Ako nastaviť tlak a úderovú energiu hydraulického horného vŕtača?

Dôvod, prečo skúsení vŕtaci stroje hovoria o tzv. 'pocite', keď nastavujú novú vŕtaciu plochu, je reálny. Tlak pri úderovej činnosti, tlak pri rotácii a tlačná sila nepracujú nezávisle – sú navzájom prepojené prostredníctvom vŕtacej hlavice spôsobmi, ktoré spôsobujú, že úprava jedného parametra bez zohľadnenia ostatných vedie k nepredvídateľným výsledkom. Pri rotačno-úderovom vŕtaní sa pracovná dĺžka zdvihu piesta v skutočnosti mení v závislosti od tlačnej sily a podmienok rotácie na vŕtacej hlavici. Príliš veľký predpätia zníži zdvih piesta; rýchlosť pri náraze klesne a spolu s ňou aj energia úderu. Príliš malé predpätie spôsobí, že hlavica stratí kontakt s materiálom medzi jednotlivými údermi, čím sa každý úder „zahodí“ do voľného priestoru.

Táto väzba je zdokumentovaná už desaťročia výskumom mechaniky vrtania na mieste. Praktický dôsledok: úprava parametrov je kompromisným procesom zahŕňajúcim všetky štyri ovládacie prvky – tlak rázovej sily, frekvenciu rázovej sily, rýchlosť rotácie a prítlakovú silu – a nie optimalizáciou jediného premenného parametra. Základným krokom pred nastavením akéhokoľvek ventilu je pochopenie toho, aký vplyv má každý ovládací parameter na celý systém.

Čo každý parameter ovláda – a čo neovláda

Tlak pri údere spôsobuje zrýchlenie piesta počas pracovného zdvihu. Vyšší tlak vytvára vyššiu rýchlosť piesta v okamihu nárazu, čo sa prejavuje vyššou energiou úderu. Vzťah však sleduje parabolu, nie priamku. Údaje o pracovnom tlaku z vŕtacích strojov YZ45 s valcovým ventilom ukazujú, že účinnosť energie dosahuje maxima v rozmedzí 12,8–13,6 MPa a na oboch stranách tohto rozsahu klesá. Pod maximom: nedostatočná rýchlosť piesta. Nad maximom: nadbytočný tlak spôsobuje, že piest dorazí na hriadeľ príliš rýchlo – synchronizácia medzi časovaním pohybu piesta a obrátením ventilu sa stratí a účinnosť energie klesne.

Frekvencia úderov rozdeľuje rovnaký hydraulický výkon inak – viac úderov za sekundu s nižšou energiou každý, alebo menej úderov s vyššou energiou. Pri danom hydraulickom prietoku a tlaku ide o kompromis. Nastavením frekvencie cez regulačný zátku alebo skrutku na nastavenie zdvihu na moduly úderového mechanizmu sa mení poloha prevrtávacej súpravy na tejto krivke kompromisu. Žiadna z týchto extrémnych možností nie je zásadne správna; vhodnejšie nastavenie určujú tvrdosť horniny a mechanizmus prenikania.

Rýchlosť rotácie určuje, o koľko sa vrták otočí medzi po sebe nasledujúcimi údermi. Ak sa vrták otočí príliš veľa, každý nový úder zasiahne neporušenú horninu bez výhody trhlin vytvorených predchádzajúcim úderom – účinnosť klesá. Príliš malá rotácia spôsobí, že karbid znovu a znovu zasiahne rovnakú opotrebovanú stopu, čo vedie k vzniku jemného prachu, ktorý je ťažšie odstraňovať, a zároveň spôsobuje tepelné zaťaženie karbidu. Výskum vykonaný v baní LKAB v Malmbergete, kde sa monitorovali vrtáky ITH priamo v otvore, zistil, že premennosť tlaku rotácie bola spoľahlivým ukazovateľom zlomeniny horninového masívu vpredi – pripomienka, že rotácia nie je len otázkou polohy vrtáka, ale zároveň aj diagnostický signál.

Tlačná sila udržiava vŕtací nástroj pri povrchu skaly medzi údermi. Pri zvislých vrtách musí tlačný tlak kompenzovať rastúcu hmotnosť vŕtacej tyče so zvyšujúcou sa hĺbkou vrtu – údaje zo štúdie LKAB ukázali, že tlačný tlak sa zvyšuje s dĺžkou vrtu tak, že zodpovedá teoretickej protisile pôsobiacej na tyčový reťazec. Pri naklonených vrtách sa výpočet mení. Tlačná sila nastavená pre zvislý vrt do hĺbky 20 metrov bude pri rovnakej hĺbke v 60-stupňovom naklonenom vrte buď nadmerné tlačiť, alebo nedostatočne tlačiť vŕtací nástroj.

Tabuľka interakcií: Čo sa stane, keď je jeden parameter nesprávny

Nastavenie parametrov pre rôzne typy hornín

Mäkké horniny s pevnosťou pod 60 MPa nepotrebujú maximálny tlak rázového vŕtania. Každý úder sa ľahko prienikne do horniny, preto sa obmedzenie presunie z rozrušenia horniny na odstraňovanie vyvŕtaného materiálu. Pri vŕtaní mäkkej vápennej alebo kriedovej horniny s plným rázovým vŕtaním sa dosahuje veľmi rýchly prienik, ktorý prekračuje kapacitu čistenia – vrták sa zapĺňa jemným vyvŕtaným materiálom rýchlejšie, ako sa dá odstrániť, čo spôsobuje protitlak, ktorý odchýľa vrták od požadovanej osi. Znížte tlak rázového vŕtania na 60–70 % menovitého a zvýšte rýchlosť rotácie, aby ste podporili odstraňovanie vyvŕtaného materiálu.

Tvrdý granit s pevnosťou vyššou ako 180 MPa vyžaduje opačné nastavenie: maximálny úderový tlak, pevná tlačná sila na udržanie kontaktu vrtáku so skalou cez tvrdú, vysoko odolnú povrchovú vrstvu a nižšiu rýchlosť rotácie, aby karbid mohol spracovať trhlinu, ktorú práve vytvoril, predtým, než sa presunie na novú pozíciu. Premennosť rotačného tlaku – miera odporu vrtáku voči otáčaniu – je v tvrdom granite vysoká a v zlomených zónach nízka. Sledovanie ukazovateľa rotačného tlaku počas vŕtania poskytuje operátorovi vopred varovanie o zmene horninového prostredia ešte predtým, než klesne rýchlosť prieniku.

Zlomené a ílovými vrstvami preniknuté formácie sú najnáročnejšie na správne nastavenie. Úderový tlak sa musí znížiť oproti nastaveniu pre tvrdé horniny, pretože každý úder sa prenáša do stien trhlin namiesto do neporušenej horniny, čo viedie k vyššej efektívnej prienikovej schopnosti, ale zároveň aj k nepredvídateľnému odchýleniu vŕtacej tyče. Funkcia proti zaseknutiu – pri ktorej systém riadenia zaznamená zastavenie rotácie a na krátku dobu obráti alebo zníži úderovú činnosť – je štandardnou súčasťou moderných vŕtacích jumbov práve preto, lebo zaseknutia sa najčastejšie vyskytujú v zlomenom podloží. U ručných strojov musí obsluha rozpoznať nárast tlaku rotácie pred vznikom zaseknutia a preventívne znížiť prítlakovú silu.

Gradient prítlakového tlaku pri hlbokých vrtách

Jednoparametrová interakcia, ktorá sa v statických tabuľkách nastavení nezobrazuje jasne: tlak prívodu sa musí zvyšovať so zvyšujúcou sa hĺbkou vrtáku, aby sa udržala konštantná sila na vrtáku. Vlastná hmotnosť vrtákového reťazca poskytuje stúpajúcu protisilu pri pridávaní tyčí. Tlak prívodu, ktorý držal vrták pevne pri hĺbke 5 metrov, pri hĺbke 25 metrov poskytuje čistú negatívnu silu, ak nebol kompenzovaný. Polní údaje z monitorovania výrobného vŕtania ukazujú, že tlak prívodu sa v správne prevádzkovaných vrtákoch lineárne zvyšuje s dĺžkou vrtáku.

Na vrtácich zariadeniach s automatizovanou reguláciou parametrov sa táto kompenzácia uskutočňuje automaticky prostredníctvom regulačného okruhu tlaku prívodu. Na ručne ovládaných strojoch operátori zvyčajne nastavia tlak prívodu na začiatku jednej tyče a počas celkovej dĺžky reťazca ho nemenia. Výsledkom je nadmierne agresívny prívod pri malých hĺbkach a nedostatočný prívod pri väčších hĺbkach – obe tieto situácie ovplyvňujú energetickú účinnosť a rovnosť vrtáku opačným spôsobom v rámci toho istého vrtáku.

Keď už úprava nastavení nepomáha: stav tesnenia ako skrytá premenná

Existuje hranica, za ktorou úprava parametrov už nedokáže obnoviť výkonnosť: keď tesnenie úderového piesta prechádza hydraulickým tlakom, každé nastavenie na ovládacom paneli pracuje proti systému, ktorý už nefunguje tak, ako bol navrhnutý. Dostupná úderová energia klesá úmerne objemu pretekajúceho tlaku bez ohľadu na to, kde je nastavená hodnota tlaku. Znížená rýchlosť vŕtania v takejto situácii nie je problémom parametrov – je to problém údržby.

Diagnostický rozdiel: správne nastavený vŕtací stroj s opotrebovanými tesneniami vykazuje zníženú rýchlosť vŕtania pri normálnom tlaku na manometri a zvýšenú teplotu vracajúcej sa olejovej kvapaliny. Vŕtací stroj s nesprávne nakonfigurovanými parametrami vykazuje rovnakú zníženú rýchlosť vŕtania, avšak normálnu teplotu vracajúcej sa olejovej kvapaliny. Kľúčovým odhaľovacím príznakom je práve teplota. HOVOO dodáva sady tesnení pre všetky hlavné značky vŕtacích strojov z materiálov PU a HNBR, ktoré sú prispôsobené rozsahu prevádzkových teplôt. Kompletné odkazy na modely na stránke hovooseal.com.