Принцип работы гидравлического горного перфоратора: основной механизм ударно-вращательного бурения

Большинство объяснений принципа работы гидравлического горного перфоратора начинаются с поршня. Это неправильный подход. Поршень — это выходное звено гидромеханической системы связи: понимание того, что делает поршень, полезно лишь в том случае, если сначала понятно, чем он управляется. Ударная система по своей сути представляет собой гидравлический осциллятор: реверсивный клапан переключает поток масла между передней и задней полостями поршня в нужный момент, обеспечивая непрерывное возвратно-поступательное движение. Все параметры, расположенные «по ходу потока» — скорость поршня, энергия удара, частота — определяются точностью этого переключения.

Полный процесс бурения объединяет три одновременно действующие функции: осевое ударное воздействие (удар поршня), вращение (вращение бурильной колонны, чтобы каждый удар приходился на свежую породу) и подача (усилие подачи, толкающее долото к забою). Все три функции должны быть сбалансированы; в противном случае система будет неэффективной независимо от величины подводимой гидравлической мощности.

Ударный цикл: восемь состояний за один удар

Движение поршня в одном цикле ударного воздействия проходит примерно через восемь различных гидравлических состояний, при этом распределительный клапан координирует поток масла в зависимости от положения поршня. В состоянии 1 высоконапорное масло заполняет переднюю полость и перемещает поршень назад (обратный ход). Во время обратного хода распределительный клапан определяет положение поршня посредством внутреннего управляющего канала и начинает собственное переключение — перенаправляя высокое давление с передней полости в заднюю. В состоянии 7 поршень достигает максимальной скорости в момент контакта с торцевой поверхностью хвостовика. Распределительный клапан должен завершить переключение именно в этот момент: если он переключится слишком быстро, то высоконапорное масло в передней полости остановит поршень до его контакта с хвостовиком; если же переключение произойдёт слишком медленно, задняя полость останется под давлением после удара, что вызовет вторичный «двойной удар», приводящий к потере энергии вместо её использования для следующего продуктивного удара.

Исследования, посвящённые изменению фазы открытия/закрытия реверсивного клапана, выявили вторичный удар как основную причину снижения энергии удара ниже заданного уровня в серийных отбойных молотках. Вторичный удар возникает при недостаточной скорости переключения реверсивного клапана — величина зазора ε между цилиндром и посадочным отверстием клапана определяет скорость его переключения. При ε = 0,01 мм расход через зазор обеспечивает расчётную скорость переключения; увеличение или уменьшение зазора приводит к ухудшению ударных характеристик: при большем зазоре — из-за замедленного переключения (вторичный удар), при меньшем — из-за перерегулирования (потеря скорости поршня).

Распространение волн напряжения: энергия на забое скважины

Когда поршень ударяет по хвостовику со скоростью v, возникает ударная волна сжимающих напряжений, распространяющаяся вдоль бурового штанги к долоту. Амплитуда этой волны определяет силу разрушения породы на рабочей поверхности долота. Волна напряжений экспоненциально затухает вдоль штанги вследствие геометрического расширения, отражений на стыках штанг и внутреннего демпфирования материала. Полевые измерения показывают, что форма волны напряжений является периодической и затухает практически до нуля на протяжении всей длины штанги — это означает, что полезная ударная энергия на глубине составляет лишь долю той энергии, которую поршень передал хвостовику.

Согласование импеданса между поршнем, хвостовиком, штангой и рабочим инструментом имеет решающее значение для передачи энергии. Когда волновое сопротивление (произведение площади поперечного сечения на акустическую скорость) согласовано между этими компонентами, упругая волна эффективно передаётся без отражений на каждом интерфейсе. При значительном несоответствии диаметра поршневого штока и бурильной штанги часть волны отражается назад — эта отражённая часть представляет собой потерянную энергию. Именно поэтому геометрия поршня оптимизируется под конкретный класс диаметров штанг, а не выполняется в виде универсального решения.

Механизм вращения: синхронизация ударов

Вращающийся двигатель вращает бурильную колонну непрерывно во время ударного бурения; скорость вращения устанавливается таким образом, чтобы долото продвигалось примерно на 5–10 градусов между каждым ударом. Такой угловой сдвиг обеспечивает попадание новой поверхности породы под каждый карбидный выступ перед следующим ударом. Слишком малый сдвиг: карбид повторно ударяет по уже потрескавшейся зоне, что приводит к образованию мелкого порошка и тепла вместо распространения новых трещин. Слишком большой сдвиг: карбид попадает в нетрещиновую породу между зонами разрушения, оставшимися после предыдущих ударов — это менее эффективно, чем удар по частично потрескавшейся поверхности.

Вращательный двигатель работает независимо от ударной гидросистемы и управляется отдельной гидравлической системой. Вращающий момент возрастает, когда долото встречает твёрдые пропластки или когда шлам накапливается и препятствует промывке. Пик вращающего момента, приводящий к остановке вращения при продолжающейся работе ударного механизма, фиксирует долото в неподвижном положении, в то время как поршень продолжает наносить удары по неподвижной бурильной колонне. В этом режиме бурильная труба испытывает совместное воздействие крутящих и сжимающих напряжений, которые могут превысить её предел выносливости уже через несколько секунд. Функция защиты от заклинивания на современных буровых установках (джамбо) распознаёт данное состояние и снижает давление в ударной системе либо кратковременно реверсирует направление вращения до того, как произойдёт повреждение бурильной колонны.

Сила подачи: уравнение контакта

Сила подачи обеспечивает осевое усилие, которое прижимает долото к поверхности породы между ударами. Без неё долото слегка отрывается от поверхности под действием возвратной ударной волны и теряет контакт до прихода следующего удара — поэтому часть энергии каждого удара тратится впустую на ускорение долота обратно к поверхности перед тем, как оно сможет разрушать породу. При чрезмерной силе подачи долото так сильно зажимается у поверхности, что поршень не может совершить полный ход; энергия удара усекается, и эффективная ударная энергия снижается.

Оптимальное подающее усилие обеспечивает плотный и непрерывный контакт долота с породой без ограничения хода поршня. На практике давление подачи должно увеличиваться по мере роста глубины скважины, поскольку вес бурильной колонны создаёт возрастающую противодействующую силу, компенсирующую толкающее усилие цилиндра. Полевые наблюдения на руднике LKAB в Мальмбергете показали линейное увеличение давления подачи с ростом длины скважины при корректной эксплуатации промышленных буровых установок — что подтверждает: постоянные значения давления подачи приводят к несоответствию силы контакта на большой глубине.

Демпфирование: рекуперация энергии, не использованной породой

После того как ударная волна достигает рабочей поверхности бурового долота, часть энергии расходуется на разрушение горной породы. Остальная энергия отражается обратно вверх по бурильной колонне в виде растягивающей волны. Если ей ничего не препятствует, эта отражённая волна достигает хвостовика и передаётся обратно в корпус отбойного молотка — вызывая напряжения в его корпусе, креплениях стрелы и конструкционных соединениях. Система гашения колебаний перехватывает эту отражённую энергию. В системах с одинарным гашением (плавающий адаптер, как в отбойных молотках Epiroc COP) отражённая волна поглощается на границе раздела «хвостовик–поршень». В системах с двойным гашением (серия Furukawa HD) используются две последовательные камеры: первая поглощает основную отражённую волну, а вторая улавливает остаточную энергию отскока, прошедшую сквозь первую камеру.

При интенсивной подземной эксплуатации в течение 8 часов ударных циклов суммарная энергия отражённой волны, поглощаемая системой демпфирования, является значительной. Износ уплотнений в контуре демпфирования снижает эффективность поглощения — корпус начинает принимать энергию, которую система демпфирования должна была перехватить. Компания HOVOO поставляет комплекты уплотнений для контуров демпфирования, совместимые с основными платформами ударных установок, а также стандартные комплекты ударных элементов. Полный перечень изделий на сайте hovooseal.com.