Hydrauliikkakallioportaan perusparametrit: täydellinen analyysi iskunenergiasta, nopeudesta ja virtausmäärästä

Jokaisen hydraulisen kallionporakoneen tekniset tiedot mainitsevat kolme lukua erityisen korostetusti: iskunenergian jouleina, iskutaajuuden hertseinä ja vaaditun öljynvirtauksen litroina minuutissa. Tekniset tiedot eivät kuitenkaan selitä, että nämä kolme lukua ovat kytkettyjä toisiinsa yhden tehtävän avulla, mikä tarkoittaa, ettei niitä voida arvioida erillisinä. Iskuteho saadaan kertomalla iskunenergia taajuudella: P = E × f. Tämä teho saadaan hydraulisesta syötteestä: P_in = ΔP × Q. Iskutehon ja hydraulisen syöttötehon suhde on energiatehokkuus – ja se on luku, joka todellisuudessa määrittää sen, kuinka suuri osa kuljettimen polttoaineenkulutuksesta muuttuu hyödylliseksi kallion murtumiseksi.

Driftterit, joiden tietolehden mukainen iskunenergia on sama, voivat toimia kentällä hyvin eri tavoin, jos niiden energiatehokkuudet eroavat 8–10 prosenttiyksikköä. 180 joulin driftteri 50 %:n tehokkuudella tuottaa saman hyödyllisen iskutyön kuin 162 joulin driftteri 55,5 %:n tehokkuudella – mutta edellinen kuluttaa enemmän polttoainetta ja tuottaa enemmän lämpöä jokaista porattua metriä kohden. Tehokkuuslukua ei melkein koskaan ilmoiteta tietolehdissä. Tässä artikkelissa selitetään, mitä tekijöitä se riippuu ja miten kolme tärkeintä parametria liittyvät siihen.

Iskunenergia: Liike-energia varren pinnalla

Iskunenergia määritellään pisteen liike-energiaksi hetkellä, jolloin se koskettaa varren päätyä: E = ½ × m × v². Pisteen massa m on kiinnitetty suunnittelussa; pisteen nopeus v iskuhetkellä riippuu hydraulipiiristä, joka säätää iskun voimakkuutta ja pisteen sylinterin poikkipinta-alaa. Korkeampi iskupaine → nopeampi pisteen liike → korkeampi iskunenergia – mutta vain niin pitkälle kuin kääntöventtiili pystyy edelleen vaihtamaan ajoissa pisteen sijainnin mukaan.

Kun iskupaine ylittää kääntöventtiilin suunnitellun toimintajakson, työntöpää saavuttaa varren ennen kuin venttiili on ehtinyt vaihtaa asentoaan. Tästä seuraa kaksi asiaa: etukammio ei ole vielä täysin kytketty paluupuoleen, joten työntöpää hidastuu törmätessään, ja etukammiossa oleva osittainen painejäännös aiheuttaa toissijaisen iskun työntöpään kimpoamisen jälkeen. Molemmat ilmiöt vähentävät nettosisäenergiaa korkeammasta syöttöpaineesta huolimatta. YZ45-sylinteriventtiilillä varustettujen porakoneiden tutkimuksessa mitattiin energiatehokkuuden saavuttavan huippunsa 12,8–13,6 MPa:n painealueella, jolloin tehokkuus ylitti 58,6 %. Tätä painealuetta korkeammalla tehokkuus heikkeni – syöttöteho kasvoi, mutta iskuteho per yksikkö syöttötehoa väheni.

Kenttäolosuhteissa vaikutusenergia on yleensä 10–15 % laboratoriomittausarvoa alhaisempi. Laboratoriotestauksessa käytetään jäykän kiinnitettyä vastakappaletta; kenttäkäytössä otetaan huomioon porakalvon joustavuus, epätäydellinen porakärjen ja kiven kosketus sekä todelliset hydrauliset olosuhteet, jotka poikkeavat kalibroidusta testiasetuksesta. Katalogissa 200 J:n vaikutusenergialla määritelty drifter tuottaa tuotantoominaisuuksissa noin 170–180 J:n vaikutusenergiaa porakalvon päässä.

Vaikutustiukkuus: Energian ja nopeuden välinen kompromissi

Taajuus (Hz) ja iskunenergia eivät ole riippumattomia toisistaan annetulla hydraulisella tulo-teholla. Vakiosyöttöpaineen ja -virran ollessa voimassa korkeampi taajuus tarkoittaa enemmän iskuja sekunnissa, mutta vähemmän energian kertymistä kuhunkin iskuun (lyhyempi männän matka). Alhaisempi taajuus tarkoittaa pidempää männän matkaa, enemmän energiaa kuhunkin iskuun ja vähemmän iskuja sekunnissa. Tutkimukset kaksinkertaisesti vaimennetuista porakoneista osoittavat, että vaimennusvirran ja syöttövoiman yhdistelmän muuttaminen voi siirtää iskutaajuutta alle 30 Hz:stä yli 45 Hz:n – kun taas suurin porausote saavutettiin E×f-yhdistelmällä, joka tasapainotti energian määrän kuhunkin iskuun ja iskujen taajuuden välillä, ei kummassakaan ääripäässä.

Korkeataajuusmalli (50–80 Hz, tyypillinen iskunenergia 30–80 J) poraa pehmeää ja keskimittaisen kovuista kiveä tehokkaasti, koska jokainen isku tunkeutuu hallittavaan syvyyteen ja taajuus ohjaa etenemisnopeutta. Normaaliaajuusmalli (30–45 Hz, 80–300 J) poraa kovaa kiveä tehokkaasti, koska jokaisen iskun on ylitettävä kiven halkeamien syntymisen kynnysarvo ollakseen tuottava – kun kovien muodostumien ympäröivän kivimassan puristuslujuus (UCS) ylittää 150 MPa, taajuuden lisääminen ilman iskunenergian kasvattamista johtaa iskuihin, jotka kaikki jäävät kynnysarvon alapuolelle, mikä tuottaa lämpöä ja kulumaa ilman etenemistä.

Öljyn virtaus: Piirin enimmäisvirtaus

Öljyn virtaus Q määrittää iskutehon ylärajan, joka on saatavilla hydraulipiiristä: P_available = ΔP × Q. Drifter, joka vaatii 140 l/min 180 bar:n paineessa ja jolle kantaja toimittaa 110 l/min, toimii teholla P_available = 180 × (110/1000) = 19,8 kW sen sijaan kuin suunnitellulla teholla 180 × (140/1000) = 25,2 kW—eli 78,6 % sen nimellisestä iskutehosta. Tämä puute ei näy iskupaineen mittarissa (joka näyttää piirin paineen, ei toimitettua tehoa), ei näy käyttäjälle (läpäisy tuntuu 'normaalilta' pehmeässä muodostumassa) eikä ilmene kuin työvuoron aikana mitattujen metrien seurannassa verrattuna odotettuihin nopeuksiin.

Akkuvarauspullo tasaa pumpun tuottaman virtaaman ja iskutyökalun hetkellisen virtaamantarpeen huippuiskusyklin aikana. Kun akkuvarauspullossa on määritetty esilatauspaine — korkeapainepullossa 80–90 bar — kaasupuskuri varastoi öljyä alhaisen kuorman aikana ja vapauttaa sen voimaiskun huippukuorman aikana, mikä tasoittaa piirin painetta. Liian alhainen esilatauspaine estää tehokkaan varastoinnin ja vapauttamisen; iskupiirissä havaitaan paineenvaihteluita, jotka muodostavat sahalaidan muotoisen aaltomuodon eikä vakaita käyttöpaineita, ja sekä iskutaajuuden vakaus että iskua kohden saatava energia heikkenevät.

Ydinpараметrien viitetaulukko

Miksi tehokkuus on se, mitä sinun pitäisi itse asiassa ostaa

Kun vertaat kahta iskuporakonetta hankintapäätöksen tekemiseksi, iskutehokkuuden ja syötettyjen tehojen suhde kertoo sinulle enemmän käyttökustannuksista kuin pelkkä iskunenergiavuoden. Iskuporakone, jonka tehokkuus on 56 %, kuluttaa 25,2 kW:n tehoa tuottaakseen 14,1 kW:n iskutyötä. Iskuporakone, jonka tehokkuus on 47 %, kuluttaa 25,2 kW:n tehoa tuottaakseen 11,8 kW:n iskutyötä – sama polttoaineen kulutus, mutta 19 % vähemmän hyödyllistä iskutyötä. Tuotantomiehityksessä, jossa iskutyötä tehdään vuodessa 2 000 tuntia, tämä 19 %:n ero hyödyllisessä työssä kertyy poraterästen kustannuksissa, polttoaineenkulutuksessa ja päivittäisissä tuotantotavoitteissa (mittareita/päivä).

Tiivisteiden kunto on yleisin tehokkuuden laskun aiheuttaja, jota ei seurata. Iskutiiviste, joka ohittaa 8 % suunnitellusta paine-erostaan, vähentää tehokasta ΔP:tä 8 %:lla, mikä vähentää tehokerrointa E vastaavasti ja siten myös tehokkuutta vastaavasti. Mittarissa näkyy 'normaali' lukema, koska mittari mittaa piirin painetta, ei tiivisteiden kuntoa. Säännöllinen öljynäyteottaminen hiukkasmäärien mittaamiseksi ja paluuöljyn lämpötilan seuraaminen havaitsevat tämän heikkenemisen ennen kuin se ilmenee tunkeutumisnopeuden kehityskäyrässä. HOVOO tarjoaa iskutiivistekomplekseja PU- ja HNBR-materiaaleista kaikkiin tärkeimpiin iskuporakoneiden alustoille. Täydelliset malliviitteet osoitteessa hovooseal.com.