楊克斌
(甘肅省嘉峪關(guān)公路應(yīng)急保障與路網(wǎng)監(jiān)測中心,甘肅嘉峪關(guān) 735100)
路面銑刨機(jī)屬于公路路面專用的養(yǎng)護(hù)機(jī)械,廣泛應(yīng)用在城市路面、高速公路、機(jī)場路面等多種工況的瀝青混凝土返修養(yǎng)護(hù)工程中。在實(shí)際應(yīng)用過程中,路面銑刨機(jī)依靠截齒對地面進(jìn)行銑刨動作,所以截齒的質(zhì)量、承載力、硬度、耐磨性、使用壽命直接影響路面銑刨機(jī)整體的作業(yè)質(zhì)量。傳統(tǒng)路面銑刨機(jī)通常使用硬質(zhì)合金截齒,隨著路面施工技術(shù)的提升,硬質(zhì)合金截齒已經(jīng)無法應(yīng)對愈加復(fù)雜的瀝青混凝土路面,單位時(shí)間內(nèi)的磨損、沖擊較大,成為限制路面銑刨機(jī)工作效率、作業(yè)成本、施工質(zhì)量的主要原因?;诖耍访驺娕贆C(jī)廠商提出使用聚晶金剛石截齒頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)的硬質(zhì)合金截齒。聚晶金剛石截齒頭具有遠(yuǎn)超硬質(zhì)鋁合金的硬度、耐磨性、抗沖擊性和使用壽命,并且具有較高的自銳性,能夠提升路面銑刨機(jī)的施工效率和對瀝青混凝土路面的切削質(zhì)量。
根據(jù)對傳統(tǒng)硬質(zhì)合金截齒的磨損情況觀察,可以發(fā)現(xiàn)硬質(zhì)合金截齒的主要磨損位置是截齒頭,約有92%以上報(bào)廢的硬質(zhì)合金截齒的報(bào)廢原因是截齒頭破損[1]。原因在于目前瀝青混凝土路面的硬度較高,并且還伴有一定程度的石英顆粒,在路面銑刨機(jī)作業(yè)過程中,硬質(zhì)合金截齒頭的硬度略低于石英顆粒,在長時(shí)間連續(xù)作業(yè)的情況下,磨損速度較快,并且還會伴隨部分因與石英顆粒對撞引起的結(jié)構(gòu)性損壞[2]?;诖耍嵘访驺娕贆C(jī)截齒的使用性能(包括硬度、耐磨性、自銳性、使用壽命等),需要對截齒頭進(jìn)行改進(jìn)。
本文提出在保持截齒體材料(硬質(zhì)合金)不變的情況下,使用聚晶金剛石截齒頭代替硬質(zhì)合金截齒頭,由于聚晶金剛石和硬質(zhì)合金的膨脹系數(shù)相差較大,可以預(yù)見在路面銑刨機(jī)作業(yè)過程中,兩者無法承受較強(qiáng)的外力和溫度變化,極易出現(xiàn)脫落、剝離的現(xiàn)象。因此在硬質(zhì)合金截齒體和聚晶金剛石截齒頭之間增設(shè)一個硬質(zhì)合金的截齒座,通過物理結(jié)構(gòu)的調(diào)整提升聚晶金剛石截齒頭與截齒體的穩(wěn)固程度,形成復(fù)合式路面銑刨機(jī)截齒[3]。
傳統(tǒng)硬質(zhì)合金截齒的結(jié)構(gòu)如圖1 所示,截齒體和截齒頭之間直接連接,沒有使用外力進(jìn)行固定,原因在于截齒體和截齒頭的材質(zhì)均為硬質(zhì)合金,在受熱和受力過程中的膨脹系數(shù)相同,穩(wěn)固性較強(qiáng)。保持結(jié)構(gòu)不變,將截齒頭材質(zhì)跟換為聚晶金剛石后,再受力和受熱,截齒體和截齒頭會隨著膨脹系數(shù)的不同出現(xiàn)變化差,進(jìn)而出現(xiàn)截齒頭脫落[4]?;诖?,在截齒體和截齒頭間增設(shè)截齒座,連接方式為釬焊連接,材料為硬質(zhì)合金材料,在受熱和受力時(shí),截齒體和截齒座具有相同的膨脹系數(shù),不易脫落,截齒座和截齒頭具有較大面積的釬焊連接,不易脫落,由此解決聚晶金剛石截齒頭與硬質(zhì)合金截齒體的結(jié)合問題,改進(jìn)后的截齒結(jié)構(gòu)如圖2 所示。
圖1 傳統(tǒng)硬質(zhì)合金截齒結(jié)構(gòu)
圖2 改進(jìn)后的三段式復(fù)合截齒結(jié)構(gòu)
根據(jù)圖1 和圖2 可知,改進(jìn)前后的截齒外形、尺寸、規(guī)格性相差不大,但兩者在作業(yè)過程中的危險(xiǎn)截面有所變化,圖2 中的A 截面為改進(jìn)前的截齒危險(xiǎn)截面,B 截面為改進(jìn)后的截齒危險(xiǎn)截面,由此可以通過A 截面和B 截面單位面積承受的彎矩來判斷改進(jìn)方案的有效性。由等強(qiáng)度截面設(shè)計(jì)可知:
式中,n1、n2代表截齒體直徑的變化系數(shù)、d 代表截齒體直徑,因此式(1)可以化簡為:
設(shè)截齒頭在作業(yè)過程中的切削阻力為F,危險(xiǎn)截面A 和危險(xiǎn)截面B 在單位面積內(nèi)承受的彎矩:
式(3)、式(4)中,WA、WB代表危險(xiǎn)截面A 和危險(xiǎn)截面B 在單位面積內(nèi)承受的彎矩(N/mm)、F 代表截齒頭在作業(yè)過程中的切削阻力(N)、S 代表F 做功點(diǎn)到危險(xiǎn)截面的距離(mm)、k 代表S 的變化系數(shù)。
假設(shè)分段式復(fù)合截齒的結(jié)構(gòu)合理,則WA≥WB,由此可以得出:
進(jìn)而得出:
結(jié)合式(2)可以得到:
將圖2 中的截齒規(guī)格數(shù)據(jù)代入式(7)可以得出:
根據(jù)式(8),只要改進(jìn)后的截齒尺寸在式(8)的要求內(nèi),危險(xiǎn)截面B 的單位面積彎矩就會小于危險(xiǎn)截面A,進(jìn)而能夠證明三段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒改進(jìn)方案的有效性。
雖然證明了三段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒改進(jìn)方案的可行性,但截齒座和截齒頭之間的釬焊連接給截齒提出焊接質(zhì)量限制[5]。若焊接質(zhì)量較低,在路面銑刨機(jī)作業(yè)過程中,聚晶金剛石截齒頭還會有脫落的風(fēng)險(xiǎn)。因此,在三段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒的基礎(chǔ)上提出兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒,將截齒座和截齒頭整合成由聚晶金剛石制成的一體式截齒頭,其中截齒座通過使用金剛石微粉的方式和聚晶金剛石整合,同時(shí)金剛石微粉經(jīng)過燒結(jié)工藝后還能使一體式截齒頭更好地與截齒體相結(jié)合[6]。另外,在截齒體上增設(shè)12 個均勻分布的放射形凹槽,與一體式截齒頭底部的凸起形成穩(wěn)固的凹凸界面結(jié)構(gòu),利用物理方式增加二者的結(jié)合面積,形成物理約束,進(jìn)而將聚晶金剛石固定在截齒體上,避免釬焊連接帶來的使用限制,改進(jìn)后的兩段式復(fù)合截齒結(jié)構(gòu)如圖3 所示。
圖3 改進(jìn)后的兩段式復(fù)合截齒結(jié)構(gòu)
雖然兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒能夠避免三段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒中釬焊連接的限制,但仍然具備一定程度的膨脹系數(shù)脫落風(fēng)險(xiǎn),因此采用納米結(jié)合劑(納米結(jié)合劑由鈷粉、硅粉和碳化鈦粉所組成)梯度過渡層連接(圖4)。
圖4 梯度過渡層結(jié)構(gòu)
其中,過渡層1 由55%~65%的金剛石粉、30%~35%碳化鎢、5%~10%納米結(jié)合劑組成;過渡層2 由25%~35%金剛石粉、55%~60%碳化鎢、10%~15%納米結(jié)合劑組成。該結(jié)構(gòu)工作表面由金剛石層通過兩層過渡層逐漸過渡到截齒體,由表至里使彈性梯度與熱膨脹梯度逐漸變化,殘余應(yīng)力減少,大幅降低聚晶金剛石截齒頭脫落風(fēng)險(xiǎn)。
改進(jìn)后的兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒的樣品個數(shù)為30 個,以便在性能檢測時(shí)能夠使用隨機(jī)采樣的方式進(jìn)行。樣品制備的原料分為硬質(zhì)合金、聚晶金剛石、金剛石微粉、納米結(jié)合劑。樣品組裝需要在3×10-4Pa 真空條件下,700 ℃保溫2 h,燒結(jié)溫度應(yīng)保持1350~1450 ℃,燒結(jié)壓力5.5~6.5 GPa,燒結(jié)時(shí)間25~30 min,燒結(jié)工藝為一次迅速升壓升溫—持續(xù)供壓供溫—慢降溫慢降壓退火的方式(圖5)。
圖5 燒結(jié)工藝曲線
在制備的30 個兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭中隨機(jī)選擇5 個樣品進(jìn)行耐磨性測試,標(biāo)準(zhǔn)為JB/T 3235—2013,測試對比項(xiàng)為傳統(tǒng)硬質(zhì)合金截齒頭,為增強(qiáng)對比測試的科學(xué)性,用作對比項(xiàng)的硬質(zhì)合金截齒頭和兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭樣品的規(guī)格尺寸相同。耐磨性測試結(jié)果見表1。
根據(jù)表1 可知,兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭的5 個樣品在常規(guī)情況下的磨耗比與750 ℃保溫1.5 h 后的磨耗比平均值相差不大,由此可以看出兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭具有較高的適應(yīng)性和穩(wěn)定性。同等測試條件下的硬質(zhì)合金截齒頭的磨耗比均為0.001 5 萬,與兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭的磨耗比差距較大,說明兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭的耐磨性遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金截齒頭。
在制備的30 個兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭中隨機(jī)選擇5 個樣品進(jìn)行抗沖擊韌性測試,測試設(shè)備為落錘式?jīng)_擊設(shè)備。測試對比項(xiàng)為傳統(tǒng)硬質(zhì)合金截齒頭,二者的規(guī)格尺寸仍然保持一致。試驗(yàn)方法為將兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭和硬質(zhì)合金截齒頭分別固定在落錘式?jīng)_擊設(shè)備上,依次使用5 J、10 J、15 J、20 J 的能量沖擊花崗巖表面,花崗巖的力學(xué)性能見表2、抗沖擊韌性測試結(jié)果見表3。
表2 花崗巖力學(xué)性能
表3 抗沖擊韌性測試測試結(jié)果
根據(jù)表3 可以得知,二段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭和硬質(zhì)合金截齒頭在常規(guī)狀態(tài)下和750 ℃保溫1.5 h 后狀態(tài)下的抗沖擊韌性檢測結(jié)果相差不大,由此可以說明二者的抗沖擊性能接近。
經(jīng)過耐磨性和抗沖擊性實(shí)驗(yàn)后,文章將二段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭和硬質(zhì)合金截齒頭應(yīng)用在路面銑刨機(jī)上進(jìn)行實(shí)際銑刨實(shí)驗(yàn)。路面銑刨機(jī)型號為Werten2000,兩次作業(yè)的車速、截齒頭安裝方式、作業(yè)路面完全相同,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。
表4 銑刨實(shí)驗(yàn)結(jié)果
根據(jù)表4 可以得知,兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭在連續(xù)作業(yè)21 h、銑刨4900 m 瀝青混凝土路面后,聚晶金剛石齒頭正常磨損報(bào)廢;硬質(zhì)合金截齒頭在連續(xù)作業(yè)3 h、銑刨700 m 瀝青混凝土路面后,硬質(zhì)合金齒頭嚴(yán)重磨損報(bào)廢。由此可以證明在實(shí)際銑刨中,兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭的使用壽命遠(yuǎn)超硬質(zhì)合金截齒頭,約為硬質(zhì)合金截齒頭的7 倍。
(1)用聚晶金剛石截齒頭代替?zhèn)鹘y(tǒng)硬質(zhì)合金截齒頭,提出截齒體、截齒座、截齒頭三段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒,其中截齒座和截齒頭采用釬焊方式連接。
(2)三段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒中的釬焊質(zhì)量成為限制截齒質(zhì)量的不確定因素,提出將截齒座和截齒頭整合成一體式截齒頭,與截齒體使用凹凸界面加過渡層燒結(jié)的連接方式,形成兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒。
(3)使用傳統(tǒng)硬質(zhì)合金截齒與二段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒分別進(jìn)行耐磨性、抗沖擊韌性、實(shí)際銑刨實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明,兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒的耐磨性遠(yuǎn)高于硬質(zhì)合金截齒;兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒的抗沖擊韌性與硬質(zhì)合金截齒相當(dāng);兩段式復(fù)合結(jié)構(gòu)截齒頭的使用壽命遠(yuǎn)超硬質(zhì)合金截齒頭,約為硬質(zhì)合金截齒頭的7 倍。