金刚石串珠绳锯橡胶保护套工作寿命的内因分析*

彭锦雯，彭 啸，邓卫星

(桂林理工大学有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室，材料科学与工程学院，广西 桂林　541004)



金刚石串珠绳锯橡胶保护套工作寿命的内因分析*

彭锦雯，彭 啸，邓卫星

(桂林理工大学有色金属及材料加工新技术教育部重点实验室，材料科学与工程学院，广西 桂林541004)

金刚石串珠绳锯逐渐成为未来的主流切割工具，在矿山开采等领域具有广泛的应用。在大理石矿山切割中，橡胶保护套的工作寿命成为制约金刚石串珠绳锯寿命的重要因素。我们通过模型计算及实际生产，探讨了金刚石串珠与钢丝绳之间的粘接力及保护套的曲挠性能对金刚石串珠绳锯橡胶保护套工作寿命的影响。研究结果表明，提高金刚石串珠与钢丝绳的粘接力可以有效解决金刚石串珠脱落的问题，而改善橡胶的曲挠性能可防止串珠后端橡胶开裂的发生。

金刚石串珠绳锯；橡胶保护套；粘接力；曲挠

1　概述

1968年英国人浦劳斯提出将高硬度金刚石和高柔性钢丝绳相结合，制作新型的切割工具的设想。十年之后，1978年，意大利的APUAN石材矿山成功进行了第一条金刚石串珠绳锯切割实验[1-3]。金刚石串珠绳锯具有全形貌切割、低能耗、切割效率高、不受尺寸约束、低声低尘、机械体积小而多变、组装方便等优点。因此在矿山开采、板材切割、大型建筑构件拆迁、水下切割、管道切割等领域得到广泛的应用，并且成为当今世界主流的切割工具[4-5]。

金刚石绳锯主要由高强度钢丝绳、金刚石串珠以及保护套三部分组成。随着金刚石产业的发展成熟，保护套材料成为制约金刚石串珠绳锯质量的技术短板[6-7]。保护套主要有橡胶和塑料两种，塑料保护套主要用于石材在生产车间的切割，而橡胶保护套则主要用于户外切割，如矿山切割、老旧设备的拆除、钢筋混凝土切割等，因此工作环境更加恶劣，对其使用要求更高。尽管橡胶保护套并不负责切割，但它主要起两个作用：金刚石串珠与钢丝绳之间的粘接以及保护钢丝绳在切割过程中不会暴露而迅速被腐蚀甚至断绳[8]。

保护套的稳定性决定了金刚石串珠绳锯的工作寿命，也决定了它在切割体系中的重要性。金刚石串珠绳锯工作环境恶劣，工作强度极高，常出现金刚石串珠前/后端开裂、串珠脱落、钢绳断裂等问题，如图1所示。为提高金刚石绳锯质量的稳定性，本文从影响保护套寿命的两个主要内在因素探讨保护套质量的提高，鉴于金刚石密度、出刃高度、工作强度等因素是影响保护套使用寿命的外在因素，因此不进行讨论。

图1　金刚石绳锯结构及其保护套的失效形貌Fig.1　Structure of diamond wire saw and the failure morphologies of its rubber protective sleeve

2　实验部分

大理石绳锯专用橡胶:自制。串珠与钢丝绳之间的粘结力测试由拉力试验机完成(型号Al-7000s)，取五组数据的平均值。曲挠测试由曲折测试机测试(型号GT-7011-DG)；大理石大面切割及荒料整形在柳州大塘矿山进行。绳锯机及绳锯参数见表1，大理石参数见表2。

表1　金刚石绳锯机及绳锯的相关参数

表2　试验矿山大理石及其物理性质

3　结果与讨论

3.1串珠与钢丝绳之间的粘接力

串珠与钢丝绳之间的粘接力是固定金刚石串珠与钢丝绳之间相对位置的主要作用力。切割过程中单颗串珠受力(F0)主要来源于切削力以及摩擦力[9]。单颗磨粒切削力与切削深度成正比，而单颗串珠受力与该颗串珠上的瞬时有效切削磨粒数成正比。当绳锯张紧力增加时，串珠施加于切割工件上的力增加，串珠上瞬时有效切削磨粒数增加，因此增加张紧力会大幅增加单颗串珠切削受力。另一方面，摩擦力主要取决于磨粒的出刃高度以及磨屑大小程度，这与切削工件的破碎方式有关[10]。当切割工件以赫兹破碎方式切割时[11]，磨屑粒径多小于磨粒出刃高度，有助于磨屑排除，摩擦力较小。而切割过程中存在体积破碎方式时，部分磨屑颗粒大于磨粒的出刃高度，将不可避免地存在二次破碎，单颗串珠所受的摩擦力将会增大。当切割长度增加时，磨屑排出困难，也将会增加单颗串珠所受摩擦力。在绳锯本身参数之外，冷却水的用量也会大幅影响单颗串珠受到的摩擦力，由于工作条件的复杂性，研究人员对此影响的认识存在一定的局限。当串珠受力F0大于金刚石串珠与钢丝绳之间的粘接力Fa时，金刚石串珠将会产生相对于钢丝绳的变形位移ε。显然当ε小于金刚石串珠耐受的最大变形位移时，串珠受力解除后，金刚石串珠能够复位；否则，当ε大于金刚石串珠耐受的最大变形位移时，金刚石串珠会发生永久性位移，即发生串珠脱离保护套以及钢丝绳的现象，金刚石绳锯失效。

ε：串珠相对位移

F0：单颗串珠受力

Fa：金刚石串珠与钢丝绳之间的粘接力

E：保护隔离套的表观弹性模量

当串珠产生相对位移时，对于串珠前端的保护隔离套产生拉伸，而对串珠后端的保护隔离套产生压缩。反复的动态位移会在串珠前后端与保护隔离套的粘接界面形成疲劳以及应力集中。在单颗串珠受力不变的情况下，当粘接力贡献增加时，串珠的相对位移将有效减小。因此在保证保护套橡胶其他性能的前提下，金刚石串珠与钢丝绳之间的粘接力增加有利于橡胶保护套工作寿命的提高。实验证明，当金刚石串珠与钢丝绳之间的粘接力大于1100 N时，可以有效保护金刚石绳锯。

3.2金刚石串珠前后端与保护套接触面的局部曲挠

分析图1可以发现，金刚石绳锯的失效主要发生在金刚石串珠前后两端，而金刚石串珠前后端与保护套接触面的局部曲挠是造成这一结果的主要因素[12]。通过图2可以计算出金刚石绳锯在工作时承受的曲挠角度。其中的计算基于以下假设条件：

图2　金刚石串珠绳锯通过导轮时的示意图Fig.2　Scheme of the bending of diamond wire rope on the guide wheel

(1)绳锯工作中，两个金刚石串珠之间的伸长变形远远小于导轮周长，因此忽略不计；

(2)串珠直径远远小于导轮周长，因此在计算串珠之间形成的弧角时忽略不计。

由金刚石绳锯上的串珠密度可以得到两个串珠之间的距离为1/n，这个值也是绳锯包覆导轮时两个串珠在导轮上形成的弧长。由弧长公式可得：

因此，弧对应的角度α为

由于弧度值小，曲挠角度可近似于串珠之间的弧度

α：两个串珠之间形成的弧对应的角度，单位度

A：曲挠角度，单位度

R：导轮半径，单位米

n：每米绳锯包含的串珠数

以导轮直径为80 cm，每米串珠数为40为例计算，当绳锯经过导轮时，两个串珠之间保护隔离套的曲挠角度为3.58°；而当导轮直径为40 cm时，这个曲挠角度将达到7.16°。如果考虑串珠的直径对曲挠的影响，保护隔离套实际承受的曲挠角度将略大于理论数值。反复的动态曲挠对串珠末端点形成的疲劳集中，将会对保护隔离套造成不可恢复的伤害。在极端条件下，当被切割对象的转角直径小于导轮直径时，保护隔离套所承受的曲挠角度将远大于这一数值。因此，动态曲挠对金刚石串珠绳锯保护隔离套形成的破坏不容忽视。图3为试验用金刚石串珠绳锯所用保护套橡胶的曲挠测试，图4为其切割大理石矿山的使用情况。在完成1500 m2大理石切割时，试验绳锯依然完好无损，仍然处于良好的工作状态。实验结果说明提高保护套橡胶的曲挠特性，可以有效增加金刚石串珠绳锯的工作寿命。

实际应用中，金刚石绳锯在切割大理石时存在前端开裂现象。由于金刚石串珠前端凸出长度小于后端凸出长度，因此，由曲挠导致的开裂应当首先发生在金刚石串珠的后端，然而实验结果并没有出现串珠后端开裂的情况，说明实验用橡胶在曲挠强度方面已经完全能胜任大理石切割的工作强度。导致金刚石串珠前端开裂的因素本文未作探讨，尚需要进一步研究。

图3　试验所用保护套橡胶的曲挠测试Fig.3　Deflection test of the rubber protective sleeve

图4　金刚石绳锯切割大理石的实用效果Fig.4　Practical effect of diamond wire saw in marble cutting

4　结论

通过改善橡胶提高金刚石串珠与钢丝绳之间的粘接力以及增加橡胶的曲挠性能，研究了两者对金刚石串珠绳锯工作寿命的影响。研究结果表明：金刚石串珠与钢丝绳之间的粘接力增加有利于橡胶保护套工作寿命的提高，当金刚石串珠与钢丝绳之间的粘接力大于1100 N时，可以有效保护金刚石绳锯。橡胶曲挠性能的增加可以有效防止金刚石串珠后端橡胶开裂的现象。模型计算结论与实际矿山应用的结果相一致，可为以后完善相关模型的构建提供有力帮助。

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Internal Cause Analysis of Service Life of the Rubber Protective Sleeve of Diamond Beaded Wire Saw

PENG Jin-wen, PENG Xiao, DENG Wei-xing

(KeyLaboratoryofNewProcessingTechnologyforNonferrousMetalsandMaterials,MinistryofEducation,GuilinUniversityofTechnology,Guilin,Guangxi,China541004)

Diamond beaded wire saw starts to become the future dominant cutter and is widely adopted in fields such as mining industry. In marble mine cutting, Service life of the rubber protective sleeve is the key factor that restricts the service life of diamond beaded wire saw. The influence of adhesive strength between diamond beads and wire rope and deflection behavior of the rubber protective sleeve on the service life of the rubber protective sleeve has been discussed through model calculation and actual production. Result shows that the problem of diamond beads detachment can be solved by improving the adhesive strength between diamond beads and wire rope while improving the deflection behavior of the rubber protective sleeve can prevent the cracking of the rear-end rubber of the beads.

diamond beaded wire saw; rubber protective sleeve; adhesive strength; deflection

2016-05-11

彭锦雯(1965-)，女，教授，从事功能高分子材料的开发研究。通讯作者：邓卫星(1979-)，男，高级实验师。E-mail:freewxdeng@163.com。

TQ164

A

1673-1433(2016)04-0015-05

引文格式：彭锦雯，彭啸，邓卫星.金刚石串珠绳锯橡胶保护套工作寿命的内因分析[J].超硬材料工程，2016，28(4)：15-19.