COB. Praktijkonderzoek boortunnels K100, Cluster 1 Slijtage van snij-elementen Predictie B-06a

CUR/COB

Praktijkonderzoek boortunnels K100, Cluster 1 Slijtage van snij-elementen Predictie B-06a

CUR/COB

Praktijkonderzoek boortunnels K100, Cluster 1 Slijtage van snij-elementen Predictie B-06a

registratie

projectcode

status

ET/BvL/R961125

4902002X

definitief

Titel en sub-titel: Praktijkonderzoek boortunnels K100, Cluster 1: Slijtage van snij-elementen

Schrijver(s): ir B. van Leeuwen ir E. Teunissen

Datum rapport: april 1996

Type rapport: Werkdocument

Rapportnummer opdrachtnemer: ET/BvL/R961125-4902002X

COB/K100-document nummer: K100-W-016

Projectleider(s) opdrachtnemer: ir B. van Leeuwen

Projectbegeleider opdrachtgever: drs W. van Schelt

Projectbegeleider opdrachtnemer: ir E.A.H. Teunissen Naam en adres opdrachtnemer: TEC Postbus 747 3900 AS Veenendaal

Naam en adres opdrachtgever: Centrum Ondergronds Bouwen Postbus 420 2800 AK Gouda

Opmerkingen: Dit rapport is één van de vier deelrapporten van predictiecluster 1 (zie relationele rapporten). Samenvatting rapport: In het kader van het CUR/COB K100, is een predictie uitgevoerd naar de mogelijke slijtage van snij-elementen van de tunnelboormachine bij de Tweede Heinenoordtunnel. Op basis van literatuuronderzoek is een eenvoudig slijtmodel opgesteld, waarbij de slijtage alleen afhankelijk is gesteld van de contactdruk en de sleepweg (de door het snij-element afgelegde weg). Op basis van de studie naar de krachten op de snij-elementen (K100-W-014) wordt verwacht dat de grootste slijtage zal optreden in grondlaag 32 (zand). Deze laag wordt ter plaatse van de noordoever aangetroffen. De orde van grootte van de totale slijtage wordt geschat op 40 mm voor het meest perifere snij-element, uitgaande van een Vichershardheid van het snij-element van 1000 en een snijdiepte van 30 mm. De slijtage zal bij benadering evenredig zijn met de afstand tot de booras.

Relationele rapporten: Vliet, F.J.W. van, Kesteren, W.G.M. van, Predicties Boortechnologie B-01 and B-02, K100-W-014, februari 1996. Bezuijen, A., Invloed Waterspanningen op Stabiliteit Boorfront, K100-W-015, februari 1996. Kimenai, M.C.W., Bepalen van Axiale en Tangentiële Wrijving langs de Omtrek van de TBM, K100-W-017, februari 1996 Trefwoorden: tunnel, boren, slijtage, snij-elementen

Verspreiding: COB-commissie K100

Classificatie: Intern COB-rapport

Classificatie deze pagina: Nee

Aantal blz: 15

Versie

Datum

Namens opdrachtnemer

Paraaf

1 (con)

jan 1996

ir E.A.H. Teunissen

drs W. van Schelt

2 (con)

maart 1996

ir E.A.H. Teunissen

drs W. van Schelt

3 (def.con)

april 1996

ir E.A.H. Teunissen

drs W. van Schelt

4 (definitief)

april 1996

ir E.A.H. Teunissen

drs W. van Schelt

Prijs: Namens opdrachtgever

Paraaf

Title and sub-title: Predictioncluster 1: Wear of Cutting Chisels

Author(s): ir B. van Leeuwen ir E. Teunissen

Date report: april 1996

Type report: Interim-report

Reportnumber contractor: ET/BvL/R961125-4902002X

COB/K100-report number: K100-W-016

Project manager(s) contractor: ir B. van Leeuwen

Project attendant principal: drs W. van Schelt

Project attendant contractor: ir E.A.H. Teunissen Name and address contractor: TEC P.O. Box 747 3900 AS Veenendaal The Netherlands

Name and address principal: Centrum Ondergronds Bouwen P.O. Box 420 2800 AK Gouda The Netherlands

Remarks: This report is one out of four reports making up predictioncluster one (see relational reports). Summary of report: On assignment of the CUR/COB K100, a study has been carried out for de possible wear of the cutting tools on the TBM that will be used at the Tweede Heinenoordtunnel. Based on a literature study a simple wear model has been drawn up, at which the wear is depending the contactpressure, the sliding distance and the hardness of the material. Based on the study to forces on a cutting tool (report K100-W-014) the maximum wear is expected in soil layer 32 (sand). This layer is found on the north river bank. The total wear is estimated on 40 mm for the cutting tool situated at the end of bore wheel, based on a Vickers hardness of 1000 and a cutting depth during the bore process of 30 mm. The wear will be approximately proportionate to the distance of the bore axle. Relational reports: Vliet, F.W.J. van, Kesteren, W.G.M. van, Predictions Bore Technology B-01 and B-02, K100-W-014, February 1996 (in Dutch). Bezuijen, A., Influence of Pore Pressures on the Face Stability of Tunnels, K100-W-015, February 1996 (in Dutch). Kimenai, M.C.W., Determination of Axial and Tangent Friction along Outline of TBM, K100-W-017, February 1996 (in Dutch). Keywords: tunnel, boring, wear

Distribution: COB-committee K100

Classification: Internal COB-report

Classification this page: No

Number of pages: 15

Price:

Version

Date

On behalf of contractor

Initials

1 (drft)

Jan 1996

ir E.A.H. Teunissen

drs W. van schelt

2 (drft)

mar 1996

ir E.A.H. Teunissen

drs W. van Schelt

3 (fin drft)

april 1996

ir E.A.H. Teunissen

drs W. van Schelt

4 (final)

april 1996

ir E.A.H. Teunissen

drs W. van Schelt

On behalf of principal

Initials

Auteursrechten Alle rechten voorbehouden. Niets uit deze uitgave mag worden verveelvoudigd, opgeslagen in een geautomatiseerd gegevensbestand of openbaar gemaakt, in enige vorm of op enige wijze, hetzij elektronisch, mechanisch, door fotokopieën, opnamen of op enig andere manier, zonder voorafgaande schriftelijke toestemming van de CUR/COB. Het is toegestaan overeenkomstig artikel 15a Auteurswet 1912 gegevens uit deze uitgave te citeren in artikelen, scripties en boeken, mits de bron op duidelijke wijze wordt vermeld, alsmede de aanduiding van de maker, indien deze in de bron voorkomt. " ©Rapport K100-W-016 Praktijkonderzoek boortunnels K100, Cluster 1: Slijtage van snij- elementen, februari 1996, CUR/COB, Gouda." Aansprakelijkheid CUR/COB en degenen die aan deze publikatie hebben meegewerkt, hebben een zo groot mogelijke zorgvuldigheid betracht bij het samenstellen van deze uitgave. Nochtans moet de mogelijkheid niet worden uitgesloten dat er toch fouten en onvolledigheden in deze uitgave voorkomen. Ieder gebruik van deze uitgave en gegevens daaruit is geheel voor eigen risico van de gebruiker en CUR/COB sluit, mede ten behoeve van al diegenen die aan deze uitgave hebben meegewerkt, iedere aansprakelijkheid uit voor schade die mocht voortvloeien uit het gebruik van deze uitgave en de daarin opgenomen gegevens, tenzij de schade mocht voortvloeien uit opzet of grove schuld zijdens CUR/COB en/of degenen die aan deze uitgave hebben meegewerkt.

VOORWOORD Kennis en ervaring op het gebied van ondergronds bouwen in zachte grond is belangrijk als Nederland de actualiteit wil volgen en de (inter)nationale positie van de Nederlandse ontwerpers en bouwers wil handhaven. Door een breed forum van partijen uit bedrijfsleven, overheid en kennisinstituten is in 1994 het Impulsprogramma Kennisinfrastructuur Ondergronds Bouwen opgesteld. Het doel van dit Impulsprogramma is te komen tot een duurzame versterking van de kennisinfrastructuur. De kern van deze kennisinfrastructuur vormt het Centrum Ondergronds Bouwen (COB), dat onderzoek en ontwikkelingen op het gebied van ondergronds bouwen initieert en coördineert. COB maakt gebruik van de werkwijze en infrastructuur van het Civieltechnisch Centrum Uitvoering Research en Regelgeving (CUR) te Gouda. De activiteiten van het COB worden uitgevoerd onder de noemer CUR/COB. Een leerstoel "Ondergronds Bouwen" aan de TU Delft is nauw gelieerd aan het COB. In CUR/COB participeert een breed scala aan bedrijven, branche-organisaties, onderzoeksinstellingen, wetenschappelijke instituten en overheden. Via een bijdrage van de Interdepartementale Commissie voor het Economisch Structuurbeleid (ICES) in het Impulsprogramma stimuleert de overheid de totstandkoming van deze kennisinfrastructuur. Het onderzoek en ontwikkelingswerk van CUR/COB worden verricht in het kader van een omvattend uitvoeringsprogramma. Dit uitvoeringsprogramma kent in eerste instantie vier thema's, te weten "Boren in zachte grond", "Verkennen, voorspellen en monitoren", "Economische tunnelbouw" en "Construeren, beheren en onderhouden". De thema's worden ingevuld met uit te voeren onderzoeks- en ontwikkelingsprojecten. Een belangrijk project binnen het eerste thema is het "Praktijkonderzoek Boortunnels" (CUR/COB-uitvoeringscommissie K 100). De kern van dit project bestaat uit een intensieve monitoring van de twee Praktijkprojecten Boortunnels, de Tweede Heinenoordtunnel en de Botlekspoortunnel. Door middel van deze monitoring worden bestaand instrumentarium voor verkenning van de ondergrond en voorspellingsmodellen voor het gedrag van constructie en grond getoetst. Voorliggend werkdocument "Praktijkonderzoek boortunnels K100, Cluster 1, predictie B-06a: Slijtage van snij- elementen" is onder verantwoordelijkheid van deze commissie tot stand gekomen en moet gezien worden als uitvoeringsonderdeel van het predictieplan.

De samenstelling van de commissie, die dit rapport heeft voorbereid, was:

De kwaliteitsgroep bestond uit het Supercluster Boortechnologie van K100 en de Werkgroep Monitoring van BTL:

ir. K.J. Bakker, voorzitter ir. Joh.G.S. Pennekamp, voorzitter tot 31/12/95 drs. W. van Schelt, secretaris ir. F.W.J. van Vliet, voorzitter vanaf 01/01/96 ir. P.H.J. Ackermans ir. A. Bezuijen dr.ir. P. van den Berg ir. H.A. Greve, BTL ir. J.P.M. Bol ir. M.A. van de Griendt, BTL ing. H.J. Hagen ir. R.W.M.G. Heijmans, BTL ing. H. de Kruijff ir. A.G.M. Knibbeler, BTL ing. A. van de Meent ir. M.P. Quaak, BTL ir. H.C. Peerdeman ir. P.A.A. Roelands, BTL ing. A.A. Proper ir. E.A.H. Teunissen dr.ir. A. Pruijssers ing. R.W.P. Uitermarkt ir. P. van Putten ir. G.M. Wolsink, BTL ir. S.F. de Ronde drs. W. van Schelt, Projectbureau Boortunnels ir. L.E.B. Saathof ir. E.A.H. Teunissen ing. R.W.P. Uitermarkt ing. P.H. Verheijen ir. H.J. Vos prof.dr.ir. J.F. Agema, mentor CUR ir. J.N. Altenburg, coördinator COB

Samenstelling van Projectbureau Boortunnels: ir. K.J. Bakker ir. W.F.J. de Jager ir. P.S. Jovanovic ir. A.J.M. Kösters ing. E.A. Kwast ir. L.B.J. van Oldeniel ir. J.W. Plekkenpol drs. W. van Schelt

februari 1996

Projectbureau Boortunnels

INHOUDSOPGAVE SAMENVATTING SUMMARY NOTATIES INLEIDING 1.1 Algemeen 1.2 Projectomschrijving 1.3 Probleemstelling 1.4 Doelstelling UITGANGSPUNTEN 2.1 Grondeigenschappen 2.2 Modellen INVENTARISATIE 3.1 Literatuuronderzoek 3.2 Modellering van het slijtageproces ANALYSE LITERATUURGEGEVENS 4.1 Mashloosh and Eyre, praktijkonderzoek 4.2 Mashloosh and Eyre, laboratoriumonderzoek 4.3 Schimazek en Knatz 4.4 Reinking CONCLUSIES EN TOEPASSING OP DE HEINENOORDTUNNEL 5.1 Bepaling van de verweringsconstante 5.2 Gegevens uit studieonderdeel B-01 (WL rapport K100-W-014) 5.3 Vickershardheid 5.4 Laboratorium meting snijtand door Techno Fysica B.V. 5.5 Predictie van de slijtage 5.6 Gevoeligheidsanalyse 5.7 Conclusies en aanbevelingen LITERATUUR BIJLAGE 1 BIJLAGE 2 BIJLAGE 3 BIJLAGE 4 BIJLAGE 5

7 2 3 4 4 4 4 5 6 6 6 7 7 7 9 9 9 10 10 12 12 12 13 13 14 14 15 16 17 18 19 20 21

SAMENVATTING In het kader van het CUR/COB K100, is een predictie uitgevoerd naar de mogelijke slijtage van snijelementen van de tunnelboormachine bij de Tweede Heinenoordtunnel. Op basis van literatuuronderzoek is een eenvoudig slijtmodel opgesteld, waarbij de slijtage alleen afhankelijk is gesteld van de contactdruk en de sleepweg (de door het snij-element afgelegde weg). Op basis van de studie naar de krachten op de snij-elementen (K100-W-014) wordt verwacht dat de grootste slijtage zal optreden in grondlaag 32 (zand). Deze laag wordt ter plaatse van de noordoever aangetroffen. De orde van grootte van de totale slijtage wordt geschat op 40 mm voor het meest perifere snij-element, uitgaande van een Vichershardheid van het snij-element van 1000 en een snijdiepte van 30 mm. De slijtage zal bij benadering evenredig zijn met de afstand tot de booras.

4902002X Praktijkonderzoek boortunnels Slijtage van Snij-elementen, cluster 1 B-06, definitief rapport K100-W-016

SUMMARY On assignment of the CUR/COB K100, a study has been carried out for de possible wear of the cutting tools on the TBM that will be used at the Tweede Heinenoordtunnel. Based on a literature study a simple wear model has been drawn up, at which the wear is depending on the contactpressure, the sliding distance and the hardness of the material. Based on the study to forces on a cutting tool (report K100-W-014) the maximum wear is expected in soil layer 32 (sand). This layer is found on the north river bank. The total wear is estimated on 40 mm for the cutting tool situated at the end of bore wheel, based on a Vickers hardness of 1000 and a cutting depth during the bore process of 30 mm. The wear will be approximately proportionate to the distance of the bore axle.


NOTATIES Wv slijtage (wear volume) Lbelasting (load), hier geïnterpreteerd als de contactdruk Ssleepafstand (sliding distance), dat is de afstand die het contactvlak heeft afgelegd Hv de hardheid van het materiaal fw evenredigheidsconstante (verweringsconstante) f'w rekenconstante Aslijtoppervlakte


mm3 kPa m Vickers mm/m,kPa mm/m,kPa mm2

HOOFDSTUK 1 INLEIDING 1.1 Algemeen In opdracht van het CUR/COB is door TEC/Fugro een studie uitgevoerd in het kader van het Predictieprogramma Praktijkonderzoek Boortunnels, commissie CUR/COB K100. De studie betreft de predictie van 'de slijtage van de snij-elementen' zoals deze is geformuleerd als het onderzoeksdoel B-06-A van het Instrumentatie en Meetplan, rapport K100-01. De opdracht, aangeduid als cluster 1, is verwoord in de brief van het Centrum Ondergronds Bouwen d.d. 26 juli 1995, opdrachtnummer C049 en de offerte van TEC/Fugro referentienummer 4902002x/ET/JBV/95A251 van 5 juli 1995. Voor deze predictie is TEC/FUGRO als opdrachtnemer opgetreden waarbij de werkzaamheden voor dit clusteronderdeel binnen TEC/FUGRO in zijn geheel door TEC zijn uitgevoerd. De predicties zijn gebaseerd op literatuuronderzoek en op een studie van het Waterloopkundig Laboratorium naar de reactiekrachten van het snijrad op het grondmassief. 1.2 Projectomschrijving Ten oosten van de bestaande Heinenoordtunnel wordt de Tweede Heinenoordtunnel aangelegd ten behoeve van het langzaam verkeer. De geboorde tunnelbuizen, met een uitwendige diameter van 8,3 meter, liggen naast elkaar en hebben een lengte van circa 950 meter. Dit eerste boortunnelproject wordt tevens gebruikt als proefproject ter verrijking van kennis omtrent de boortechniek in de Nederlandse bodem. In het kader van het Praktijkonderzoek Boortunnels (K100) is een onderzoekprogramma gestart bestaande uit predicties, experimenten en in-situ metingen. Hiertoe wordt op de zuidoever en de noordoever een meetveld ingericht. Bovendien wordt de Tunnelboormachine (TBM) uitgebreid beïnstrumenteerd en worden er speciaal beïnstrumenteerde meetringen in de tunnel geplaatst. De resultaten van de praktijkmetingen worden na passage van de TBM vergeleken met de predicties en geanalyseerd. 1.3 Probleemstelling Tijdens het ontgraven van grond ontstaat er een krachtswerking tussen het omliggende grondmassief en de TBM. Enerzijds worden de vijzelkrachten, die nodig zijn om de TBM voort te bewegen, bepaald door de reactiekracht van de grond op de voortbewegende en ronddraaiende snij-elementen. Om deze reactiekracht te kunnen kwantificeren moet inzicht bestaan in het bezwijkmechanisme van de (verschillende soorten) grond. Anderzijds worden de vijzelkrachten bepaald door de axiale wrijving die de TBM ondervindt langs de omtrek van het omliggend grondmassief. Naast de krachtswerking in axiale richting van de TBM speelt ook de krachtswerking in tangentiële richting een belangrijke rol. De reactiekrachten van de grond op de snij-elementen hebben ook een tangentiële component ten gevolge van het ronddraaien van de snij-elementen. De motor in de TBM moet hiervoor een koppel leveren welke onder andere wordt ontleend aan de tangentiële wrijving langs de omtrek van de TBM. Het ontgravingsproces en de krachtswerking op de TBM kunnen met de huidige kennis slechts deels worden gemodelleerd. Een verificatie van de beschikbare modellen middels het maken van predicties en het uitvoeren van metingen is noodzakelijk om het ontgravingsproces beter te kunnen begrijpen en te controleren. Dit is van belang omdat het boorproces mede bepalend is voor de stabiliteit van het


boorfront. De snijdiepte en snijsnelheid van een snij-element en de frontbelasting door het snijwiel zijn namelijk van invloed op de gegenereerde waterover- of wateronderspanning aan het boorfront. Ook bepaalt het ontgravingsproces de grootte en vervormingsgraad van de produktie-eenheden. Deze aspecten zijn op hun beurt weer bepalend voor de mengselvorming en het transport van de slurry. De bovengenoemde aspecten zijn onderzocht door het Waterloopkundig Laboratorium (rapport K100W-014, februari 1996), onder de onderzoeksdoelen B-01 en B-02. De vormgeving van de snij-elementen en de krachten in het graaffront zijn ook bepalend voor de slijtage van de snij-elementen. Over dit onderwerp is slechts weinig bekend. 1.4 Doelstelling Aan de hand van een literatuurstudie wordt een predictie gemaakt van de te verwachten slijtage van de snij-elementen onder de verwachte omstandigheden aan het boorfront. Hierbij zal een vereenvoudigd model worden gehanteerd. De resultaten van deze studie worden gebruikt om een definitieve specificatie van de uit te voeren metingen op de snij-elementen op te stellen. In de evaluatiefase zullen de verkregen meetresultaten worden vergeleken met de berekeningsresultaten.


HOOFDSTUK 2 UITGANGSPUNTEN 2.1 Grondeigenschappen Het rapport 'Parameterset voor de predicties' (PBBT, d.d. 21 juni 1995 en Appendix 1 d.d. augustus 1995) bevat een gedeelte van het het grondonderzoek en de geotechnische parameters langs het tunneltracé. Dit rapport is tevens uitgangspunt voor het onderzoek van het Waterloopkundig Laboratorium, "Predicties Boortechnologie" (studieonderdeel B0-1 en B0-2, rapport K100-W-014) naar de krachten op het graaffront. Figuur 2.1 uit dit rapport (hier toegevoegd als Bijlage 1) geeft een overzicht over de verschillende boortrajecten: -vanaf de Noordoever (meetveld Noord) wordt circa 250 m geboord door holoceen zand, profiel 18bv (bv= boorvloeistof). -daarna wordt circa 220 m geboord door holoceen zand (profiel 32) ongeveer tot het diepste punt van de tunnel. -over de volgende 220 m wordt er geboord door zand en klei uit de formatie van Tegelen Kedichem (profiel 18). -het laatste 260 m bestaat uit een sterk variërend pakket van holoceen zand en klei (profiel 16). De invloed van de boorvloeistof op de berekening van de krachten op de snij-elementen is beschouwd in het rapport "Predicties Boortechnologie" met kenmerk K100-W-014 (paragraaf 4.2.6). In dit rapport zijn de snijkrachten bepaald als functie van de snijdiepte, de positie van het snij-element en de grondlaag waar bij de Tweede Heinenoordtunnel doorheen wordt geboord. Hierbij is er van uitgegaan dat de snijdiepte groter is dan de indringdiepte van de boorvloeistof. Aanvullend op deze rapportage zijn door het Waterloopkundig Laboratorium de korrelspanningen op het slijtvlak van een snijelement bepaald. De snijkrachten en de korrelspanningen zijn weergegeven in bijlage 2. Ten gevolge van het snijproces treden in de zandlagen lokale wateronderspanningen op, waardoor de korrelspanningen toenemen. De korrelspanning op het snij-element is een directe parameter voor de vaststelling van de slijtage. 2.2 Modellen De slijtage van snij-elementen op de boorkop hangt af van het slijtagemechanisme, eigenschappen van de grond, de belasting, de materiaaleigenschappen en de vormgeving van de snij-elementen. De afschatting van de slijtagegevoeligheid vindt plaats aan de hand van empirische relaties, waarbij de slijtage onvoldoende eenduidig kan worden berekend. Het zal blijken dat de grootte van de slijtage sterk varieert. Wel wordt aangegeven wat de optimale procesparameters zijn inzake het voorkomen van slijtage en waar op het boortraject de grootste slijtageproblemen te verwachten zijn. Twee belangrijke procesparameters zijn de snijdiepte en de rotatiesnelheid van het snijrad. De krachten op de snij-elementen zijn groter bij een grotere snijdiepte en groter bij toenemende snelheid. Ten aanzien van de slijtage van de snij-elementen worden de volgende modellen gehanteerd: -formule van Schimazek (Schimazek & Knatz, 1970; Schimazek & Knatz, 1976): invloed grondeigenschappen; -formule van Archard (Mashloosh & Eyre, 1985): invloed operationele parameters; -snijmodellen zand en klei: grootte van de spanningen op het staal van de snij-elementen (zie studieonderdeel B-01).


HOOFDSTUK 3 INVENTARISATIE 3.1 Literatuuronderzoek In het kader van de studie naar de slijtage van de snij-elementen is een literatuuronderzoek uitgevoerd. De belangrijkste literatuur is: -een artikel van Mashloosh and Eyre met een beschrijving van een praktijkonderzoek naar de slijtage van tanden van een graafbak en de resultaten van laboratoriumproeven op proefstukken van verschillende staalsoorten -een artikel van Schimazek and Knatz met resultaten van slijtproeven in het laboratorium, waarbij steeds eenzelfde type van een stalen proefstuk werd afgesleten tegen verschillende zandsteensoorten -een artikel van Reinking waarin laboratoriumonderzoek is beschreven van de slijtage van een snijmes in klei waarin het effect van de vorming van snijproducten op de slijtage is onderzocht. 3.2 Modellering van het slijtageproces In de literatuur [1] wordt de volgende vergelijking gevonden (Archards wear law):

Wv = f w •

met Wv L= S= Hv fw

=

= =

L•S Hv

(1)

slijtage (wear volume) (mm3) belasting (load), hier geïnterpreteerd als de contactdruk (kPa) sleepafstand (sliding distance), dat is de afstand die het contactvlak heeft afgelegd (m) de hardheid van het materiaal (Vickers) evenredigheidsconstante (verweringsconstante) (mm/m,kPa)

In deze studie zullen de beschikbare gegevens worden getoetst aan dit model. Daarbij zal de slijtage worden omgerekend per eenheid van oppervlak (mm 2) en uitgedrukt in mm3 verlies per eenheid van sleepafstand (m) en per eenheid van contactspanning (kPa). Waar de slijtage in gewichtseenheid is gegeven, zal deze worden omgerekend in volume-eenheden door deling door de soortelijke massa van staal. De hardheid van het materiaal van de snij-elementen zal bij de analyse van de literatuurgegevens als parameter buiten beschouwing blijven. Op basis van de vergelijking (formule 1) en de laboratoriumproeven kan de evenredigheidconstante worden bepaald. Er wordt vanuit gegaan dat het snijmateriaal optimaal gekozen wordt, met een Vickershardheid van circa 500. De hardheid van de meest geschikte en veel toegepaste snij-elementen ligt veelal in deze orde. De bepaling van de evenredigheidsconstante geschiedt derhalve met de volgende vergelijkingen: (2) met Wv L=

=

slijtage (wear volume) belasting (load), hier geïnterpreteerd als de contactdruk


(mm3) (kPa)

S= f'w

=

sleepafstand (sliding distance), dat is de afstand die het contactvlak heeft afgelegd (m) rekenconstante (mm/m,kPa)

(3)

met fw f'w Hv

= = =

evenredigheidsconstante (verweringsconstante) rekenconstante de hardheid van het materiaal

(mm/m,kPa) (mm/m,kPa) (Vickers)

De eigenschappen van het materiaal waarin wordt gegraven, zijn niet direct in de formule verdisconteerd. Deze grondeigenschappen zijn impliciet verwerkt in de grootte van de contactdruk. Uit de literatuur [1] kan niet worden vastgesteld in hoeverre de evenredigheidsconstante afhankelijk is van het soort materiaal (samenstelling van het materiaal). Laboratoriumproeven met materiaal van verschillende (Vickers) hardheid tonen wel een lineaire afhankelijkheid tussen de hardheid en de slijtage aan.


HOOFDSTUK 4 ANALYSE LITERATUURGEGEVENS 4.1 Mashloosh and Eyre, praktijkonderzoek Het praktijkonderzoek betrof de vier graaftanden van de bak van een dragline, die werd gebruikt voor het ontgraven van grind. De slijtage van de vier tanden werd gemeten als functie van de tijd. Het artikel noemt de volgende gegevens: -oorspronkelijk gewicht van de wigvormige tand was circa 8,9 kg -de gemiddelde slijtage van de tand bedroeg circa 1800 g in de eerste 80 werkuren en circa 2800 g in de daarop volgende 250 werkuren -per werkuur werd gemiddeld 250 m3 verwerkt met een 3-tons bak -de hardheid van het materiaal van de graaftanden was 490 (Vickers) Deze gegevens worden als volgt geïnterpreteerd: -aan de hand van een foto in de tekst wordt geschat dat de afmeting van de tand ca 200 x 300 mm was. Aangenomen wordt dat de tand tweezijdig afslijt. -uit de gegeven produktie wordt geschat dat de sleepafstand ongeveer 300 m per werkuur is -de contactdruk wordt geschat op 30 kPa. De resultaten van de interpretatie zijn uitgewerkt in tabel 4.1. Tabel 4.1 Mashloosh and Eyre, praktijkonderzoek Tijdvak

Totale slijtage

Specifieke slijtage (A=2x200x300 mm2)

Spec. slijtage per m sleepafstand (S=300 m/werkuur)

Effect contactdruk (L=30 kPa) f'w

Wv g

mm3

mm3/mm2=mm

mm/m

mm/m,kPa

0-80 uur

1800

230000

1.9

79.10 -6

2,6.10 -6

80-330 uur

2800

360000

3.0

40.10 -6

1,3.10 -6

0-330 uur

4600

590000

4.9

49.10 -6

1,6.10 -6

4.2 Mashloosh and Eyre, laboratoriumonderzoek Het artikel betreft een laboratoriumonderzoek aan acht verschillende staalsoorten, met een hardheid die varieerde tussen 190 en 600. Het materiaal van de graaftanden van het praktijkonderzoek betrof één van de 8 laboratoriumonderzoeken. De staafvormige proefstukken, met een diameter van 10 mm werden in een proefbank geklemd en droog afgesleten tegen SiC-papier (100 en 120 grit) en Al-Oxide papier (80 en 100 grit). Onderzocht werd de slijtage als functie van de contactdruk en de sleepafstand.


Het materiaal van de graaftanden bleek het meest slijtvast. Duidelijk bleek dat de slijtage lineair afhangt van de contactdruk. De slijtage, bij een contactspanning van 1400 kPa en gebruik van AlOxidepapier, bedroeg 177 mm3 voor een sleepafstand van 675 m, en 60 mm3 voor de volgende 500 m. Bij gebruik van SiC-papier was de slijtage aanzienlijk lager, ongeveer 15% van de genoemde waarden. De resultaten van deze interpretatie zijn uitgewerkt in tabel 4.2. Tabel 4.2 Mashloosh and Eyre, laboratoriumonderzoek, Al-Oxidepapier Sleepafstand

Totale slijtage Wv

Specifieke slijtage (A=78,5 mm2)

Spec. slijtage per m sleepafstand

Effect contactdruk (1400 kPa) f'w

mm3

mm3/mm2=mm

mm/m

mm/m,kPa

0-675 m

177

2,2

3200.10 -6

2,3.10 -6

675-1125 m

60

0,8

1500.10 -6

1,1.10 -6

0-1125 m

237

3,0

2700.10 -6

1,9.10 -6

S

4.3 Schimazek en Knatz Het artikel betreft een laboratoriumonderzoek, waarbij slijtageproeven zijn uitgevoerd met een kegelvormige stalen slijtpen (puntdiameter 0,3 mm) over een ondergrond van zandsteen met een variërend gehalte aan harde mineralen. De hardheid van het kalksteenproefstuk wordt uitgedrukt in het equivalente kwartsgehalte. De aandrukkracht wordt constant gehouden op 45 kN en de afgelegde weg gedurende de proef is 16 m. Geconstateerd wordt dat de slijtage bij een equivalent kwartsgehalte van minder dan 30% gering is. Bij een kwartsgehalte van 70% tot 80% werd een slijtage van ca 80 mg gemeten. Verder blijkt dat de slijtage lineair afhangt van de treksterkte van het steenmateriaal. Er zijn geen gegevens over het materiaal en de hoogte van de slijtpen. De contactspanning kan dan ook slechts benaderend berekend worden en ligt in de orde van grootte van 10000 kPa, veel hoger dan de heersende spanningen aan het boorfront. Het omrekenen van de beproevingsresultaten heeft dan ook niet veel waarde voor de predictie. 4.4 Reinking Het artikel betreft een laboratoriumonderzoek naar het slijtverlies van een snijblad van staal 37 bij het snijden van een kunstmatig vervaardigde klei met 30% kwartspoeder. Tevens werd de vorm van de produktie-eenheden onderzocht als functie van het vochtgehalte. De slijtage werd bepaald door een groef van 25 x 25 mm en een totale lengte van 10 m uit een klei/zand blok te snijden. Het snijmes was 85 mm lang. Geconstateerd werd dat er alleen significante slijtage optrad als de klei in schilfers werd afgesneden (brittle mode), waarbij bleek dat de slijtage vooral door de kwartskorrels werd veroorzaakt. Gemiddeld werd dan 0,025 g aan slijtverlies gemeten. Als de klei plastisch werd gesneden werd vrijwel geen slijtage gemeten.


Verondersteld wordt dat de contactdruk in de orde van grootte is van de cohesie van de klei, 30 kPa. De resultaten van de interpretatie zijn uitgewerkt in tabel 4.3. Verondersteld wordt dat het slijtoppervlak gelijk is aan 50 mm. Tabel 4.3 Reinking, laboratoriumonderzoek, snijproef in kwartshoudende klei Sleepafstand S

10 m

Totale slijtage Wv

Specifieke slijtage (A=50x85 mm2)

Spec. slijtage per m sleepafstand

Effect contactdruk (30 kPa) f'w

g

mm3

mm3/mm2=mm

mm/m

mm/m,kPa

0.025

3.2

750.10 -6

75.10-6

2,5.10 -6


HOOFDSTUK 5 CONCLUSIES EN TOEPASSING OP DE HEINENOORDTUNNEL 5.1 Bepaling van de verweringsconstante Uit de geanalyseerde literatuur (tabel 4.1, 4.2 en 4.3) kan worden gesteld dat de rekenconstante f' w blijkt te variëren tussen 1,1.10 -6 en 2,6.10-6. De verweringsconstante f w =f'w x 500 blijkt te variëren tussen 5,5.10-4 en 1,3.10-3. Gezien het uiteenlopende karakter (contactdruk tussen 30 en 1400 kPa) van de proeven mag dit een redelijk nauwe range worden genoemd. Hierbij dient te worden opgemerkt dat de proeven op hetzelfde soort materiaal zijn uitgevoerd. Conclusies ten aanzien van de grootte van de evenredigheidsconstante voor andere materiaalsoorten (zoals wolfraam carbide) kunnen derhalve niet worden getrokken. 5.2 Gegevens uit studieonderdeel B-01 (WL rapport K100-W-014) Slijtage op het spaanvlak De snij-elementen zijn min of meer rechthoekige blokken. Het snijvlak staat loodrecht op de bewegingsrichting van de TBM. Het materiaaltransport langs het snijvlak zal gering zijn. Net als bij een paalpunt zal zich een plastisch grondlichaam vormen voor het snijvlak, die het snijvlak beschermt tegen slijtage. Derhalve wordt verwacht dat de slijtage van het spaanvlak te verwaarlozen is. Het schematisch model van het snij-element met de bijbehorende definities, staat in bijlage 3. Slijtage op het slijtvlak Verondersteld wordt dat de slijtage met name optreedt op het slijtvlak van het snij-element, dat is het vlak loodrecht op de tunnel-as. Deze slijtage staat onder invloed van de normaalkracht op het boorfront (de verticale kracht in de terminologie van WL-rapport K100-W-014). De berekende axiale kracht op het slijtvlak staat in bijlage 2 vermeld. Voor grondlaag 16 en 38a is de axiale kracht berekend als afstand tot de as en voor verschillende snijdiepten. Om de korrelspanning op het slijtvlak te bepalen dient de slijtvlakhoek en de slijtvlaklengte te worden verdisconteerd. Figuur 4.3 van het WL-rapport laat de invloed van de slijtvlakhoek zien. Deze figuur is in bijlage 3 toegevoegd. Uit de grafieken van korrelspanningen (bijlage 2) blijkt dat de krachten toenemen naarmate de snijtanden dichter bij de as zijn geplaatst. Dit wordt veroorzaakt door de toenemende slijtvlakhoek. Ook al is de slijtvlakhoek op zichzelf klein, daarmee is de invloed op de krachten niet verwaarloosbaar. Toch zal de slijtage van de snij-elementen nabij de as meevallen. Dit wordt veroorzaakt enerzijds doordat de sleepafstand klein is en anderzijds omdat de grond hier moeilijk kan worden getransporteerd. Hierdoor zal waarschijnlijk een meedraaiende grondprop ontstaan en zal geen materiaaltransport langs de snij-elementen plaatsvinden. De slijtvlaklengte bedraagt 0,18 m. De in rekening gebrachte korrelspanning is de axiale kracht gedeeld door de slijtvlaklengte. Deze verticale kracht per snij-element is door WL berekend als functie van het grondprofiel (16, 38a, 18 en 32), de snijsnelheid en de snijdiepte. In bijlage 3 is de snijsnelheid als functie van de rotatiesnelheid en afstand tot de as weergegeven. De korrelspanningen op het slijtvlak zijn bepaald voor een rotatiesnelheid van 0,67 omwenteling per minuut. De axiale kracht en de korrelspanningen op de slijtvlakken zijn voor de grondlagen 16, 38a, 18 en 32


in bijlage 2 weergegeven. Uit de grafieken blijkt dat de grootste korrelspanning per element optreedt in profiel 32. Voor een snijdiepte van 0,03 m is de korrelspanning circa 150 kPa op de elementen gesitueerd tussen 2,5 meter tot 4,1 meter uit de as. Dit geldt voor een omwentelingssnelheid van het snijrad 0,67 omw/min, overeenkomend met een snelheid van de perifere snij-elementen van 0,29 m/s. Bij eenzelfde omwentelingssnelheid en snijdiepte bedraagt de korrelspanning op een snij-element in grondlaag 38a en 18 circa 36 kPa. De korrelspanning op hetzelfde snij-element is beduidend kleiner bij profiel 16 namelijk circa 9 kPa. Dit is circa 20% van de spanning ten opzichte van grondprofiel 38a en 18 en ca 5 % van de spanning ten opzichte van grondlaag 32. Verwacht wordt, dat in klei voor grondlaag 16 scheurvormend gesneden wordt voor de snij-elementen op kleine afstand van de as, en dat plastisch gesneden wordt op grote afstand van de as. Voor grondlaag 38a wordt scheurvormend gesneden in klei voor hoge snelheid en plastisch bij een lage snijsnelheid. 5.3 Vickershardheid De eigenschappen van het materiaal waaruit de snij-elementen worden zijn opgebouwd, is niet bekend. Door MTI Holland BV zijn voor enkele voorkomende materiaalsoorten de Vichershardheden ter beschikking gesteld. Deze zijn: Staal 42 205 RVS 240 gehard RVS 800 gereedschapstaal 400-800 wolfraam carbide 1400-2400 hardmetaal (snijgereedschap) 500 5.4 Laboratorium meting snijtand door Techno Fysica B.V. Het PBBT is in het bezit van een snijtand van een tunnelboormachine. Naar alle waarschijnlijkheid zal eenzelfde soort snijtand bij de Tweede Heinenoordtunnel worden toegepast. Deze snijtand is door Techno Fysica B.V. in het laboratorium beproefd om de samenstelling en de hardheid te bepalen. De snijtand bestaat uit een stalen houder met ingesoldeerde hardmetalen tanden. Met behulp van een spectraal analyse is de houder onderzocht. Uit de analyse blijkt dat de houder is vervaardigd uit ongelegeerd, niet hardbaar staal. Tevens zijn hardheidsmetingen op de snijtanden uitgevoerd. De meting gaf aan dat de snijtanden vermoedelijk zijn vervaardigd van gesinterd wolfraam carbide, met een hardheid groter dan 1000 Hv. De hardheid van de stalen houder is vastgesteld op 180 Hv. De rapportage van Techno Fysica B.V. is in bijlage 5 opgenomen. Verwacht mag worden dat de Vickershardheid van de snij-elementen tenminste 1000 Hv bedraagt. Voor de predictie wordt in beginsel uitgegaan van een hardheid van 1000 Vickers.


5.5 Predictie van de slijtage De sleepweg van het snij-element op het vijfspakig boorwiel hangt af van de snijdiepte (10 tot 50 mm). Voor het meest perifere snij-element is de totale sleepweg:

L • π • D L • π • D < S < = 4.96 • 105 m < S < 2.48 • 106 m d s,max d s,min

(4)

De gemiddeld verwachte slijtage voor het meest perifere snij-element over de verschillende boortrajecten wordt berekend met een gemiddelde evenredigheidsconstante van 9,5.10 -4 mm/m/kPa, een Vickershardheid van 1000, een gemiddelde snijdiepte van 30 mm en een gemiddelde contactdruk die afhangt van het traject. Tabel 5.1 Predictie gemiddelde slijtage van het meest perifere snij-element, snijdiepte 30 mm Traject

Profiel

Lengte

Contactdruk

Slijtage

m

KPa

mm

Meetveld Noord

18

250

40

8,2

Oude Maas Noord

32

220

150

26,9

Oude Maas Zuid

38a

220

17

3,1

Meetveld Zuid

16

260

6

1,3

Totaal afgerond

40

De slijtage van het hetzelfde snij-element echter uitgaande van een snijdiepte van 10 mm en 50 mm bedraagt respectievelijk 73 mm en 33 mm. De slijtage van het snij-element op 2,5 m uit de as van het snijrad bedraagt 27 mm, uitgaande van een snijdiepte van 30 mm, een Vickershardheid van 1000 en rotatiesnelheid van 0,76 omw/min. De slijtage van het dit snij-element (2,5 m uit de as), echter uitgaande van een snijdiepte van 10 mm en 50 mm, bedraagt respectievelijk 42 mm en 23 mm.

5.6 Gevoeligheidsanalyse Eenvoudig kan uit de vergelijking (formule 1) worden afgeleid dat vergroting van de Vickershardheid leidt tot een lineair evenredige verkleining van de slijtage. Eveneens kan worden vastgesteld dat de slijtage lineair evenredig toeneemt met de vergroting van de contactspanning, de sleepweg en de evenredigheidsconstante. Om enig kwantitatief inzicht te geven in de afhankelijkheid van de diverse parameters op de totale slijtage is een beknopte gevoeligheidsanalyse uitgevoerd. Bij een vergroting van de Vickershardheid naar 2000 en een reductie van de evenredigheidsconstante met een factor 2 naar 4,75.10 -4 mm/m/kPa, zal de slijtage op een snij-element op 2,5 meter uit de as, bij een snijdiepte van 30 mm, circa 7 mm bedragen. De berekeningen zijn in bijlage 4 toegevoegd.


5.7 Conclusies en aanbevelingen De orde van grootte van de slijtage van het snij-element op 4,1 m uit de as van het snijrad wordt geschat op 40 mm over de gehele boorlengte. Hierbij is uitgegaan van een Vichershardheid van de snijtand van 1000 en een snijdiepte van 30 mm. De meeste slijtage zal optreden in grondlaag 32. Bij de voorspelde slijtage van 40 mm is geen rekening gehouden met de slijtage die optreedt bij het doorboren van de dichtblokken ter plaatse van de start- en ontvangstschacht. Deze blokken hebben een lengte van ca 7 m en zullen bestaan uit betonmengsel met een lage sterkte (waarschijnlijk betonkwaliteit B3). Gevoeglijk kan worden aangenomen dat de slijtage over deze 14 m substantieel is. De slijtage over het dichtblok en over het overige boortraject kan indirect worden bepaald door de snij-elementen tenminste twee maal te meten (bijvoorbeeld door weging). Dit kan geschieden tijdens de onderhoudstops daar waar een (gedeeltelijke) spiegeldaling plaatsvindt. Door de gemeten slijtage te relateren aan de afgelegde weg tussen twee metingen kan tevens de slijtage over het dichtblok worden vastgesteld. Uit het literatuuronderzoek kan worden geconcludeerd dat de vergelijking met betrekking tot slijtage van "Archards wear low" redelijk tot goed blijkt overeen te komen met de gevonden resultaten. De vergelijking gaat er van uit dat de slijtage lineair is met de contactdruk, de sleeplengte en de Vickershardheid en lineair afhangt van de treksterkte van het (steen)materiaal. Aanbevolen wordt om de gemeten slijtage te vergelijken met de predictie op basis van de sleepweg van het element, rekening houdend met de positie van het element. Hiertoe dient gedurende het gehele boortraject het aantal omwentelingen van het snijrad en de voortgang (snijdiepte) over het traject te worden gemeten. Verder dient de axiale kracht op het boorfront gemeten te worden, bij voorkeur als functie van de afstand van het element vanaf de booras. In plaats van een directe meting aan het element zou ook gedacht kunnen worden aan indirecte bepaling door het meten van de krachtsverdeling in een boorspaak (het plaatsen van rekstroken in het spaaklichaam). Bovendien is het van belang de materiaaleigenschappen van het snij-element te bepalen.


LITERATUUR

1. Mashloosh, K.M., and Eyre, T.S., Abrasive wear and its application to digger teeth, TRIBOLOGY international, october 1985. 2. Schimazek, J., und Knatz, H., Der Einfluß des Gesteinsaufbaus auf die Schnittgeschwindigkeit und den Meißelverschleiß von Streckenvortriebsmaschinen, Glückauf 106, märz 1970. 3. Reinking, M.W., Linear cutting tests in artificial sand-clay mixtures to study the influence of brittleness on abrasive wear of cutting tools, Balkema 1990.


BIJLAGE 1 Waterloopkundig Laboratorium, Rapport K100-W-014, figuur 2.1: Geotechnisch lengteprofiel

BIJLAGE 2 Waterloopkundig Laboratorium, Rapport K100-W-014, Snijkrachten en korrelspanningen op een snijelement

BIJLAGE 3 Waterloopkundig Laboratorium, Rapport K100-W-014 figuur 2.3: Definitieschets snijtheorie figuur 4.3: Snijvlakhoek als functie van afstand tot as figuur 4.5: Snijsnelheid als functie van rotatiesnelheid en afstand tot as

BIJLAGE 4 Slijtageberekeningen

BIJLAGE 5 Rapportage Techno Fysica B.V. Beoordeling snijbeitels tunnelboormachine

COB. Praktijkonderzoek boortunnels K100, Cluster 1 Slijtage van snij-elementen Predictie B-06a

Recommend Documents