TBM-Wolframkarbideinsätze: Auswahl-, Leistungs- und Lieferantenleitfaden

Bei einem Hartgesteinstunnelprojekt ist der Bohrkopf der TBM der einzige Kontakt zwischen der Maschine und dem Boden. Hunderte von Wolframcarbid-Einsätzen fahren jederzeit auf diesem Schneidkopf mit. Jeder von ihnen ist dafür verantwortlich, Gestein zu brechen, Lasten zu tragen und in einer Umgebung zu überleben, die Staub, Wasser, Vibrationen und harte Mineralkörner umfasst. Wenn ein Einsatz vorzeitig ausfällt, stoppt der Bohrkopf, der Tunnel verliert Stunden und ein Team klettert in einen engen Raum, um ihn auszutauschen. Die Folge sind nicht nur die Kosten für die Einlage; Es sind die Kosten dafür, dass sich die Maschine nicht bewegt. Deshalb ist die Auswahl eines TBM-Wolframkarbideinsatzes eine Projektentscheidung und keine Ersatzteilbestellung.

Warum Wolframkarbid der Standard für TBM-Einsätze ist

Der Hauptgrund ist materieller Natur. Wolframkarbid oder Hartmetall ist ein Verbundwerkstoff aus Wolframkarbidpartikeln, die durch eine Kobaltmetallmatrix miteinander verbunden sind. Die Karbidpartikel verleihen dem Material seine außergewöhnliche Härte. Der Kobaltbinder verleiht ihm die Widerstandsfähigkeit, Stöße zu überstehen. TBM-Einsätze wirken gegen Gestein, das Quarz enthalten kann, das härter ist als fast jedes technische Material. Im Normalbetrieb ist der Einsatz hohen Druckbelastungen und plötzlichen Punktbelastungen durch unregelmäßige Felswände ausgesetzt. Ein zu hartes Material splittert. Ein zu weiches Material verschleißt schnell. Wolframkarbid bietet eine Ausgewogenheit, die mit keinem anderen praktischen Material vergleichbar ist.

Das Material ist in Grenzen abstimmbar. Der Kobaltgehalt liegt normalerweise zwischen etwa 6 und 13 Prozent und die Korngröße des Wolframkarbids kann fein, mittel oder grob sein. Eine feinere Körnung führt typischerweise zu einer höheren Härte und einer besseren Schnitthaltigkeit. Eine gröbere Körnung sorgt für eine bessere Zähigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit. Bei TBM-Einsätzen sind die Betriebsbedingungen normalerweise abrasiv und stoßbelastet, daher ist eine ausgewogenere Güte typisch. Die Härtewerte dieser Qualitäten liegen üblicherweise im Bereich von HRA 86 bis 92. Eine bestimmte Güteklasse sollte erst ausgewählt werden, wenn die Gesteinsverhältnisse bekannt sind.

In der Praxis bedeutet dies, dass derselbe Einsatz, der in einem Tunnel aus weichem Ton und Sand reibungslos funktioniert, in einem Tunnel aus hartem Granit möglicherweise eine sehr kurze Lebensdauer hat. Eine für Granit geeignete Sorte kann für stark zerklüfteten Boden zu spröde sein. Die entscheidenden Eingabedaten sind die Gesteinsart, die einachsige Druckfestigkeit und der Quarzgehalt. Zusammenfassend lässt sich sagen: Die Materialqualität ist der Ausgangspunkt für die Auswahl der Wendeschneidplatte und sie muss zum Untergrund und nicht zur Maschine passen.

Geometrie einfügen: Mehr als eine scharfe Kante

TBM-Einsätze werden oft als scharfe Zähne dargestellt, tatsächlich funktionieren sie jedoch eher wie Schaber und Brecher. Die Geometrie des Einsatzes bestimmt, wie die Last auf das Gestein übertragen wird, wie sich der Einsatz abnutzt und wie viel Kraft zum Eindringen erforderlich ist.

Die wichtigsten Geometriemerkmale sind die Nasenform, der Nasenwinkel, die Körperkonizität und der Montageabschnitt. Eine konische Spitze ist üblich und eignet sich gut zum Durchdringen von Gestein. Eine kugelförmige oder stumpfe Spitze erweitert die Kontaktfläche, verringert das Risiko von Absplitterungen und wird manchmal für sehr hartes oder massives Gestein bevorzugt. Bei einigen Designs kann eine meißelförmige Spitze verwendet werden, um eine lineare Unterbrechung zu erzeugen. Es gibt keine einzelne beste Geometrie. Die Wahl hängt vom erwarteten Gestein und der Bauart des Bohrkopfes ab.

Neben der Spitzenform muss der Einsatz fest im Halter gehalten werden. Ein loser Einsatz vibriert, erzeugt einen Schlitz im Halter und verschleißt vorzeitig. Der Körper des Einsatzes hat oft einen etwas größeren Durchmesser als das Loch oder der Schlitz, sodass er eingepresst oder festgelötet werden kann. Diese Passung ist einer der Gründe dafür, dass die Toleranzen der Bearbeitungsarbeit eine Rolle spielen. Auch die richtige Note kann eine schlechte Passform nicht ausgleichen.

Ein gutes Verständnis der Einsatzgeometrie hilft einem Tunnelteam auch zu erkennen, warum sich einige Einsätze kegelförmig abnutzen und warum andere eine Abflachung entwickeln. Das Verschleißbild gibt oft Aufschluss über den Kontaktwinkel. Dieses Wissen ist nützlich, um die Schneidkopfparameter anzupassen oder den Wendeplattentyp zu ändern.

Einen Überblick darüber, wie sich das TBM-Einsatzdesign auf die Leistung auswirkt, finden Sie in diesem Artikel Hartmetalleinsätze für Tunnelbohrmaschinen .

Auswahlfaktoren für TBM-Einsätze

Das Richtige auswählen TBM-Einsatz ist keine einmalige Entscheidung. Es handelt sich um einen iterativen Prozess, der mit den geologischen Daten für den Tunnel beginnt und sich mit Tests am Bohrkopf fortsetzt. Die folgende Tabelle listet die wichtigsten Auswahlfaktoren auf.

Dies ist ein Ort, an dem ein Lieferant einen Mehrwert schaffen kann. Ein professioneller Hersteller wird eine Einlage nicht einfach als „hart“ oder „hart“ bezeichnen. Sie werden nach dem geologischen Bericht, den Bohrkopfspezifikationen und der erforderlichen Einsatzgröße fragen. Sie können die ausgewählte Sorte und Geometrie mit typischen Leistungsdaten vergleichen. Dieser Dialog ist besonders wichtig, wenn der Tunnel durch mehrere geologische Zonen verläuft. Ein Einsatz aus hartem Gestein mag für den größten Teil der Route geeignet sein, aber ein weicherer Abschnitt oder eine Störungszone kann zu schnellen Veränderungen führen.

Eine gängige Praxis besteht darin, zu Beginn eines Projekts ein oder zwei Einsatzdesigns zu testen. Der Beobachtungszeitraum muss nicht lang sein. Wenn die Wendeschneidplatten starke Absplitterungen aufweisen, ist die Sorte zu hart oder die Geometrie zu spitz. Wenn die Einsätze schnell verschleißen, das Gestein jedoch nicht besonders abrasiv ist, ist die Sorte zu weich oder die Bohrkopfparameter sind falsch. Diese Tests zeigen, wie sich das tatsächliche Gestein unter der Maschine verhält, was immer besser ist als eine bloße Vermutung im Labor.

Fertigungsqualität und das Konsistenzproblem

Die Sorte und die Geometrie sind der sichtbare Teil der Wendeschneidplattenauswahl. Der unsichtbare Teil ist die Fertigungskonsistenz. Wolframkarbid wird aus Pulver hergestellt. Wenn das Pulver schlecht gemischt ist, die Korngrößenverteilung driftet oder der Sinterprozess nicht kontrolliert wird, können sich die Einsätze einer Charge anders verhalten als die anderen. In einem Tunnel ist diese Inkonsistenz sehr schwer zu akzeptieren, da der Bohrkopf viele Einsätze gleichzeitig trägt. Wenn sich einer von hundert Einsätzen schnell abnutzt, kann es sein, dass an der Tunnelwand ein lokaler Bereich entsteht, der nicht vollständig geschnitten wird und ein großes Stück Gestein zurückbleibt, das vom benachbarten Fräser gebrochen werden muss.

Die Herstellung eines zuverlässigen TBM-Einsatzes erfordert eine integrierte Produktionslinie. In unserem Werk in Changzhou, China, beginnen wir mit dem Pressen von Wolframkarbidpulver mithilfe von TPA-Pressen. Bei dieser Methode wird ein kontrolliertes Druckprofil verwendet, um einen Grünkörper mit gleichmäßiger Form und Dichte zu erzeugen. Anschließend wird der Grünkörper in Niederdruck-Sinteröfen gesintert. Durch Niederdrucksintern wird die endgültige Restporosität reduziert und eine feinere und dichtere Struktur erzeugt. Eine dichte Struktur mit wenigen Poren ist direkt mit einer besseren Verschleißfestigkeit und einem geringeren Bruchrisiko verbunden.

Nach dem Sintern werden die Einsätze auf ihre Endabmessungen und Oberflächenbeschaffenheit geschliffen. Das Präzisionsschleifen erfolgt auf fünfachsigen CNC-Werkzeugschleifmaschinen, die Werkzeuggeometrie wird mit digitalen Werkzeugmessgeräten überprüft. Bei Rundwerkzeugen und anderen Präzisionsbauteilen erfolgt unsere Fertigung nach einem anerkannten deutschen Fertigungsstandard. Dieses System gibt uns einen Maßstab für Toleranzen und Werkzeugstandzeiten. Die Inspektionsinstrumente sind Teil des Prozesses; Sie werden nicht aus der Produktionsumgebung entfernt und nur für Endkontrollen verwendet. Sie dienen auch zur Steuerung des Maschinenschleifvorgangs.

Das Unternehmen ist nach ISO9001 und ISO14001 zertifiziert. Diese Zertifizierungen weisen darauf hin, dass das Produktionssystem geprüft wird und dass Umwelt- und Qualitätsmanagementprozesse vorhanden sind. Bei einem Tunnelprojekt unterstützt dieses Maß an Kontrolle ein einfaches, aber wichtiges Ziel: Die Einsätze, die am Standort ankommen, sollten sich konsistent mit den getesteten Einsätzen verhalten.

Reale Einsatzlebensdauer und Kosten

Die Kosten für einen TBM-Einsatz sind im Vergleich zu den Kosten für Tunnelstillstandszeiten gering. Aus diesem Grund muss die Beilagenauswahl als Produktivitätsfaktor und nicht nur als Einkaufsposition betrachtet werden.

Auch eine schlecht angepasste Wendeschneidplatte kann zu Geometrieproblemen führen. Wenn sich ein Einsatz ungleichmäßig abnutzt, kann es sein, dass die Schneidscheibe aufhört zu rotieren und eine flache Kante in den Fels schneidet. Dadurch erhöht sich der Schnittwiderstand des gesamten Messerkopfes. Tunnelbauer wissen, dass die Kosten eines unerwarteten Bohrkopfstopps nicht nur auf die Arbeitskraft oder die neuen Teile zurückzuführen sind; es ist auch der Produktionsausfall und das Risiko für den Zeitplan.

Eine effektive Vorgehensweise besteht darin, die Einsatzlebensdauer pro Tunnelzone in Metern Vortrieb zu verfolgen. Dadurch entsteht eine einfache Leistungskurve, die mit der Gesteinsart verglichen werden kann. Wenn der Einsatz das Ende seiner Nutzungsdauer erreicht, kann ein geplanter Austausch an einem sicheren Ort durchgeführt werden. Das im Einsatz verwendete Material, seine Geometrie und seine Fertigungsqualität tragen alle zu diesem Plan bei.

Der Zusammenhang zwischen der Wahl der Wendeschneidplatte, den Gesteinsverhältnissen und der Leistung des Bohrkopfes wird in unserem Artikel ausführlicher behandelt Warum TBM-Wolframkarbideinsätze für den Untertagebau von entscheidender Bedeutung sind .

Der TBM-Wolframkarbideinsatz ist ein kleines Bauteil mit großem Einfluss auf den Tunnelfortschritt. Das Material muss abriebfest sein. Die Geometrie muss zum Gestein passen. Die Sorte muss mit der des tatsächlichen Bohrkopfes übereinstimmen. Und die Fertigung muss konsistente Teile produzieren. Wenn diese Faktoren zusammenpassen, verhält sich der Einsatz wie vorgesehen für eine vorhersehbare Distanz. Wenn ein Faktor falsch ist, leidet die Maschine. Käufer und Tunnelbauingenieure sollten die Einsatzauswahl als technische Verhandlung betrachten: Sammeln Sie die geologischen Daten, besprechen Sie die Konstruktion des Bohrkopfes und fordern Sie einen Lieferanten, der den gesamten Produktionsprozess kontrollieren kann. Die Tage, an denen der Schneidkopf unten bleibt, sind teurer als der Einsatz selbst.