Wysokoczęstotliwościowa hydrauliczna wiertnica do skał: szybka prędkość wiercenia, znacznie poprawia wydajność realizacji projektu

Częstotliwość 60 Hz wydaje się wysoka. W przypadku hydraulicznego wiertła udarowego oznacza to, że tłoczek uderzeniowy wykonuje pełny cykl ruchu w przód i z powrotem 60 razy na sekundę — jednak pytanie, czy każdy z tych 60 cykli przekazuje skuteczną energię do powierzchni skały, jest zupełnie inną sprawą. Ograniczającym czynnikiem nie jest masa tłoczka ani ciśnienie hydrauliczne, lecz zdolność zaworu rozdzielającego do zmiany kierunku przepływu na tyle szybko, aby śledzić ruch tłoczka bez utraty synchronizacji pomiędzy tymi dwoma mechanizmami.

Gdy zawór rozdzielający przełącza się przedwcześnie — zanim tłoczek ukończy pełny, zaprojektowany skok — tłoczek uderza ponownie w tylną część otworu cylindra zamiast czysto uderzyć w trzpień. Zjawisko to, polegające na uwięzieniu oleju, rozprasza energię w postaci ciepła i drgań zamiast użytecznej pracy uderzeniowej. Wiertarka pracuje z częstotliwością 60 Hz, ale dostarcza energii uderzeniowej odpowiadającej częstotliwości zbliżonej do 45 Hz. Projektowanie pod kątem wysokiej częstotliwości nie polega więc wyłącznie na przyspieszeniu ruchu tłoczka; chodzi również o utrzymanie synchronizacji między tłoczkiem a zaworem rozdzielającym przy wyższych częstotliwościach, tak aby każdy cykl przekształcał się w rzeczywistą pracę wiercenia.

Sprzężenie tłoczek–zawór rozdzielający: co określa górny limit częstotliwości

Każdy hydrauliczny system uderzeniowy podlega temu samemu podstawowemu ograniczeniu: komory przednia i tylna tłoka uderzeniowego naprzemiennie przełączają się między ciśnieniem wysokim a ciśnieniem linii zwrotnej z częstotliwością kontrolowaną przez zawór suwakowy. Sam zawór suwakowy jest przesuwany hydraulicznie — kanał pilotujący, który zostaje podciśniony w zależności od położenia tłoka, wyzwala zmianę kierunku ruchu. Jeśli kanał pilotujący zostanie podciśniony zbyt wcześnie (przesunięcie w przód zbyt duże), tłok zmienia kierunek ruchu jeszcze przed osiągnięciem zaprojektowanego punktu uderzenia. Jeśli zaś nastąpi to zbyt późno, tłok przekroczy ten punkt, ściskając olej w komorze przedniej i powodując uderzenie wtórne, które marnuje energię.

Badania wykorzystujące laserowe pomiary prędkości tłoka przy częstotliwości 60 Hz potwierdzają, że wartość wyprzedzenia — czyli stopień wcześniejszego zaczęcia wzrostu ciśnienia w komorze sygnału zwrotnego przed osiągnięciem tłokiem skrajnego położenia — oraz ciśnienie wstępne gazu w akumulatorze wysokiego ciśnienia wspólnie decydują o tym, czy układ uderzeniowy pozostaje w stabilnym ruchu okresowym pierwszego rzędu (period-one), czy też przesuwa się w kierunku chaotycznego ruchu okresowego drugiego rzędu (period-two). Optymalne ciśnienie wstępne gazu w akumulatorze wysokiego ciśnienia dla konstrukcji o wysokiej częstotliwości z zaworem tulejowym mieści się w zakresie 80–90 bar. Poniżej tego zakresu akumulator nie jest w stanie zaspokoić chwilowego zapotrzebowania na przepływ. Powyżej tego zakresu membrana ulega przyspieszonej zmęczeniowej degradacji wskutek cyklicznego przeciążenia.

Krótki tłok vs. długi tłok przy wysokiej częstotliwości

Dwa kształty tłoków dominują w projektach przeznaczonych do pracy na wysokich częstotliwościach i wiążą się z różnymi kompromisami. Krótkie tłoki generują wyższą energię uderzenia szczytowego na jedno uderzenie – średnia zmierzona wartość wyniosła 346 J w kontrolowanych testach fal naprężeń przy jednakowym ciśnieniu roboczym – oraz osiągają wyższą sprawność wykorzystania energii (osiągającą około 57% energii hydraulicznej doprowadzonej). Długość tłoków pozwala na pracę z wyższą częstotliwością (średnia wartość szczytowa wyniosła 62 Hz w tej samej serii testów), ale dostarcza niższą energię uderzenia szczytowego na jedno uderzenie, przy czym kształt fali impulsowej lepiej nadaje się do utrzymywania stałego kontaktu z skałą w głębokich otworach, gdzie tłumienie pręta wyciągowego zmniejsza skuteczną energię docierającą do wiertła.

Praktyczne implikacje: konstrukcje z krótkim tłokiem i wysoką częstotliwością nadają się do wiercenia na powierzchni oraz w głowicy tunelu, gdzie głębokość otworu jest umiarkowana, a energia przypadająca na pojedynczy uderzenie decyduje o szybkości przebijania. Konstrukcje z długim tłokiem, mimo niższej energii przypadającej na pojedyncze uderzenie, zapewniają bardziej stałą dostawę energii na długości zestawów prętów sięgających 30 metrów, gdzie tłumienie fali naprężeń ma większe znaczenie niż maksymalna siła uderzenia. Dobór geometrii tłoka do konkretnej aplikacji to etap selekcji, który najczęściej pomijają zespoły zakupowe.

Wysoka częstotliwość vs. standardowa częstotliwość: porównanie operacyjne

Zaleta wskaźnika przenikania jest rzeczywista, ale ograniczona. Poniżej 60 MPa wiertła o standardowej częstotliwości już tak szybko przenikają skałę, że korzyść wynikająca z zastosowania wysokiej częstotliwości znika w efektach sufitowych – ograniczeniem staje się usuwanie odpadów wiertniczych, a nie energia uderzenia. Powyżej 250 MPa żaden z projektów nie zapewnia efektywnego przenikania; żywotność karbidu wiertła stanowi wąskie gardło. Zakres 80–180 MPa to okno, w którym sprzęt wysokoczęstotliwościowy uzasadnia swoją wyższą cenę.

Podwójny system tłumienia: utrzymanie kontaktu wiertła ze skałą pomiędzy uderzeniami

Projekty o wysokiej częstotliwości pracy przy 60 Hz mają 16,7 milisekundy między uderzeniami. W tym przedziale czasowym wiertło musi utrzymywać kontakt z powierzchnią skały – jeśli wiertło unosi się pomiędzy uderzeniami, kolejne uderzenie trafia w powietrze zamiast w skałę, a energia uderzeniowa rozprasza się z powrotem w korpusie wiertarki udarowej. Dokładnie ten problem rozwiązuje podwójny system tłumienia. Wykorzystuje on tłoczek tłumiący oraz akumulator, aby utrzymać narzędzie wiertnicze przyciśnięte do powierzchni skały podczas suwu zwrotnego, zapewniając ciśnienie kontaktu pomiędzy uderzeniami. Badania dotyczące kombinacji przepływu tłumienia i siły docisku wykazały, że maksymalna moc uderzeniowa powyżej 400 J osiągana była przy przepływie tłumienia w zakresie 8–9 L/min i sile docisku wynoszącej 15–20 kN. Poza tym zakresem energia uderzeniowa w niektórych kombinacjach spadała poniżej 250 J.

Sandvik RD930 określa ciśnienie akumulatora stabilizatora na poziomie 40 bar oraz regulowane ciśnienie stabilizatora w zakresie od 60 do 110 bar — te zakresy nie są przypadkowe. Odpowiadają one zakresowi roboczemu, w którym uchwyt trzpienia pozostaje w optymalnej pozycji względem tłoka przez cały cykl częstotliwości. Wiercenie poza tymi granicami nie tylko zmniejsza wydajność, ale także przesuwa miejsce zużycia na rękaw prowadzący i powierzchnię czołową trzpienia zamiast równomiernego rozłożenia go na całej powierzchni styku.

Przeliczenie interwału konserwacji uszczelek dla jednostek wysokiej częstotliwości

Drifter pracujący z częstotliwością 60 Hz wykonuje 216 000 cykli tłoka na godzinę pracy — około jedna trzecia więcej niż drifter o częstotliwości 45 Hz przy tej samej liczbie godzin uderzeń. Standardowy 500-godzinny interwał kontroli uszczelek, stosowany w przypadku urządzeń średniej częstotliwości, został opracowany dla niższych częstotliwości cykli. Praca driftera wysokiej częstotliwości przez 500 godzin przed pierwszą kontrolą uszczelek uderzeniowych wiąże się z zaakceptowaniem o 108 milionów dodatkowych cykli tłoka w porównaniu do tego samego interwału dla jednostki o częstotliwości 45 Hz. W warunkach eksploatacji w skałach o dużym stopniu ścieralności lub przy podwyższonych temperaturach oleju progowa liczba godzin do pierwszej kontroli powinna wynosić 350–400.

HOVOO dostarcza zestawów uszczelek do driftersów wysokiej częstotliwości, w tym serii Sandvik RD, modeli wysokiej częstotliwości Epiroc COP oraz chińskich driftersów wysokiej częstotliwości — z zastosowaniem związków HNBR przeznaczonych do gorących warunków górniczych, gdzie temperatura powracającego oleju przekracza 80 °C. Odniesienia do modeli dostępne są na stronie hovooseal.com.