المبدأ التشغيلي الأساسي لكاسرات الصخور الهيدروليكية

١.٣ المبدأ التشغيلي الأساسي لكاسرات الصخور الهيدروليكية

مُكسِّر الصخور الهيدروليكي هو جهاز تأثيري يحوِّل الطاقة الهيدروليكية إلى طاقة ميكانيكية. ويتضمَّن مكوِّنين حركيين أساسيين هما: المكبس وساق صمام التوزيع، اللذان يُحكَم أحدهما بالآخر عبر تغذية راجعة متبادلة: فالحركة الترددية لساق الصمام تُحكِم تبديل اتجاه حركة المكبس، بينما يفتح المكبس أو يغلق، في بداية كل شوط ونهايته، ممر الزيت التحكُّمي الخاص بالصمام، ما يؤدي إلى تبديل اتجاه عمل الصمام — وهكذا يتكرَّر هذا الدوران... والمبدأ التشغيلي الأساسي لمُكسِّر الصخور الهيدروليكي هو: أن يتحرك المكبس بسرعةٍ عاليةٍ ترددًا تحت تأثير القوة الهيدروليكية (أو الغازية) بفضل هذه التغذية الراجعة المتبادلة بين المكبس وساق الصمام، ليضرب المثقاب ويؤدي العمل الخارجي.

يوجد أنواعٌ عديدةٌ وأشكالٌ مختلفةٌ من مُكسِّرات الصخور الهيدروليكية، وسيتم شرحها تفصيليًّا في الفصول اللاحقة. وفيما يلي، نأخذ مُكسِّر الصخور الهيدروليكي ذا الغرفة الأمامية ذات الضغط الثابت والغرفة الخلفية ذات الضغط المتغير كمثالٍ لشرح مبدئه التشغيلي:

كما هو موضح في الرسم التخطيطي، وعند بدء الحركة العكسية (الرجوعية)، يدخل الزيت عالي الضغط إلى غرفة المكبس الأمامية عبر منفذ الزيت رقم ١، ويؤثر في الوقت نفسه على الطرف السفلي لساق صمام التوجيه، مما يحافظ على استقرار الساق في الوضع الموضح في الرسم التخطيطي (أ). وفي هذه اللحظة تكون الغرفة الأمامية للمكبس مليئة بالزيت عالي الضغط، بينما تتصل الغرفة الخلفية بمنفذ الإرجاع (T) عبر منفذ الزيت رقم ٤. وبفعل ضغط الزيت في الغرفة الأمامية، يتسارع المكبس أثناء حركته العكسية ويضغط على غاز النيتروجين المخزن في غرفة النيتروجين (ما عدا النوع الهيدروليكي الخالص)، وتقوم المُجمِّعة (الاكويمولاتور) بتخزين الزيت. وعندما يصل المكبس في حركته العكسية إلى منفذ التحكم رقم ٢، يصل الزيت عالي الضغط إلى الطرف العلوي لساق الصمام. وعند هذه النقطة يتصل كلٌّ من الطرفين العلوي والسفلي لساق الصمام بالزيت عالي الضغط؛ وبما أن المساحة الفعالة للطرف العلوي لساق الصمام أكبر من المساحة الفعالة للطرف السفلي وفق التصميم، فإن ساق الصمام تتحول إلى الوضع الموضح في الرسم التخطيطي (ب) تحت تأثير الزيت عالي الضغط. وفي هذه اللحظة تتصل كلٌّ من الغرفة الأمامية والخلفية للمكبس بالزيت عالي الضغط، وتفرغ المُجمِّعة الزيت لتغذية النظام. وبفعل القوة المركبة F_q، يتسارع المكبس أثناء الحركة الدافعة (القوة)، ثم يصطدم بالمثقاب ويُخرِج طاقة التصادم. وعندما يمر المكبس نقطة التصادم، يتصل منفذا التحكم رقمي ٢ و٣ معًا ومن ثم يتصلان بمنفذ زيت الإرجاع (T)، فينخفض ضغط الزيت عند الطرف العلوي لساق الصمام؛ وبفعل ضغط الزيت عند الطرف السفلي، يعود ساق الصمام بسرعة إلى وضعه الأصلي الموضح في الرسم التخطيطي (أ). وباستعادة الوضع الأصلي، يبدأ المكبس حركته العكسية، ليبدأ دورة الضرب التالية، وهكذا دواليك بشكل دوري. وفي هذه العملية، يظهر العلاقة الارتباطية بين المكبس وساق الصمام في الشكل ١-٢.

من الشكل ١-١، يمكن ملاحظة أنَّ القوة F_q المؤثِّرة على المكبس أثناء شوط القدرة، مع إهمال وزن المكبس ومقاومة الاحتكاك، تتضمَّن بشكل رئيسي ضغط الزيت الهيدروليكي وضغط غاز النيتروجين، أي: F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. وترتبط القوة الدافعة F_q بالفرق بين المساحات الفعَّالة للغرفتين الأمامية والخلفية، وضغط الزيت p، وضغط غرفة النيتروجين p_N. وباستنادٍ إلى النسب المختلفة بين الشغل الهيدروليكي والشغل الغازي، يمكن تشكيل ثلاث طرق تشغيل: هيدروليكية بحتة، وهيدروليكية-هوائية مدمجة، وانفجارية نيتروجينية.

هيدروليكية بحتة: p_N = ٠. وفي هذه الطريقة، لا تحتوي مطرقة التكسير الهيدروليكية على غرفة نيتروجين، ويُدار المكبس بالكامل بواسطة فرق ضغط الزيت بين الغرفتين العلوية والسفلية. وبالتالي: F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. وهذه الطريقة هي أقدم طريقة ظهرت عند ظهور مطارق التكسير الهيدروليكية لأول مرة.

هيدروليكي-هوائي مدمج: في هذه الصيغة، يكون القطر d₁ أصغر من القطر d₂، ويُضاف في الوقت نفسه غرفة نيتروجين عند ذيل المكبس، حيث يُحقن النيتروجين ليؤدي عملًا ميكانيكيًّا، وبذلك تكون ضغط النيتروجين p_N أكبر من الصفر. أما القوة F_q فهي تتكون أساسًا من جزأين: الفرق في ضغط الزيت بين الغرفة الأمامية والخلفية، وقوة انضغاط-تمدد النيتروجين. والمعادلة هي: F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. وتُعد هذه الصيغة حاليًّا أكثر أشكال المكسِّرات الصخرية الهيدروليكية انتشارًا. وباستنادٍ إلى النسب المختلفة التي يساهم بها الزيت والغاز في القوة الدافعة الكلية، أي وفقًا لأنصبة العمل الغازي مقابل السائل، يمكن إنتاج منتجات تختلف في أدائها.

انفجاري بالنيتروجين: في هذه الصيغة، يكون القطر d₁ مساويًا للقطر d₂، وضغط النيتروجين p_N أكبر من الصفر. أما القوة الهيدروليكية في الغرفة العلوية والسفلية فتكون مساوية للصفر؛ إذ تُولَّد حركة المكبس أثناء الشوط القوي بالكامل بواسطة ضغط غاز النيتروجين في الغرفة. والمعادلة هي: F_q = π/4 · p_N · d₁². وتُعَد هذه الصيغة أحدث صيغة للمكسِّرات الصخرية الهيدروليكية.

لكلٍّ من هذه الأشكال الثلاثة مزايا وعيوب، لكن أداؤها الكلي يتحسَّن من جيلٍ إلى الجيل التالي. ونوع المطرقة الهيدروليكية البحتة، باعتباره الشكل الأولي الذي ظهر عند ظهور المطارق الصخرية الهيدروليكية لأول مرة، يتميَّز بهيكلٍ بسيط وتشغيلٍ موثوقٍ دون الحاجة إلى قوة دفع ابتدائية، لكنه يعاني من معدل استخدام منخفض للطاقة ولا يصلح لتصنيع منتجات كبيرة الحجم. أما النوع الهيدروليكي-الهوائي المدمج فهو تقدُّمٌ كبيرٌ مقارنةً بالنوع الهيدروليكية البحتة: إذ يتم، عبر إضافة غرفة نيتروجين في طرف المكبس، الاستفادة الفعَّالة من طاقة حركة العودة، ما يحسِّن قوة التأثير بشكلٍ كبير؛ لكن هيكله معقَّدٌ ويحتاج إلى قوة دفع ابتدائية للعمل. أما المطرقة الصخرية الهيدروليكية النيتروجينية-الانفجارية، فهي من الناحية الطاقوية لا تحتاج إلى عمل زيتٍ أثناء السكتة القوية (Power Stroke)، وبالتالي فهي أكثر كفاءةً في استهلاك الطاقة؛ كما أن أقطار غرفتي المكبس الأمامية والخلفية متساوية، ما يُحلُّ فعَّالاً مشكلة عدم كفاية إمداد الزيت اللحظي أثناء السكتة القوية للمكبس. ومع ذلك، وبسبب ضغط شحن النيتروجين الابتدائي المرتفع، تكون قوة الدفع المطلوبة أكبر.

١.٤ الهيكل الأساسي وتصنيف مكابس الصخور الهيدروليكية

١.٤.١ الهيكل الأساسي لمكابس الصخور الهيدروليكية

ورغم تنوع مكابس الصخور الهيدروليكية الكثيرة، فإنها تشترك في خصائص هيكلية عامة. ويتكوّن الهيكل الأساسي لمكبس الصخور الهيدروليكي من: جسم الأسطوانة، المكبس، صمام التوزيع، المُجمِّع، غرفة النيتروجين، مقعد المثقاب، المثقاب، البراغي عالية القوة، وأنظمة الإغلاق. وتختلف أنواع مكابس الصخور الهيدروليكية المختلفة قليلًا من حيث الهيكل، لكن كل مكبس صخور يحتوي على عنصرين حركيين أساسيين هما: المكبس وساق الصمام. ويبيّن الشكل ١-٣ هيكله الأساسي.

(١) آلية التأثير

المُكسِّر الهيدروليكي للصخور يحتوي على مكبسٍ طويل نسبيًّا ورفيع، وهو العنصر الأهم فيه. وبناءً على نظرية انتقال الموجة الإجهادية، ولتحقيق أقصى انتقالٍ ممكنٍ لطاقة التصادم الناتجة عن المكبس، فإن قطر المكبس المُصطدم يكون عمومًا مساويًا تقريبًا أو قريبًا جدًّا من قطر الطرف النهائي لذيل المثقاب، مما يضمن التلامس الكامل عند سطح التصادم ويحقِّق الغرض المنشود المتمثل في نقل الطاقة بكفاءة عالية. وتشكِّل المسافة التجميعية بين المكبس المُصطدم وجسم الأسطوانة أو الغلاف الداخلي معلَّمة فنية بالغة الأهمية. فإذا كانت هذه المسافة كبيرة جدًّا، فإن ذلك يؤدي إلى تسرب داخلي كبير جدًّا، ما يجعل قوة التصادم غير كافية، بل وقد يتسبب في عجز المكسِّر عن العمل بشكل طبيعي؛ أما إذا كانت المسافة صغيرة جدًّا، فقد يصبح حركة المكبس بطيئة أو تحدث ظاهرة التصاق (التجعُّد) بين الأسطح، كما يؤدي ذلك في الوقت نفسه إلى ارتفاع حادٍّ في تكاليف التصنيع.

(2) آلية التوزيع

عادةً ما يحتوي كاسِر الصخور الهيدروليكي على صمام توزيعٍ يُغيّر اتجاه تدفُّق الزيت الهيدروليكي، ومن خلاله يُحكَم في الحركة الترددية لبستون الضرب ويُدار. وتتعدَّد الأشكال البنائية لصمامات التوزيع؛ ويمكن تقسيمها عمومًا إلى فئتين رئيسيتين: صمامات الساق (Spool Valves) وصمامات الغلاف (Sleeve Valves). وتتميَّز صمامات الساق عمومًا بخفة وزنها واستهلاكها المنخفض للزيت وصغر قطرها، كما أن مسافة التداخل (الفراغ التلامسي) بين أجزائها والتسريب الناتج عنها أصغر نسبيًّا؛ لكنها غالبًا ما تكون ذات بنية درجية الشكل، مما يجعل قابليتها للتصنيع الآلي أقل نسبيًّا، وتكون خسائر التقييد (Throttling Losses) فيها أكبر. أما صمامات الغلاف فهي أثقل وزنًا وأكبر قطرًا، كما أن مسافة التداخل والتسريب الناتج عنها أكبر نسبيًّا؛ لكن قابليتها للتصنيع الآلي جيدة، ومعدل تغير مساحة الفتحة كبير، وخسائر التقييد فيها صغيرة. وتشكِّل مسافة التداخل بين ساق الصمام وجسم الصمام أو غلافه معلَّمة فنية هامة أخرى في تصنيع كاسِر الصخور الهيدروليكي؛ إذ يؤدي كبر هذه المسافة أو صغرها أكثر من اللازم إلى عجز الصمام عن الأداء الطبيعي.

(3) آلية تثبيت ضغط المكثف

تحتوي معظم كاسرات الصخور الهيدروليكية على مكثف واحد أو أكثر، والتي تؤدي دور تخزين الطاقة وتثبيت الضغط. وتنفذ كاسرة الصخور الهيدروليكية العمل الخارجي فقط أثناء الشوط الطرقي؛ أما شوط العودة فهو إعداد للشوط الطرقي. وعند عودة المكبس، يدخل الزيت الهيدروليكي إلى المكثف عند ضغطٍ أعلى من ضغط غرفة الشحن، ويُخزن على هيئة طاقة كامنة للزيت داخل المكثف. ثم يُطلق هذا الزيت أثناء الشوط الطرقي للمكبس، محولاً معظم طاقة شوط العودة إلى طاقة اصطدام. وبهذه الطريقة، يؤدي المكثف دوراً في تحسين كفاءة عمل النظام، كما يقلل من صدمات الضغط والنبضات التدفقية الناتجة عن تبديل سلك التوزيع في صمام التوزيع.

(4) آلية التشغيل

المثقاب هو المكون الفاعل في كاسرة الصخور الهيدروليكية الذي يقوم بالعمل الخارجي، ويؤثر مباشرةً على الجسم العامل؛ وهو جزء عرضة للتآكل ويجب أن يمتلك مقاومة جيدة للاحتكاك، بحيث يكون صلبًا من الخارج ومرنًا من الداخل، مع تغير تدريجي في الصلادة من الخارج إلى الداخل. وللتكيّف مع مختلف ظروف العمل والأجسام العاملة، تتوفر المثاقب بأشكال مدببة ومربعة وشبه مذنبة (على شكل مجرفة) ومسطحة الرأس.

(5) آلية منع إطلاق النار الفارغ

بما أن كاسر الصخور الهيدروليكي يمتلك طاقة تأثير كبيرة، فإن السماح للمكبس بالاصطدام مباشرةً بجسم الأسطوانة سيؤدي إلى إتلاف شديد في جسم كاسر الصخور — ما يؤدي إلى حدوث انفجارات فارغة (الانفجارات دون اتصال بالصخر). وتتكوّن آلية منع الانفجارات الفارغة من إضافة غرفة عازلة هيدروليكية في مقدمة جسم الأسطوانة. وعندما لا يكون المثقاب قد لامس الصخر بعدُ ويتحرك للأمام، يدخل المكبس المؤثر هذه الغرفة العازلة، فيضغط على الزيت الموجود داخلها ويمتص جزءًا من طاقة التأثير، مما يحقّق حماية واقية مخفّفة لجسم الجهاز. وفي الوقت نفسه، تُغلَق فتحة دخول الزيت إلى الغرفة الأمامية، بحيث لا يمكن للمكبس أن يعود للخلف تحت تأثير الجاذبية والنيتروجين الموجود في الجزء الخلفي؛ بل فقط عندما يلامس المثقاب الصخر مجددًا ويُطبّق ضغطًا أكبر عبر الذراع، يدفع المكبس المؤثر الزيت عائدًا من الغرفة العازلة، فيسمح ذلك لزيت الضغط العالي بالدخول إلى الغرفة الأمامية، وبالتالي يستأنف الجهاز التشغيل الطبيعي. وكما هو موضح في الشكل ١-٤، وبعد أن يكسّر كاسر الصخور الهيدروليكي الجسم المستهدف، يمكن أن يحدث الانفجار الفارغ للمكبس مرةً أو مرتين كحد أقصى قبل التوقف. وعليه، يجب على المشغل إعادة تحديد نقطة التأثير، ثم ضغط المثقاب بإحكام، وتطبيق الضغط المناسب، فيدفع المثقاب المكبس بعيدًا عن فتحة دخول الزيت في الغرفة السفلية، ليبدأ العمل مجددًا.

(6) آليات أخرى

تشمل الآليات الأخرى لكاسرة الصخور الهيدروليكية: الإطار المتصل، وآلية امتصاص الاهتزازات، ونظام الإغلاق، ونظام التشحيم التلقائي، إلخ.

1.4.2 تصنيف كاسرات الصخور الهيدروليكية

توجد أنواع عديدة من كاسرات الصخور الهيدروليكية، وكذلك طرق تصنيف متعددة. وأهم طرق التصنيف هي كما يلي:

(1) التصنيف حسب طريقة التشغيل

تنقسم كاسرات الصخور الهيدروليكية حسب طريقة التشغيل إلى نوعين: مُركَّبة على وحدة ناقلة (Carry-mounted)، ونوع محمول باليد (Handheld). أما النوع المحمول باليد فهو عبارة عن كاسرات صخور صغيرة تُسمى أيضًا «المثاقب الهيدروليكية»؛ حيث لا يتجاوز وزنها عمومًا ٣٠ كجم، وتُشغَّل يدويًّا باستخدام محطة مضخات هيدروليكية مخصصة، ويمكنها أن تحل محل عمليات المثاقب الهوائية على نطاق واسع. أما النوع المركَّب على وحدة ناقلة فهو يشمل الكاسرات المتوسطة والكبيرة، والتي تُركَّب مباشرةً على الذراع الرافعة لحفارات الجر الهيدروليكية، واللودرات، وغيرها من الآلات الناقلة الهيدروليكية، مستخدمةً في ذلك نظام الطاقة والمنظومة الهيدروليكية ونظام حركة الذراع الخاص بالآلة الناقلة لأداء العمليات.

(2) التصنيف حسب وسط العمل

يُصنَّف مُكسِّرات الصخور الهيدروليكية حسب وسط العمل إلى ثلاث فئات رئيسية: الأنواع الهيدروليكية البحتة، والأنواع الهيدروليكية-الهوائية المدمجة، والأنواع التي تعتمد على انفجار النيتروجين. وتستند الأنواع الهيدروليكية البحتة بالكامل إلى ضغط زيت الهيدروليك لتشغيل المكبس؛ بينما تعتمد الأنواع الهيدروليكية-الهوائية المدمجة على زيت الهيدروليك والنيتروجين المضغوط في الجزء الخلفي معًا لتشغيل المكبس؛ أما الأنواع التي تعتمد على انفجار النيتروجين فهي تعتمد بالكامل على التوسع الفوري للنيتروجين في غرفة النيتروجين الخلفية لدفع المكبس لأداء العمل.

(3) التصنيف حسب طريقة التغذية الراجعة

تُصنَّف مكابس الصخور الهيدروليكية حسب طريقة التغذية الراجعة إلى نوعٍ يعتمد على التغذية الراجعة للسكتة (الحركة) ونوعٍ يعتمد على التغذية الراجعة للضغط. ويتمثل الفرق بينهما في الطريقة التي تُجمع بها إشارة التغذية الراجعة للتحكم في تبديل صمام التوزيع. ففي المكابس الهيدروليكية ذات التغذية الراجعة للسكتة، يعتمد التحكم في تبديل صمام التوزيع على فتح وإغلاق المكبس لثقوب التغذية الراجعة للزيت عالي الضغط أثناء حركته؛ ولا يمكن تحديد مواضع هذه الثقوب إلا بشكل جامد، وبما أن هذه المواضع مقيدة بالشروط البنائية، فإنه لا يمكن وضع أكثر من ثلاث ثقوب تغذية راجعة كحدٍ أقصى؛ ولذلك فإن المكابس الهيدروليكية ذات التغذية الراجعة للسكتة لا تستطيع تحقيق ضبط تدريجي مستمر لتكرار الضربات. أما في المكابس الهيدروليكية ذات التغذية الراجعة للضغط، فإن التحكم في تبديل صمام التوزيع يعتمد على جمع بيانات ضغط النظام أو ضغط غرفة النيتروجين عند ذيل المكبس؛ وعند دخول المكبس إلى غرفة النيتروجين، يتغير ضغط الغرفة باستمرار، وحين يكتشف مستشعر الضغط المركَّب داخل الغرفة أن الضغط قد بلغ القيمة المُبرمَجة مسبقًا، يقوم الصمام بالتبديل عبر تحكم الحاسوب المصغر؛ وبما أنه يمكن ضبط ضغط التبديل بشكل عشوائي، فإن المكابس الهيدروليكية ذات التغذية الراجعة للضغط قادرة على تحقيق ضبط تدريجي مستمر.

(4) التصنيف حسب طريقة التوزيع

وبناءً على شكل صمام التوزيع، يمكن تصنيفها إلى فئتين رئيسيتين: صمام ثلاثي الاتجاهات ذي الوجه الواحد للزيت العائد، وصمام رباعي الاتجاهات ذي الوجهين للزيت العائد. وتتميَّز الأشكال البنائية ذات الوجه الواحد للزيت العائد بمزايا تشمل بساطة ممرات الزيت وسهولة التحكم فيها؛ ولذلك فهي تُستخدم نسبيًّا بشكلٍ واسع في الممارسة العملية. ويمكن تقسيم نظام الزيت العائد ذي الوجه الواحد إلى نوعين: نظام الزيت العائد من الغرفة الأمامية، ونظام الزيت العائد من الغرفة الخلفية؛ ومن بين هذين النوعين، يعيب نظام الزيت العائد من الغرفة الأمامية ارتفاع مقاومة الشفط والزيت العائد، لذا فإن الشكل الأكثر شيوعًا حاليًّا هو النظام الذي يحافظ على ضغط ثابت في الغرفة الأمامية مع عودة الزيت من الغرفة الخلفية. أما صمام رباعي الاتجاهات ذي الوجهين للزيت العائد فيُسمَّى أيضًا بالنوع ذي الفعل المزدوج؛ وتتميَّز خصائصه بعدم وجود غرفة ضغط ثابت، حيث تتغير ضغوط الغرفتين الأمامية والخلفية بالتناوب بين مرتفع ومنخفض؛ ومع ذلك، وبسبب تعقيد ممرات الزيت في الشكل البنائي ذي الوجهين للزيت العائد، فإن استخدامه غير شائع.

(5) التصنيف حسب ترتيب صمام التوزيع

استنادًا إلى ترتيب صمام التوزيع، يمكن تصنيفها إلى نوعين: النوع المُركَّب داخليًّا والنوع المُركَّب خارجيًّا. ويمكن تقسيم النوع المُركَّب داخليًّا أكثر إلى نوع الأسطوانة ونوع الغلاف. وتكون صمامات التوزيع المُركَّبة داخليًّا مدمجة مع جسم الأسطوانة في وحدة واحدة، وتتميَّز بهيكلٍ مكثَّف؛ أما صمامات التوزيع المُركَّبة خارجيًّا فهي مستقلة عن جسم الأسطوانة، وتتميَّز بهيكلٍ بسيط وسهولة في الصيانة والاستبدال.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن تصنيفها حسب مستوى الضوضاء إلى أنواع منخفضة الضوضاء ونوع قياسي؛ كما يمكن تصنيفها حسب شكل الغلاف الخارجي إلى كاسرات صخور مثلثية الشكل، أو على هيئة برج، أو مغلقة، إلخ. ويُلخِّص الشكل ١-٥ طرق التصنيف المختلفة.