie podziemnym .

Płytka z węglika wolframu TBM to niewielki element, który ma ogromny wpływ na postęp tunelu. Materiał musi być odporny na ścieranie. Geometria musi pasować do skały. Gatunek musi być zgodny z rzeczywistą głowicą skrawającą. Produkcja musi wytwarzać spójne części. Kiedy te czynniki zostaną spełnione, wkładka działa zgodnie z przeznaczeniem na przewidywalnym dystansie. Kiedy jeden czynnik jest zły, cierpi na tym maszyna. Kupujący i inżynierowie zajmujący się drążeniem tuneli powinni traktować wybór płytki jako negocjacje techniczne: zebrać dane geologiczne, omówić projekt głowicy urabiającej i poprosić dostawcę, który będzie w stanie kontrolować cały proces produkcyjny. Dni, w których głowica tnąca pozostaje opuszczona, są droższe niż sama płytka.