旋挖截齒非正常磨損失效原因分析及提高截齒綜合質(zhì)量的技術(shù)措施

   實(shí)用技術(shù)的核心是由工法和實(shí)現(xiàn)工法的材料與設(shè)備組成，因此材料是核心技術(shù)的核心之一;材料的強(qiáng)弱也是一個(gè)國(guó)家強(qiáng)韌的重要表現(xiàn)。硬質(zhì)合金材料是所有應(yīng)用材料的重要組成部分，廣泛應(yīng)用于航空航天、機(jī)械加工、基礎(chǔ)工程、汽車工業(yè)、合成材料等各領(lǐng)域。本文旨在對(duì)硬質(zhì)合金截齒在旋挖鉆機(jī)鉆巖施工中存在的材料及工具非正常失效問(wèn)題進(jìn)行分析，并針對(duì)存在的缺陷提出技術(shù)解決方案。

   關(guān)鍵詞:硬質(zhì)合金截齒、旋挖鉆機(jī)、旋挖鉆頭、截齒體、截齒座、卡簧、破巖機(jī)理、激光焊接

一、隨著我國(guó)工程基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展和設(shè)備工藝的進(jìn)步，旋挖鉆機(jī)因其快速高效及泥漿排放少的特點(diǎn)，已被越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于各種樁基礎(chǔ)施工，旋挖鉆機(jī)施工的難點(diǎn)就是入巖問(wèn)題，尤其是在較堅(jiān)硬的巖層中;截齒種類較多，本文討論鉆進(jìn)較堅(jiān)硬巖層時(shí)截齒存在的問(wèn)題。

旋挖鉆機(jī)鉆巖主要是通過(guò)旋挖鉆機(jī)輸出較大的扭矩和壓力到旋挖鉆頭并通過(guò)鉆頭上的硬質(zhì)合金截齒破碎巖石，以達(dá)到入巖目的。旋挖鉆頭由鉆頭體、截齒座和截齒組成;截齒體按一定的角度和數(shù)量均布焊于鉆頭體底部，截齒則通過(guò)截齒體上的卡簧鑲嵌固定在截齒座上;鉆進(jìn)時(shí)截齒一方面按鉆頭體旋轉(zhuǎn)方向做順時(shí)針公轉(zhuǎn)，另一方面，由于巖石對(duì)截齒的反作用力，每個(gè)截齒又在截齒座中做反時(shí)針自傳，以保證截齒的每個(gè)圓弧面在工作中都能均勻接觸巖石，確保截齒的工作面能均勻磨損。

       旋挖鉆機(jī)鉆樁口徑較大，一般都在 800mm~2500mm 或更大，需鉆取的巖石較多，鉆頭承受的壓力和扭矩都非常大，同時(shí)由于施工過(guò)程中無(wú)循環(huán)水冷卻，鉆頭截齒在孔低鉆巖過(guò)程中會(huì)長(zhǎng)期在較高的溫度下工作，這些客觀存在的不利因素不但對(duì)截齒提出了更高的要求，也事實(shí)上誘發(fā)了截齒在施工過(guò)程中的非正常損耗。

 

二、日前截齒在施工過(guò)程中非正常損耗(失效)的表現(xiàn)形式及原因分析

1、 截齒硬質(zhì)合金頭脫焊、碎裂

截齒在孔低鉆巖過(guò)程中要承受較大的壓力、扭矩，而傳統(tǒng)的中頻釬焊工藝在焊接過(guò)程中需二次高溫加熱，這個(gè)過(guò)程會(huì)使硬質(zhì)合金張應(yīng)力增加，致使硬質(zhì)合金在承受較大壓力和沖擊功的情況下容易產(chǎn)生碎裂脫落而失效;同時(shí)，傳統(tǒng)的中頻釬焊工藝由于殘余應(yīng)力的作用，焊接強(qiáng)度會(huì)有所降低，熱穩(wěn)定性也存在一定的缺陷，截齒在鉆巖過(guò)程中因溫度升高焊接強(qiáng)度降低，在某個(gè)瞬間受到較大沖擊力后硬質(zhì)合金也會(huì)整體脫落而失效。

2、截齒體偏磨

這個(gè)是比較普遍存在的現(xiàn)象。截齒在正常的工作狀態(tài)下應(yīng)該是:一方面截齒隨鉆頭體順時(shí)針公轉(zhuǎn)，另一方面截齒體因受到地層的反作用力會(huì)在截齒座中逆時(shí)針自傳，使截齒的各工作面都能均勻參與破碎巖石，均勻磨損、均勻消耗，充分發(fā)揮截齒的全部作用。但實(shí)際情況經(jīng)常是:由于孔低巖屑泥沙較多，而且孔低高溫使截齒體和截齒座的表面能增高使其吸附性更強(qiáng)，致使截齒座與截齒體的卡簧中充填大量巖屑泥沙而使截齒體自傳不暢順或直接卡死不轉(zhuǎn)，從而造成截齒偏麻。即只有一個(gè)面長(zhǎng)期受力、受熱而快速損耗;當(dāng)磨損到一定程度時(shí)，截齒體不能完全包裹硬質(zhì)合金時(shí)就會(huì)造成硬質(zhì)合金過(guò)早脫落而使截齒失效;同時(shí)，截齒體磨損到一定程度時(shí)也會(huì)因壓力和扭矩較大而在孔底折斷而使截齒失效。

3、 其它因素

除以上主要原因外造成截齒過(guò)早失效外，還存在截齒體從截齒座脫落的情況。另外，硬質(zhì)合金本身質(zhì)量缺陷、硬質(zhì)合金物理力學(xué)性能的選擇不合理、截齒體材料的選擇及熱處理工藝不合理、卡簧的熱處理工藝不合理及旋挖機(jī)手的操作不熟練等都會(huì)造成截齒在復(fù)雜工況條件下非正常損耗而失效。

 

三、提高截齒綜合質(zhì)量及穩(wěn)定性的思路

根據(jù)截齒在工作狀態(tài)下非正常磨損失效的表現(xiàn)形式及原因分析，要提高截齒的綜合質(zhì)量和穩(wěn)定性需對(duì)截齒加工過(guò)程中的各環(huán)節(jié)進(jìn)行針對(duì)性的改進(jìn)，具體解決思路如下:

1、 提高硬質(zhì)合金的硬度、韌性及熱穩(wěn)定性，使其在后期加工過(guò)程及工作過(guò)程能保持更好的穩(wěn)定性;

2、對(duì)硬質(zhì)合金及截齒體的形狀角度做優(yōu)化設(shè)計(jì)，增大硬質(zhì)合金和截齒體的觸巖面積以增加截齒的整體受力面積從而降低單位面積的受力狀況，以增強(qiáng)截齒整體的耐磨性，同時(shí)也增大了巖層對(duì)截齒的反作用力，使截齒能在截齒座正常自傳并均勻磨損;

3、 降低截齒體和卡簧的表面能以增強(qiáng)截齒的疏水性、疏油性即蓮花效應(yīng)，使巖屑泥沙不易吸附在截齒體和卡簧中，從而最大限度的保證截齒能良好自傳:

4、優(yōu)化截齒在鉆頭體上的分布和數(shù)量，讓每個(gè)截齒在工作過(guò)程中受力合理且破巖效果最佳;

5、 采用新的焊接工藝，提高焊接強(qiáng)度降低有害殘余應(yīng)力，使截齒在二次加工后各部分的材料性能參數(shù)還能保持在較高的水平;

四、具體實(shí)施的技術(shù)措施

1、對(duì)硬質(zhì)合金胎體材料進(jìn)行改良，經(jīng)過(guò)多次對(duì)比試驗(yàn)，在 YG8 中顆粒合金粉末的基礎(chǔ)上加入少量細(xì)顆粒 TIC 和 MO 所壓制成的硬質(zhì)合金在保證硬度的同時(shí)，耐磨性和紅硬性均有較大提高，同時(shí)釬焊后殘余應(yīng)力較小;具體表現(xiàn)在截齒在鉆進(jìn)堅(jiān)硬花崗巖時(shí)硬質(zhì)合金再未出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，同時(shí)鉆巖效率也有所提高。

在湖北浠水縣一工地鉆取堅(jiān)硬花崗巖的巖芯和鉆后截齒，該工地花崗巖單軸抗壓強(qiáng)度大于 80Mpa，用改進(jìn)工藝后的截齒進(jìn)行施工，鉆進(jìn)時(shí)效達(dá)0.3~0.4 米/小時(shí)，且截齒表現(xiàn)良好，未見(jiàn)魚(yú)裂和脫齒現(xiàn)象。

2、從鉆探工藝學(xué)關(guān)于巖石破碎理論我們知道，巖石最優(yōu)破碎角是 135?~160?，根據(jù)這個(gè)理論，我們優(yōu)化設(shè)計(jì)了硬質(zhì)合金和截齒體的形狀和角度，硬質(zhì)合金和截齒體均采用 60?頂角的梯形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);一方面保證硬質(zhì)合金和截齒體觸巖面積增大整體受力均勻，因此降低了不均勻磨損的誘發(fā)因素;另一方面也保證鉆頭截齒入巖角度在 135?~160?范圍內(nèi)從而保證了最佳破巖效果。具體表現(xiàn)在施工時(shí)，鉆巖效率更高，截齒體非正常腐損失效的概率降低。

3、改進(jìn)焊接工藝，采用雙光源激光釬焊工藝對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行焊接。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是:只對(duì)截齒的焊接部位進(jìn)行局部加熱，且速度快、熱熔均勻，避免了傳統(tǒng)中頻釬焊的整體加熱及二次回火處理，殘余應(yīng)力小，焊縫均勻，焊接強(qiáng)度高，截齒的整體硬度、耐磨性及熱穩(wěn)定性得到保障。具體表現(xiàn)為在大口徑入巖樁鉆進(jìn)時(shí)硬質(zhì)合金脫齒率顯著降低。

4、根據(jù)巖石的硬度和鉆頭的直徑優(yōu)化截齒在鉆頭體上的分部，巖石越硬布齒越多，讓每個(gè)單齒受力更均勻;通過(guò)試驗(yàn)證明 1.2 米鉆頭布 18~22 個(gè)截齒較為合理，無(wú)論鉆進(jìn)效率還是截齒耐磨性都有較好的保障。

5、為提高截齒提高截齒的自轉(zhuǎn)效果，我們對(duì)截齒體和卡簹進(jìn)行了降低表面能的處理;具體方法是對(duì)卡簧和截齒體噴涂一層具雙微結(jié)構(gòu)的納米陶瓷材料，該材料主要成分為:SiO、Fe和AI，該材料具疏水性和疏油性，熱穩(wěn)定性在450~500?C左右，試驗(yàn)結(jié)果表明，在采用該措施后，截齒在鉆進(jìn)過(guò)程中自轉(zhuǎn)性能有一定提高，截齒被卡死的情況有所降低，這方面還需做進(jìn)一步研究。

五、總結(jié)

1、在對(duì)硬質(zhì)合金材料選型、幾何尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)、焊接工藝及截齒體和卡簧表面處理工藝進(jìn)行不同程度的改進(jìn)后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和顯微分析，截齒的綜合性能及穩(wěn)定性都有了較大的提高，說(shuō)明我們的分析和思路是正確的。

2、旋挖截齒在現(xiàn)代樁基礎(chǔ)旅工中扮演者越來(lái)越重要的角色，提高截齒的綜合質(zhì)量和穩(wěn)定性以及開(kāi)發(fā)快速入巖截齒是今后的主要發(fā)展方向，需做更深入的研究。

3、山東三強(qiáng)礦用機(jī)械有限公司在硬質(zhì)合金選型、焊接技術(shù)改良、幾何尺寸設(shè)計(jì)及降低表面能方面做了一些簡(jiǎn)單的技術(shù)更新嘗試，由于水平有限文中難免有錯(cuò)誤的觀點(diǎn)和論述，實(shí)際工程實(shí)踐中也尚存不足之處，我司仍在不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，改進(jìn)工藝，提高截齒使用率，避免出現(xiàn)非正常磨損失效及提高截齒綜合質(zhì)量的技術(shù)措施。我司會(huì)根據(jù)使用質(zhì)地情況為您推薦適合優(yōu)質(zhì)截齒，歡迎大家咨詢選購(gòu)：13953723410