Основные параметры гидравлического горного бура: полный анализ ударной энергии, скорости и расхода

В каждой технической спецификации гидравлического горного перфоратора prominently указаны три параметра: энергия удара в джоулях, частота ударов в герцах и требуемый расход масла в литрах в минуту. Что не поясняется в спецификации — это то, что эти три параметра связаны между собой единым уравнением мощности, а значит, их нельзя оценивать изолированно. Мощность удара равна произведению энергии удара на частоту: P = E × f. Эта мощность подаётся от гидравлического привода: P_in = ΔP × Q. Отношение мощности ударного механизма к входной гидравлической мощности представляет собой коэффициент энергоэффективности — и именно он определяет, какая часть расхода топлива вашим носителем преобразуется в полезное разрушение породы.

Дрифтеры с одинаковой энергией удара, указанной в технических характеристиках, могут демонстрировать существенно различающиеся показатели в полевых условиях, если их энергоэффективность отличается на 8–10 процентных пунктов. Дрифтер с энергией удара 180 джоулей и КПД 50 % выполняет ту же полезную ударную работу, что и дрифтер с энергией удара 162 джоуля и КПД 55,5 % — однако первый расходует больше топлива и выделяет больше тепла на каждый пробуренный метр. Показатель КПД почти никогда не указывается в технических характеристиках. В этой статье объясняется, какие факторы определяют его величину, а также как три основных параметра связаны с ним.

Энергия удара: кинетическая энергия на торце шанка

Ударная энергия определяется как кинетическая энергия поршня в момент контакта с хвостовиком: E = ½ × m × v². Масса поршня m задаётся конструкцией; скорость поршня v в момент удара регулируется гидравлической системой посредством давления на рабочем ходе и площади поперечного сечения поршня. Повышение давления удара → увеличение скорости поршня → рост ударной энергии — однако только до тех пор, пока обратный клапан способен переключаться синхронно с положением поршня.

Когда давление удара превышает расчетный временной интервал переключения обратного клапана, поршень достигает хвостовика до завершения переключения клапана. Происходит два явления: во-первых, передняя камера ещё не полностью соединена с линией возврата, поэтому поршень замедляется при контакте; во-вторых, остаточное давление в передней камере вызывает вторичный удар после отскока поршня. Оба эффекта снижают суммарную энергию удара, несмотря на более высокое входное давление. Исследования дрифтеров YZ45 с гильзовым клапаном показали, что энергоэффективность достигает максимума в диапазоне 12,8–13,6 МПа, где эффективность превышала 58,6 %. При давлениях выше этого диапазона эффективность снижалась — увеличение входной мощности сопровождалось уменьшением энергии удара на единицу входной мощности.

Энергия удара на месте эксплуатации обычно на 10–15 % ниже значения, указанного в лабораторных спецификациях. Лабораторные испытания проводятся с использованием жёсткого фиксированного наковальню; при работе на месте присутствуют деформации бурильной колонны, неидеальный контакт долота с породой и реальные гидравлические условия, отличающиеся от условий калиброванной испытательной установки. Отбойный молоток, указанный в каталоге как имеющий энергию удара 200 Дж, в производственных условиях обеспечивает примерно 170–180 Дж на хвостовике.

Частота ударов: компромисс между энергией и скоростью

Частота (Гц) и энергия удара не являются независимыми параметрами при заданной гидравлической входной мощности. При постоянном давлении и расходе рабочей жидкости повышение частоты означает увеличение числа ударов в секунду, но снижение накопленной энергии за один удар (уменьшение хода поршня). Снижение частоты приводит к увеличению хода поршня, росту энергии на один удар и уменьшению числа ударов в секунду. Исследования дрейфующих молотов с двойным демпфированием показали, что изменение комбинации расхода демпфирующей жидкости и подающей силы позволяет сдвигать частоту ударов от значений ниже 30 Гц до значений выше 45 Гц — при этом максимальная буровая мощность достигается при такой комбинации E×f, которая обеспечивает оптимальный баланс между энергией на один удар и частотой ударов, а не при крайних значениях.

Конструкция с высокой частотой (50–80 Гц, типичная энергия удара 30–80 Дж) эффективно бурит мягкие и средней твёрдости породы, поскольку каждый удар проникает на управляемую глубину, а высокая частота обеспечивает высокую скорость проходки. Конструкция со стандартной частотой (30–45 Гц, 80–300 Дж) эффективно бурит твёрдые породы, поскольку для продуктивности каждый удар должен превышать порог инициирования трещин в породе; при пределе прочности на сжатие (UCS) твёрдых пород выше 150 МПа повышение частоты без увеличения энергии удара приводит к тому, что все удары остаются ниже порогового значения, вызывая нагрев и износ без продвижения вперёд.

Расход масла: Предел контура

Расход масла Q задаёт верхний предел ударной мощности, доступной от гидравлической системы: P_доступная = ΔP × Q. Отбойный молоток, требующий 140 л/мин при 180 бар, но получающий лишь 110 л/мин от базовой машины, работает с доступной мощностью P_доступная = 180 × (110/1000) = 19,8 кВт вместо расчётной 180 × (140/1000) = 25,2 кВт — то есть на 78,6 % от номинальной ударной мощности. Этот дефицит остаётся незаметным на манометре ударного давления (который показывает давление в системе, а не фактическую подаваемую мощность), незаметен для оператора (проникновение ощущается как «нормальное» в мягких породах) и проявляется только при сравнении фактически пройденных метров за смену с расчётными темпами проходки.

Аккумулятор компенсирует несоответствие между подачей насоса и мгновенным расходом ударного механизма в пиковой фазе удара. При правильном предварительном давлении зарядки аккумулятора — 80–90 бар для высоконапорного аккумулятора — газовая подушка накапливает масло в фазах низкого спроса и отдаёт его в период пикового потребления при рабочем ходе, обеспечивая стабилизацию давления в контуре. При заниженном давлении зарядки аккумулятор не способен эффективно накапливать или отдавать масло; в ударном контуре наблюдается пилообразная форма волны давления вместо стабильного рабочего давления, что приводит к снижению стабильности частоты ударов и энергии на один удар.

Справочная таблица основных параметров

Почему именно КПД — то, что вы действительно должны покупать

При сравнении двух перфораторов для принятия решения о закупке соотношение эффективности ударного действия к потребляемой входной мощности даёт больше информации об эксплуатационных затратах, чем только значение энергии удара. Перфоратор с КПД 56 % потребляет 25,2 кВт для обеспечения 14,1 кВт ударной работы. Перфоратор с КПД 47 % потребляет те же 25,2 кВт для обеспечения 11,8 кВт — одинаковый расход топлива, но на 19 % меньше полезной ударной мощности. При 2000 часах ударной работы в год в действующей шахте эта разница в 19 % в объёме полезной работы накапливается и сказывается на стоимости буровых штанг, затратах на топливо и достижении суточных производственных показателей (метров в день).

Состояние уплотнения — наиболее распространённая причина потери эффективности, за которой не ведётся постоянный контроль. Уплотнение ударного механизма, пропускающее 8 % заданной перепада давления, снижает эффективный перепад давления (ΔP) на 8 %, что пропорционально снижает величину E и, соответственно, эффективность. Манометр показывает «нормальное» значение, поскольку он измеряет давление в контуре, а не состояние уплотнения. Регулярный отбор проб масла для подсчёта количества частиц и контроль температуры масла на выходе позволяют выявить это ухудшение до того, как оно проявится в виде тренда изменения скорости проникновения. Компания HOVOO поставляет комплекты уплотнений для ударных механизмов из полиуретана (PU) и гидрогенизированного нитрил-бутадиенового каучука (HNBR) для всех основных платформ ударных машин. Полные обозначения моделей доступны на сайте hovooseal.com.