درجهای کاربید تنگستن برای ماشینهای حفاری تونل، عناصر اصلی برش هستند که مسئول شکستن، خراشیدن، و جداسازی سازندهای سنگ و خاک در سطح تونل هستند. هر متر پیشروی تونل در شرایط زمین سخت یا مختلط به توانایی این درج ها برای حفظ هندسه برش، مقاومت در برابر سایش، و جذب ضربه و نیروهای فشاری عظیمی که هنگام درگیر شدن یک سر برش دوار با سنگ در عمق ایجاد می شود، بستگی دارد. بدون درج های کاربید به درستی مشخص و نگهداری شده، نرخ نفوذ به شدت کاهش می یابد، مصرف برش افزایش می یابد، و اقتصاد کل پروژه تونل سازی به سرعت رو به وخامت می رود.
این درجها خود اجزای فشردهای هستند - معمولاً از چند میلیمتر تا چند سانتیمتر در ابعاد بحرانی خود متغیر هستند - اما آنها با دقت بسیار بالایی مهندسی شدهاند. درجه کاربید تنگستن، محتوای بایندر، اندازه دانه، هندسه درج، و لحیم کاری یا سیستم نصب بر روی فشار، همه متغیرهایی هستند که سازنده درج برای کاربرد برش خاص بهینه میکند. مشخصات درج کاربید که در سنگ آهک به خوبی عمل می کند، در گرانیت یا کوارتزیت زودرس سایش یا شکستگی خواهد داشت و بالعکس. درک اینکه چرا چنین است - و نحوه انتخاب مشخصات مناسب - دانش عملی است که خرید ابزار TBM موثر را از آزمون و خطای گران قیمت در این زمینه جدا می کند.
کاربید تنگستن (WC) یک ترکیب شیمیایی از تنگستن و کربن است که به شکل خالص متخلخل آن یکی از سختترین مواد مهندسی موجود است – پس از الماس و نیترید بور مکعبی در میان مواد ابزار برش تجاری کاربردی. در محصولات کاربید سیمانی که برای درجهای TBM استفاده میشود، دانههای کاربید تنگستن با یک چسب فلزی - تقریباً به طور کلی کبالت (Co) به هم متصل میشوند، اگرچه چسبکنندههای نیکل و نیکل-کروم در درجههای خاص مقاوم در برابر خوردگی استفاده میشوند - از طریق فرآیند متالورژی پودر شامل پرس و تف جوشی فاز مایع در دمای بالای 130 درجه سانتیگراد.
نتیجه یک ماده کامپوزیتی است که در آن دانههای WC سخت سختی و مقاومت در برابر سایش را ایجاد میکنند در حالی که ماتریس بایندر کبالت چقرمگی و مقاومت در برابر شکست تحت ضربه را ایجاد میکند. بینش مهم این است که سختی و چقرمگی در کشش در کاربید سیمانی وجود دارد - افزایش یکی معمولاً به قیمت دیگری تمام می شود. نمرات با محتوای کبالت کم و اندازه دانه ریز سختتر و مقاومتر در برابر سایش اما شکنندهتر هستند. نمرات با محتوای کبالت بالاتر و اندازه دانه درشت تر، سخت تر و مقاوم تر در برابر ضربه هستند، اما در شرایط سایشی سریعتر سایش می شوند. انتخاب درجه مناسب برای درج کاربید TBM به معنای یافتن موقعیت بهینه در این مبادله سختی-چقرمگی برای نوع سنگ خاص، سایندگی سازند و مکانیسم برش درگیر است.
به طور خاص برای کاربردهای TBM، کاربید سیمانی از همه جایگزین های عملی بهتر عمل می کند. نوک های فولادی فاقد سختی برای مقاومت در برابر سایش سنگ های ساینده با نرخ نفوذ قابل قبول هستند. سرامیک ها سختی رقابتی دارند اما چقرمگی شکست کافی برای زنده ماندن از بارگذاری ضربه در سطح تونل را ندارند. ابزارهای با نوک الماس در کاربردهای خاص با ارزش بالا استفاده می شوند، اما برای حجم عناصر برش مورد نیاز در سر برش کامل TBM غیر عملی هستند. ترکیب کاربید سیمانی از سختی، چقرمگی، پایداری حرارتی و قابلیت ساخت در مقیاس صنعتی، آن را به راه حل استاندارد برای سنگ سخت و درج های برش TBM با زمین مخلوط در سراسر صنعت تونل سازی جهانی تبدیل می کند.
همه درج های کاربید تنگستن روی سر برش TBM عملکرد یکسانی ندارند. سر برش مجموعه ای پیچیده از انواع مختلف ابزار است که هر کدام برای انجام وظیفه خاصی در فرآیند شکستن سنگ و حذف مواد قرار گرفته اند. درک تمایز بین این انواع درج برای تعیین درجه کاربید و هندسه مناسب برای هر موقعیت اساسی است.
برش دیسکی ابزار اصلی برش در TBM های سنگ سخت است. کاتر دیسکی شامل یک حلقه فولادی - دیسک - است که بر روی یک مجموعه توپی نصب شده است که به آن اجازه می دهد تا آزادانه با چرخش سر کاتر بچرخد. لبه دیسک با سطح سنگ تماس می گیرد و از طریق مکانیزم فرورفتگی غلتشی به جای برش مستقیم، شکستگی های کششی ایجاد می کند. درجهای کاربید تنگستن در برنامههای برش دیسک معمولاً در لبه حلقه دیسک تعبیه میشوند یا به عنوان ماده لبه تماس در طرحهای دیسک کامپوزیت استفاده میشوند. این درجها باید در برابر تنشهای فشاری بالا در نقطه تماس سنگ، بارگذاری خستگی ناشی از چرخههای ضربه مکرر و سایش سایشی ناشی از مواد معدنی سخت - بهویژه کوارتز - در ماتریس سنگ مقاومت کنند. نمرات با محتوای کبالت متوسط (8 تا 12 درصد Co) و اندازه دانه ریز تا متوسط معمولاً برای درج های برش دیسک در کاربردهای سنگ سخت مشخص می شود.
در شرایط زمینی نرم تا متوسط سخت و سطوح مخلوط، TBMها از ابزارهای کششی استفاده می کنند - پیک، خراش، و برش سنج - مجهز به دکمه کاربید تنگستن یا درج گل میخ که سازند را در یک عمل خراش یا برش درگیر می کند. درجهای دکمهای شکلهای کاربید نیمکرهای یا با مشخصات بالستیک هستند که با فشار روی بدنه ابزار فولادی نصب میشوند. درجهای گل میخ، ساقههای استوانهای با نوک سختشده هستند، همچنین به صورت پرس نصب میشوند یا روی صندلیهای آماده لحیم میشوند. این درج ها بارهای فشاری کمتری را نسبت به درج های برش دیسکی تجربه می کنند، اما در معرض نیروهای برشی جانبی بالاتر و ضربه متغیرتر از تماس های مخلوط سنگ و خاک قرار می گیرند. نمرات با محتوای کبالت بالاتر (12-16٪ Co) و اندازه دانه درشت تر، چقرمگی مورد نیاز برای مقاومت در برابر شکست را در این شرایط بارگذاری، به قیمت مقاومت در برابر سایش نسبت به گریدهای سخت تر کم کبالت، فراهم می کند.
کاترهای گیج در محیط بیرونی سر برش TBM قرار می گیرند و پروفیل تونل را به قطر مورد نیاز برش می دهند. آنها ترکیبی از بالاترین سرعت برش را تجربه میکنند - زیرا بیشترین مسافت محیطی را در هر چرخش طی میکنند - و بارگذاری ضربهای قابل توجه ناشی از بینظمیهای پروفیل و شرایط مخلوط زمین در مرز تونل. درج های کاتر گیج در معرض برخی از شدیدترین شرایط سایش بر روی سر برش هستند، به همین دلیل است که اغلب در درجه های سخت تر یا با ابعاد درج بزرگتر مشخص می شوند که حجم کاربید بیشتری را برای مقاومت در برابر سایش قبل از نیاز به جایگزینی درج می کنند.
در EPB (تعادل فشار زمین) و TBM های دوغاب که در شرایط زمین نرم یا سطوح مخلوط کار می کنند، پره های سر برش و دهانه های چرخ سطل با عناصر سایش با نوک کاربید تعبیه شده اند که از ساختار فولادی در برابر سایش ساینده محافظت می کند زیرا مواد شل شده به داخل دستگاه ریخته می شوند. این درجهای محافظ سایش عموماً در درجههای چقرمگی بالا مشخص میشوند که در برابر ضربههای ناشی از تکههای سنگ و آخالهای سخت در جریان گل و لای مقاومت میکنند و یکپارچگی ساختاری را به تیزی لبه برش اولویت میدهند.
شرایط زمین شناسی در سطح تونل محرک اصلی انتخاب درجه کاربید است. ساییدگی سنگ - که از طریق آزمایشهای استاندارد شده مانند شاخص سایندگی Cerchar (CAI) و تست سایندهسنج LCPC اندازهگیری میشود - مستقیماً میزان سایش درجهای کاربید و احتمال شکستگی فاجعهبار تحت بارگذاری ضربه را پیشبینی میکند. تطبیق درجه درج با سایندگی سنگ مهمترین تصمیم واحد در مشخصات درج کاربید TBM است.
| نوع سنگ | محدوده CAI معمولی | محتوای شرکت توصیه شده | اندازه دانه | مکانیسم سایش اولیه |
| سنگ آهک / سنگ مرمر | 0.1-0.5 | 10-14٪ | متوسط | سایش کم؛ ضربه از هواپیماهای شکستگی |
| ماسه سنگ | 0.5-2.5 | 8-12٪ | خوب تا متوسط | سایش متوسط از دانه های کوارتز |
| گرانیت | 2.0-4.5 | 6-10٪ | خوب | سایش بالا؛ ترک خوردگی خستگی |
| کوارتزیت | 3.5-6.0 | 6-9٪ | فوق العاده ریز تا خوب | سایش شدید؛ میکرو تراشه |
| بازالت / دولریت | 1.5-3.5 | 8-12٪ | خوب تا متوسط | سایش و ضربه ناشی از آخال های سخت |
| صورت مختلط / تا یخبندان | متغیر | 12-16٪ | متوسط to coarse | شکستگی ضربه از سنگفرش. سایش متغیر |
آستانه CAI تقریباً 2.0 یک نقطه تصمیم گیری عملی در انتخاب درجه کاربید است. کمتر از این مقدار، نمرات محتوای کبالت بالاتر با اندازه دانه متوسط، تعادل خوبی از چقرمگی و مقاومت در برابر سایش ایجاد می کند. بالاتر از CAI 2.0، نرخ سایش ساینده گریدهای با کبالت بالاتر غیراقتصادی میشود و مشخصات باید به سمت محتوای کبالت پایینتر، دانههای ریزتر که سختی را به قیمت مقداری چقرمگی حفظ میکنند، تغییر کند. در سازندهای بالاتر از CAI 4.0 - کوارتزیت شدید و برخی کنگلومراهای ساینده - حتی گریدهای ریزدانه کم کبالت درجه یک به سرعت فرسوده می شوند و فرکانس جایگزینی درج به یک عامل برنامه ریزی پروژه تبدیل می شود تا هزینه ای قابل اجتناب.
هندسه یک درج TBM کاربید تنگستن - شکل پروفیل، زاویه نوک و نسبتهای ابعادی آن - تعیین میکند که چگونه با سطح سنگ درگیر میشود، چگونه تنش را در بدنه کاربید توزیع میکند و چگونه عملکرد آن با فرسودگی درج تکامل مییابد. بهینه سازی هندسه به اندازه انتخاب درجه در به حداکثر رساندن عمر درج و راندمان برش مهم است.
نیمکرهای رایجترین شکل هندسی برای درج دکمههای ابزار درگ در زمینهای نرم تا متوسط سخت است. نوک گرد تنش تماسی را به طور یکنواخت در سطح وسیعی توزیع میکند و غلظت تنش اوج را کاهش میدهد که باعث شکستگی در نیمرخ واضحتر میشود. همانطور که نیمکره فرسوده می شود، هندسه آن به تدریج تکامل می یابد - نیمکره نیمه فرسوده هنوز یک نمایه برش عملکردی است، به این معنی که درج در بخش قابل توجهی از حجم خود قبل از نیاز به جایگزینی به کار خود ادامه می دهد. محدودیت اصلی نیمکره در سنگ سخت این است که برای دستیابی به عمق فرورفتگی یکسان در مقایسه با پروفیل های تیزتر، به نیروهای نفوذ بالاتری نیاز دارد، که باعث کاهش راندمان برش در سازندهایی می شود که نیروی نفوذ عامل محدود کننده است.
درجهای بالستیک دارای مشخصات نوک غلیظی هستند - در نقطهای گرد هستند، اما با زاویهای تندتر از نیمکره، به بدن استوانهایتر تبدیل میشوند. این هندسه تنش تماس را به طور مؤثرتری نسبت به نیمکره متمرکز می کند، و نفوذ در سنگ سخت تر را با همان نیروی اعمالی بهبود می بخشد، اما اگر به صورت جانبی برخورد شود یا در سازندهای با آخال های سخت استفاده شود، مستعد شکستگی است. درج های مخروطی با زاویه نوک مشخص، مزیت بازده نفوذ را بیشتر می کنند، اما در بین پروفیل های استاندارد مستعد شکستگی هستند. درج های کاربید TBM مخروطی و بالستیک معمولاً برای سازندهایی که راندمان برش اولویت است و بارگذاری ضربه قابل پیش بینی و مدیریت است مشخص می شود.
درج های پروفیل اسکنه یک لبه برش خطی را به جای تماس نقطه ای با سطح سنگ نشان می دهند. این هندسه برای برش و خراش دادن سازندهای نرم تا متوسط مؤثر است و معمولاً در موقعیتهای برش سنج و برش پروفیل که در آن هندسه برش مشخصی نیاز است استفاده میشود. لبه اسکنه به سرعت تحت شرایط سایشی به یک سطح صاف میچرخد و مکانیسم برش را از برش به شخم تغییر میدهد - یک تغییر عملکرد قابل توجه که نیروی برش مورد نیاز را افزایش میدهد و گرمای بیشتری را در وجه درج ایجاد میکند. بنابراین نظارت بر سایش درج اسکنه و جایگزینی آن در آستانه سایش مسطح یا قبل از آن نسبت به هندسه های درج دکمه از نظر زمان بسیار مهم است.
شناسایی مکانیسم سایش خاص مؤثر بر درجهای کاربید TBM در میدان، نقطه شروعی است برای تشخیص اینکه آیا مشخصات درج فعلی برای شرایط زمین مناسب است و آیا مداخلات - تغییر درجه، تغییر هندسه، تنظیم پارامترهای عملیاتی - احتمالاً عملکرد را بهبود میبخشد. حالت های سایش اصلی از نظر ظاهری متمایز هستند و دلایل ریشه ای متفاوتی دارند.
عملکرد درج های کاربید تنگستن در سرویس به طور قابل توجهی تحت تأثیر کیفیت نصب، فرکانس و دقت بازرسی در حین تونل سازی و معیارهای مورد استفاده برای شروع جایگزینی است. عملکرد ضعیف در هر یک از این زمینه ها، عمر مفید درج را کاهش می دهد و هزینه های ابزار در هر متر را افزایش می دهد، صرف نظر از اینکه درجه کاربید چقدر خوب مشخص شده است.
درجهای دکمهای با فشار مناسب باید با تداخل صحیح بین ساق درج و صندلی آماده شده در بدنه ابزار نصب شوند. تداخل بسیار کم اجازه می دهد تا درج تحت نیروهای برش بچرخد یا شل شود، سایش را تسریع کرده و در نهایت منجر به از بین رفتن درج می شود. تداخل بیش از حد باعث ایجاد تنش حلقه کششی در ساقه کاربید در هنگام نصب می شود، که می تواند باعث ایجاد ترک هایی شود که در حین کار به شکستگی تبدیل می شوند. سازندگان تناسب تداخل مورد نیاز را برای هر قطر درج و ترکیب مواد بدنه مشخص میکنند - این مشخصات باید دقیقاً رعایت شود و ابعاد صندلی قبل از نصب با اندازهگیری گیج تأیید شود. درج های لحیم کاری شده به انتخاب صحیح آلیاژ لحیم کاری، اعمال شار و کنترل ضخامت درز لحیم کاری نیاز دارند تا به استحکام باند مورد نیاز برای مقاومت در برابر نیروهای برشی بدون ترک خوردن کاربید مجاور سطح لحیم کاری دست یابند.
فواصل بازرسی سر برش TBM با شرایط زمین و الزامات پروژه متفاوت است، اما معمولاً در هر 300 تا 600 متر پیشروی در زمین با سختی متوسط و اغلب در سازندهای بسیار ساینده اتفاق میافتد. در طول هر بازرسی، هر موقعیت درج باید به صورت بصری برای حالتهای سایش شرح داده شده در بالا بررسی شود، و عمق سایش درج باید در موقعیتهای نماینده با استفاده از عمق سنج اندازهگیری شود. درج نقشههای سایش - ثبت سایش در هر موقعیت روی سر برش در بازههای بازرسی متوالی - امکان شناسایی موقعیتهایی با نرخ سایش غیرعادی بالا را میدهد که ممکن است نشاندهنده تغییرات موضعی شکلگیری، مشکلات تحویل آب خنککننده یا عدم تعادل چرخش سر برش باشد که نیاز به بررسی دارد.
درج ها باید قبل از سایش تا جایی که بدنه ابزار فولادی شروع به تماس با صفحه سنگ می کند تعویض شوند - در آن نقطه، بدنه ابزار به سرعت فرسوده می شود و هزینه تعویض بدنه ابزار بسیار بیشتر از صرفه جویی در حداکثر زمان کارکرد درج است. معیارهای جایگزینی معمولی برای درجهای دکمه، حداکثر قطر سایش مسطح 60 تا 70 درصد قطر درج اصلی را مشخص میکند، که فراتر از آن نرخ سایش بهطور غیرخطی تسریع میشود و خطر شکستگی شدید بهطور قابلتوجهی افزایش مییابد. برای برشکنندههای دیسک، سایش حلقه با اندازهگیری کاهش قطر حلقه از مشخصات اصلی کنترل میشود، با جایگزینی که معمولاً بسته به طراحی حلقه با محدودیت سایشی 5 تا 10 میلیمتر کاهش قطر آغاز میشود.
تهیه درج های کاربید تنگستن برای ماشین های حفاری تونل شامل ملاحظات فنی، تجاری و لجستیکی است که مختص محیط ساخت و ساز زیرزمینی است. عواقب مشخص کردن محصول نامناسب یا تمام شدن موجودی در اواسط محرک به اندازه کافی شدید است که تصمیم منبع را به طور قابل توجهی بیشتر از خریدهای مصرفی صنعتی بیشتر می کند.