A hidraulikus szikafúró alapvető paraméterei: teljes elemzés az ütőenergiáról, a sebességről és az áramlási mennyiségről

Minden hidraulikus szikafúró műszaki adatlapja három számot tüntet fel kiemelt helyen: az ütőenergiát joule-ban, az ütésfrekvenciát hertzben és a szükséges olajáramlást liter per percben. Amit az adatlap nem magyaráz meg, az az, hogy ez a három érték egyetlen teljesítményképlet segítségével kapcsolódik össze, tehát nem értékelhetők függetlenül egymástól. Az ütőteljesítmény az ütőenergia és a frekvencia szorzata: P = E × f. Ezt a teljesítményt a hidraulikus bemenet szolgáltatja: P_be = ΔP × Q. A perkussziós teljesítmény és a hidraulikus bemeneti teljesítmény aránya az energiahatékonyság – és éppen ez az érték határozza meg, hogy a vontatójármű fogyasztásának mekkora része alakul át hasznos szikafelhasadássá.

A megegyező műszaki adatlapot mutató szikárítók mezőben nagyon különbözően viselkedhetnek, ha hatásfokuk 8–10 százalékponttal tér el egymástól. Egy 180 joules energiájú szikárító 50%-os hatásfok mellett ugyanannyi hasznos ütőmunkát végez, mint egy 162 joules energiájú szikárító 55,5%-os hatásfok mellett – azonban az első esetben több üzemanyag fogy el, és méterenként több hő keletkezik. A hatásfok értékét szinte soha nem tüntetik fel a műszaki adatlapokon. Ez a cikk azt magyarázza el, mi határozza meg ezt az értéket, és hogyan kapcsolódik hozzá a három fő paraméter.

Ütőenergia: A szár felületén mérhető mozgási energia

Az ütőenergia a dugattyú mozgási energiájaként van meghatározva a szár érintkezésének pillanatában: E = ½ × m × v². A dugattyú tömege (m) a kialakítás szerint rögzített; a dugattyú sebessége (v) az ütés pillanatában a hidraulikus kör által szabályozott érték, amelyet a teljesítménycsappantyú nyomása és a dugattyú hengeres részének keresztmetszete határoz meg. Magasabb ütőnyomás → gyorsabb dugattyú → magasabb ütőenergia – de csupán addig, amíg a visszafordító szelep továbbra is szinkronban tud kapcsolni a dugattyú helyzetével.

Amikor az ütőnyomás meghaladja a fordítószelep tervezett időzítési tartományát, a dugattyú a szárhoz érkezik, mielőtt a szelep befejezné a kapcsolást. Két dolog történik: az első kamra még nem kapcsolódott teljesen visszafelé, így a dugattyú lassuló mozgással éri el az ütközést, és az első kamrában maradó részleges nyomás miatt a dugattyú visszapattanása után másodlagos ütés keletkezik. Mindkét hatás csökkenti a nettó ütőenergiát, annak ellenére, hogy a bemeneti nyomás magasabb. A YZ45 hüvely-szelepes fúrókutak energiatakarékosságára végzett kutatás szerint az energiahatékonyság csúcsa 12,8–13,6 MPa között volt, ahol a hatékonyság meghaladta a 58,6 %-ot. Ezen a nyomástartomány felett a hatékonyság csökkent – több bemeneti teljesítmény mellett kevesebb ütőenergia jutott ki egységnyi bemeneti energiára.

A terepi ütőenergia általában 10–15%-kal alacsonyabb a laboratóriumi műszaki adatokban megadott értéknél. A laboratóriumi vizsgálatok merev, rögzített ütőfelületet használnak; a terepi üzem során azonban figyelembe kell venni a fúrócső rugalmasságát, a fúrófej–kő érintkezésének tökéletlenségét, valamint a kalibrált tesztelési környezettől eltérő, valós hidraulikai körülményeket. Egy katalógusban 200 J-os ütőenergiával megadott drifter tényleges üzemeltetési körülmények között kb. 170–180 J-nyi energiát szolgáltat a fúrófej rögzítési pontján (shank).

Ütésfrekvencia: Az energia és a sebesség közötti kompromisszum

A frekvencia (Hz) és az ütőenergia nem függetlenek egymástól egy adott hidraulikus bemeneti teljesítmény esetén. Állandó szivattyúnyomás és -áramlás mellett a magasabb frekvencia több ütést jelent másodpercenként, de kevesebb energiagyűjtést ütésenként (rövidebb dugattyúút). Az alacsonyabb frekvencia hosszabb dugattyúutat, több energiát ütésenként és kevesebb ütést másodpercenként jelent. Kétszeres fékezésű furókra végzett kutatás kimutatta, hogy a fékezőfolyadék-áramlás és a táplálóerő kombinációjának változtatásával az ütésfrekvencia 30 Hz alá is csökkenhet, illetve 45 Hz fölé is emelkedhet – miközben a maximális fúrási teljesítmény az E×f kombinációnál érhető el, amely az ütésenkénti energiát és az ütések gyakoriságát kiegyensúlyozza, nem pedig valamelyik szélsőséges értéknél.

A magas frekvenciás kialakítás (50–80 Hz, tipikus ütőenergia 30–80 J) hatékonyan fúrja a puha és közepesen kemény kőzeteket, mert minden ütés egy kezelhető mélységig hatol, és a frekvencia határozza meg a haladási sebességet. A szokásos frekvenciás kialakítás (30–45 Hz, 80–300 J) hatékonyan fúrja a kemény kőzeteket, mert minden ütésnek túllépnie kell a kőzet repedésindítási küszöbértékét ahhoz, hogy termelékeny legyen – kemény képződményeknél, ahol a kőzet egyaxiális nyomószilárdsága (UCS) meghaladja a 150 MPa-ot, a frekvencia növelése anélkül, hogy az ütőenergiát növelnénk, olyan ütéseket eredményez, amelyek mindegyike a küszöbérték alatt marad, így hő keletkezik és kopás lép fel, de nincs haladás.

Olajáram: A körkép felső határa

Az olajáram-Q meghatározza a hidraulikus körből elérhető ütőerő felső határát: P_elérhető = ΔP × Q. Egy olyan fúrófej, amely 140 L/perc áramlást igényel 180 bar nyomáson, de csak 110 L/perc áramlást kap a gépjárműtől, a P_elérhető = 180 × (110/1000) = 19,8 kW teljesítményen működik, nem pedig a tervezett 180 × (140/1000) = 25,2 kW-n – azaz a névleges ütőerő 78,6%-án. Ez a hiányosság nem látható az ütőnyomás-mérőn (amely a kör nyomását mutatja, nem a szállított teljesítményt), nem észlelhető az üzemeltető számára sem (a behatolás „normálisnak” tűnik puha képződményben), és csak a munkaóránkénti méterek nyomon követésénél jelenik meg az elvárt sebességekhez képest.

Az akkumulátor kiegyenlíti a szivattyú által szállított folyadékmennyiség és a fúrófej pillanatnyi folyadékigénye közötti eltérést a legnagyobb ütési ciklus során. Amikor az akkumulátor előtöltése a megadott értéken van – a nagynyomású akkumulátor esetében 80–90 bar –, a gázpárna olajat tárol az alacsony igényű fázisokban, és felszabadítja azt az ütőmozgás teljesítményfázisának csúcsigénye idején, ezzel simítva a kör környezeti nyomását. Egy alacsony nyomású akkumulátor nem képes hatékonyan tárolni vagy felszabadítani a folyadékot; az ütőkörben a nyomás fogazott (fűrészfog-szerű) hullámforma jelenik meg helyett a stabil üzemi nyomásnak, és ez mind az ütésgyakoriság egyenletességét, mind az egy ütésre jutó energiát negatívan befolyásolja.

Alapvető paraméterek hivatkozási táblázata

Miért az efficiencia az, amit valójában meg kellene vásárolnia

Amikor két fúrófejet hasonlít össze egy beszerzési döntés meghozatala érdekében, a percussziós hatásfok és a felvett teljesítmény aránya többet mond az üzemeltetési költségről, mint az ütőerő értéke egyedül. Egy 56%-os hatásfokú fúrófej 25,2 kW-ot fogyaszt, hogy 14,1 kW percussziós munkát szolgáltasson. Egy 47%-os hatásfokú fúrófej ugyanennyit – 25,2 kW-ot – fogyaszt, hogy csupán 11,8 kW-nyi percussziós munkát nyújtson – azaz ugyanannyi üzemanyag-felhasználás mellett 19%-kal kevesebb hasznos percussziós teljesítmény. Évi 2000 percussziós óra esetén egy termelő bányában ez a 19%-os különbség összeadódik a fúrócsövek költségében, az üzemanyag-költségekben, valamint a napi méterenkénti termelési célok elérésében.

A tömítés állapota a leggyakoribb, figyelmeztetés nélkül maradó hatékonyosság-csökkenést okozó tényező. Egy ütőszerszám-tömítés, amely a tervezett nyomáskülönbség 8%-át vezeti el, az effektív ΔP-t 8%-kal csökkenti, ezzel arányosan csökkentve az E értéket és az összhatékonyságot is. A manométer „normális” értéket mutat, mert a környezeti nyomást méri, nem pedig a tömítés állapotát. A rendszeres olajmintavétel részecskeszám-méréssel és a visszatérő olaj hőmérsékletének folyamatos ellenőrzése lehetővé teszi ennek a romlásnak a korai észlelését, még mielőtt megjelenne a behatolási sebesség időbeli trendjén. A HOVOO ütőszerszám-tömítés-készleteket kínál PU és HNBR anyagból minden jelentős furóberendezés-platformhoz. A teljes modellreferenciák a hovooseal.com oldalon érhetők el.