ไดอะแฟรมของแอคคิวมูเลเตอร์สำหรับเครื่องเจาะหิน: หลักการทำงาน สัญญาณของการเสียหาย และวิธีเลือกชิ้นส่วนทดแทน

เครื่องเจาะหินไฮดรอลิกพึ่งพาชิ้นส่วนขนาดเล็กที่มักถูกมองข้ามเพื่อให้ระบบการตีของมันทำงานได้อย่างราบรื่นและมีประสิทธิภาพ นั่นคือแอคคิวมูเลเตอร์ แผ่นไดอะแฟรม เมื่อมันทำงานได้ตามปกติ ผู้ปฏิบัติงานส่วนใหญ่จะไม่คิดถึงมันเลย แต่เมื่อมันเสีย กำลังกระแทกจะลดลง เสียงของเครื่องเจาะจะเปลี่ยนไป และผลผลิตบนแท่นเจาะก็จะลดลงบทความนี้อธิบายการทำงานของแอคคิวมูเลเตอร์และไดอะแฟรมภายในเครื่องเจาะหินไฮดรอลิก วิธีสังเกตสัญญาณของการเสียหายของไดอะแฟรม และสิ่งที่ควรตรวจสอบก่อนสั่งซื้อชิ้นส่วนทดแทน

แอคคิวมูเลเตอร์ในเครื่องเจาะหินไฮดรอลิกคืออะไร

แอคคิวมูเลเตอร์คือภาชนะรับแรงดันขนาดเล็กที่ติดตั้งอยู่ในวงจรการตีของเครื่องเจาะหินไฮดรอลิก ภายในภาชนะนี้มีไดอะแฟรมยืดหยุ่น — ซึ่งบางครั้งยังระบุชื่อว่า “ถ้วยหนัง” ในแคตตาล็อกชิ้นส่วนรุ่นเก่า ซึ่งเป็นการใช้คำที่คงเหลือมาแต่เดิมจากแบบไดอะแฟรมรุ่นก่อน ๆ — ทำหน้าที่แบ่งพื้นที่ภายในออกเป็นสองช่อง: ช่องหนึ่งบรรจุก๊าซไนโตรเจนภายใต้แรงดัน อีกช่องหนึ่งเชื่อมต่อกับวงจรน้ำมันไฮดรอลิกของเครื่องเจาะ เนื่องจากด้านก๊าซถูกปิดผนึกไว้และเติมแรงดันล่วงหน้าก่อนติดตั้งแอคคิวมูเลเตอร์ ส่วนด้านน้ำมันเปิดเชื่อมต่อกับวงจรไฮดรอลิกที่ทำงานอยู่ องค์ประกอบนี้จึงมักเรียกกันว่า ไนโตรเจนแอคคิวมูเลเตอร์ หรือ ก๊าซแอคคิวมูเลเตอร์

เครื่องเจาะหินไฮดรอลิกส่วนใหญ่ใช้แอคคิวมูเลเตอร์อย่างน้อยหนึ่งตัวในฝั่งแรงดันสูงของวงจรการตี และการออกแบบหลายแบบยังเพิ่มแอคคิวมูเลเตอร์อีกตัวหนึ่งที่แรงดันต่ำลงในวงจรการไหลกลับหรือวงจรรองรับแรงกระแทก ทั้งสองแบบทำงานตามหลักการพื้นฐานเดียวกัน แม้ค่าแรงดันที่ออกแบบและภาระงานจะแตกต่างกัน

วรรณกรรมด้านวิศวกรรมไฮดรอลิกมักจัดแบ่งแอคคิวมูเลเตอร์ออกเป็นสามกลุ่ม ได้แก่ แบบถุงยาง (bladder), แบบไดอะแฟรม (diaphragm) และแบบลูกสูบ (piston) การเปรียบเทียบทั้งสามชนิดที่ตีพิมพ์ไว้ชี้ว่า แอคคิวมูเลเตอร์แบบลูกสูบสามารถรองรับช่วงปริมาตรและแรงดันที่กว้างมาก โดยไม่ถูกจำกัดด้วยอัตราส่วนการยุบตัวของวัสดุยางสังเคราะห์ (elastomer) อย่างไรก็ตาม มวลของลูกสูบทำให้ตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงแรงดันแบบไดนามิกได้ช้ากว่าแบบถุงยางหรือแบบไดอะแฟรมอย่างเห็นได้ชัด จึงไม่เหมาะสำหรับดูดซับการแปรผันของแรงดันที่มีขนาดเล็กแต่เกิดขึ้นอย่างรวดเร็วภายใต้แรงดันต่ำ แม้ว่าจะทำงานได้ดีเมื่อแรงดันในการใช้งานสูงพอที่ความเฉื่อยของลูกสูบจะมีผลน้อยลงก็ตาม ตรงกันข้าม แอคคิวมูเลเตอร์แบบถุงยางและแบบไดอะแฟรมมีมวลที่เคลื่อนที่น้อยมาก จึงตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงแรงดันอย่างรวดเร็ว ซึ่งเป็นพฤติกรรมที่วงจรเคาะ (percussion circuit) ต้องการโดยตรง — นี่จึงเป็นเหตุผลเชิงปฏิบัติประการหนึ่งที่แอคคิวมูเลเตอร์สำหรับเครื่องเจาะหิน (rock drill) และเครื่องทุบไฮดรอลิก (hydraulic breaker) มักสร้างขึ้นในรูปแบบไดอะแฟรมหรือถุงยางเป็นหลัก แทนที่จะใช้แบบลูกสูบ

ไดอะแฟรมของแอคคิวมูเลเตอร์ทำงานอย่างไรระหว่างการตี

หน้าที่ของไดอะแฟรมคือการเคลื่อนที่ ขณะที่ความดันน้ำมันในวงจรการตีเพิ่มขึ้นในแต่ละรอบการตี ของเหลวไฮดรอลิกจะดันเข้าหาไดอะแฟรม ทำให้ไดอะแฟรมโค้งเข้าด้านก๊าซและบีบไนโตรเจนที่อยู่ด้านหลังมันให้หดตัว ครั้นเมื่อความดันในวงจรลดลงอีกครั้ง ก๊าซที่ถูกบีบอัดจะขยายตัวออกและดันไดอะแฟรมกลับไปยังตำแหน่งเดิม ส่งผลให้น้ำมันไหลออกจากแอคคิวมูเลเตอร์เข้าสู่วงจร ลักษณะการเคลื่อนที่ไปมาเช่นนี้ ซึ่งในเอกสารทางวิศวกรรมเรียกว่าการเคลื่อนที่แบบ "พลิกกลับ" ของไดอะแฟรม จะสอดคล้องกับความสัมพันธ์ระหว่างความดันกับปริมาตรตามกฎของก๊าซทั่วไป กล่าวคือ เมื่อปริมาตรของช่องน้ำมันเพิ่มขึ้น ปริมาตรของช่องก๊าซจะลดลงและทำให้ความดันในช่องก๊าซสูงขึ้น และในทางกลับกัน

โดยละเอียดยิ่งขึ้น ประจุไนโตรเจนจะเป็นไปตามกฎของก๊าซแบบโพลีโทรปิก (polytropic gas law) ซึ่งใช้กันอย่างแพร่หลายในวรรณกรรมการออกแบบแอคคิวมูเลเตอร์

p · V ^{ไนโตรเจน (N)} = p ₀· V ₀^{ไนโตรเจน (N)} = ค่าคงที่ (1)

โดยที่ p และ V คือความดันและปริมาตรของก๊าซ ณ เวลาใดเวลาหนึ่ง p₀ และ V₀ คือความดันและปริมาตรเริ่มต้นก่อนการชาร์จ และ n คือดัชนีพหุภาค (polytropic index) การศึกษาแบบจำลองไฮดรอลิกของระบบที่ติดตั้งแอคคิวมูเลเตอร์มักถือว่ารอบการชาร์จและปล่อยพลังงานแบบช้า (ใช้เวลานานกว่าสามวินาทีโดยประมาณ) มีลักษณะใกล้เคียงกับกระบวนการอุณหภูมิคงที่ (isothermal) โดยที่ n มีค่าใกล้เคียง 1 ส่วนรอบการชาร์จและปล่อยพลังงานแบบเร็ว (ใช้เวลาน้อยกว่าสามวินาทีโดยประมาณ) มีลักษณะใกล้เคียงกับกระบวนการไม่มีการแลกเปลี่ยนความร้อนกับสิ่งแวดล้อม (adiabatic) โดยที่ n มีค่าใกล้เคียง 1.4 สำหรับเครื่องเจาะหิน รอบการกระแทกเกิดขึ้นหลายครั้งต่อวินาที ดังนั้นการบีบอัดก๊าซภายในแอคคิวมูเลเตอร์จึงอยู่ในโหมดเร็วแบบ adiabatic อย่างชัดเจน มากกว่าที่จะมีพฤติกรรมแบบช้าแบบ isothermal ซึ่งบางครั้งอาจถูกสมมุติไว้ในคำอธิบายที่เรียบง่าย

สิ่งนี้ยังหมายความว่าไดอะแฟรมและก๊าซที่บรรจุอยู่ภายในไม่ทำตัวเหมือนสปริงแบบคงที่ง่าย ๆ การศึกษาเชิงแบบจำลองเกี่ยวกับพลศาสตร์ของแอคคิวมูเลเตอร์นั้นแทนด้านก๊าซด้วยระบบที่ประกอบด้วยสปริงและแดมเปอร์ โดยค่าความแข็งแกร่งของก๊าซ (gas stiffness) และพารามิเตอร์การลดแรงสั่นสะเทือน (damping term) ทั้งสองค่านี้ขึ้นอยู่กับความดันและปริมาตรในการทำงาน ณ เวลานั้น ๆ โดยในทางปฏิบัติ สิ่งที่กำหนดว่าแอคคิวมูเลเตอร์จะสามารถลดแรงสั่นสะเทือนได้จริงหรือไม่ หรือจะตามหลังแรงสั่นสะเทือนนั้นไปนั้น ขึ้นอยู่กับความเร็วและความแม่นยำที่ไดอะแฟรมสามารถตอบสนองต่อการเปลี่ยนแปลงของความดันได้ — ไม่ใช่เพียงแค่ระยะที่มันยืดออกได้มากน้อยเพียงใด

เนื่องจากลูกสูบกระทบของเครื่องเจาะหินไฮดรอลิกเปลี่ยนทิศทางด้วยอัตราที่สูงมาก — โดยทั่วไปอยู่ในช่วงหลายพันครั้งต่อนาที หรือมากกว่านั้น ขึ้นอยู่กับรุ่นของเครื่อง — ดังนั้นไดอะแฟรมจึงต้องโค้งงอไปมาด้วยความถี่เดียวกันนี้ตลอดระยะเวลาที่เครื่องเจาะกำลังทำงาน ประเด็นนี้ควรจดจำไว้ให้ดีเมื่อเราพิจารณาต่อไปว่าอะไรคือสาเหตุที่แท้จริงที่ทำให้ไดอะแฟรมสึกหรอ

ภาพที่ 1: ขวาง ‑แผนผังภาคตัดขวางของไดอะแฟรม ‑แอคคิวมูเลเตอร์แบบไดอะแฟรม

ทำไมเครื่องเจาะหินจึงจำเป็นต้องใช้แอคคิวมูเลเตอร์

เป็นไปได้ที่จะใช้งานวงจรการตีโดยไม่มีแอคคิวมูเลเตอร์ แต่เครื่องเจาะจะทำงานไม่ดีและมีอายุการใช้งานสั้นหากทำเช่นนั้น แอคคิวมูเลเตอร์ทำหน้าที่สามประการที่มีผลต่อพฤติกรรมจริงของเครื่องเจาะหินในสนาม:

• ดูดซับแรงดันแบบเป็นจังหวะที่เกิดขึ้นทุกครั้งที่ลูกสูบกระทบเปลี่ยนทิศทาง แทนที่จะปล่อยให้แรงกระแทกทั้งหมดส่งผ่านไปยังปั๊ม ท่อน้ำมัน และบล็อกวาล์ว
• จ่ายน้ำมันเพิ่มเติมเป็นช่วงสั้นๆ เข้าสู่ห้องกระทบในช่วงเวลาเศษเสี้ยววินาทีที่ความต้องการสูงสุดในแต่ละรอบ ซึ่งการไหลอย่างสม่ำเสมอจากปั๊มเพียงอย่างเดียวอาจไม่สามารถตอบสนองได้เสมอไป งานวิจัยเกี่ยวกับระบบกระทบของเครื่องเจาะหินแสดงให้เห็นว่า แอคคิวมูเลเตอร์ที่เลือกมาใช้ได้อย่างเหมาะสมจะช่วยปรับปรุงความมั่นคงของการชดเชยการไหลนี้ และช่วยรักษาพลังการกระทบที่สม่ำเสมอ
• ลดความเสี่ยงของการเกิดปรากฏการณ์การกัดเซาะ (cavitation) ในวงจรกระทบ ซึ่งมิฉะนั้นอาจทำให้ชิ้นส่วนสึกกร่อน และก่อให้เกิดแรงดันพุ่งสูงอย่างเฉียบพลันที่แสดงออกมาเป็นเสียงรบกวนและการสั่นสะเทือน

โดยสรุป แอคคิวมูเลเตอร์คือสิ่งที่ทำให้เครื่องเจาะหินไฮดรอลิกสามารถส่งแรงกระแทกที่สม่ำเสมอและมีกำลังเต็มเป็นจำนวนครั้งมากต่อนาที แทนที่จะเป็นการกระแทกแบบไม่สม่ำเสมอและไม่ต่อเนื่อง

ขอบเขตของหน้าที่ที่แอคคิวมูเลเตอร์ปฏิบัติจะชัดเจนยิ่งขึ้นเมื่อพิจารณาจากสูตรมาตรฐานสองสูตรที่ใช้ในการวิเคราะห์ระบบกระแทกของเครื่องเจาะหิน ซึ่งพลังงานไฮดรอลิกที่ส่งไปยังระบบย่อยใด ๆ (ระบบกระแทก ระบบป้อน หรือระบบดูดซับแรงกระแทก) คำนวณได้ดังนี้

P = (p · Q) ÷ 60 (2)

โดยที่ P คือพลังงานเป็นกิโลวัตต์, p คือความดันขาเข้าของวงจรเป็นเมกะพาสคัล และ Q คืออัตราการไหลเป็นลิตรต่อนาที ส่วนพลังงานจลน์ของลูกสูบกระแทกในขณะที่กระทบกับแท่งเจาะคือ

E _p = ½ · m · v ² (3)

โดยที่ m คือมวลของลูกสูบกระแทก และ v คือความเร็วของมันที่จุดกระทบ งานศึกษาการใช้พลังงานของสว่านหินไฮดรอลิกเมื่อเร็วๆ นี้ ได้สร้างแบบจำลองการจำลองด้วยโปรแกรม Amesim สำหรับวงจรกระแทก วงจรรองรับแรงกระแทก (buffer) และวงจรป้อน (feed) อย่างครบถ้วน และได้จำลองแอคคิวมูเลเตอร์ด้วยซับโมเดลเฉพาะที่ออกแบบมาเพื่อทำหน้าที่สองประการตามที่กล่าวข้างต้น ได้แก่ การดูดซับการแปรผันของความดัน (pressure pulsation) และการจ่ายน้ำมันเสริมตามความต้องการ ผลการทดสอบการเจาะจากงานศึกษานั้นยืนยันปรากฏการณ์เชิงปฏิบัติสองประการที่ผู้ควบคุมสว่านหินคุ้นเคยดีอยู่แล้ว ได้แก่ ความดันป้อน (thrust) ไม่เพียงพอทำให้หัวสว่านสูญเสียการสัมผัสอย่างสม่ำเสมอกับหิน ซึ่งเรียกว่าการกระแทกแบบไม่มีประสิทธิภาพ (idle striking) หรือการกระแทกแบบเปล่า (blank striking) ในขณะที่ความดันรองรับแรงกระแทก (buffer/damping) สูงเกินไปจะเปลี่ยนรูปแบบการกระจายแรงกระแทกตามความยาวของแท่งสว่าน ทั้งสองผลกระทบดังกล่าวล้วนเกิดขึ้นภายหลังจากการจัดการความดัน ซึ่งเป็นหน้าที่หลักที่แอคคิวมูเลเตอร์ถูกออกแบบมาเพื่อทำ

เกิดอะไรขึ้นเมื่อไดอะแฟรมของแอคคิวมูเลเตอร์เสียหาย

การล้มเหลวของไดอะแฟรมจะทำให้ส่วนที่บรรจุไนโตรเจนกับส่วนที่บรรจุน้ำมันในแอคคิวมูเลเตอร์สูญเสียการแยกออกจากกัน เมื่อการแยกนั้นหายไป แก๊สไนโตรเจนจะสามารถแพร่เข้าไปในน้ำมันไฮดรอลิกได้ ทำให้เกิดฟองที่สามารถบีบอัดได้ ซึ่งจะเคลื่อนที่ผ่านวงจร เนื่องจากแก๊สมีความสามารถในการบีบอัดได้มากกว่าน้ำมันอย่างมาก ดังนั้นวงจรแรงกระแทกจึงไม่สามารถสร้างและรักษากดดันได้ตามที่ออกแบบไว้ และแอคคิวมูเลเตอร์ก็ไม่สามารถลดความผันผวนของแรงดันที่เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนทิศทางของลูกสูบแต่ละตัวได้อีกต่อไป

ผลลัพธ์ที่เกิดขึ้นจริงคือเครื่องเจาะจะส่งแรงกระแทกน้อยลง ความสม่ำเสมอน้อยลง หรือทั้งสองอย่างพร้อมกัน ช่างเทคนิคบางรายอธิบายว่าเสียงของเครื่องเจาะเปลี่ยนไป จากเสียงเคาะที่ชัดเจนและคมกริบ กลายเป็นเสียงที่ทื่นกว่าและแหบกว่า การอ่านค่าความดันมักยืนยันสิ่งนี้ได้ โดยแสดงให้เห็นว่าความดันกระแทกลดลง ขณะที่การผันผวนของมาตรวัดเพิ่มขึ้น ในกรณีรุนแรงยิ่งขึ้น เหตุการณ์ความดันเกินที่ทำให้ไดอะแฟรมเสียหายอาจส่งผลให้เปลือกหรือฝาปิดปลายของแอคคิวมูเลเตอร์รับแรงเครียดเกินด้วย ดังนั้น เมื่อไดอะแฟรมล้มเหลว จึงควรตรวจสอบชิ้นส่วนอื่นๆ ของชุดแอคคิวมูเลเตอร์ทั้งหมด ไม่ใช่เฉพาะไดอะแฟรมเท่านั้น

จะทราบได้อย่างไรว่าไดอะแฟรมของเครื่องเจาะหินของคุณเสียหายแล้ว

โดยทั่วไปแล้ว ความล้มเหลวของไดอะแฟรมมักไม่แสดงอาการชัดเจนเพียงอย่างเดียว แต่มักปรากฏเป็นชุดของอาการต่อไปนี้

• เสียงการเคาะของเครื่องเจาะเปลี่ยนไป จากชัดเจนเป็นทื่นหรือแหบ
• ความดันกระแทกหรือพลังงานกระแทกลดลง เมื่อเปรียบเทียบกับค่าปกติของเครื่อง
• เข็มมาตรวัดแรงดันสั่นหรือแกว่งแทนที่จะคงที่ขณะใช้งาน
• ท่อส่งน้ำมันความดันสูงสั่นอย่างชัดเจน ซึ่งไม่เคยเกิดขึ้นมาก่อน
• แอคคิวมูเลเตอร์ไม่สามารถรักษาแรงดันไนโตรเจนเริ่มต้นไว้ได้เมื่อตรวจสอบด้วยมาตรวัดที่สอบเทียบแล้ว

ตารางด้านล่างเป็นจุดเริ่มต้นสำหรับเชื่อมโยงอาการกับสาเหตุที่เป็นไปได้ และการตรวจสอบขั้นตอนต่อไปที่เหมาะสม

อาการเหล่านี้ไม่สามารถยืนยันได้ด้วยตัวเองว่าไดอะแฟรมเสียหาย วิธีที่แท้จริงในการตรวจสอบคือการวัดความดันก๊าซด้วยชุดอุปกรณ์สำหรับชาร์จที่ผ่านการสอบเทียบแล้ว ซึ่งจะบ่งชี้ได้ว่าแอคคิวมูเลเตอร์สูญเสียประจุหรือไม่ การตรวจสอบนี้เป็นวิธีที่เร็วที่สุดในการแยกปัญหาของแอคคิวมูเลเตอร์ออกจากปัญหาของปั๊ม วาล์ว หรือซีลในส่วนอื่นของเครื่องเจาะ

การสั่นสะเทือนจากแรงดันที่ไม่มีการลดทอน หากปล่อยไว้นานเกินไป ก็จะเพิ่มความเสี่ยงของการเกิดฟองอากาศ (cavitation) ที่ตำแหน่งอื่นในวงจร: ทุกจุดที่ความดันในท้องถิ่นลดลงชั่วคราวต่ำกว่าจุดเดือดของน้ำมันไฮดรอลิก ฟองไอน้ำจะเกิดขึ้น และจากนั้นจะยุบตัวลงอย่างรุนแรงเมื่อความดันกลับสู่ภาวะปกติ ส่งผลให้พื้นผิวโลหะบริเวณใกล้เคียงสึกกร่อนไปตามกาลเวลา งานวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับชิ้นส่วนไฮดรอลิกที่ศึกษาปรากฏการณ์ฟองอากาศในวาล์วควบคุมแรงดันย้ำเตือนว่าเหตุใดการรักษาประสิทธิภาพของการลดทอนแรงสั่นสะเทือนจึงสำคัญมากกว่าแค่การปกป้องไดอะแฟรมเพียงอย่างเดียว: ฟองอากาศและรอยสึกกร่อนที่เกิดตามมา เกิดขึ้นจากความผันผวนของแรงดันแบบเฉียบพลันซ้ำๆ ซึ่งเป็นสิ่งที่แอคคิวมูเลเตอร์ถูกออกแบบมาเพื่อป้องกันไม่ให้แพร่กระจายไปยังส่วนอื่นของวงจร

ภาพที่ 2: ภาพของไดอะแฟรมที่เสียหายและล้มเหลว

สาเหตุใดที่ทำให้ไดอะแฟรมเสียหายก่อนวัยอันควร

ไดอะแฟรมเป็นชิ้นส่วนที่สึกหรอตามการใช้งาน และในที่สุดจะถึงจุดสิ้นสุดของอายุการใช้งานตามปกติเนื่องจากความล้าสะสม ซึ่งเกิดขึ้นจากการยืด-หดตัวอย่างรวดเร็วเป็นเวลานานขณะเครื่องเจาะทำงาน อย่างไรก็ตาม มีปัจจัยหลายประการที่อาจทำให้อายุการใช้งานสั้นลงกว่าศักยภาพที่วัสดุสามารถรองรับได้ตามปกติ

• แรงดันไนโตรเจนเริ่มต้นไม่เหมาะสม ไม่ว่าจะสูงหรือต่ำเกินไป ถ้าแรงดันไนโตรเจนสูงเกินไป จะจำกัดการเคลื่อนที่ตามปกติของไดอะแฟรม และอาจกักน้ำมันไฮดรอลิกไว้เป็นหยดเล็กๆ บริเวณผนังภายนอก ส่งผลให้เกิดความเค้นสะสมที่พื้นผิวของไดอะแฟรม แต่ถ้าแรงดันไนโตรเจนต่ำเกินไป หรือหมดสิ้นลงทั้งหมด จะทำให้ไดอะแฟรมกระทบกับตัวเรือนซ้ำๆ และถ่ายเทพลังงานกระแทกจากแรงดันส่วนใหญ่เข้าสู่ตัวเรือนโดยตรง
• น้ำมันไฮดรอลิกที่ปนเปื้อน ออกซิไดซ์ หรือใช้งานเกินช่วงเวลาที่กำหนดไว้มากเกินไป ซึ่งอาจกัดกร่อนสารอีลาสโตเมอร์ หรือพามวลอนุภาคที่มีฤทธิ์กัดกร่อนมาด้วย จนเร่งกระบวนการสึกหรอ
• อุณหภูมิน้ำมันสูงอย่างต่อเนื่องจากเครื่องระบายความร้อนที่มีขนาดเล็กเกินไป หม้อน้ำอุดตัน หรือการใช้งานเกินขีดความสามารถที่ระบุไว้ของเครื่อง ซึ่งทำให้วัสดุยางส่วนใหญ่เสื่อมสภาพและนิ่มลงตามกาลเวลา
• ความเสียหายทางกายภาพที่เกิดขึ้นระหว่างการติดตั้ง เช่น การบีบ บิด หรือยืดแผ่นไดอะแฟรมมากเกินไปขณะติดตั้ง

สาเหตุส่วนใหญ่เหล่านี้สามารถป้องกันได้ด้วยการตรวจสอบแรงดันไนโตรเจนเริ่มต้นเป็นประจำและการบำรุงรักษาระบบไฮดรอลิกตามปกติ ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะมีค่าใช้จ่ายต่ำกว่าการเปลี่ยนแผ่นไดอะแฟรมซ้ำหลายครั้ง

แรงดันไนโตรเจนเริ่มต้นสัมพันธ์กับอายุการใช้งานของแผ่นไดอะแฟรมอย่างไร

แรงดันเริ่มต้นกำหนดตำแหน่งพักของแผ่นไดอะแฟรมก่อนแม้แต่จะเปิดเครื่องเจาะ และตำแหน่งพักนี้เองที่กำหนดว่าแผ่นไดอะแฟรมจะต้องยืด-หดมากน้อยเพียงใดในแต่ละรอบการทำงาน หากตั้งค่าให้ถูกต้องตามข้อกำหนดของผู้ผลิตเครื่อง แผ่นไดอะแฟรมจะเคลื่อนที่ภายในช่วงที่ควบคุมได้และซ้ำได้ ซึ่งวัสดุถูกออกแบบมาให้ทนต่อช่วงการเคลื่อนที่นั้น

ตั้งค่าสูงเกินไป ทำให้ไดอะแฟรมอยู่ใกล้ปลายด้านน้ำมันของเปลือกถังก่อนเริ่มการเจาะ ส่งผลให้มีพื้นที่เหลือน้อยเกินไปสำหรับรับปริมาตรน้ำมันที่ไหลเข้ามา สภาวะเช่นนี้สัมพันธ์กับการที่น้ำมันไฮดรอลิกถูกกักไว้ในช่องว่างเล็กๆ ระหว่างไดอะแฟรมกับแผ่นฐานของแอคคิวมูเลเตอร์ ซึ่งเพิ่มความเครียดเฉพาะจุดบริเวณนั้นและอาจนำไปสู่การแตกร้าว

ตั้งค่าต่ำเกินไป หรือเมื่อแอคคิวมูเลเตอร์ปล่อยแรงดันจนหมด ไดอะแฟรมจะต้องเคลื่อนที่ไกลขึ้นและอาจชนกับผนังด้านในของเปลือกถังในทุกไซเคิล ส่งผลให้แรงกระแทกที่แอคคิวมูเลเตอร์ควรดูดซับถูกถ่ายโอนไปยังโครงถัง และในระยะยาวส่งผ่านไปยังวงจรแรงกระแทกส่วนที่เหลือทั้งหมด

เอกสารทางวิศวกรรมการออกแบบแอคคิวมูเลเตอร์แสดงขีดจำกัดทั้งสองนี้ด้วยอัตราส่วนการบีบอัด ซึ่งหมายถึงอัตราส่วนระหว่างแรงดันใช้งานสูงสุดต่อแรงดันเริ่มต้น

k = p _{สูงสุด} \/ P ₀ (4)

วิธีการกำหนดขนาดที่ตีพิมพ์ไว้สำหรับแอคคิวมูเลเตอร์แบบไดอะแฟรมและแบบแบล็ดเดอร์ มักจำกัดอัตราส่วนนี้ไว้ต่ำกว่าช่วงของแบบลูกสูบอย่างมาก — ตัวเลขโดยทั่วไปที่อ้างอิงในวรรณกรรมทางวิชาการคือ อัตราส่วนการบีบอัดสูงสุดประมาณ 10:1 สำหรับแบบไดอะแฟรม และประมาณ 4:1 สำหรับแบบแบล็ดเดอร์ ขอบล่างของช่วงความดันในการทำงานจะรักษาไว้สูงกว่าความดันเริ่มต้น (pre-charge pressure) ด้วยระยะห่างที่ใกล้เคียงกัน:

p _{น้อยที่สุด} 1.1 × p ₀ (5)

เพื่อให้ไดอะแฟรมไม่กดแน่นสนิทกับผนังเปลือกส่วนล่างสุดของการเคลื่อนที่ แอคคิวมูเลเตอร์สำหรับเครื่องเจาะหินที่ออกนอกขอบเขตใดขอบเขตหนึ่งนี้ — ไม่ว่าจะทำงานใกล้กับอัตราส่วนการบีบอัดสูงสุดที่ระบุไว้ที่ขอบบน หรือใกล้กับการปล่อยพลังงานจนหมดที่ขอบล่าง — ถือว่ากำลังทำงานภายใต้สภาวะเครียดเกินขีดจำกัด ซึ่งวรรณกรรมด้านการกำหนดขนาดเชื่อมโยงกับการแตกร้าวและอายุการใช้งานที่สั้นลงอย่างชัดเจน ก่อนที่ไดอะแฟรมจะแสดงรอยฉีกขาดที่มองเห็นได้ชัด

อุณหภูมิเพิ่มตัวแปรที่สองซึ่งอาจเข้าใจผิดว่าเป็นการรั่วไหลได้ง่าย ที่ปริมาตรคงที่ ความดันของไนโตรเจนสัมพันธ์โดยตรงกับอุณหภูมิสัมบูรณ์ของมัน ดังนั้น การตั้งค่าแรงดันเริ่มต้นในวันที่อากาศอบอุ่นจะแสดงค่าต่ำลงอย่างวัดได้เมื่อถังเก็บความดันเย็นตัวลง โดยไม่มีก๊าซหลุดรั่วออกไปจริงแต่อย่างใด

p₀′ = p₀ · (T _{น้อยที่สุด} \/ T ₀) (6)

โดยที่ p₀ และ T₀ คือความดันเริ่มต้นและอุณหภูมิเริ่มต้นในช่วงเวลาที่ชาร์จ ส่วน p₀′ คือความดันที่เทียบเท่ากับอุณหภูมิอื่นใดอุณหภูมิหนึ่ง เช่น Tmin งานวิจัยที่เผยแพร่เกี่ยวกับการคำนวณขนาดของแอคคิวมูเลเตอร์ซึ่งใช้ความสัมพันธ์นี้เป็นพื้นฐาน แนะนำให้ตรวจสอบความดันเริ่มต้นโดยเปรียบเทียบกับอุณหภูมิ ณ เวลาที่ทำการตรวจสอบ โดยใช้แผนภูมิอ้างอิงจากผู้ผลิต แทนที่จะสมมุติว่าการลดลงจากค่าที่ระบุบนป้ายชื่อ (nameplate value) จำเป็นต้องหมายถึงการรั่วของก๊าซเสมอ ตัวอย่างเชิงปฏิบัติจริงที่แสดงว่าความดันเริ่มต้นมักถูกตั้งไว้ที่ระดับใดเมื่อเทียบกับความดันในการทำงาน คือ การออกแบบระบบไฮดรอลิกแบบลูกสูบแบบหนึ่งที่เผยแพร่ไว้ ซึ่งใช้แอคคิวมูเลเตอร์ชนิดไดอะแฟรม ระบุว่าต้องเติมไนโตรเจนล่วงหน้า (nitrogen pre-charge) ประมาณร้อยละ 70 ของความดันในการทำงานที่กำหนดไว้สำหรับปั๊ม — อัตราส่วนนี้สอดคล้องโดยทั่วไปกับช่วงร้อยละ 60–90 ที่กล่าวถึงไว้ในแนวทางการใช้งานแอคคิวมูเลเตอร์ไฮดรอลิกโดยรวม และยังเป็นเกณฑ์ตรวจสอบความสมเหตุสมผลที่เหมาะสมเมื่อทบทวนค่าที่ผู้ผลิตต้นฉบับ (OEM) ระบุไว้สำหรับเครื่องเจาะหิน

เนื่องจากค่าแรงดันเริ่มต้นที่ถูกต้องนั้นแตกต่างกันไปตามรุ่นและผู้ผลิตของเครื่องเจาะหิน จึงควรอ้างอิงค่าดังกล่าวจากเอกสารบริการเฉพาะของเครื่องนั้นๆ เท่านั้น ห้ามประมาณค่าด้วยตนเอง ถังเก็บแรงดันไนโตรเจนเป็นภาชนะรับแรงดัน: การเติมหรือปล่อยแรงดันออกจำเป็นต้องใช้ชุดอุปกรณ์สำหรับการเติมแรงดันที่เหมาะสม และต้องปล่อยแรงดันในวงจรให้หมดสิ้นก่อนดำเนินการถอดประกอบใดๆ

ภาพที่ 3: ขั้นตอนการเติมไนโตรเจนลงในถังเก็บแรงดัน

สิ่งที่คุณควรตรวจสอบก่อนเปลี่ยนแผ่นไดอะแฟรม

ก่อนสั่งซื้อแผ่นไดอะแฟรมชิ้นใหม่ ควรยืนยันก่อนว่าเกิดความล้มเหลวจริง และพิจารณาสาเหตุอื่นๆ ที่อาจทำให้เกิดอาการเดียวกันนี้ด้วย

1. ตรวจสอบแรงดันกระแทกเทียบกับข้อกำหนดของเครื่อง จากนั้นตรวจสอบแรงดันเริ่มต้นของไนโตรเจนในถังเก็บแรงดันโดยใช้มาตรวัดที่สอบเทียบแล้ว เนื่องจากการอ่านค่าที่ต่ำมากหรือเป็นศูนย์นั้นเป็นหลักฐานที่ชัดเจนที่สุดของการเสียหายของแผ่นไดอะแฟรม
2. ระบุรุ่นเครื่องเจาะหินที่แน่นอนและเลขชิ้นส่วนของแอคคิวมูเลเตอร์ ขนาดและรูปร่างของไดอะแฟรมไม่สามารถใช้แทนกันได้ระหว่างยี่ห้อต่าง ๆ หรือแม้แต่ระหว่างรุ่นต่าง ๆ ของผู้ผลิตเดียวกัน และศัพท์เทคนิคก็แตกต่างกันด้วย ชิ้นส่วนชิ้นเดียวกันอาจเรียกแตกต่างกันไป เช่น ไดอะแฟรม เมมเบรน หรือเลเทอร์คัพ ขึ้นอยู่กับแคตตาล็อกชิ้นส่วน
3. ตรวจสอบเปลือกแอคคิวมูเลเตอร์ วาล์วก๊าซ และพื้นผิวปิดสนิทที่สัมผัสกันว่ามีความเสียหายเกินกว่าไดอะแฟรมเพียงอย่างเดียวหรือไม่ เพราะหากเปลือกถูกใช้งานเกินขีดจำกัด อาจจำเป็นต้องได้รับการตรวจสอบเพิ่มเติม
4. ยืนยันว่าน้ำมันไฮดรอลิกสะอาดและสอดคล้องกับข้อกำหนดของเครื่องจักร หากติดตั้งไดอะแฟรมใหม่ลงในน้ำมันที่ปนเปื้อน ความล้มเหลวมักเกิดขึ้นอีกครั้งภายในระยะเวลาใกล้เคียงกัน
5. ปฏิบัติตามลำดับการถอดชิ้นส่วน ค่าแรงบิด และข้อควรระวังด้านความปลอดภัยจากผู้ผลิตต้นทาง (OEM) สำหรับรุ่นเครื่องเจาะหินเฉพาะนั้น แทนที่จะใช้วิธีการทั่วไป เนื่องจากรายละเอียดเหล่านี้ขึ้นอยู่กับรุ่นเครื่องแต่ละแบบ

คุณเลือกไดอะแฟรมสำรองที่เหมาะสมได้อย่างไร

เมื่อได้ยืนยันสาเหตุหลักและระบุชิ้นส่วนที่ถูกต้องแล้ว การตัดสินใจที่เหลือคือการเลือกไดอะแฟรมสำรองแบบใดที่จะติดตั้ง

• ความตรงกันของมิติอย่างแม่นยำ ซึ่งรวมถึงเส้นผ่านศูนย์กลางภายนอก เส้นผ่านศูนย์กลางภายใน ความหนา และรูปทรงโดยรวม ต้องตรงกับชิ้นส่วนดั้งเดิมอย่างสมบูรณ์ ไดอะแฟรมที่ใกล้เคียงแต่ไม่ตรงเป๊ะอาจส่งผลต่อระยะการเคลื่อนที่และการปิดผนึกภายในแอคคิวมูเลเตอร์
• วัสดุที่เหมาะสมกับสภาวะการใช้งานของเครื่องเจาะหิน ไดอะแฟรม มักขึ้นรูปจากสารประกอบเอ็นบีอาร์ (NBR) เอชเอ็นบีอาร์ (HNBR) หรือพอลิยูรีเทน (polyurethane) ซึ่งแต่ละชนิดมีข้อดี-ข้อจำกัดต่างกันในด้านความต้านทานความร้อน ความยืดหยุ่นเมื่ออุณหภูมิต่ำ และความต้านทานการสึกหรอ การเลือกชนิดที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับสภาพภูมิอากาศ รอบการทำงาน และระดับความสะอาดของน้ำมันไฮดรอลิก ซึ่งเป็นหัวข้อที่กว้างมากจนควรจัดทำเปรียบเทียบอย่างละเอียดแยกต่างหาก
• หลักฐานจากผู้จัดจำหน่าย ผู้จัดจำหน่ายที่สามารถยืนยันขนาดและวัสดุของไดอะแฟรมให้สอดคล้องกับหมายเลขชิ้นส่วนดั้งเดิมของผู้ผลิตอุปกรณ์ (OEM) ได้ โดยไม่ใช่เพียงแค่จับคู่กับคำอธิบายทั่วไป จะทำให้มั่นใจได้มากขึ้นว่าชิ้นส่วนนั้นจะทำงานตามที่คาดหวัง

เป็นกฎการตัดสินใจ: การระบุชิ้นส่วนที่ตรงกันอย่างแม่นยำกับหมายเลขชิ้นส่วน OEM ของเครื่องจักรของท่าน จากผู้จัดจำหน่ายที่สามารถยืนยันทั้งขนาดและวัสดุได้ ถือเป็นทางเลือกที่ปลอดภัยกว่าไดอะแฟรมแบบ ‘ใช้งานได้ทั่วไป’ ที่ระบุไว้โดยทั่วไป

การออกแบบแอคคิวมูเลเตอร์อ้างอิงรายการวัสดุที่กว้างกว่าเล็กน้อยเมื่อเทียบกับสารประกอบสามชนิดที่กล่าวถึงบ่อยที่สุดสำหรับเครื่องเจาะหิน: นอกเหนือจากเอ็นบีอาร์ (NBR), เอชเอ็นบีอาร์ (HNBR) และพอลิยูรีเทน (polyurethane) แล้ว คำแนะนำบางฉบับเกี่ยวกับแอคคิวมูเลเตอร์ที่ตีพิมพ์ไว้ยังระบุยางบิวทิล (IIR) และยางเอปิคลอโรไฮดริน (ECO) เป็นตัวเลือกสำหรับไดอะแฟรมในกรณีที่ใช้กับช่วงอุณหภูมิและของเหลวเฉพาะ อย่างไรก็ตาม ในทางปฏิบัติ ไดอะแฟรมสำหรับเครื่องเจาะหินและเครื่องทุบไฮดรอลิกส่วนใหญ่จะระบุวัสดุเป็นเอ็นบีอาร์ เอชเอ็นบีอาร์ หรือพอลิยูรีเทนเป็นหลัก แต่รายการวัสดุที่กว้างขึ้นนี้เป็นการเตือนว่า การเลือกวัสดุนั้นขึ้นอยู่กับของเหลวและช่วงอุณหภูมิเฉพาะที่ใช้งานจริง ไม่ใช่จากรายการสั้น ๆ ที่กำหนดตายตัว

ภาพที่ 4: การเปรียบเทียบระหว่าง ‑ไดอะแฟรมที่เปลี่ยนวัสดุ

คุณสามารถหาซื้อไดอะแฟรมสำรองที่เชื่อถือได้ได้ที่ใด?

เมื่อคุณทราบหมายเลขชิ้นส่วนและข้อกำหนดด้านวัสดุที่แน่นอนที่ต้องการแล้ว การจัดหาชิ้นส่วนก็จะกลายเป็นเรื่องของการค้นหาผู้จัดจำหน่ายที่สามารถจัดหาสินค้าที่ตรงกับความต้องการได้อย่างเชื่อถือได้ และสามารถอธิบายเหตุผลของการจับคู่นั้นได้อย่างชัดเจน แทนที่จะเพียงแค่แสดงราคา

บริษัท หนานจิง โฮวู มาร์ชินเนอรี เทคโนโลยี จำกัด (Nanjing Hovoo Machinery Technology Co., Ltd) ผู้ผลิตซีลจากประเทศจีน ก่อตั้งขึ้นในปี ค.ศ. 2013 ผลิตชิ้นส่วนซีลจากวัสดุ PU ยาง และ PTFE รวมถึงไดอะแฟรมสำหรับแอคคิวมูเลเตอร์ของเครื่องเจาะหินและเครื่องทุบไฮดรอลิก ซึ่งสามารถเทียบเคียงกับแบรนด์หลักต่าง ๆ ได้ เช่น Atlas Copco, Epiroc furukawa, Montabert, Sandvik และ Tamrock เป็นต้น นอกเหนือจากการจัดจำหน่ายชิ้นส่วนแล้ว โฮวูยังระบุว่าให้การสนับสนุนทางเทคนิคฟรี เพื่อช่วยยืนยันหมายเลขชิ้นส่วน ขนาด และเกรดวัสดุที่เหมาะสมสำหรับรุ่นเครื่องเจาะหินแต่ละแบบ ก่อนดำเนินการสั่งซื้อ

หากท่านไม่แน่ใจว่าเครื่องของท่านต้องใช้ไดอะแฟรมรุ่นใด การแจ้งรายละเอียดให้กับผู้จัดจำหน่ายที่สามารถเทียบเคียงกับข้อกำหนดของผู้ผลิตต้นฉบับ (OEM) ได้ อาทิ รุ่นเครื่องเจาะหิน หมายเลขชิ้นส่วนเดิมของแอคคิวมูเลเตอร์ และหมายเหตุเกี่ยวกับสภาวะการใช้งานปกติ (เช่น สภาพภูมิอากาศ รอบการทำงาน และความสะอาดของน้ำมันหล่อลื่น) ถือเป็นวิธีที่เชื่อถือได้มากที่สุดในการหลีกเลี่ยงการสั่งซื้อชิ้นส่วนผิดซ้ำสองครั้ง

1. จาง เอส., เฉิน เจ., เหอ หลี่. "วิธีการคำนวณตัวเก็บพลังงานแบบแขวนตามเงื่อนไขการทำงานสูงสุด" วารสารไฮดรอลิกส์ ปั๊มลม และซีล, 2562(04): 19–25.
2. ฉาง เอส., มา ดับเบิลยู., เหย่ เอ็ม., จาง เจ., หลี่ หยี่., มา หยี่. "การวิจัยการพยากรณ์การใช้พลังงานของสว่านหินไฮดรอลิกโดยอาศัยการชดเชยที่ขับเคลื่อนด้วยข้อมูล" วารสารวิศวกรรมกลศาสตร์, ตีพิมพ์ออนไลน์ล่วงหน้า, 2569.
3. หลิว หยี่. "การวิจัยการควบคุมแรงดันและผลของการฉีดในระบบฉีดที่ใช้ตัวเก็บพลังงาน" วิทยานิพจน์ระดับปริญญาโท, มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีซีอาน, 2565.
4. ซู่ ฉี. "การวิเคราะห์การแปรผันของอัตราการไหลและการออกแบบระบบลดการสั่นสะเทือนสำหรับปั๊มไดอะแฟรมไฮดรอลิกแบบไป-กลับ" วารสารวิศวกรรมปั๊มจีน, 2557(5): 45–49.
5. เหลียง เจ., เหยียน หลี่., ถัง เอส., และคณะ. "ผลกระทบของผงสตรอนวาย ทีเอ็นเค ต่อสมบัติของสารประกอบไดอะแฟรมยางในตัวเก็บพลังงาน" อุตสาหกรรมยางจีน, 2567, 71(8): 599–603.
6. หลี่ เอ็ม. “การวิจัยเกี่ยวกับกลไกการเกิดฟองอากาศและการทำนายการสึกกร่อนจากฟองอากาศของวาล์วป๊อปเปตไฮดรอลิก.” วิทยานิพจน์ปริญญาเอก มหาวิทยาลัยเหยียนซาน 2568.