金刚石复合铣刨刀头的研究与应用①

方海江,王鹏展,顾光辉

(河南四方达超硬材料股份有限公司,河南郑州450016)

金刚石复合铣刨刀头的研究与应用①

方海江,王鹏展,顾光辉

(河南四方达超硬材料股份有限公司,河南郑州450016)

随着高速公路建设在我国的快速发展,路面的养护和维修工作也随之增多。铣刨刀头作为道路养护的主要工具之一,人们对其寿命和工作效率也提出了更高的要求。研究提供了一种新型聚晶金刚石铣刨刀头,实验表明,聚晶金刚石铣刨刀头与传统硬质合金铣刨刀头相比,大大提升了使用寿命、提高了工作效率并且减少了损耗,是路面养护和维修的理想工具。

聚晶金刚石复合齿;金刚石复合铣刨刀头;硬质合金

1 引言

铣刨刀头是铣刨机上的关键部件,也是主要消耗件之一。近年来,随着全国公路总里程的逐年增加以及公路的后期翻修、养护等,市场对铣刨刀头的需求量大幅增加[1][2]。但是经过调查发现,传统的铣刨刀头由于其本身材料的局限性,容易出现磨损、齿头脱落、齿头破裂等问题,大大降低了生产效率。随着我国超硬材料工业的发展,聚晶金刚石铣刨刀头采用聚晶金刚石复合齿代替了传统的硬质合金柱齿。与硬质合金铣刨刀头相比,金刚石铣刨刀头由于其高耐磨性、高硬度等优异的机械力学性能,在作高性能铣刨刀头材料时具有广阔的应用前景。

2 实验

2.1 高性能聚晶金刚石复合齿

本文所制备的高性能聚晶金刚石复合齿的外观形状如图1所示。

高性能聚晶金刚石复合齿是在高温高压下由人造金刚石与硬质合金一次烧结而成的超硬材料制品,它不但具有金刚石所具备的强度高,耐磨等优点,同时还具备了硬质合金所具备的抗冲击性强、出刃大等特点。

2.2 金刚石复合铣刨刀头

传统的铣刨刀头由钢制基体和硬质合金齿组成,在偏硬的路面进行铣刨作业时,由于硬质合金的耐磨性不够,从而造成了传统铣刨刀头的使用寿命短、进尺速度慢和铣刨效率低的结果[3,4]。为了克服现有硬质合金铣刨刀头在耐磨性和铣刨效率方面的不足,本文提供了一种新型聚晶金刚石复合铣刨刀头。它采用高硬度、高耐磨性和具有良好抗冲击性能的聚晶金刚石复合齿代替了传统的硬质合金柱齿,很好地解决了在面对极硬地层时硬质合金柱齿不耐磨的问题。

如图1所示,高性能金刚石复合铣刨刀头包括钢体、合金台和一个金刚石复合柱齿头,金刚石柱齿头焊接在合金台上,合金台焊接在钢体上。路面铣刨分为水泥路面铣刨和沥青路面铣刨,因此普通的硬质合金铣刨刀头又分为水泥铣刨刀头和沥青铣刨刀头,这是由路面材料坚硬程度所决定的[5]。

图1 金刚石复合铣刨刀头Fig.1 PDC Cutter For Road Milling Machine

2.3 试验情况

金刚石复合铣刨刀头曾在G106国道河南濮阳段进行试验。该路段沥青层厚7cm,水泥层厚15cm,路段比较平坦,普氏系数在10～15之间,属Ⅱ级坚固岩石。实验设备为维特根2000型铣刨机。现用硬质合金铣刨刀头为进口凯南麦特铣刨刀头,平均寿命在500米左右,平均铣刨效率在1000m/h,折算每米铣刨所需时间为0.06分钟。

金刚石复合铣刨刀头(以下简称金刚石铣刨刀头)在G106国道河南濮阳段共进行了2次试验,以其中一次试验结果为例说明。

此次共试验了15个金刚石铣刨刀头,15个平均寿命在4000m左右,平均铣刨效率在1000m/h,折算每米纯钻进时间为0.06分钟。现场跟踪金刚石铣刨刀头的使用情况,记录铣刨刀头的铣刨深度和铣刨量并将使用之后的金刚石铣刨刀头照片进行对比,如图2、图3所示:

(1)现用合金铣刨刀头实验前后照片对比如下:

图2 实验前合金铣刨刀头Fig.2 cemented carbide cutter for road milling machine before experimnet

图3 500米时合金铣刨刀头失效形态Fig.3 failure shape of the cemented carbide cutter at 500m

(2)四方达金刚石复合铣刨刀头试验前后照片对比如下:

图4 实验前金刚石铣刨刀头Fig.4 PDC Cutter For Road Milling Machine before experimnet

图5 4000米时金刚石铣刨刀头失效形态Fig.5 failure shape of PDC Cutter at 4000m

试验结论:

由图2和图3对比可以看出,合金铣刨刀头主要失效形态是偏磨、基体断裂,其硬质合金的耐磨性不强,在500米甚至不到500米的时就已经失效。

由图4和图5对比可以看出,金刚石铣刨刀头的耐磨性很强,在4000米时上面的金刚石复合片依然保存完好,整个金刚石铣刨刀头看起来均匀磨损,是理想的磨损情况。

由图3和图5对比可以看出,金刚石铣刨刀头明显比硬质合金铣刨刀头更具耐磨性、铣刨效率更高、寿命更长。

2.4 试验分析

2.4.1 主要从成本上进行分析如下:

表1 铣刨刀头成本分析Table.1 Cost of PDC Cutter

假定铣刨刀头成本及人工成本保持不变,一个滚筒可以装168个铣刨刀头,因此采用金刚石复合齿铣刨刀头相比合金铣刨刀头节约油耗及设备折旧费大约共计0.336元/米。从以上试验结果及成本分析,可以发现使用金刚石铣刨刀头在濮阳的两大优势:

(1)寿命长(相对合金钻头提高8倍);

(2)单位米数的铣刨成本低(仅动力及折旧费用就降低0.336元/米)。

2.4.1 从效益上分析比较如下

(1)假定铣刨刀头成本及人员工资保持不变,采用金刚石复合铣刨刀头比合金节约电费及设备折旧费共计0.336元/米,以2012年公路施工量423.75万公里计算,大约可节约14亿元;

(2)寿命更长,可以减少更换铣刨刀头及反复装拆的次数,从而极大地减轻工人的劳动强度;可以减少运送铣刨刀头的次数,节省运输成本,目前每天需要向工地运送10次铣刨刀头,采用金刚石铣刨刀头后,可减少往工地运送铣刨刀头的次数,节省运输成本。总之,由于使用寿命的延长及铣刨效率的提高,可降低综合管理成本及其他费用支出。

3 结论

随着各种先进的铣刨机械在工程领域中的广泛应用,对铣刨刀头的使用性能提出了更高要求。高性能金刚石复合铣刨刀头以其高硬度、高强度、高耐磨性和高抗冲击性等[6]优良性能在路面养护维修工程施工领域具有广阔的市场前景。国外对金刚石复合铣刨刀头的类型、结构及性能等做了大量卓有成效的研究开发,但仍存在很多不足之处,国内在金刚石复合铣刨刀头的研究、开发及应用方面还处于初步阶段。随着相关技术的进步,金刚石复合铣刨刀头的性能将有更大的提高,并将进一步拓宽到更多工况更恶劣的工程施工领域。

[1] 桑宝财,富文军,韩鹰.沥青路面冷铣刨机刀具寿命分析[J].建筑机械化,2000(16):28-29.

[2] 杨士敏.高等级公路养护机械[M].北京:机械工业出版社, 2003.

[3] 杨贺来,孙善萍丰.沥青路面冷铣刨机刀具设计及失效分析[J].工程机械,1995(6):4-11.

[4] 李维维,孟昭彬.路面冷铣刨机的刀具磨损与刀具耐用度[J].筑路机械与施工机械化,2006:29-30.

[5] 刘晓阳,段隆臣,姜德英,汤凤林.金刚石-硬质合金复合齿钻头在卵砾石地层中的应用[J].煤田地质与勘探,2004(2):63-64.

[6] 江文清.金刚石复合片合成工艺与性能研究[D],桂林.桂林工学院,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,硕士,河南四方达超硬材料股份有限公司董事长兼总经理,主要从事超硬材料及制品的研究和开发。Email: fang@sf-diamond.com