金剛石串珠繩鋸橡膠保護套工作壽命的內因分析*

彭錦雯，彭 嘯，鄧衛星

(桂林理工大學有色金屬及材料加工新技術教育部重點實驗室，材料科學與工程學院，廣西 桂林　541004)

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金剛石串珠繩鋸橡膠保護套工作壽命的內因分析*

彭錦雯，彭 嘯，鄧衛星

(桂林理工大學有色金屬及材料加工新技術教育部重點實驗室，材料科學與工程學院，廣西 桂林541004)

金剛石串珠繩鋸逐漸成為未來的主流切割工具，在礦山開采等領域具有廣泛的應用。在大理石礦山切割中，橡膠保護套的工作壽命成為制約金剛石串珠繩鋸壽命的重要因素。我們通過模型計算及實際生產，探討了金剛石串珠與鋼絲繩之間的粘接力及保護套的曲撓性能對金剛石串珠繩鋸橡膠保護套工作壽命的影響。研究結果表明，提高金剛石串珠與鋼絲繩的粘接力可以有效解決金剛石串珠脫落的問題，而改善橡膠的曲撓性能可防止串珠后端橡膠開裂的發生。

金剛石串珠繩鋸；橡膠保護套；粘接力；曲撓

1　概述

1968年英國人浦勞斯提出將高硬度金剛石和高柔性鋼絲繩相結合，制作新型的切割工具的設想。十年之后，1978年，意大利的APUAN石材礦山成功進行了第一條金剛石串珠繩鋸切割實驗[1-3]。金剛石串珠繩鋸具有全形貌切割、低能耗、切割效率高、不受尺寸約束、低聲低塵、機械體積小而多變、組裝方便等優點。因此在礦山開采、板材切割、大型建筑構件拆遷、水下切割、管道切割等領域得到廣泛的應用，并且成為當今世界主流的切割工具[4-5]。

金剛石繩鋸主要由高強度鋼絲繩、金剛石串珠以及保護套三部分組成。隨著金剛石產業的發展成熟，保護套材料成為制約金剛石串珠繩鋸質量的技術短板[6-7]。保護套主要有橡膠和塑料兩種，塑料保護套主要用于石材在生產車間的切割，而橡膠保護套則主要用于戶外切割，如礦山切割、老舊設備的拆除、鋼筋混凝土切割等，因此工作環境更加惡劣，對其使用要求更高。盡管橡膠保護套并不負責切割，但它主要起兩個作用：金剛石串珠與鋼絲繩之間的粘接以及保護鋼絲繩在切割過程中不會暴露而迅速被腐蝕甚至斷繩[8]。

保護套的穩定性決定了金剛石串珠繩鋸的工作壽命，也決定了它在切割體系中的重要性。金剛石串珠繩鋸工作環境惡劣，工作強度極高，常出現金剛石串珠前/后端開裂、串珠脫落、鋼繩斷裂等問題，如圖1所示。為提高金剛石繩鋸質量的穩定性，本文從影響保護套壽命的兩個主要內在因素探討保護套質量的提高，鑒于金剛石密度、出刃高度、工作強度等因素是影響保護套使用壽命的外在因素，因此不進行討論。

圖1　金剛石繩鋸結構及其保護套的失效形貌Fig.1　Structure of diamond wire saw and the failure morphologies of its rubber protective sleeve

2　實驗部分

大理石繩鋸專用橡膠:自制。串珠與鋼絲繩之間的粘結力測試由拉力試驗機完成(型號Al-7000s)，取五組數據的平均值。曲撓測試由曲折測試機測試(型號GT-7011-DG)；大理石大面切割及荒料整形在柳州大塘礦山進行。繩鋸機及繩鋸參數見表1，大理石參數見表2。

表1　金剛石繩鋸機及繩鋸的相關參數

表2　試驗礦山大理石及其物理性質

3　結果與討論

3.1串珠與鋼絲繩之間的粘接力

串珠與鋼絲繩之間的粘接力是固定金剛石串珠與鋼絲繩之間相對位置的主要作用力。切割過程中單顆串珠受力(F0)主要來源于切削力以及摩擦力[9]。單顆磨粒切削力與切削深度成正比，而單顆串珠受力與該顆串珠上的瞬時有效切削磨粒數成正比。當繩鋸張緊力增加時，串珠施加于切割工件上的力增加，串珠上瞬時有效切削磨粒數增加，因此增加張緊力會大幅增加單顆串珠切削受力。另一方面，摩擦力主要取決于磨粒的出刃高度以及磨屑大小程度，這與切削工件的破碎方式有關[10]。當切割工件以赫茲破碎方式切割時[11]，磨屑粒徑多小于磨粒出刃高度，有助于磨屑排除，摩擦力較小。而切割過程中存在體積破碎方式時，部分磨屑顆粒大于磨粒的出刃高度，將不可避免地存在二次破碎，單顆串珠所受的摩擦力將會增大。當切割長度增加時，磨屑排出困難，也將會增加單顆串珠所受摩擦力。在繩鋸本身參數之外，冷卻水的用量也會大幅影響單顆串珠受到的摩擦力，由于工作條件的復雜性，研究人員對此影響的認識存在一定的局限。當串珠受力F0大于金剛石串珠與鋼絲繩之間的粘接力Fa時，金剛石串珠將會產生相對于鋼絲繩的變形位移ε。顯然當ε小于金剛石串珠耐受的最大變形位移時，串珠受力解除后，金剛石串珠能夠復位；否則，當ε大于金剛石串珠耐受的最大變形位移時，金剛石串珠會發生永久性位移，即發生串珠脫離保護套以及鋼絲繩的現象，金剛石繩鋸失效。

ε：串珠相對位移

F0：單顆串珠受力

Fa：金剛石串珠與鋼絲繩之間的粘接力

E：保護隔離套的表觀彈性模量

當串珠產生相對位移時，對于串珠前端的保護隔離套產生拉伸，而對串珠后端的保護隔離套產生壓縮。反復的動態位移會在串珠前后端與保護隔離套的粘接界面形成疲勞以及應力集中。在單顆串珠受力不變的情況下，當粘接力貢獻增加時，串珠的相對位移將有效減小。因此在保證保護套橡膠其他性能的前提下，金剛石串珠與鋼絲繩之間的粘接力增加有利于橡膠保護套工作壽命的提高。實驗證明，當金剛石串珠與鋼絲繩之間的粘接力大于1100 N時，可以有效保護金剛石繩鋸。

3.2金剛石串珠前后端與保護套接觸面的局部曲撓

分析圖1可以發現，金剛石繩鋸的失效主要發生在金剛石串珠前后兩端，而金剛石串珠前后端與保護套接觸面的局部曲撓是造成這一結果的主要因素[12]。通過圖2可以計算出金剛石繩鋸在工作時承受的曲撓角度。其中的計算基于以下假設條件：

圖2　金剛石串珠繩鋸通過導輪時的示意圖Fig.2　Scheme of the bending of diamond wire rope on the guide wheel

(1)繩鋸工作中，兩個金剛石串珠之間的伸長變形遠遠小于導輪周長，因此忽略不計；

(2)串珠直徑遠遠小于導輪周長，因此在計算串珠之間形成的弧角時忽略不計。

由金剛石繩鋸上的串珠密度可以得到兩個串珠之間的距離為1/n，這個值也是繩鋸包覆導輪時兩個串珠在導輪上形成的弧長。由弧長公式可得：

因此，弧對應的角度α為

由于弧度值小，曲撓角度可近似于串珠之間的弧度

α：兩個串珠之間形成的弧對應的角度，單位度

A：曲撓角度，單位度

R：導輪半徑，單位米

n：每米繩鋸包含的串珠數

以導輪直徑為80 cm，每米串珠數為40為例計算，當繩鋸經過導輪時，兩個串珠之間保護隔離套的曲撓角度為3.58°；而當導輪直徑為40 cm時，這個曲撓角度將達到7.16°。如果考慮串珠的直徑對曲撓的影響，保護隔離套實際承受的曲撓角度將略大于理論數值。反復的動態曲撓對串珠末端點形成的疲勞集中，將會對保護隔離套造成不可恢復的傷害。在極端條件下，當被切割對象的轉角直徑小于導輪直徑時，保護隔離套所承受的曲撓角度將遠大于這一數值。因此，動態曲撓對金剛石串珠繩鋸保護隔離套形成的破壞不容忽視。圖3為試驗用金剛石串珠繩鋸所用保護套橡膠的曲撓測試，圖4為其切割大理石礦山的使用情況。在完成1500 m2大理石切割時，試驗繩鋸依然完好無損，仍然處于良好的工作狀態。實驗結果說明提高保護套橡膠的曲撓特性，可以有效增加金剛石串珠繩鋸的工作壽命。

實際應用中，金剛石繩鋸在切割大理石時存在前端開裂現象。由于金剛石串珠前端凸出長度小于后端凸出長度，因此，由曲撓導致的開裂應當首先發生在金剛石串珠的后端，然而實驗結果并沒有出現串珠后端開裂的情況，說明實驗用橡膠在曲撓強度方面已經完全能勝任大理石切割的工作強度。導致金剛石串珠前端開裂的因素本文未作探討，尚需要進一步研究。

圖3　試驗所用保護套橡膠的曲撓測試Fig.3　Deflection test of the rubber protective sleeve

圖4　金剛石繩鋸切割大理石的實用效果Fig.4　Practical effect of diamond wire saw in marble cutting

4　結論

通過改善橡膠提高金剛石串珠與鋼絲繩之間的粘接力以及增加橡膠的曲撓性能，研究了兩者對金剛石串珠繩鋸工作壽命的影響。研究結果表明：金剛石串珠與鋼絲繩之間的粘接力增加有利于橡膠保護套工作壽命的提高，當金剛石串珠與鋼絲繩之間的粘接力大于1100 N時，可以有效保護金剛石繩鋸。橡膠曲撓性能的增加可以有效防止金剛石串珠后端橡膠開裂的現象。模型計算結論與實際礦山應用的結果相一致，可為以后完善相關模型的構建提供有力幫助。

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Internal Cause Analysis of Service Life of the Rubber Protective Sleeve of Diamond Beaded Wire Saw

PENG Jin-wen, PENG Xiao, DENG Wei-xing

(KeyLaboratoryofNewProcessingTechnologyforNonferrousMetalsandMaterials,MinistryofEducation,GuilinUniversityofTechnology,Guilin,Guangxi,China541004)

Diamond beaded wire saw starts to become the future dominant cutter and is widely adopted in fields such as mining industry. In marble mine cutting, Service life of the rubber protective sleeve is the key factor that restricts the service life of diamond beaded wire saw. The influence of adhesive strength between diamond beads and wire rope and deflection behavior of the rubber protective sleeve on the service life of the rubber protective sleeve has been discussed through model calculation and actual production. Result shows that the problem of diamond beads detachment can be solved by improving the adhesive strength between diamond beads and wire rope while improving the deflection behavior of the rubber protective sleeve can prevent the cracking of the rear-end rubber of the beads.

diamond beaded wire saw; rubber protective sleeve; adhesive strength; deflection

2016-05-11

彭錦雯(1965-)，女，教授，從事功能高分子材料的開發研究。通訊作者：鄧衛星(1979-)，男，高級實驗師。E-mail:freewxdeng@163.com。

TQ164

A

1673-1433(2016)04-0015-05

引文格式：彭錦雯，彭嘯，鄧衛星.金剛石串珠繩鋸橡膠保護套工作壽命的內因分析[J].超硬材料工程，2016，28(4)：15-19.