Energooszczędna hydrauliczna wiertnica do skał: niskie zużycie energii i wysoka wydajność

W układzie pneumatycznym o stałej pojemności przesysowej każdy litr powietrza, który sprężarka wytwarza, ale którego wiertło nie wykorzystuje natychmiast, uchodzi przez zawór bezpieczeństwa i jest tracony. W otwartym układzie hydraulicznym bez czujnika obciążenia nadmiarowy przepływ oleju działa w ten sam sposób – przepływa z powrotem do zbiornika przez zawór bezpieczeństwa, przekształcając całą energię ciśnienia w ciepło. Wiertło pracujące przy 50% nominalnego cyklu uderzeniowego zużywa pełną moc pompy przez cały czas zmiany, przy czym połowa tej mocy jest tracona w postaci ciepła odpadowego, gdy pompa nie ma możliwości zmniejszenia wydajności w fazach postoju.

To jest podstawowy problem energetyczny, który rozwiązują hydrauliczne układy z wykrywaniem obciążenia. Pompa odczytuje rzeczywiste zapotrzebowanie obwodu i generuje wyłącznie tyle przepływu i ciśnienia, ile wymagają w danej chwili obwody uderzeniowe, obrotowe i posuwowe. Podczas pracy przy kołnierzu, ponownego pozycjonowania oraz wymiany prętów – co stanowi prawdopodobnie 30–40% czasu pracy w każdej zmianie – zmniejszenie skoku pompy powoduje jednoczesne obniżenie przepływu i ciśnienia, co przekłada się na obniżenie zużycia paliwa o 15–20% w układach zamkniętych w porównaniu do odpowiedników z układami otwartymi. Nie jest to niewielka oszczędność w całym okresie eksploatacji sprzętu.

Hydrauliczne vs. pneumatyczne: Różnica energetyczna ma charakter strukturalny

Hydrauliczne wiertniki skalne zużywają około jednej trzeciej energii w porównaniu do pneumatycznych urządzeń wiertniczych przy wierceniu tej samej formacji. To nie jest twierdzenie marketingowe – jest to konsekwencja nieściśliwości medium. Powietrze jest ściśliwe: energia zużywana jest na jego sprężanie, a część tej energii ulega utracie w postaci ciepła podczas rozprężania. Olej hydrauliczny jest nieściśliwy; pompa dostarcza energii ciśnienia, która przekazywana jest bezpośrednio do ruchu tłoka z minimalnymi stratami przy przekształcaniu energii. Wiertniki hydrauliczne zapewniają również wyższą energię uderzeniową na pojedyncze uderzenie niż odpowiednie modele pneumatyczne, ponieważ wyższe ciśnienie robocze (160–220 bar dla urządzeń hydraulicznych w porównaniu do 6–10 bar dla pneumatycznych) pozwala na zastosowanie mniejszego i lżejszego tłoka, który przenosi taką samą lub większą pęd.

Drugą zaletą konstrukcyjną jest to, że układy hydrauliczne naturalnie integrują się z pompami o zmiennej wydajności z detekcją obciążenia. Stałej wydajności kompresory pneumatyczne pracują przy stałej mocy wyjściowej — nie ma odpowiednika tarczy nachylonej z detekcją obciążenia w przypadku kompresora śrubowego. Natomiast pompa hydrauliczna koparki lub wiertnicy może zmniejszyć swoją wydajność do wartości bliskich zeru w okresach postoju i w ciągu kilku milisekund powrócić do nominalnej wydajności, gdy wymagane jest ciśnienie uderzeniowe. W rzeczywistych warunkach cyklu roboczego przekłada się to na oszczędność paliwa w zakresie 15–30% w porównaniu do układów o stałej wydajności wykonujących tę samą pracę.

Skąd pochodzą oszczędności: cztery mechanizmy

Zmienna wydajność z wykrywaniem obciążenia zapewnia największą część oszczędności energii — od 15 do 20% w ciągu pełnej zmiany pracy w dobrze dopasowanych systemach. Drugim mechanizmem jest optymalizacja obwodu uderzeniowego: ograniczenie strat przepływowych w zaworze uderzeniowym poprzez poszerzenie kanałów olejowych oraz zastosowanie konstrukcji tłoka o dwóch średnicach zmniejsza wewnętrzną przepływność obejściową z 50–55% konwersji hydraulicznego wejścia do 56–57%. Trzecim mechanizmem jest zarządzanie ciepłem — mniejsza ilość marnowanej energii oznacza chłodniejszy olej powrotny, co przekłada się na mniejsze obciążenie chłodnicy oraz mniejsze degradowanie lepkości oleju, a tym samym na dłuższe interwały wymiany oleju. Czwartym mechanizmem jest efektywność obwodu płuczącego: dobranie odpowiedniej wielkości pompy wody płuczącej do rzeczywistego zapotrzebowania otworu wiertniczego zamiast działania na stałej wydajności pozwala zmniejszyć zużycie mocy pomocniczej, szczególnie w tunelach, gdzie obwód płuczący działa nieprzerwanie nawet pomiędzy poszczególnymi otworami.

Porównanie efektywności energetycznej: napęd pneumatyczny, standardowy napęd hydrauliczny i zoptymalizowany napęd hydrauliczny

Zakres współczynnika konwersji 25–57% ma znaczenie, ponieważ istotne jest odniesienie. Przy 25% (układ pneumatyczny) tracisz trzy czwarte energii wejściowej jeszcze zanim wiercisz choćby jeden milimetr skały. Przy 57% (zoptymalizowany układ hydrauliczny) straty spadają do 43% — nadal znaczne, ale poprawa jest na tyle duża, że zmienia ekonomikę decyzji o tym, co warto wiercić. Głębokie otwory w formacjach o ograniczonej produktywności, które nie są opłacalne przy zastosowaniu systemów pneumatycznych, stają się rentowne przy wykorzystaniu wydajnego sprzętu hydraulicznego.

Długoterminowe koszty paliwa: Efekt skumulowania

20 kW hydrauliczny drifter pracujący 250 dni w roku, w dwie zmiany, przy 4 godzinach rzeczywistej perkusji na zmianę, działa około 2000 godzin perkusji rocznie. Podtrzymujący go zestaw zasilania działa w szerszym zakresie, w tym w ustawieniu, przepozycjonowaniu i w stanie jałowym. System z czujnikiem obciążenia pozwala na oszczędność paliwa w wysokości 15~20% w ciągu wszystkich godzin bez uderzeń, które system o stałym natężeniu paliwa spalanie przy pełnej mocy.

Przy konserwatywnej różnicy 10 litrów na godzinę między systemem czujnika obciążenia a odpowiednikiem stałego przemieszczenia (wliczając fazy bezczynności), ponad 3000 godzin pracy nośnika rocznie to 30 000 litrów oleju napędowego rocznie. Przy 1 $/litro - zachowawcza kwota dla większości rynków górniczych - to 30 000 $ za maszynę rocznie. W przypadku urządzeń o pięcioletniej długości życia, same oszczędności energii uzasadniają znaczną premię dla hydraulik czujących obciążenie w porównaniu z konstrukcjami o stałym przemieszczeniu.

Zmiany w stanie pieczęci i efektywności energetycznej: ukryty związek

Sprawność energetyczna układu hydraulicznego nie jest stała w trakcie całego okresu eksploatacji urządzenia. Uszczelka tłoka uderzeniowego w dobrym stanie przepuszcza minimalną ilość oleju ze strony o wysokim ciśnieniu na stronę o niskim ciśnieniu podczas suwu roboczego — zasadniczo cała dostępna różnica ciśnień przyspiesza tłok. W miarę zużywania się uszczelki przepływ przez nią (bypass) rośnie. Za każdy punkt procentowy dodatkowego przepływu przez uszczelkę skuteczne ciśnienie uderzeniowe maleje, a ilość oleju przekształcanego w ciepło w obwodzie powrotnym wzrasta. Uszczelka tak bardzo zużyta, że powoduje przepływ bypassu na poziomie 8–10%, przywraca do driftera sprawność zbliżoną do tej osiąganej przez projekt niezoptymalizowany, co znosi korzyści wynikające z udoskonaleń konstrukcyjnych.

Utrzymanie dobrze zaprojektowanego wiertła oszczędzającego energię na poziomie jego zaprojektowanej wydajności oznacza traktowanie wymiany uszczelek jako zadania konserwacji zapewniającej właściwe działanie urządzenia, a nie jedynie jako działania zapobiegawczego przeciwko wyciekom. HOVOO dostarcza zestawów uszczelek do głównych modeli wiertarek — z poliuretanu (PU) do standardowych zakresów pracy oraz z hydronitrylu butadienu (HNBR) do zastosowań w wysokich temperaturach, gdzie podwyższona temperatura powracającego oleju spowodowałaby wcześniejsze zużycie materiału PU. Odniesienia do modeli dostępne na stronie hovooseal.com.