水下海底管道金剛石繩距切割機(jī)設(shè)計(jì)【說(shuō)明書+CAD+SOLIDWORKS】

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Guo.提供。 圖1 巖石切割工具已經(jīng)傳統(tǒng)地以碳化鎢（wc）為依據(jù)。Wc作為開(kāi)挖隧道機(jī)和剪床鼓的切割工具，已經(jīng)被使用了幾十年。他們已經(jīng)證明了在絕大多數(shù)煤和軟巖石中的有效性和充分性，但是在堅(jiān)硬巖石和強(qiáng)腐蝕性巖石中存在著不成功性和不合適性。 要切開(kāi)堅(jiān)硬的和腐蝕的巖石，其中的一種方法就是用金剛石合成物代替WC。金剛石合成材料的主要改進(jìn)，表現(xiàn)在黏合劑成分上的變化，由金屬鈷到陶瓷Sic, 而Sic是由易反應(yīng)的(原子的)結(jié)合在焊接期間生產(chǎn)出來(lái)的，或是作為焊接操作的一個(gè)原始成分。這種金剛石合成物被認(rèn)知為極其穩(wěn)定的金剛石合成物(TSDC) [2, 3]. 其中的一個(gè)工作宗旨是估計(jì)TSDC切口元素的磨耗特征。各種各樣的參量也許被用于表現(xiàn)材料的磨耗行為，但是磨耗系數(shù)是一個(gè)最常見(jiàn)的參量。磨耗系數(shù)在Archard磨耗式[4]中被給出： (1) Qtotal是代表磨耗測(cè)試中的磨損量，P代表裝載，S代表切口長(zhǎng)度，H代表穿戴材料的表面硬度。無(wú)維常數(shù)K代表磨耗系數(shù)。當(dāng)解釋實(shí)驗(yàn)性的結(jié)果時(shí)，接口處材料的硬度或許不是很確定。一個(gè)更有用的參量是比率K/H或者k -，這被通認(rèn)為尺寸磨耗系數(shù)[5](mm3/Nm)。Qtotal、P和s的為已知值，K的值等于： (2) 另一個(gè)工作宗旨是評(píng)估和比較WC和TSDC切割元素在塊狀砂巖(UCS 120 MPa)上的切割表現(xiàn)，集中在CSIRO的巖石切割船具上。 圖2 實(shí)驗(yàn)性細(xì)節(jié) 磨耗試驗(yàn)在一套為特定目的建造的磨耗試驗(yàn)船具(圖1)上執(zhí)行了。樣品被緊固在刀具柄內(nèi)，并且橫跨轉(zhuǎn)動(dòng)砂輪的表面，哺養(yǎng)了在切割的邊框形式深度。行動(dòng)在元素上推力和切削力（參見(jiàn)圖2）由壓電池測(cè)量。來(lái)自壓電池的信號(hào)以可調(diào)整的獲取，通過(guò)了全國(guó)儀器的信號(hào)波形加工系統(tǒng)(NI-SCXI)，記錄在私人電腦上，運(yùn)行在鎳元素的實(shí)驗(yàn)觀察下。 一個(gè)玻璃化的保稅的鋁土砂輪(UCS 120 MPa， cerchar磨蝕性索引3.54，多孔性42%，氧化鋁粒度400μm)被選擇為磨耗測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)制造量。輪子的最初維度是350毫米(外在直徑) x 50毫米(內(nèi)部直徑) x 50.8毫米(寬度)。TSDC元素(?16x20，密度3.4158 g/cc)和巖石品級(jí)碳化鎢(WC)切割元素(?12x22.5，密度14.7070 g/cc)被用于測(cè)試中。 試驗(yàn)條件是： 輪子旋轉(zhuǎn)的速度：479.5 RPM，切割的深度：0.25毫米，供給率：1.22 mm/rev，測(cè)試的環(huán)境：干燥。每一個(gè)元素需要以0.0001g的準(zhǔn)確性在磨耗實(shí)驗(yàn)前后被斟酌，通過(guò)使用平衡(METTLER AE200)。通過(guò)元素在測(cè)試前后的重量，以及它的密度，可以計(jì)算出元素的磨損量。對(duì)TSDC元素的磨耗試驗(yàn)進(jìn)行了100切割。（一次輪子的穿過(guò)對(duì)應(yīng)一次切割）然而，WC的磨耗率太高，以至于測(cè)試在達(dá)到100切割前就被終止了。 圖3 巖石切割測(cè)試： 巖石切割測(cè)試在一個(gè)修改過(guò)的整平機(jī)上執(zhí)行，整平機(jī)的操作由計(jì)算機(jī)控制。線性切割速度（或巖石供給率）是在0.1m/s和2.5m/s之間的可調(diào)性軟件。切割沖程能達(dá)到3m.測(cè)試在砂巖上進(jìn)行。塊的維度是1800x450x450mm.TSDC和WC切割元素被注入標(biāo)準(zhǔn)尺寸的巖石采擷體。切削刀鼓被安放在整平機(jī)的十字頭上，被一臺(tái)50千瓦水力的電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)。（圖3）刀鼓寬度為100mm，外徑精選360mm。刀鼓上面有13個(gè)采擷。力矩由安放在水力電動(dòng)機(jī)上的力臂測(cè)量。推力由應(yīng)變儀測(cè)量。刀鼓的旋轉(zhuǎn)速度：400rpm,供給量;30mm/s,深度：40mm。 圖4 圖5 結(jié)果和討論： 磨耗測(cè)試： 圖4顯示了切割剛玉砂輪時(shí)TSDC和WC磨耗系數(shù)。正如期望的那樣，WC的磨耗系數(shù)大于TSDC的磨耗系數(shù)。顯然在TSDC曲線和WC之間的缺口與切距迅速增加。在早期，WC的磨耗系數(shù)大約是TSDC的14倍。僅在1500米，WC的磨耗系數(shù)超過(guò)400倍的TSDC的磨耗系數(shù)。WC的磨耗實(shí)驗(yàn)不得不在這個(gè)時(shí)期結(jié)束。有兩個(gè)重要的因素可以解釋這種行為。第一，如圖5所示。TSDC的推力隨著切距的增加而稍微增加，而WC的推力在大約16次切割后迅速減小。第二，行為的差別可能與兩種材料硬度的溫度靈敏度有關(guān)。切口的升溫已經(jīng)由尺寸的分析得到[6,7]。以多種工作材料的試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，在切口處的平均升溫被給出： (1) 這里u是操作的具體能量，Nm/mm3。V:切割速度，m/s。f:每次的供給量（m）。c:工作材料的體積的比熱，J/mm3 °C，在這個(gè)例子中，砂輪； 千噸： 輪子的熱擴(kuò)散率， m2/s。在TSDC和WC工具分析中，切割速度，供給量，和車輪體積的比熱被恒定保持。因此，切口處的平均溫度的差別最有可能來(lái)源于切割的具體 能量的差別。 。 圖6 TSDC和WC的具體能量如圖6所示。似乎在初始階段，WC的具體能量微高于TSDC，而隨后在切割時(shí)期，WC的具體能量足夠高于TSDC。從方程式3看出，預(yù)計(jì)WC接口處上升的溫度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于TSDC，因此硬度的顯著下降將由WC切割因素的接觸層預(yù)計(jì)出來(lái)。[8]方程式1和2預(yù)計(jì)切割速率隨著硬度的下降而增加，因此與TSDC相比較，這種影響將相當(dāng)有助于WC磨耗系數(shù)的增高。 圖7 圖8 圖9 圖10 圖7顯示新的WC和TSDC元素，和磨耗測(cè)試后，磨損平臺(tái)在它們身上的發(fā)展。可以清楚地看見(jiàn)，雖然TSDC已經(jīng)切割的距離比WC大得多，但是它的磨損平臺(tái)發(fā)展比WC小得多。磨損平臺(tái)區(qū)域和WC推力，TSDC的切距分別顯示在圖8和圖9.在比較圖8和圖9時(shí)，應(yīng)該注意到磨損平臺(tái)的趨勢(shì)和推力非常相似。當(dāng)切口變大時(shí)，TSDC的磨損稍微增加，推力也隨之稍微增加。相反，WC的磨損迅速增加，推力也隨之迅速增加。這表明推力的增量取決于磨損的增量。圖10顯示了推力忽然磨損的關(guān)系，體現(xiàn)了這些參量之間較強(qiáng)的作用。 圖11 巖石切割測(cè)試： 巖石切割測(cè)試后，WC和TSDC的采擷被檢測(cè)，TSDC的采擷沒(méi)有明顯的磨損。相反，WC的采擷技巧已經(jīng)降低，大量磨損已經(jīng)增加（圖11）。圖12顯示了切割期間TSDC和WC采擷的力矩價(jià)值，通過(guò)測(cè)試可以看出，TSDC采擷的平均力矩只顯示了一點(diǎn)變化，而WC采擷的力矩在切割期間大約增加50%。圖13顯示了巖石切割期間TSDC和WC采擷的推力。在測(cè)試中，TSDC采擷的推力只是稍微地增加，而WC采擷的推力在切割過(guò)程中迅速地增加。 圖12 圖13 通過(guò)比較圖12(b)和圖13(b)，顯而易見(jiàn)，切割過(guò)程中，推力的增加頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)力矩的增大頻率。此種現(xiàn)象可能可能存在兩個(gè)原因。首先，對(duì)于工具磨損來(lái)說(shuō)，切割力比推力較不敏感[9-11].換句話說(shuō)，特定的工具磨損，切割力的增量小于推力的增量。力矩是由鼓的切割力和半徑得出來(lái)的(采擷技巧)。其次，切割力由兩部分組成：一部分負(fù)責(zé)芯片形成，一部分克服摩擦。前一部分與切割條件有關(guān)系，就像切割的深度。而后一部分與工具磨損有關(guān)系。在兩個(gè)相反機(jī)制中，工具的磨損影響著切割力。一方面，當(dāng)工具磨損增大，切割的深度反而減小，切割力減小。另一方面，當(dāng)工具的磨損增大，摩擦力隨之增大，切割力增大。因此，當(dāng)工具磨損增大，切割力是否增大或減小取決于哪種機(jī)制占優(yōu)勢(shì)。 總結(jié) 1在早期，WC的磨耗系數(shù)大約是TSDC的14倍。僅在1500米，WC的磨耗系數(shù)超過(guò)400倍的TSDC的磨耗系數(shù)。這是因?yàn)榍懈钸^(guò)程中WC切割元素的推力和溫度迅速增加。 2 推力和磨損面積的關(guān)系很密切。早期，磨損面積小，推力也相應(yīng)??；當(dāng)磨損面積增大，推力增加?？梢杂^察到，不同的工具材料，不同的磨損面積增大程度，推力的增量也不同。 3 TSDC采擷的巖石切割優(yōu)于WC采擷的巖石切割。同樣的切割條件下，WC采擷顯示了大量的工具磨損，TSDC采擷沒(méi)有明顯的顯示。作用在切削刀鼓上的推力，WC采擷足夠高于TSDC采擷。 4 刀具磨損以兩種相反的機(jī)制影響著切割力。當(dāng)工具磨損增加，切割深度降低，導(dǎo)致切割力下降。然而，由于工具磨損，摩擦力增大，切割力也相應(yīng)的增大。因此，切割力增大或者減小取決于哪種機(jī)制占優(yōu)勢(shì)。 作者： X. S. Li, J. N. Boland and H. Guo.工作于CSIRO勘探開(kāi)采。郵編883，肯摩爾昆士蘭4069，澳大利亞。 作者要感謝Peter Clark在設(shè)計(jì)，制造磨損試驗(yàn)臺(tái)和實(shí)驗(yàn)技術(shù)提供發(fā)面做出的努力。也感謝Craig Harbers和Michael Cunnington在貫徹和落實(shí)切割試驗(yàn)中提供的幫助。 此篇文章是2007年4月19日，意大利羅馬舉行的第二屆國(guó)際工業(yè)金剛石會(huì)議中提交的論文，在鉆石有限公司的友善許可下被打印出來(lái)。 參考： [1] 司法機(jī)構(gòu)政務(wù)長(zhǎng)和J.A.Martin和R.J.Fowell, 集中研究工具的磨損和巖石的切割. [2] J.N.Boland和X.S.Li,H.等人研究磨損，金剛石化合物的切割. [3] P. Larsson, N. Axen, T. Ekstrom, 等人研究一種新的金剛石磨損. [4] I.M.Hutchings, 研究工程材料的摩擦和磨損. [5] 司法機(jī)構(gòu)政務(wù)長(zhǎng)J. A. Williams, 磨損模型的分析，計(jì)算和繪圖。采用介質(zhì)力學(xué)的方法. [6] N. Cook, 研究工具的磨損和工具的壽命. [7] L. J. Yang,測(cè)定碳化鎢的磨損系數(shù). [8] G. S. Upadhyaya, 研究硬質(zhì)合金鎢. [9] X. S. Li和I. M. Low, 研究切割工具的切割力，關(guān)鍵的工程材料.