旋挖截齒非正常磨損失效原因分析及提高截齒綜合質量的技術措施

   實用技術的核心是由工法和實現(xiàn)工法的材料與設備組成，因此材料是核心技術的核心之一;材料的強弱也是一個國家強韌的重要表現(xiàn)。硬質合金材料是所有應用材料的重要組成部分，廣泛應用于航空航天、機械加工、基礎工程、汽車工業(yè)、合成材料等各領域。本文旨在對硬質合金截齒在旋挖鉆機鉆巖施工中存在的材料及工具非正常失效問題進行分析，并針對存在的缺陷提出技術解決方案。

   關鍵詞:硬質合金截齒、旋挖鉆機、旋挖鉆頭、截齒體、截齒座、卡簧、破巖機理、激光焊接

一、隨著我國工程基礎建設的發(fā)展和設備工藝的進步，旋挖鉆機因其快速高效及泥漿排放少的特點，已被越來越廣泛地應用于各種樁基礎施工，旋挖鉆機施工的難點就是入巖問題，尤其是在較堅硬的巖層中;截齒種類較多，本文討論鉆進較堅硬巖層時截齒存在的問題。

旋挖鉆機鉆巖主要是通過旋挖鉆機輸出較大的扭矩和壓力到旋挖鉆頭并通過鉆頭上的硬質合金截齒破碎巖石，以達到入巖目的。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，截齒則通過截齒體上的卡簧鑲嵌固定在截齒座上;鉆進時截齒一方面按鉆頭體旋轉方向做順時針公轉，另一方面，由于巖石對截齒的反作用力，每個截齒又在截齒座中做反時針自傳，以保證截齒的每個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，同時由于施工過程中無循環(huán)水冷卻，鉆頭截齒在孔低鉆巖過程中會長期在較高的溫度下工作，這些客觀存在的不利因素不但對截齒提出了更高的要求，也事實上誘發(fā)了截齒在施工過程中的非正常損耗。

 

二、日前截齒在施工過程中非正常損耗(失效)的表現(xiàn)形式及原因分析

1、 截齒硬質合金頭脫焊、碎裂

截齒在孔低鉆巖過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程中需二次高溫加熱，這個過程會使硬質合金張應力增加，致使硬質合金在承受較大壓力和沖擊功的情況下容易產生碎裂脫落而失效;同時，傳統(tǒng)的中頻釬焊工藝由于殘余應力的作用，焊接強度會有所降低，熱穩(wěn)定性也存在一定的缺陷，截齒在鉆巖過程中因溫度升高焊接強度降低，在某個瞬間受到較大沖擊力后硬質合金也會整體脫落而失效。

2、截齒體偏磨

這個是比較普遍存在的現(xiàn)象。截齒在正常的工作狀態(tài)下應該是:一方面截齒隨鉆頭體順時針公轉，另一方面截齒體因受到地層的反作用力會在截齒座中逆時針自傳，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。但實際情況經常是: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，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，從而造成截齒偏麻。即只有一個面長期受力、受熱而快速損耗;當磨損到一定程度時，截齒體不能完全包裹硬質合金時就會造成硬質合金過早脫落而使截齒失效;同時，截齒體磨損到一定程度時也會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早失效外，還存在截齒體從截齒座脫落的情況。另外，硬質合金本身質量缺陷、硬質合金物理力學性能的選擇不合理、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手的操作不熟練等都會造成截齒在復雜工況條件下非正常損耗而失效。

 

三、提高截齒綜合質量及穩(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量和穩(wěn)定性需對截齒加工過程中的各環(huán)節(jié)進行針對性的改進，具體解決思路如下:

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

2、對硬質合金及截齒體的形狀角度做優(yōu)化設計，增大硬質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，以增強截齒整體的耐磨性，同時也增大了巖層對截齒的反作用力，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截齒的疏水性、疏油性即蓮花效應，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，讓每個截齒在工作過程中受力合理且破巖效果最佳;

5、 采用新的焊接工藝，提高焊接強度降低有害殘余應力，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、具體實施的技術措施

1、對硬質合金胎體材料進行改良，經過多次對比試驗，在 YG8 中顆粒合金粉末的基礎上加入少量細顆粒 TIC 和 MO 所壓制成的硬質合金在保證硬度的同時，耐磨性和紅硬性均有較大提高，同時釬焊后殘余應力較小;具體表現(xiàn)在截齒在鉆進堅硬花崗巖時硬質合金再未出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，同時鉆巖效率也有所提高。

在湖北浠水縣一工地鉆取堅硬花崗巖的巖芯和鉆后截齒，該工地花崗巖單軸抗壓強度大于 80Mpa，用改進工藝后的截齒進行施工，鉆進時效達0.3~0.4 米/小時，且截齒表現(xiàn)良好，未見魚裂和脫齒現(xiàn)象。

2、從鉆探工藝學關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)這個理論，我們優(yōu)化設計了硬質合金和截齒體的形狀和角度，硬質合金和截齒體均采用 60?頂角的梯形結構設計;一方面保證硬質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?范圍內從而保證了最佳破巖效果。具體表現(xiàn)在施工時，鉆巖效率更高，截齒體非正常腐損失效的概率降低。

3、改進焊接工藝，采用雙光源激光釬焊工藝對硬質合金進行焊接。該工藝的優(yōu)點是:只對截齒的焊接部位進行局部加熱，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，殘余應力小，焊縫均勻，焊接強度高，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時硬質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，讓每個單齒受力更均勻;通過試驗證明 1.2 米鉆頭布 18~22 個截齒較為合理，無論鉆進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效果，我們對截齒體和卡簹進行了降低表面能的處理;具體方法是對卡簧和截齒體噴涂一層具雙微結構的納米陶瓷材料，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，試驗結果表明，在采用該措施后，截齒在鉆進過程中自轉性能有一定提高，截齒被卡死的情況有所降低，這方面還需做進一步研究。

五、總結

1、在對硬質合金材料選型、幾何尺寸優(yōu)化設計、焊接工藝及截齒體和卡簧表面處理工藝進行不同程度的改進后，通過現(xiàn)場試驗和顯微分析，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)代樁基礎旅工中扮演者越來越重要的角色，提高截齒的綜合質量和穩(wěn)定性以及開發(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、山東三強礦用機械有限公司在硬質合金選型、焊接技術改良、幾何尺寸設計及降低表面能方面做了一些簡單的技術更新嘗試，由于水平有限文中難免有錯誤的觀點和論述，實際工程實踐中也尚存不足之處，我司仍在不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，改進工藝，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量的技術措施。我司會根據(jù)使用質地情況為您推薦適合優(yōu)質截齒，歡迎大家咨詢選購：13953723410