Vysokofrekvenční hydraulický kamenolomný vrták: Vysoká rychlost vrtání, výrazné zvýšení efektivity projektu

Šedesát herců zní rychle. U hydraulického kamenolomného vrtáku to znamená, že nárazový píst dokončí celý dopředný a zpětný cyklus 60krát za sekundu – ale zda každý z těchto 60 cyklů skutečně předá užitečnou energii na čelní plochu horniny, je zcela jiná otázka. Limitujícím faktorem není hmotnost pístu ani hydraulický tlak, nýbrž schopnost rozvaděče (šoupátka) měnit směr dostatečně rychle, aby sledoval pohyb pístu, aniž by došlo k fázovému posunu mezi těmito dvěma mechanismy.

Když se šoupátkový ventil přepne předčasně – ještě před tím, než píst dokončí celý navržený zdvih – dochází k druhému nárazu pístu do zadní stěny válcové dutiny místo čistého nárazu na hřídel. Tento jev uvězněného oleje rozptýlí energii ve formě tepla a vibrací namísto užitečné nárazové práce. Vrták pracuje na frekvenci 60 Hz, ale dodává nárazovou energii odpovídající spíše frekvenci 45 Hz. Návrh pro vysokou frekvenci tedy není pouze o rychlejším běhu pístu; jde o udržení fázové synchronizace mezi pístem a šoupátkem i při zvýšené frekvenci, aby každý cyklus skutečně přispíval k vrtání.

Vazba mezi pístem a šoupátkem: Co určuje horní mez frekvence

Každý hydraulický systém úderového nárazu má stejnou základní omezení: přední a zadní komora nárazového pístu střídavě dosahují vysokého tlaku a tlaku návratového potrubí s frekvencí řízenou šoupátkovým ventilem. Samotné šoupátko je poháněno hydraulicky – pilotní kanál, který se tlakem aktivuje podle polohy pístu, spouští obrácení směru pohybu. Pokud se pilotní kanál naplní tlakem příliš brzy (příliš velký předstih), píst se obrátí dříve, než dosáhne navrženého bodu nárazu. Pokud se naplní příliš pozdě, píst přejetí přes tento bod, čímž dojde k stlačení oleje v přední komoře a vznikne sekundární náraz, který zbytečně spotřebuje energii.

Výzkum pomocí laserového měření rychlosti pístu při frekvenci 60 Hz potvrzuje, že velikost předstihu – tedy o kolik dříve začíná komora návratového signálu zvyšovat tlak před dosažením koncové polohy pístu – a předplnění plynu v akumulátoru vysokého tlaku společně určují, zda se nárazový systém udrží ve stabilním periodickém pohybu s periodou jedna, nebo se posune do chaotického pohybu s periodou dvě. Optimální předplnění akumulátoru vysokého tlaku pro konstrukce s vysokofrekvenčními šoupátkovými válci leží v rozmezí 80–90 bar. Pod tímto rozmezím akumulátor není schopen vyrovnat okamžitou požadovanou průtokovou kapacitu. Nad tímto rozmezím je membrána vystavena zrychlené únavě způsobené přetěžováním při cyklickém plnění.

Krátký píst vs. dlouhý píst při vysoké frekvenci

Dvě geometrie pístů dominují návrhům pro vysokofrekvenční aplikace a přinášejí různé kompromisy. Krátké písty generují vyšší špičkovou údernou energii na jednu ránu – průměrná hodnota 346 J naměřená při řízeném testování tlakových vln za stejného provozního tlaku – a dosahují vyšší účinnosti využití energie (až 57 % hydraulického vstupu). Delší písty pracují s vyšší frekvencí (průměrný vrchol 62 Hz ve stejné sérii testů), avšak dodávají nižší špičkovou energii na jednu ránu; tvar pulsu vlny je vhodnější pro trvalý kontakt se skalním masivem v hlubokých vrtách, kde tlumení vrtacího řetězce snižuje efektivní energii na vrtací nástroj.

Praktický dopad: konstrukce se zkráceným pístem a vysokou frekvencí jsou vhodné pro vrtní práce na povrchu a na čele tunelu, kde je hloubka vrtu skromná a rychlost pronikání je určena energií na jednu rázovou fázi. Konstrukce s dlouhým pístem, i když mají nižší energii na jednu rázovou fázi, zajišťují stálejší přenos energie po celé délce tyčového řetězu o délce 30 metrů, kde je útlum napěťové vlny důležitější než maximální síla. Výběr geometrie pístu podle konkrétní aplikace je krok, který vynechávají většinou týmy odpovědné za nákup.

Vysokofrekvenční vs. standardní frekvence: provozní srovnání

Výhoda rychlosti pronikání je skutečná, ale omezená. Při tlacích pod 60 MPa již vrtné nástroje standardní frekvence pronikají dostatečně rychle, takže výhoda vysokofrekvenčního provozu se ztrácí v důsledku stropových efektů – omezením se stává odstraňování třísek, nikoli energie nárazu. Při tlacích nad 250 MPa ani jeden typ návrhu neproniká efektivně; rozhodujícím faktorem je životnost karbidových brousků vrtáku. Okno 80–180 MPa je oblast, ve které se vyplácí investice do vysokofrekvenčního zařízení.

Dvojnásobný tlumicí systém: udržení kontaktu mezi vrtákem a horninou mezi jednotlivými nárazy

Vysokofrekvenční konstrukce pracující při frekvenci 60 Hz mají mezi údery interval 16,7 milisekundy. Během tohoto intervalu musí být vrták v kontaktu s povrchem skály – pokud se vrták mezi údery zvedne, následující úder zasáhne vzduch místo skály a rázová energie se odrazí zpět do těla vrtacího zařízení. Právě tomuto problému je zaměřen dvojnásobný tlumicí systém. Tento systém využívá tlumicí píst a akumulátor k udržení vrtacího nástroje přitisknutého ke skalnímu povrchu během zpětného zdvihu, čímž zajišťuje tlakový kontakt mezi jednotlivými údery. Výzkum kombinací tlumicího průtoku a přítlakové síly ukázal, že maximální rázový výkon nad 400 J byl dosažen při tlumicím průtoku v rozmezí 8–9 L/min a přítlakové síle 15–20 kN. Mimo tento rozsah klesl rázový výkon u některých kombinací pod 250 J.

Sandvik RD930 stanovuje tlak v akumulátoru stabilizátoru na 40 barů s nastavitelným tlakem stabilizátoru v rozmezí 60 až 110 barů – tyto rozsahy nejsou náhodné. Představují provozní rozsah, ve kterém zůstává převodový čep v optimální poloze vůči pístu po celém frekvenčním cyklu. Vrtání mimo tyto meze nejen snižuje účinnost, ale také přesouvá opotřebení z rovnoměrného rozložení po celé stykové ploše do vedení objímky a čela převodového čepu.

Přepočet intervalu údržby těsnění pro jednotky s vysokou frekvencí

Drifter běžící na frekvenci 60 Hz vykoná za provozní hodinu 216 000 zdvihů pístu – tedy přibližně o třetinu více než drifter s frekvencí 45 Hz při stejném počtu úderů. Standardní interval pro kontrolu těsnění po 500 provozních hodinách, který se používá u zařízení střední frekvence, byl stanoven pro nižší počty zdvihů pístu. Pokud je vysokofrekvenční drifter provozován po dobu 500 hodin před první kontrolou těsnění úderové části, akumuluje o 108 milionů zdvihů pístu více než stejný interval u drifteru s frekvencí 45 Hz. V abrazivních horninových prostředích nebo při zvýšené teplotě oleje je pro první kontrolu realističtější hranice 350–400 hodin.

HOVOO dodává sady těsnění pro vysokofrekvenční drifters, včetně řad Sandvik RD, vysokofrekvenčních modelů Epiroc COP a čínsky vyráběných vysokofrekvenčních drifters – s materiály HNBR pro horká dolní prostředí, kde teplota oleje vraceného do systému přesahuje 80 °C. Odkazy na konkrétní modely jsou k dispozici na stránce hovooseal.com.