金剛石復合銑刨刀頭的研究與應用①

方海江,王鵬展,顧光輝

(河南四方達超硬材料股份有限公司,河南鄭州450016)

金剛石復合銑刨刀頭的研究與應用①

方海江,王鵬展,顧光輝

(河南四方達超硬材料股份有限公司,河南鄭州450016)

隨著高速公路建設在我國的快速發展,路面的養護和維修工作也隨之增多。銑刨刀頭作為道路養護的主要工具之一,人們對其壽命和工作效率也提出了更高的要求。研究提供了一種新型聚晶金剛石銑刨刀頭,實驗表明,聚晶金剛石銑刨刀頭與傳統硬質合金銑刨刀頭相比,大大提升了使用壽命、提高了工作效率并且減少了損耗,是路面養護和維修的理想工具。

聚晶金剛石復合齒;金剛石復合銑刨刀頭;硬質合金

1 引言

銑刨刀頭是銑刨機上的關鍵部件,也是主要消耗件之一。近年來,隨著全國公路總里程的逐年增加以及公路的后期翻修、養護等,市場對銑刨刀頭的需求量大幅增加[1][2]。但是經過調查發現,傳統的銑刨刀頭由于其本身材料的局限性,容易出現磨損、齒頭脫落、齒頭破裂等問題,大大降低了生產效率。隨著我國超硬材料工業的發展,聚晶金剛石銑刨刀頭采用聚晶金剛石復合齒代替了傳統的硬質合金柱齒。與硬質合金銑刨刀頭相比,金剛石銑刨刀頭由于其高耐磨性、高硬度等優異的機械力學性能,在作高性能銑刨刀頭材料時具有廣闊的應用前景。

2 實驗

2.1 高性能聚晶金剛石復合齒

本文所制備的高性能聚晶金剛石復合齒的外觀形狀如圖1所示。

高性能聚晶金剛石復合齒是在高溫高壓下由人造金剛石與硬質合金一次燒結而成的超硬材料制品,它不但具有金剛石所具備的強度高,耐磨等優點,同時還具備了硬質合金所具備的抗沖擊性強、出刃大等特點。

2.2 金剛石復合銑刨刀頭

傳統的銑刨刀頭由鋼制基體和硬質合金齒組成,在偏硬的路面進行銑刨作業時,由于硬質合金的耐磨性不夠,從而造成了傳統銑刨刀頭的使用壽命短、進尺速度慢和銑刨效率低的結果[3,4]。為了克服現有硬質合金銑刨刀頭在耐磨性和銑刨效率方面的不足,本文提供了一種新型聚晶金剛石復合銑刨刀頭。它采用高硬度、高耐磨性和具有良好抗沖擊性能的聚晶金剛石復合齒代替了傳統的硬質合金柱齒,很好地解決了在面對極硬地層時硬質合金柱齒不耐磨的問題。

如圖1所示,高性能金剛石復合銑刨刀頭包括鋼體、合金臺和一個金剛石復合柱齒頭,金剛石柱齒頭焊接在合金臺上,合金臺焊接在鋼體上。路面銑刨分為水泥路面銑刨和瀝青路面銑刨,因此普通的硬質合金銑刨刀頭又分為水泥銑刨刀頭和瀝青銑刨刀頭,這是由路面材料堅硬程度所決定的[5]。

圖1 金剛石復合銑刨刀頭Fig.1 PDC Cutter For Road Milling Machine

2.3 試驗情況

金剛石復合銑刨刀頭曾在G106國道河南濮陽段進行試驗。該路段瀝青層厚7cm,水泥層厚15cm,路段比較平坦,普氏系數在10～15之間,屬Ⅱ級堅固巖石。實驗設備為維特根2000型銑刨機?，F用硬質合金銑刨刀頭為進口凱南麥特銑刨刀頭,平均壽命在500米左右,平均銑刨效率在1000m/h,折算每米銑刨所需時間為0.06分鐘。

金剛石復合銑刨刀頭(以下簡稱金剛石銑刨刀頭)在G106國道河南濮陽段共進行了2次試驗,以其中一次試驗結果為例說明。

此次共試驗了15個金剛石銑刨刀頭,15個平均壽命在4000m左右,平均銑刨效率在1000m/h,折算每米純鉆進時間為0.06分鐘。現場跟蹤金剛石銑刨刀頭的使用情況,記錄銑刨刀頭的銑刨深度和銑刨量并將使用之后的金剛石銑刨刀頭照片進行對比,如圖2、圖3所示:

(1)現用合金銑刨刀頭實驗前后照片對比如下:

圖2 實驗前合金銑刨刀頭Fig.2 cemented carbide cutter for road milling machine before experimnet

圖3 500米時合金銑刨刀頭失效形態Fig.3 failure shape of the cemented carbide cutter at 500m

(2)四方達金剛石復合銑刨刀頭試驗前后照片對比如下:

圖4 實驗前金剛石銑刨刀頭Fig.4 PDC Cutter For Road Milling Machine before experimnet

圖5 4000米時金剛石銑刨刀頭失效形態Fig.5 failure shape of PDC Cutter at 4000m

試驗結論:

由圖2和圖3對比可以看出,合金銑刨刀頭主要失效形態是偏磨、基體斷裂,其硬質合金的耐磨性不強,在500米甚至不到500米的時就已經失效。

由圖4和圖5對比可以看出,金剛石銑刨刀頭的耐磨性很強,在4000米時上面的金剛石復合片依然保存完好,整個金剛石銑刨刀頭看起來均勻磨損,是理想的磨損情況。

由圖3和圖5對比可以看出,金剛石銑刨刀頭明顯比硬質合金銑刨刀頭更具耐磨性、銑刨效率更高、壽命更長。

2.4 試驗分析

2.4.1 主要從成本上進行分析如下:

表1 銑刨刀頭成本分析Table.1 Cost of PDC Cutter

假定銑刨刀頭成本及人工成本保持不變,一個滾筒可以裝168個銑刨刀頭,因此采用金剛石復合齒銑刨刀頭相比合金銑刨刀頭節約油耗及設備折舊費大約共計0.336元/米。從以上試驗結果及成本分析,可以發現使用金剛石銑刨刀頭在濮陽的兩大優勢:

(1)壽命長(相對合金鉆頭提高8倍);

(2)單位米數的銑刨成本低(僅動力及折舊費用就降低0.336元/米)。

2.4.1 從效益上分析比較如下

(1)假定銑刨刀頭成本及人員工資保持不變,采用金剛石復合銑刨刀頭比合金節約電費及設備折舊費共計0.336元/米,以2012年公路施工量423.75萬公里計算,大約可節約14億元;

(2)壽命更長,可以減少更換銑刨刀頭及反復裝拆的次數,從而極大地減輕工人的勞動強度;可以減少運送銑刨刀頭的次數,節省運輸成本,目前每天需要向工地運送10次銑刨刀頭,采用金剛石銑刨刀頭后,可減少往工地運送銑刨刀頭的次數,節省運輸成本?？傊?由于使用壽命的延長及銑刨效率的提高,可降低綜合管理成本及其他費用支出。

3 結論

隨著各種先進的銑刨機械在工程領域中的廣泛應用,對銑刨刀頭的使用性能提出了更高要求。高性能金剛石復合銑刨刀頭以其高硬度、高強度、高耐磨性和高抗沖擊性等[6]優良性能在路面養護維修工程施工領域具有廣闊的市場前景。國外對金剛石復合銑刨刀頭的類型、結構及性能等做了大量卓有成效的研究開發,但仍存在很多不足之處,國內在金剛石復合銑刨刀頭的研究、開發及應用方面還處于初步階段。隨著相關技術的進步,金剛石復合銑刨刀頭的性能將有更大的提高,并將進一步拓寬到更多工況更惡劣的工程施工領域。

[1] 桑寶財,富文軍,韓鷹.瀝青路面冷銑刨機刀具壽命分析[J].建筑機械化,2000(16):28-29.

[2] 楊士敏.高等級公路養護機械[M].北京:機械工業出版社, 2003.

[3] 楊賀來,孫善萍豐.瀝青路面冷銑刨機刀具設計及失效分析[J].工程機械,1995(6):4-11.

[4] 李維維,孟昭彬.路面冷銑刨機的刀具磨損與刀具耐用度[J].筑路機械與施工機械化,2006:29-30.

[5] 劉曉陽,段隆臣,姜德英,湯鳳林.金剛石-硬質合金復合齒鉆頭在卵礫石地層中的應用[J].煤田地質與勘探,2004(2):63-64.

[6] 江文清.金剛石復合片合成工藝與性能研究[D],桂林.桂林工學院,2006.

Research and Application of PDC Cutter for road milling machine

FANG Hai-jiang,WANG Peng-zhan,GU Guang-hui
(Henan Sifang Diamond Co.,Ltd,Zhengzhou,Henan,450016,China)

With the rapid development of freeway construction in China,road maintenance and repair work increase correspondingly.Milling cutter is a major tool for road maintenance,so the requirement for longer service life and better work efficiency of it has been keeping higher.This research provides a new type of PDC cutter for road milling machine.Experiment shows that compared with the conventional cemented carbide cutter, the PDC cutter has much longer service life and better work efficiency as well as less wear and tear.It is an ideal tool for road maintenance and repair.

Tooth-type PDC;PDC Cutter For Road Milling Machine;Cemented Carbide

TQ164

A

1673-1433(2014)06-0019-04

2015-01-09

方海江(1968-),男,碩士,河南四方達超硬材料股份有限公司董事長兼總經理,主要從事超硬材料及制品的研究和開發。Email: fang@sf-diamond.com