Princíp činnosti hydraulického kameňového vŕtacieho zariadenia: základný mechanizmus nárazového a rotačného vŕtania

Väčšina vysvetlení, ako funguje hydraulický kameňový vŕtač, začína s piestom. To je nesprávne miesto na začiatok. Piest je výstup hydraulicko-mechanickej spojovej sústavy – pochopenie toho, čo piest robí, je užitočné len vtedy, ak najskôr pochopíme, čo ho ovláda. Perkutívny systém je v zásade hydraulický oscilátor: prepínací ventil prepína prúd oleja medzi prednou a zadnou komorou piesta v správnom okamihu, aby sa udržala nepretržitá vratná pohybová činnosť. Všetko, čo nasleduje ďalej – rýchlosť piesta, úderová energia, frekvencia – vyplýva z toho, ako presne je tento prepínací proces časovaný.

Úplná vŕtacia činnosť kombinuje tri súčasné funkcie: axiálnu perkusiu (úder piesta), rotáciu (otáčanie vŕtacej tyče tak, aby každý úder zasiahnutý nový kameň) a prítlakovú silu (tlak tlačiaci vŕtací nástroj proti vŕtanej ploche). Všetky tri funkcie musia byť vyvážené, inak je systém neefektívny bez ohľadu na to, koľko hydraulického výkonu sa dodáva.

Perkutívny cyklus: Osem stavov v jednom údere

Pohyb piesta v jednom údere prechádza približne ôsmimi odlišnými hydraulickými stavmi, pričom prepínací ventil koordinuje tok oleja s polohou piesta. V stave 1 sa predná komora naplní olejom pod vysokým tlakom a poháňa piest dozadu (návratový zdvih). Počas návratu prepínací ventil zisťuje polohu piesta prostredníctvom vnútorného riadiaceho kanála a začína vlastný prepínací proces – prepína vysoký tlak z prednej do zadnej komory. V stave 7 dosiahne piest maximálnu rýchlosť v okamihu, keď sa dotkne čela hriadeľa. Prepínací ventil musí presne v tomto okamihu dosiahnuť svoju prepnutú polohu: ak je príliš rýchly, olej pod vysokým tlakom v prednej komore zastaví piest skôr, než sa dotkne čela hriadeľa; ak je príliš pomalý, zadná komora zostane po náraze stále pod tlakom, čo spôsobí sekundárny „dvojnásobný náraz“, ktorý spotrebuje energiu namiesto toho, aby prispela k nasledujúcemu užitočnému úderu.

Výskum časovania reverzného ventilu identifikoval poruchu sekundárneho nárazu ako hlavnú príčinu percusívnej energie pod špecifikáciou v produkovaných vŕtacích strojoch. Sekundárny náraz nastáva, keď je rýchlosť reverzného ventilu nedostatočná – vzdialenosť medzi valcom a vývrtom ventilu (medzera ε) určuje, akou rýchlosťou sa ventil prepína. Pri ε = 0,01 mm zachováva prietok cez medzeru navrhovanú rýchlosť prepínania; širšie alebo užšie medzery obidve zhoršujú percusívny výkon – buď pomalým prepínaním (sekundárny náraz), alebo prekročením cieľovej polohy (strata rýchlosti piestu).

Prenos tlakových vĺn: energia na povrchu horniny

Keď piest narazí na hriadeľ pri rýchlosti v, náraz vytvorí tlakovú vlnu napätia, ktorá sa šíri pozdĺž vŕtacej tyče smerom k vŕtacej hlavici. Amplitúda tejto vlny určuje silu na rozrušovanie horniny na čele vŕtacej hlavice. Tlaková vlna exponenciálne klesá pozdĺž tyče v dôsledku geometrického rozptylu, odrazov na spojoch tyčí a tlmenia materiálu. Merania v teréne ukazujú, že tvar tlkovej vlny je periodický a po celej dĺžke tyče klesá takmer na nulu – čo znamená, že použiteľná nárazová energia vo väčšej hĺbke predstavuje iba zlomok energie, ktorú piest vygeneroval na hriadeľi.

Zhoda impedancií medzi piestom, násadou, tyčou a vŕtacím nástrojom je dôležitá pre prenos energie. Keď je vlnový odpor (súčin prierezu a akustickej rýchlosti) medzi týmito komponentmi zhodný, napäťová vlna sa prenáša efektívne bez odrazov na každom rozhraní. Ak je priemer piestovej tyče výrazne nezhodný s priemerom vŕtacej tyče, časť vlny sa odrazí späť – táto odrazená časť predstavuje stratovú energiu. Preto je geometria piesta optimalizovaná pre konkrétnu triedu priemerov vŕtacích tyčí a nie je to univerzálny dizajn.

Mechanizmus rotácie: časovanie medzi údermi

Otáčací motor neustále otáča vŕtací reťazec počas úderov, pričom rýchlosť otáčania je nastavená tak, aby sa vŕtací nástroj posunul približne o 5–10 stupňov medzi každým úderom. Tento uhlový posun umiestni nový povrch horniny pod každú karbidovú guľôčku pred nasledujúcim úderom. Príliš malý posun: karbidová guľôčka znovu udeří do už prasknutej dutiny, čo vedie k vytváraniu jemného prachu a tepla namiesto šírenia nových trhlin. Príliš veľký posun: karbidová guľôčka udeří do neporušenej horniny medzi rozdrvenými zónami, ktoré zostali po predchádzajúcich úderoch – to je menej efektívne, než keby sa úder uskutočnil na čiastočne prasknutej ploche.

Otáčací motor pracuje nezávisle od úderného obvodu a je riadený samostatným hydraulickým obvodom. Krútiaci moment sa zvyšuje, keď vŕtacia hlavička narazí na tvrdé medzivrstvy alebo keď sa hromadia triesky a bránia vypúšťaniu. Náhly nárast krútiaceho momentu, ktorý spôsobí zastavenie otáčania – pri súčasne stále fungujúcom údere – zakliesni vŕtaciu hlavičku na mieste, zatiaľ čo piest naďalej dorazuje údery do neotáčajúceho sa vŕtacieho reťazca. V tomto stave je vŕtací tyč vystavená kombinovanej torznéj a tlakovej napäťovej záťaži, ktorá môže prekročiť jej únavovú pevnosť už za niekoľko sekúnd. Funkcia proti zaklineniu na moderných jumbo strojoch túto situáciu detekuje a zníži úderný tlak alebo na krátku chvíľu obráti smer otáčania, kým nedôjde k poškodeniu vŕtacieho reťazca.

Pohonná sila: Rovnica kontaktu

Pozdĺžna tlačná sila zabezpečuje axiálny tlak, ktorým je vŕtací nástroj pritlačovaný k povrchu horniny medzi jednotlivými údermi. Bez nej sa nástroj pri návratovej tlakovnej vlny mierne zdvihne a stratí kontakt s povrchom ešte pred tým, než dorazí ďalší úder – každý úder sa tak čiastočne „zbytočne“ spotrebuje na zrýchlenie nástroja späť k povrchu, skôr než môže začať rozrábať horninu. Pri nadmernej pozdĺžnej tlačnej sile je nástroj tak pevne zatlačený na povrch, že piest nemôže vykonať celú svoju zdvihovú dráhu; úderná energia sa skráti a efektívna úderná energia klesne.

Optimálna tlačná sila zabezpečuje pevný a nepretržitý kontakt vrtáka so skalou bez obmedzenia zdvihu piesta. V praxi sa tlačný tlak musí zvyšovať so zväčšujúcou sa hĺbkou vrtáky, pretože váha vrtákového reťazca poskytuje stále väčšiu protisilu, ktorá vyrovnáva tlakovú silu valca. Polní merania v ťažobnom dole Malmberget spoločnosti LKAB ukázali lineárne zvyšovanie tlačného tlaku s dĺžkou vrtáky pri správne prevádzkovaných výrobných vrtákoch – čo potvrdzuje, že konštantné nastavenia tlačného tlaku vedú k nesprávnemu pomeru kontaktnej sily v hĺbke.

Tlmenie: Obnovovanie energie, ktorú skala nepoužila

Keď sa napäťová vlna dostane na čelnú plochu vŕtacej hlavice, časť energie rozdrtí horninu. Zvyšok sa odrazí späť po vŕtacom zariadení ako ťahová vlna. Ak ju nič nezachytí, táto odrazená vlna sa šíri až k držiaku a prenáša sa späť do tela vŕtacej jednotky – čím namáha kryt, upevnenia ramena a konštrukčné spoje. Dampingový systém zachytí túto odrazenú energiu. Jednoduché dampingové konštrukcie (plávajúci adaptér, ako napríklad v Epiroc COP) absorbuje odrazenú vlnu na rozhraní medzi držiakom a piestom. Dvojité dampingové konštrukcie (séria Furukawa HD) využívajú dve postupné komory: prvá absorbuje hlavnú odrazenú vlnu, druhá zachytí zvyšnú odrazovú energiu, ktorú prvá komora nepohltí.

Po intenzívnom podzemnom prevádzkovom cykle trvajúcom 8 hodín s údermi je kumulatívna energia odrazenej vlny, ktorú absorbuje tlmiaci systém, významná. Opotrebovanie tesniacich prvkov v tlmiacom obvode zníži účinnosť absorpcie – kôrka začne prijímať energiu, ktorú mal pôvodne zachytiť tlmiaci systém. Spoločnosť HOVOO dodáva sady tesniacich prvkov pre tlmiace obvody pre hlavné platformy vŕtacích zariadení spolu so štandardnými sadami na údery. Kompletné odkazy na stránke hovooseal.com.