TBM タングステンカーバイドインサート: 選択、性能、およびサプライヤーガイド

硬岩トンネルプロジェクトでは、TBM カッターヘッドが機械と地面との間の唯一の接触となります。そのカッターヘッドには、いつでも何百ものタングステンカーバイドインサートが搭載されています。それぞれが岩を砕き、荷重を運び、塵、水、振動、硬い鉱物粒子を含む環境で生き残る役割を担っています。インサートが早期に故障すると、カッターヘッドが停止し、トンネルの作業に数時間の時間がかかり、チームは交換のために狭いスペースに登ります。その結果はインサートのコストだけではありません。それは機械が動かないことによるコストです。そのため、TBM タングステンカーバイドインサートの選択は、スペアパーツの注文ではなく、プロジェクトの決定となります。

炭化タングステンがTBMインサートの標準である理由

基本的な理由は物質的なものです。炭化タングステン、または超硬合金は、コバルト金属マトリックスによって結合された炭化タングステン粒子からなる複合材料です。炭化物粒子は材料に並外れた硬度を与えます。コバルトバインダーにより、衝撃に耐える堅牢性が与えられます。 TBM インサートは、ほとんどすべてのエンジニアリング材料よりも硬い石英を含む岩石に対して機能します。通常の操作では、インサートは不規則な岩肌から高い圧縮荷重と突然の点荷重を受けます。硬すぎる材質は欠けてしまいます。柔らかすぎる素材はすぐに摩耗してしまいます。タングステンカーバイドは、他の実用的な材料に匹敵するバランスを提供します。

材料は制限内で調整できます。コバルト含有量は通常約 6 パーセントから 13 パーセントの範囲であり、炭化タングステンの粒径は細粒、中粒、または粗粒にすることができます。通常、粒子が細かいほど硬度が高くなり、エッジの保持力が向上します。粒子が粗いほど、靭性と耐熱衝撃性が向上します。 TBM インサートの場合、通常、使用条件は摩耗が激しく、衝撃負荷がかかるため、よりバランスの取れた材種が一般的です。これらのグレードの硬度値は通常、HRA 86 ～ 92 の範囲に収まります。特定のグレードは、岩石の状態がわかった後でのみ選択する必要があります。

実際には、これは、柔らかい粘土と砂のトンネル内でスムーズに機能する同じインサートが、硬い花崗岩のトンネル内では寿命が非常に短い可能性があることを意味します。花崗岩に適したグレードでも、非常に割れた地盤には脆すぎる可能性があります。重要な入力データは、岩石の種類、一軸圧縮強度、および石英の含有量です。要約すると、材料グレードはインサート選択の出発点であり、機械ではなく地面と一致する必要があります。

インサートジオメトリ: 鋭いエッジ以上のもの

TBM インサートは鋭い歯として描かれることが多いですが、実際にはスクレーパーやクラッシャーのように機能します。インサートの形状によって、荷重が岩にどのように伝達されるか、インサートがどのように摩耗するか、貫通するのにどの程度の力が必要かが決まります。

主なジオメトリの特徴は、ノーズ形状、ノーズ角度、ボディテーパー、および取り付けセクションです。先端が円錐状になっているのが一般的で、岩石の貫通に効果的です。球形または鈍いノーズは接触領域を広げ、欠けのリスクを軽減し、非常に硬い岩や巨大な岩に好まれる場合があります。一部のデザインでは、ノミ状の先端を使用して直線的な切れ目を作成できます。単一の最適なジオメトリはありません。選択は、予想される岩石とカッターヘッドの設計によって異なります。

チップの形状に加えて、インサートをホルダにしっかりと保持する必要があります。インサートが緩んでいると振動し、ホルダーにスロットができ、早期に摩耗します。インサートの本体は、所定の位置に圧入またはろう付けできるように、穴またはスロットよりわずかに大きな直径で作られることがよくあります。このフィット感が、機械加工の公差が重要となる理由の 1 つです。たとえ正しいグレードであっても、フィット感の悪さを補うことはできません。

インサートの形状をよく理解することは、トンネル チームが、一部のインサートが円錐形のパターンで摩耗する理由と、他のインサートが平坦になる理由を認識するのにも役立ちます。多くの場合、摩耗パターンから接触角に関する情報が得られます。この知識は、カッターヘッドのパラメータを調整したり、インサートのタイプを変更したりする場合に役立ちます。

TBM インサートの設計がパフォーマンスに与える影響の概要については、次の記事を参照してください。 トンネルボーリングマシン用超硬インサート .

TBM インサートの選択要素

右を選択する TBMインサート は一度限りの決定ではありません。これは、トンネルの地質データから始まり、カッターヘッドのテストまで続く反復的なプロセスです。次の表に、最も重要な選択要素を示します。

これはサプライヤーが付加価値を提供できる場所です。専門メーカーは、インサートに単に「ハード」または「ロック用」というラベルを付けることはありません。彼らは、地質レポート、カッターヘッドの仕様、および必要なインサートのサイズを尋ねます。彼らは、選択したグレードと形状を典型的な性能データと比較することがあります。この対話は、トンネルが複数の地質ゾーンを通過する場合に特に重要です。硬い岩のインサートはほとんどのルートで機能しますが、柔らかいセクションや断層帯では急激な変化が生じる可能性があります。

一般的には、プロジェクトの開始時に 1 つまたは 2 つのインサート設計をテストします。観察期間は長くする必要はありません。インサートに大きな欠けが見られる場合は、材種が硬すぎるか、形状が尖りすぎています。インサートがすぐに摩耗するが、岩石が特に摩耗性ではない場合は、材種が柔らかすぎるか、カッターヘッドのパラメータが間違っています。これらのテストにより、実際の岩石が機械の下でどのように動作するかが明らかになり、実験室だけの推測よりも常に優れています。

製造品質と一貫性の問題

材種と形状はインサート選択の表示部分です。目に見えない部分は製造の一貫性です。炭化タングステンは粉末から製造されます。粉末の混合が不十分である場合、粒度分布が変動する場合、または焼結プロセスが制御されていない場合、あるバッチのインサートは別のバッチとは異なる動作をする可能性があります。トンネル内では、カッターヘッドが一度に多くのインサートを運ぶため、この不一致を受け入れるのは非常に困難です。 100 個に 1 個のインサートが急速に摩耗すると、完全に切断されていない部分がトンネルの切羽に局所的に生じ、大きな岩片が残り、隣接するカッターで破壊する必要があります。

信頼性の高い TBM インサートを製造するには、統合された生産ラインが必要です。中国の常州にある当社の施設では、TPA プレスを使用して炭化タングステン粉末のプレスから始めます。この方法では、制御された圧力プロファイルを使用して、一貫した形状と密度を備えたグリーン ボディを作成します。次に、グリーンボディは低圧焼結炉で焼結されます。低圧焼結により、最終的な残留気孔率が減少し、より微細で緻密な構造が生成されます。気孔の少ない緻密な構造は、耐摩耗性の向上と破損のリスクの低下に直結しています。

焼結後、インサートは最終的な寸法と表面仕上げに研削されます。精密研削は 5 軸 CNC 工具研削盤で行われ、工具の形状はデジタル工具設定装置で検証されます。丸工具やその他の精密部品に関しては、当社の製造は認められたドイツの製造基準に従っています。このシステムは、公差と工具寿命のベンチマークを提供します。検査機器はプロセスの一部です。これらは運用環境から削除されず、最終チェックのみに使用されます。これらは、機械の研削動作を制御するためにも使用されます。

当社はISO9001およびISO14001の認証を取得しています。これらの認証は、生産システムが監査されており、環境および品質管理プロセスが整備されていることを示します。トンネル プロジェクトの場合、このレベルの制御は単純ですが重要な目標をサポートします。つまり、現場に到着するインサートは、テストされたインサートと一貫して動作する必要があります。

実際のインサート寿命とコスト

TBM インサートのコストは、トンネルのダウンタイムのコストと比較すると少額です。これが、インサートの選択を購買ラインアイテムとしてだけでなく、生産性の要素として見なす必要がある理由です。

インサートの適合が不十分であると、形状に問題が生じる可能性もあります。インサートが不均一に摩耗すると、カッターディスクの回転が停止し、平らな刃先が岩石に食​​い込む可能性があります。これにより、カッタヘッド全体の切削抵抗が増加します。トンネル工事請負業者は、カッターヘッドが予期せず停止した場合のコストは、人件費や新しい部品だけではないことを知っています。それはまた、生産の損失とスケジュールへのリスクでもあります。

効果的な方法は、トンネルのゾーンごとにインサートの寿命をメートル単位で追跡することです。これにより、岩タイプと比較できるシンプルなパフォーマンス曲線が作成されます。インサートが耐用年数に達した場合、安全な場所で計画的に交換できます。インサートに使用される材料、その形状、製造品質はすべて、その計画に貢献します。

インサートの選択、岩石の状態、カッターヘッドのパフォーマンスの関係については、次の記事で詳しく説明しています。 TBM タングステンカーバイドインサートが地下建設に重要な理由 .

TBM タングステンカーバイドインサートは、トンネルの進行に大きな影響を与える小さなコンポーネントです。材料は摩耗に対して強靭でなければなりません。形状は岩と一致する必要があります。グレードは実際のカッターヘッドと一致する必要があります。そして、製造では一貫した部品を生産する必要があります。これらの要因が適切に適合すると、インサートは予測可能な距離で設計どおりに機能します。 1 つの要因が間違っている場合、被害を受けるのはマシンです。バイヤーとトンネル技術者は、インサートの選択を技術的な交渉として扱う必要があります。地質データを収集し、カッターヘッドの設計について話し合い、生産プロセス全体を管理できるサプライヤーを要求します。カッターヘッドが下がったままの日数は、インサート自体よりも高価です。