Vysokofrekvenčný hydraulický kameňový vŕtač: rýchla rýchlosť vŕtania, výrazné zvýšenie efektívnosti projektu

Šesťdesiat hercov znie rýchlo. U hydraulického kameňového vŕtacieho stroja to znamená, že nárazový piest dokončí celý pohyb dopredu a späť 60-krát za sekundu – avšak či každý z týchto 60 cyklov dodáva užitočnú energiu na povrch kameňa, je úplne iná otázka. Obmedzujúcim faktorom nie je hmotnosť piesta ani hydraulický tlak, ale schopnosť rozvádzacej valcového ventilu prepínať smer dostatočne rýchlo, aby sa prispôsobila pohybu piesta bez toho, aby tieto dva mechanizmy vyšli z fázy.

Keď sa rozvádzačový ventil prepne predčasne – predtým, než piest dokončí svoj plánovaný úplný zdvih – dochádza k sekundárnej nárazovej sile piesta o zadnú stenu valca namiesto čistého nárazu na závit. Tento jav uväzneného oleja rozptyľuje energiu vo forme tepla a vibrácií namiesto užitočnej nárazovej práce. Vŕtačka pracuje pri frekvencii 60 Hz, ale dodáva nárazovú energiu ekvivalentnú frekvencii približne 45 Hz. Návrh pre vysokú frekvenciu teda nie je len otázkou rýchlejšieho pohybu piesta; ide o udržanie fázovej súladu medzi piestom a rozvádzačovým ventilom pri vyšších frekvenciách, aby každý cyklus skutočne prispel k vŕtaniu.

Vazba medzi piestom a rozvádzačovým ventilom: Čo určuje hornú hranicu frekvencie

Každý hydraulický systém úderového pohybu má rovnaké základné obmedzenie: predná a zadná komora úderového piesta striedavo prechádzajú medzi vysokým tlakom a tlakom návratovej linky s frekvenciou riadenou šmykľavým ventilom. Samotný šmykľavý ventil sa pohybuje hydraulicky – pilotný kanál, ktorý sa napĺňa tlakom v závislosti od polohy piesta, spúšťa obrátenie smeru pohybu. Ak sa pilotný kanál naplní príliš skoro (príliš veľká vopred nastavená hodnota), piest sa obráti skôr, než dosiahne navrhovaný bod úderu. Ak sa naplní príliš neskoro, piest prejde cez tento bod a stlačí olej v prednej komore, čím vznikne sekundárny úder, ktorý spotrebuje energiu neužitočne.

Výskum pomocou laserového merania rýchlosti piesta pri frekvencii 60 Hz potvrdzuje, že veľkosť predstihu – teda o koľko skôr sa začne komora návratového signálu tláčiť pred dosiahnutím koncového zdvihu piesta – a tlak prednabíjania plynu v akumulátore vysokého tlaku spoločne určujú, či sa nárazový systém udrží v stabilnom pohybe s periódou jedna alebo prejde do chaotického pohybu s periódou dva. Optimálny tlak prednabíjania akumulátora vysokého tlaku pre konštrukcie s vysokou frekvenciou a priestorovým ventilom sa nachádza v rozsahu 80–90 bar. Pod týmto rozsahom akumulátor nedokáže vyrovnať okamžitú požiadavku na prietok. Nad týmto rozsahom sa membrána vystavuje zrýchlenej únavovej degradácii spôsobenej prebytočným nabíjaním.

Krátky piest vs. dlhý piest pri vysokých frekvenciách

Dve geometrie piestov dominujú návrhom vysokofrekvenčných zariadení a predstavujú rôzne kompromisy. Krátke piesty vyvolávajú vyššiu špičkovú energiu úderu na jeden úder – v kontrolovanej skúške tlakových vĺn pri rovnakom prevádzkovom tlaku sa meraná priemerná hodnota rovnala 346 J – a dosahujú vyššiu účinnosť využitia energie (približne 57 % hydraulického vstupu). Dlhé piesty pracujú s vyššou frekvenciou (v rovnakej sérii skúšok bola priemerná špičková frekvencia 62 Hz), avšak dodávajú nižšiu špičkovú energiu na jeden úder, pričom tvar vlnovej pulznej vlny je lepšie prispôsobený trvalému kontaktu so skalou v hlbokých vrtách, kde tlmenie reťazca vŕtacích tyčí zníži efektívnu energiu na vŕtacej hlavici.

Praktický dôsledok: konštrukcie so skráteným piestom a vysokou frekvenciou sú vhodné pre vrtnie na povrchovej stolici a na čelách tunelov, kde je hĺbka vrtiny skromná a energia na jednu rázovú udierku určuje rýchlosť prieniku. Konštrukcie s dlhým piestom, napriek nižšej energii na jednu rázovú udierku, zabezpečujú vyrovnannejšie dodávanie energie cez tyčové reťazce dĺžky 30 metrov, kde je útlm tlakových vĺn dôležitejší než maximálna sila. Prispôsobenie geometrie piesta konkrétnej aplikácii je krokom výberu, ktorý väčšina nákupných tímov preskočí.

Vysoká frekvencia vs. štandardná frekvencia: prevádzkové porovnanie

Výhoda rýchlosti prieniku je reálna, ale obmedzená. Pod 60 MPa už vrtáky so štandardnou frekvenciou vrtajú dostatočne rýchlo, takže zvýšenie rýchlosti prieniku pri vysokej frekvencii sa stráca v dôsledku efektov „stropu“ – obmedzením sa stáva odstraňovanie triesok, nie energetický dopad. Nad 250 MPa ani jeden typ vrtáka nezabezpečuje efektívny prienik; kritickým faktorom je životnosť karbidových vložiek vrtáka. Rozsah 80–180 MPa je oblasťou, v ktorej sa investícia do vysokofrekvenčného vybavenia opravuje.

Dvojitý systém tlmenia: Udržiavanie kontaktu medzi vrtákom a horninou medzi údermi

Vysokofrekvenčné návrhy s prevádzkovou frekvenciou 60 Hz majú medzi údermi 16,7 milisekundy. V tomto intervale musí vŕtací nástroj udržiavať kontakt s povrchom skaly – ak sa nástroj počas intervalu medzi údermi zdvihne, nasledujúci úder zasiahne vzduch namiesto skaly a energia úderu sa odrazí späť do tela vŕtacej hlavy. Práve tento problém rieši dvojitý tlmiaci systém. Používa tlmiaci piest a akumulátor na udržanie vŕtacieho nástroja pri kontakte so skalnou plochou počas návratového zdvihu, čím zabezpečuje tlakový kontakt medzi jednotlivými údermi. Výskum kombinácií tlmiaceho prietoku a prítlakovej sily ukázal, že maximálna úderná výkon nad 400 J sa dosiahla pri tlmiacom prietoku v rozsahu 8–9 L/min a prítlakovej sile 15–20 kN. Mimo tohto rozsahu klesla úderná energia v niektorých kombináciách pod 250 J.

Sandvik RD930 určuje tlak v akumulátore stabilizátora na 40 barov a nastaviteľný tlak stabilizátora v rozsahu od 60 do 110 barov – tieto rozsahy nie sú ľubovoľné. Predstavujú prevádzkový rozsah, v ktorom sa držiak vrtáka udržiava v optimálnej polohe voči piestu počas celého frekvenčného cyklu. Vŕtanie mimo týchto limít nesnižuje len účinnosť; spôsobuje tiež presunutie opotrebovania do vodidla a do čelnej plochy držiaka namiesto rovnomerného rozloženia po celej kontaktej ploche.

Prepočet intervalu údržby tesnení pre jednotky s vysokou frekvenciou

Drifter pracujúci pri frekvencii 60 Hz vykoná za jednu prevádzkovú hodinu 216 000 pohybov piestu – približne o tretinu viac ako drifter pracujúci pri frekvencii 45 Hz pri rovnakom počte úderov za hodinu. Štandardný interval pre kontrolu tesnení po 500 prevádzkových hodín, ktorý sa uplatňuje u zariadení strednej frekvencie, bol vyvinutý pre nižšie rýchlosti cyklov. Ak sa vysokofrekvenčný drifter prevádzkuje 500 hodín pred prvou kontrolou úderových tesnení, počet vykonaných pohybov piestu presiahne o 108 miliónov pohybov ten istý interval u driftera s frekvenciou 45 Hz. V abrazívnom horninovom prostredí alebo pri zvýšených teplotách oleja je pre prvú kontrolu odôvodnenejšou hranicou 350–400 hodín.

HOVOO dodáva sady tesnení pre vysokofrekvenčné driftre vrátane sérií Sandvik RD, vysokofrekvenčných modelov Epiroc COP a čínskych vysokofrekvenčných driftrov – s materiálmi HNBR pre horúce banské prostredia, kde teplota oleja v návratovej trubke presahuje 80 °C. Odkazy na konkrétne modely sú dostupné na webovej stránke hovooseal.com.