Princip činnosti hydraulického kamenolomního vrtáku: základní mechanismus nárazového a rotačního vrtání

Většina vysvětlení, jak hydraulický kamenolomný vrtač funguje, začíná popisem pístu. To je však nesprávné místo, kde začínat. Píst je výstupem hydraulicko-mechanického spojovacího systému – pochopení toho, co píst dělá, je užitečné pouze tehdy, pokud nejprve pochopíme, čím je řízen. Úderný systém je zásadně hydraulický oscilátor: obracení směru průtoku oleje mezi předním a zadním pístovým prostorem pomocí obracení ventilu nastává v přesně správný okamžik, aby bylo zajištěno nepřetržité zdvihové pohyby. Všechny následné parametry – rychlost pístu, úderná energie, frekvence – vyplývají z toho, jak přesně je tento přepínací okamžik nastaven.

Plná vrtací činnost kombinuje tři současně probíhající funkce: axiální úder (úder pístu), rotaci (otáčení vrtacího řetězce tak, aby každý úder zasáhl čerstvou horninu) a přítlakovou sílu (tlakovou sílu tlačící vrták proti vrtané ploše). Všechny tři funkce musí být vyvážené, jinak je systém neefektivní bez ohledu na to, kolik hydraulického výkonu je dodáváno.

Úderný cyklus: osm stavů v jednom úderu

Pohyb pístu v jednom nárazovém cyklu prochází přibližně osmi různými hydraulickými stavy, přičemž přepínací ventil koordinuje tok oleje s polohou pístu. Ve stavu 1 se přední komora naplní olejem pod vysokým tlakem, který pohání píst zpět (zpětný zdvih). Během zpětného zdvihu detekuje přepínací ventil polohu pístu prostřednictvím vnitřního řídicího kanálu a začíná sám přepínat – tedy přepíná vysoký tlak z přední do zadní komory. Ve stavu 7 dosáhne píst maximální rychlosti v okamžiku, kdy se dotkne čela nástavce. Přepínací ventil musí dosáhnout své přepnuté polohy právě v tomto okamžiku: pokud je příliš rychlý, zastaví olej pod vysokým tlakem v přední komoře píst dříve, než se dotkne čela nástavce; pokud je příliš pomalý, zůstane zadní komora po nárazu stále pod tlakem, což způsobí sekundární tzv. „dvojnásobný náraz“, který spotřebuje energii namísto toho, aby přispěla k dalšímu účinnému nárazu.

Výzkum časování obrácení směru toku ukázal, že porucha způsobená sekundárním nárazem je hlavní příčinou nižší než požadované energie rázu u výrobních kladiv. Sekundární náraz nastává tehdy, je-li rychlost obracení směru toku nedostatečná – vzdálenost ε mezi válcem a sedlem ventilu určuje, jak rychle se ventil přepíná. Při ε = 0,01 mm zajišťuje průtok ve vůli požadovanou rychlost přepínání; širší i užší vůle vedou ke zhoršení výkonu rázu – buď pomalým přepínáním (sekundární náraz), nebo překročením cílové polohy (ztráta rychlosti pístu).

Přenos tlakové vlny: energie na povrchu horniny

Když píst narazí na hřídel s rychlostí v, vznikne nárazem tlaková napěťová vlna, která se šíří po vrtacím tyči směrem k vrtákům. Amplituda této vlny určuje sílu rozbíjení horniny na čelní ploše vrtáku. Napěťová vlna exponenciálně klesá podél tyče v důsledku geometrického rozptylu, odrazů na spojích tyčí a tlumení materiálem. Měření prováděná v terénu ukazují, že průběh napěťové vlny je periodický a klesá téměř k nule na délce tyče – což znamená, že užitečná nárazová energie ve větší hloubce představuje pouze zlomek energie, kterou píst vygeneroval na hřídeli.

Přizpůsobení impedancí mezi pístem, nástavcem, tyčí a vrtákem je rozhodující pro přenos energie. Pokud je vlnový odpor (součin průřezové plochy a akustické rychlosti) mezi těmito komponenty vyvážen, šíří se napěťová vlna efektivně bez odrazů na každém rozhraní. Pokud je průměr pístní tyče výrazně nesouladný s průměrem vrtací tyče, část vlny se odrazí zpět – tato odražená část představuje ztracenou energii. Proto je geometrie pístu optimalizována pro konkrétní třídu průměrů vrtacích tyčí, nikoli jako univerzální návrh.

Rotační mechanismus: časování úderů

Rotační motor neustále otáčí vrtací řetězec během rázového vrtání, přičemž rychlost rotace je nastavena tak, aby se vrták posunul mezi jednotlivými nárazy přibližně o 5–10 stupňů. Tento úhlový posun umístí nový povrch horniny pod každou karbidovou kuličku ještě před dalším úderem. Příliš malý posun: karbidová kulička znovu udeří do již prasklé kapsy, čímž vznikne jemný prášek a teplo místo šíření nových trhlin. Příliš velký posun: karbidová kulička zasáhne neporušenou horninu mezi zónami rozdrcené horniny způsobenými předchozími údery – to je méně účinné než dopad na částečně prasklý povrch.

Rotační motor pracuje nezávisle na nárazovém obvodu a je řízen samostatným hydraulickým obvodem. Točivý moment rotace stoupá, když vrták narazí na tvrdé vrstvy nebo když se třísky hromadí a brání vyplavování. Náhlý nárůst točivého momentu, který způsobí zablokování rotace – přičemž nárazový režim stále běží – zajistí vrták na místě, zatímco píst nadále dorazuje rázy do neotáčejícího se vrtacího řetězce. V tomto stavu je vrtací tyč vystavena kombinovanému torznímu a tlakovému namáhání, které může překročit její mez únavy během několika sekund. Funkce proti zaseknutí na moderních jumbotech tento stav detekuje a snižuje nárazový tlak nebo krátce obrátí směr rotace, aby nedošlo k poškození vrtacího řetězce.

Přítlaková síla: Rovnice kontaktu

Posilovací síla poskytuje axiální tlak, který udržuje vrták přitisknutý ke skalní stěně mezi jednotlivými rázy. Bez ní se vrták při návratové tlakové vlně mírně zvedne a ztratí kontakt se stěnou ještě před tím, než dorazí další ráz – každý náraz se tak částečně „ztratí“ na urychlení vrtáku zpět ke stěně, než může začít rozbíjet horninu. Při nadměrné posilovací síle je vrták tak pevně přitisknut ke stěně, že píst nemůže vykonat celou svou zdvihovou dráhu; rázová energie je tímto omezena a efektivní rázová energie klesá.

Optimální přítlaková síla zajišťuje pevný a nepřetržitý kontakt vrtáku s horninou, aniž by omezovala zdvih pístu. V praxi se přítlakový tlak musí zvyšovat se zvyšující se hloubkou vrtaného otvoru, protože váha vrtacího řetězce poskytuje stále větší protisílu, která vyrovnává tlakovou sílu válce. Polní monitorování prováděné v dole LKAB v Malmberget ukázalo lineární nárůst přítlakového tlaku s délkou otvoru u správně provozovaných výrobních vrtacích strojů – což potvrzuje, že konstantní nastavení přítlakového tlaku vedou k nesouladu mezi požadovanou a skutečnou kontaktní silou ve větších hloubkách.

Tlumení: Zpětné získávání energie, kterou hornina nevyužila

Po dosažení vlny napětí čelní plochy vrtáku se část energie spotřebuje na rozrušení horniny. Zbytek se odráží zpět po vrtacím řetězci jako tahová vlna. Pokud ji nic nezastaví, tato odražená vlna se šíří až ke koleni (shanku) a přenáší se zpět do těla vrtacího stroje – což zatěžuje skříň, uchycení pažby a konstrukční spoje. Tlumicí systém tuto odraženou energii zachytí. U jednoduchých tlumicích konstrukcí (plavající adaptér, jako u modelu Epiroc COP) se odražená vlna tlumí na rozhraní mezi kolenem a pístem. U dvojnásobných tlumicích konstrukcí (řada Furukawa HD) se používají dvě následné tlumicí komory: první tlumí hlavní odraženou vlnu, druhá zachytí zbytkovou odrazovou energii, kterou první komora nepohltí.

Během podzemní směny s vysokou využitelností trvající 8 hodin s rázovým provozem je kumulativní energie odražené vlny, kterou tlumicí systém pohltí, významná. Opotřebení těsnění v tlumicím obvodu snižuje účinnost pohlcování – pouzdro začíná přijímat energii, kterou měl tlumicí systém původně zachytit. Společnost HOVOO dodává sady těsnění pro tlumicí obvody pro hlavní typy rýpadel spolu se standardními sadami pro rázový provoz. Úplné odkazy na stránce hovooseal.com.