Hydraulisen kallionporakoneen toimintaperiaate: iskun ja pyörivän porauksen ydinmekanismi

Useimmat selitykset siitä, kuinka hydraulinen kallionporakone toimii, alkavat pistoolista. Tämä on väärä lähtökohta. Pistooli on hydrauliikka-mekaanisen kytkentäjärjestelmän tuloste: pistoolin toiminnan ymmärtäminen on hyödyllistä vain, jos ymmärtää ensin sen, mikä sen toimintaa ohjaa. Iskujärjestelmä on periaatteessa hydraulinen värähtelijä: kääntöventtiili vaihtaa öljyn virtaus etu- ja takapistoolikammioihin oikeaan aikaan, jotta pistoolin jatkuvaa edistävää ja takaisin kulkevaa liikettä voidaan ylläpitää. Kaikki sen jälkeen tuleva – pistoolin nopeus, iskun energia ja taajuus – riippuu siitä, kuinka tarkasti tämä vaihto on ajastettu.

Kokonaisporatoiminto koostuu kolmesta samanaikaisesta toiminnosta: aksiaalisesta iskusta (pistoolin isku), pyörimisestä (poraketjun kiertämisestä, jotta jokainen isku osuu uuteen kalliopintaan) ja syöttövoimasta (työntävä voima, joka painaa porakärkeä vasten kallion pintaa). Kaikkien kolmen toiminnon on oltava tasapainossa, muuten järjestelmä on tehottoma riippumatta siitä, kuinka paljon hydraulista tehoa siihen syötetään.

Iskukierros: kahdeksan tilaa yhdessä iskussa

Pistonin liike yhdessä iskukierroksessa kulkee noin kahdeksan erillisen hydrauliikan tilan kautta, kun kääntöventtiili koordinoi öljyn virtausta pistoonin sijainnin mukaan. Tilassa 1 korkeapaineinen öljy täyttää etukammion ja työntää pistointa taaksepäin (paluuliike). Paluuliikkeen aikana kääntöventtiili havaitsee pistoonin sijainnin sisäisen ohjauskanavan kautta ja aloittaa oman kääntymisensä – siirtäen korkeapaineen etukammioista takakammioon. Tilassa 7 piston on suurimmassa nopeudessaan, kun se koskettaa varren pintaa. Kääntöventtiilin on saavutettava kääntynyt asentoan juuri tuona hetkenä: liian nopeasti, ja korkeapaineinen öljy etukammiossa pysäyttää pistoonin ennen kuin se koskettaa varren pintaa; liian hitaasti, ja takakammio säilyy paineisena iskun jälkeen, mikä aiheuttaa toissijaisen 'kaksinkertaisen iskun', joka hukkaa energiaa sen sijaan, että se edistäisi seuraavaa tuottavaa iskua.

Kääntöventtiilin ajoituksen kääntämistä koskevassa tutkimuksessa on havaittu toissijainen iskuvika olevan johtava syy alaspain poikkeavalle iskunenergialle tuotannossa käytetyissä porakoneissa. Toissijainen isku syntyy, kun kääntöventtiilin nopeus on riittämätön – venttiilin ja sylinterin reiän välinen välys ε ohjaa venttiilin vaihtumisnopeutta. Kun ε = 0,01 mm, välys virtaus säilyttää suunnitellun vaihtumisnopeuden; sekä laajemmat että kapeammat välykset heikentävät iskusuorituskykyä joko hitaalla vaihtumisella (toissijainen isku) tai ylivuodolla (menetetty työntöpiston nopeus).

Jännitysaaltosignaalin siirtyminen: energia kallion pinnalla

Kun työntöpää osuu varressa nopeudella v, törmäys aiheuttaa puristusjännitysaallon, joka etenee porakannalla kohti porakärkeä. Tämän aallon amplitudi määrittää kallionmurtavan voiman porakärjen pinnalla. Jännitysaalto heikkenee eksponentiaalisesti kannan pituudeltaan geometrisen leviämisen, liitosten heijastumisen kannan yhdistämispaikoissa ja materiaalin vaimennuksen kautta. Kenttämittaukset osoittavat, että jännitysaallon muoto on jaksollinen ja se heikkenee lähes nollaan kannan pituudella – mikä tarkoittaa, että käytettävissä oleva iskunenergia syvyydellä on vain murto-osa siitä energiasta, jonka työntöpää tuotti varressa.

Impedanssin sovitus pisteen, varren, tangon ja porakärjen välillä vaikuttaa energiansiirtoon. Kun aaltovastus (poikkipinta-ala kerrottuna akustisella nopeudella) on sovitettu näiden komponenttien välillä, jännitysaalto siirtyy tehokkaasti ilman heijastumia kussakin rajapinnassa. Kun pisteen varren halkaisija eroaa merkittävästi poratangon halkaisijasta, osa aallosta heijastuu takaisin – tämä heijastunut osa muodostaa hukattua energiaa. Siksi pisteen geometriaa optimoidaan tiettyyn tangon halkaisijaluokkaan eikä sitä suunnitella yleiskäyttöiseksi ratkaisuksi.

Pyöräytysmekanismi: iskujen ajastus

Pyörähtämömoottori kääntää poraketjua jatkuvasti iskutoiminnon aikana, ja pyörähtämönopeus on asetettu siten, että porakärki etenee noin 5–10 astetta kunkin iskun välillä. Tämä kulmallinen eteneminen sijoittaa uuden kivipinnan jokaisen karbidipainikkeen alle ennen seuraavaa iskua. Liian vähän etenemistä: karbidi iskee uudelleen jo halkeamassa olevaan kohdassa, mikä tuottaa hienoa pölyä ja lämpöä sen sijaan, että aiheuttaisi uusia halkeamia. Liian paljon etenemistä: karbidi osuu halkeamattomaan kiveen edellisten iskujen jättämien murtuneiden alueiden välissä – tämä on vähemmän tehokasta kuin isku osuisi osittain halkeamassa olevaan pintaan.

Pyörähtämömotori toimii riippumattomasti iskupiiristä ja sitä ohjataan erillisellä hydraulipiirillä. Pyörähtämismomentti kasvaa, kun kärki kohtaa kovia välitasoja tai kun poraustekstit kertyvät ja vastustavat puhdistusta. Momenttipiikki, joka aiheuttaa pyörähtämisen pysähtymisen – iskutoiminnon jatkuessa – lukitsee kärjen paikoilleen, kunnes pistoni jatkaa iskujen antamista ei-pyörivään porakierreeseen. Tällä tilanteella poratanko altistuu yhtä aikaa vääntö- ja puristusjännitykselle, mikä voi ylittää sen väsymisrajan muutamassa sekunnissa. Nykyaikaisten jumbojen tukkimisenestofunktio havaitsee tämän tilanteen ja vähentää iskupainetta tai lyhyesti kääntää pyörähtämisen suuntaa ennen kuin porakierre vaurioituu.

Syöttövoima: Kosketusyhtälö

Syöttövoima tarjoaa aksiaalisen työntövoiman, joka pitää kärjen kiinni kallion pinnassa iskujen välillä. Ilman sitä kärki nousee hieman takaisin kulkevan jännitysaallon vaikutuksesta ja menettää kosketuksen ennen seuraavaa iskua – näin ollen jokainen isku käytetään osittain turhaan kärjen kiihdyttämiseen takaisin kallion pintaan ennen kuin se pystyy murtamaan kallion. Liian suuri syöttövoima aiheuttaa sen, että kärki jää niin tiukasti kiinni pinnassa, ettei pistoni pysty suorittamaan täyttä iskumatkaansa; iskun energia katkeaa ja tehollinen iskunenergia laskee.

Optimaalinen työntövoima tuottaa vahvaa ja jatkuvaa porakärjen ja kiven yhteyttä ilman, että pistonsiirtoa rajoitetaan. Käytännössä työntöpaineen on kasvettava reiän syvyyden mukana, koska poratukseen käytetyn putken paino aiheuttaa kasvavaa vastavoimaa, joka kumoaa sylinterin työntövoiman. Kenttäseuranta LKAB:n Malmbergetin kaivoksessa osoitti, että työntöpaine kasvoi lineaarisesti reiän pituuden mukana oikein käytetyissä tuotantoporakoneissa – mikä vahvistaa, että vakio työntöpaineasetus johtaa epäyhtenäiseen yhteyden voimaan syvyydessä.

Vaimennus: Energian talteenotto kivestä käyttämättömänä

Kun jännitysaalto saavuttaa porakärjen pinnan, osa energiasta murtuu kiveä. Loput heijastuvat takaisin poraketjuun vetovoima-aaltona. Jos mitään ei estä sitä, tämä heijastunut aalto etenee varressa ja siirtyy takaisin drifterin runkoon – aiheuttaen jännitystä koteloon, käsivarren kiinnikkeisiin ja rakenteellisiin liitoksiin. Vaimennusjärjestelmä estää tämän heijastuneen energian. Yksinkertaiset vaimennusratkaisut (liukkava sovittimet, kuten Epiroc COP -mallissa) absorboivat heijastuneen aallon varren ja pistoolin välisessä liitoksessa. Kaksoisvaimennusratkaisut (Furukawa HD -sarja) käyttävät kahta peräkkäistä kammioita: ensimmäinen kammio absorboi ensisijaisen heijastuneen aallon; toinen kammio sieppaa jäljelle jääneen kimpoamisenergian, jonka ensimmäinen kammio ei ole imeytynyt.

Korkean käyttöasteen maanalaisessa työvuorossa, joka kestää 8 iskutuntia, vaimennusjärjestelmän absorboima kertymäinen heijastuneen aallon energia on merkittävä. Tiivisteen kulumisesta vaimennuspiirissä johtuen absorptiotehokkuus laskee – koteloon alkaa siirtyä energiaa, jonka vaimennusjärjestelmän oli tarkoitus estää. HOVOO tarjoaa vaimennuspiirin tiivistesarjoja suurille iskuporakonealustoille sekä standardit iskutarvikkeet. Täydelliset viitteet osoitteessa hovooseal.com.