Nadmerné vibrovanie vŕtacej zariadenia: príčiny a riešenia na zníženie

Údržbový reflex pri zvyšovaní vibrovania vŕtacieho zariadenia je znížiť tlak nárazu. Niekedy to problém vyrieši. Častejšie však len zakryje príznak, zatiaľ čo skutočná príčina – opotrebovaná vodidlá, vyčerpaný akumulátor alebo rezonančný stav lana – pokračuje v degradácii konštrukcie korpusu a zvyšuje úroveň vystavenia operátora. Toto rozlíšenie je dôležité, pretože zníženie energie nárazu má reálny dopad: menej energie na každý náraz znamená viac nárazov na meter a pomalší postup. Ak pochádzalo vibrovanie z mechanického zdroja, ktorý nebol odstránený, zníženie tlaku nárazu iba získalo čas, ale nič iné.

Vibrácia v hydraulickom systéme na vŕtanie hornín je z povahy veci viacfrekvenčná a má viacero zdrojov. Obvod pre úderné vŕtanie generuje základnú údernú frekvenciu; odrazená napäťová vlna zo vŕtacej tyče sa vracia späť do tela vŕtacej hlavy s frekvenciou určenou dĺžkou tyče a akustickou rýchlosťou; rotačný motor pridáva vlastnú harmonickú zložku; a montážny systém – rameno vŕtaceho zariadenia, posuvný nosník a izolátory proti vibráciám – každú z týchto zložiek buď zosilňuje, alebo tlmi v závislosti od toho, ako sa vzťahuje k rezonančným frekvenciám konštrukcie. Operátor, ktorý si všimne, že „vŕtačka vibruje viac ako predtým“, pozoruje súčet všetkých týchto zložiek, nie jeden jednoznačne identifikovateľný zdroj.

Identifikácia zdroja pred odstránením poruchy

Praktická diagnostická postupnosť začína najrýchlejšou kontrolou, nie najsofistikovanejšou. Najskôr skontrolujte prednabíjanie akumulátora – úplne deprezurizujte systém, pripojte manometrický prístroj na nabíjanie a prečítajte si tlak dusíka. Ak je tlak viac ako o 10 % nižší ako špecifikovaná hodnota, akumulátor znovu nabitý a testujte ho opäť, než sa budete venovať ďalším možným príčinám. Akumulátor s nedostatočným tlakom spôsobuje tlakové oscilácie v úderovej sústave, čo vedie k nerovnomernému zaťaženiu piestov a charakteristickému pílovitému vibráciám v kryte. Toto je zároveň najčastejšia jednotlivá príčina vibrácií a zároveň najlacnejšia na opravu.

Ak je prednabíjanie správne, skontrolujte ručne vychýlenie vodiacej objímky (pri dekomprimovanom systéme). Pôsobte bočnou silou na prednú časť vodiaceho hriadeľa a pociťujte pohyb. Nulová vnímateľná vůľa je normálnym stavom pre novú alebo funkčnú vodiacu objímku. Pohyb presahujúci 0,3 mm indikuje začínajúce opotrebovanie; pohyb presahujúci 0,4–0,5 mm znamená limit, pri ktorom je potrebná výmena. Opotrebovaná vodiaca objímka spôsobuje vibrácie s frekvenciou 100 Hz – dvakrát vyššiu ako frekvencia úderov – vznikajúce v dôsledku bočných impulzov vodiaceho hriadeľa pri každom návratnom zdvihu, spolu s dodatočným torzným budivaním v rotačnom motore, keď sa excentrická záťaž vodiaceho hriadeľa prenáša cez závesnú súpravu.

Štyri zdroje vibrácií a ich rozlíšenie

Strata prednabíjania akumulátora spôsobuje celosvetovo zvýšené, mierne nepravidelné vibrovanie s periodickou fluktuáciou tlaku viditeľnou na manometri. Zmení sa charakter zvuku: údery sa stávajú mierne nerovnomerné v rytmuse namiesto rovnomerných. Charakteristický test: ak je vibrovanie horšie na začiatku vŕtaceho cyklu a po prvých 3–5 sekundách sa stabilizuje, je akumulátor čiastočne funkčný, avšak prednabíjanie je nízke. Príznaky úplného vybitia spôsobujú od prvého úderu nepravidelné údery.

Opotrebovaná vodidlá vodiacej objímky spôsobujú jemný, rýchly „chvát“ prekrývajúci základný rytmus úderov – tento jav je možné identifikovať podľa vyššej frekvencie a jeho koncentrácie v prednej časti skrinky a oblasti závesu namiesto zadnej časti skrinky. Obsluhoví pracovníci, ktorí denne pracujú s rovnakým vrtákom, ho často popisujú ako „predný koniec sa cíti uvoľnený“. Diagnostické potvrdenie spočíva v manuálnom bočnom skúšobnom teste na hriadeľku v kombinácii s charakterom úderového zvuku: opotrebovaná vodiaca objímka spôsobuje oboje – vnímateľnú bočnú vůľu aj mierne odlišný, menej výrazný úderový zvuk v dôsledku nepresného úderu piesta.

Rezonancia vrtáckej tyče spôsobuje vibrácie, ktoré sú najintenzívnejšie pri určitých hĺbkach vrtu – objavia sa a zosilnia sa po pridaní tyčí a potom sa môžu po pridaní ďalšej tyče znížiť alebo zmeniť svoj charakter. Fyzikálny mechanizmus: so zvyšovaním dĺžky tyčového reťazca sa základná rezonančná frekvencia systému tyčí znižuje smerom k úderovej frekvencii. Keď sa tieto frekvencie priblížia k sebe, odrazená napäťová vlna z predchádzajúceho úderu sa vráti do držiaka vo fáze s aktuálnym vychádzajúcim úderom, čím posilní cyklus napätia v pouzdre namiesto toho, aby bola absorbovaná. Riešením je úprava úderovej frekvencie prostredníctvom regulovacej zátky tak, aby sa prevádzkový bod posunul mimo rezonančný stav – nie zmenou úderového tlaku.

Prázdne vystrelenie spôsobuje náhly nárast vibrácií s výraznou zmenou zvuku, keď sa vŕtací nástroj stratí kontakt s horninou – zvuk je ostrejší, vyššej frekvencie a výrazne hlasnejší. Ide o najviac mechanicky škodlivý zdroj vibrácií, pretože celú návratovú energiu pohltí skriňa stroja, pričom žiadna časť energie sa neprenáša do povrchu horniny. Automatické systémy zastavenia, ktoré detegujú prázdne vystrelenie v priebehu 200–500 ms pomocou analýzy tlakového profilu, predstavujú hlavnú ochranu na moderných jumbách. Merania v teréne na granitovej lome ukázali, že kombinované pasívne opatrenia na zníženie vibrácií (izolovaná rukoväť plus automaticky ladený tlmič vibrácií) znížili vibrácie v ruke a paži z 34–41 m/s² na približne 11,6 m/s² – tieto opatrenia však pôsobia spoločne s odstraňovaním mechanického zdroja, nie ako jeho náhrada.

Referenčná príručka na diagnostiku a riešenie vibrácií

Štrukturálna redukcia: izolátory a stav montáží

Protivibráciou montáž medzi vŕtačkou a prívodným nosníkom sú gumovo-kovové izolátory, ktoré sú navrhnuté tak, aby tlmenili vibrácie vysokých frekvencií, pričom prenášajú axiálnu prívodnú silu potrebnú pre úderové vŕtanie. Guma sa s vekom, tepelnými cyklami a kontamináciou olejom zosilňuje – montáž, ktorá úspešne prešla kontrolou po prvom roku, môže byť o tri roky neskôr o 40 % tuhšia bez akýchkoľvek viditeľných vonkajších zmien. Skúška: stlačte gumovú časť každej montáže tlakom palca. Nové a funkčné montáže sa výrazne deformujú; zosilnené montáže sa cítia takmer tuho. Tuhé montáže prenášajú vibrácie vysokých frekvencií priamo do konštrukcie pažby namiesto ich tlmenia, čo zvyšuje štrukturálnu únavu v kĺboch a vložkách pažby.

Opotrebovanie gumových ložiskov v kĺbovej spojke zhoršuje problém s montážnymi podmienkami. Opotrebované ložisko umožňuje mikro-osciláciu ramena vŕtacej hlavy pri frekvencii úderov, čo spôsobuje cyklické zaťaženie kolíka, čo nakoniec vedie k opotrebovaniu kolíka, trhlinám v konštrukcii v oblasti zvárania a vibráciám prenášaným na obsluhu cez montáž kabinu. Kontrola vôle gumového ložiska pri každej údržbe vŕtacej hlavy – nie len pri ročnej údržbe vŕtacieho voza – umožňuje tento problém odhaliť včas, kým náklady na poruchu predstavujú náklady na opravu prasknutého zvaru ramena namiesto výmeny gumového ložiska.

Stav tesnenia priamo ovplyvňuje vibrácie: prechodové tesnenie pri úderovej funkcii, ktoré zníži efektívny tlakový rozdiel na pieste, spôsobuje kratšie, neúplné zdvihové cykly pri rovnakom nastavenom tlaku na manometri. Neúplné zdvihy generujú inú frekvenciu vibrácií – subharmonickú frekvenciu v porovnaní s normálnou úderovou frekvenciou – ktorú skúsení obsluhoví pracovníci niekedy popisujú ako „vynechanie úderov“ vrtáka. Riešením je súprava úderových tesnení, nie úprava parametrov. Spoločnosť HOVOO dodáva súpravy tesnení pre všetky hlavné platformy drifterov z materiálov PU a HNBR. Kompletné odkazy na stránke hovooseal.com.