Узлом кода свідравання цвёрдых парод: тэхналогія DTH, якая змяняе гульню.
У адпаведнасці з геалагічнымі ўмовамі тэрыторыі будаўніцтва існуе чатыры асноўныя метады бурэння, якія звычайна выкарыстоўваюцца буравымі ўстаноўкамі, як паказана на малюнку 1.
а. Паваротныя галоўкі з пнеўматычным або гідраўлічным прывадам у спалучэнні з ударным абсталяваннем перадаюць энергію кручэння і ўдару праз верхнюю часткубурыльная труба, дастаўляючы энергію да свідра праз ударныя хвалі ў бурыльнай трубе. Гэты метад абмежаваны малым дыяметрам і невялікай глыбінёй і звычайна выкарыстоўваецца ў кар'ерах, будаўнічых пляцоўках і падземных горных работах.
б.Свідравіны (DTH). размешчаны ўнізе бурыльнай калоны. Сціснутае паветра паступае ў DTH праз бурыльную калонку, рухаючы поршань у зваротна-паступальным руху, які непасрэдна ўздзейнічае на свердзел, перадаючы энергію ўдару пародзе. Гэтая сістэма мае мінімальныя страты магутнасці і асабліва падыходзіць для глыбокіх свідравін, прамых свідравін і парод сярэдняй цвёрдасці.
в.Бурэнне з зваротнай цыркуляцыяй (RC).выкарыстоўвае DTH для збору і транспарціроўкі ўзораў пароды з тарца свідра. Сухія і незабруджаныя шламы падаюць праз цэнтральную трубу DTH у прыладу для збору проб, рыхтуючыся да геалагічнага аналізу.
d. Скрынка перадач, якая прыводзіцца ў рух гідраўлічнымі або электрычнымі рухавікамі, утварае верціцца сілавую галоўку, прыкладаючы дастатковую сілу падачы да трохшарошкавага свідра праз сістэму падачы, якая рухаецца ўверх і ўніз па свідравой установцы і таўстасценнай бурыльнай трубе. Гэты метад выкарыстоўваецца для больш мяккіх парод або цвёрдых парод з моцнымі шарністамі.
- Прынцыпы і характарыстыкі DTH
Утварэнні, прасвідраваныя з дапамогай DTH, амаль цалкам здольныя ўключаць у сябе ўсе магматычныя пароды, метамарфічныя пароды і асадкавыя пароды сярэдняй ці большай цвёрдасці. DTH асабліва выгадны для бурэння цвёрдых горных парод і цвёрдых пластоў, таму што цвёрдыя пароды, як правіла, далікатныя. Пад уздзеяннем ударных нагрузак разломы адбываюцца не толькі ў месцы непасрэднага ўдару, але і ствараюць зламаную зону, што прыводзіць да больш буйных аскепкаў пароды. Такім чынам, хуткасць свідравання значна вышэй у параўнанні з чыстым ротарным свідраваннем. Механічная мадэль на малюнку 2 ілюструе розныя нагрузкі, якія дзейнічаюць на пароду падчас ударнага ротарнага бурэння.
Акрамя таго, бурэнне DTH (Down-the-Hole) вельмі эфектыўна ў фармацыях, схільных да адхіленняў свідравіны, такіх як пласты з добра развітым заляганнем і слоістасцю або пласты горных парод з нераўнамернай цвёрдасцю і шматлікімі трэшчынамі. Гэта можа значна паменшыць адхіленне свідравіны, а таксама пераадолець цяжкасці пры свідраванні пластоў жвіру і валуноў.
Бурэнне DTH было распрацавана ў канцы 19-га стагоддзя і мае больш чым векавую гісторыю. Нягледзячы на шмат тыпаў бураў DTH, іх аб'ядноўвае агульная рыса: як ударны механізм, так і свідравое долата апускаюцца ў свідравіну, пры гэтым кручэнне спалучаецца з ударам, каб разбіць пароду. Абсталяванне, якое выкарыстоўваецца для стварэння сілы ўдару, можна падзяліць на пнеўматычныя, гідраўлічныя, пад ціскам масла, электрычныя і механічныя.
Паколькі энергія ўдару адчувае значныя страты падчас перадачы і можа прывесці да істотнага пашкоджання кампанентаў, якія падвяргаюцца ўздзеянню, звычайна патрабуецца, каб пры больш глыбокіх свідраваннях абсталяванне ўваходзіла ў свідравіну разам са свідравальным інструментам, каб сіла ўдару на выхадзе магла ўздзейнічаць непасрэдна на свідравое долата або колонковый ствол. Гэта мінімізуе страты энергіі падчас перадачы, павышае энергаэфектыўнасць і зніжае верагоднасць выхаду з ладу свідравіннага абсталявання.
Пнеўматычны DTH, таксама вядомы як DTH з пнеўматычным прывадам, мае мноства структурных тыпаў і метадаў класіфікацыі.
- Па ступені ціску: высокага ціску, сярэдняга ціску і нізкага ціску.
- Па агульнай структуры: нескразны і скразны тыпы.
- Па прынцыпе дзеяння клапана: тып клапана рэгулявання, тып клапана са свабодным тыпам і тып клапана гібрыднага тыпу.
- Па структуры поршня: поршань роўнага дыяметра, поршань рознага дыяметра і поршневы тандэм.
- Па тыпу размеркавання паветра: з клапанам DTH і без клапана DTH. Клапанны DTH можна падпадзяліць на пласціністыя клапаны, дыскавыя клапаны і цыліндрычныя тыпы клапанаў, у той час як бесклапанныя DTH можна падзяліць на тып выпуску цэнтральнага штока, тып размеркавання паветра поршня і камбінаванае размеркаванне паветра поршнем, цыліндрам і цэнтральным штокам.
- Метадам прамывання адтуліны і метаду выгрузкі дзындры: прамыванне цэнтральнага адтуліны, прамыванне пярэдняга адтуліны і прамыванне бакавога адтуліны.
2. Вызначэнне структурных схем механізму ўздзеяння
2.1 Поршневы бесклапанны ўдарны механізм з уласнай падачай газу
Гэты тып ударнага механізму ў асноўным выкарыстоўвае газавыя каналы ў самім поршні для падачы газу, што прыводзіць да складанай канструкцыі поршня са шматлікімі газавымі каналамі, што зніжае трываласць і тэрмін службы поршня. Аднак гэты ўдарны механізм аб'ядноўвае ўнутраны і вонкавы цыліндры, павялічваючы эфектыўную рабочую плошчу поршня і ўзмацняючы энергію ўдару механізму.
2.2 Безвентыльны ўдарны механізм камбінаванай падачы газу поршня і цыліндру
Гэты тып мае простую канструкцыю, якую лёгка вырабіць, мае больш працяглы тэрмін службы поршня, а адтуліны для газу размешчаны як на цыліндры, так і на поршні. Такая структура шырока выкарыстоўваецца за мяжой.
2.3 Безвентыльны ўдарны механізм цэнтральнай трубы газазабеспячэння
У гэтым механізме паветразаборныя каналы для верхняй і ніжняй камер размешчаны на круглай трубе, па якой слізгае поршань. Ён патрабуе высокай дакладнасці вытворчасці і мае адносна кароткі тэрмін службы для цэнтральнай трубы.
2.4 Механізм бакавога выхлапу
Так званы бакавы выхлап азначае, што шлях выхлапных газаў выходзіць з корпуса цыліндру, а не праходзіць праз цэнтр свердзела да дна адтуліны. Гэты тып ударнага механізму звычайна мае шмат упускных і выпускных шляхоў на корпусе цыліндру, што прыводзіць да нізкай трываласці канструкцыі, магчымасці з'яўлення падоўжных усталостных расколін і значнай страты ціску паветра, што прыводзіць да неаптымальнага выдалення смецця і эфекту астуджэння для свердзела.
2.5 Цэнтральны выхлапны ўдарны механізм
Гэты тып ударнага механізму выкідвае смецце і газ непасрэдна з цэнтра свердзела на дно адтуліны. Прамы паток паветра не толькі павышае эфектыўнасць выдалення смецця, але і паляпшае эфектыўнасць свідравання і астуджэння, падаўжаючы тэрмін службы свердзела. Гэты канструктыўны тып замяняе шматлікія падоўжныя канаўкі ва ўнутраным цыліндры механізмаў бакавога выхлапу на кальцавую канаўку, што значна зніжае канцэнтрацыю напружання ва ўнутраным цыліндры. У апошнія гады гэта стала шырока распаўсюджанай структурай.
Поршневы ўдарны механізм серыі 2.6
Серыйны поршневы ўдарны механізм, таксама вядомы як ударны элемент з двума поршнямі (галоўкай), дзеліць цыліндр на дзве камеры з дапамогай ізаляцыйнага кольца. Такая канструкцыя дазваляе абедзвюм граням поршня працаваць адначасова ў межах аднаго дыяметра адтуліны, што прыводзіць да большай магутнасці ўдару і больш высокай частаты ўдару. Адпаведна, існуе падвойная выхлапная сістэма, якая эфектыўна выдаляе каменны парашок са дна свідравіны. Аднак яго галоўным недахопам з'яўляецца складаная структура і неабходнасць высокай дакладнасці апрацоўкі дэталяў; напрыклад, поршань мае да пяці спалучаных паверхняў з адпаведнымі кампанентамі, што абмяжоўвае яго прымяненне і прасоўванне. Такім чынам, у гэтай канструкцыі выкарыстоўваецца другі варыянт, які ўяўляе сабой бесклапанны ўдарны механізм з камбінаванай падачай газу з поршня і цыліндру. Яго структура паказана на малюнку 3.
3. Тэарэтычны аналіз і адпаведныя разлікі для DTH
3.1 Выбар працоўных параметраў**
3.1.1 Даўжыня і вага малатка: эскізны праект вызначае даўжыню менш за 4500 мм і вагу менш за 2500 кг.
3.1.2 Дыяметр малатка: адпаведны дыяметр малатка вызначаецца на аснове дыяметра свідравання, устаноўленага на 540 мм.
3.1.3 Дыяметр свідравання: гэта адносіцца да дыяметра свідравой свідравіны, звычайна ад 550 мм да 600 мм.
3.1.4 Глыбіня свідравання: у адпаведнасці з патрабаваннямі да праектавання паль, яна звычайна складае ад некалькіх дзесяткаў метраў да ста метраў.
3.1.5 Хуткасць свідравання: свідраванне DTH звычайна працуе на нізкіх хуткасцях кручэння, як правіла, ад 7 да 25 аб/с.
3.1.6 Крутоўны момант: максімальны крутоўны момант для гэтай канструкцыі ўстаноўлены на 150 кН·м.
3.2 Разлік канструктыўных параметраў
Канструктыўныя параметры для DTH, у прыватнасці, параметры прадукцыйнасці ўдарнага абсталявання DTH, служаць асновай для праектавання машыны і вызначаюць прадукцыйнасць вырабленага абсталявання.
3.2.1 Разліковы ціск P для ўдарнага абсталявання
У Кітаі ціск 0,49 МПа (прыкладна 5 × 10^5 Па) шырока абраны ў якасці стандарту канструкцыі для пнеўматычнага ўдарнага абсталявання. Улічваючы, што DTH для гэтай канструкцыі ўяўляе сабой ударную прыладу без клапана з вялікім дыяметрам свідравання і цяжкім поршнем, больш высокі ціск паветра яшчэ больш павысіць прадукцыйнасць. Акрамя таго, паветраныя кампрэсары высокага ціску становяцца ўсё больш распаўсюджанымі, і ў адпаведнасці з міжнародным стандартам ISO 5941-1979 выбіраецца разліковы ціск 1,6 МПа.
3.2.2 Сіла ўдару
Для DTH, які выкарыстоўваецца для свідравання адтулін вялікага дыяметра, праектная энергія ўдару можа істотна вагацца. Энергія ўдару для гэтай канструкцыі разлічваецца наступным чынам:
3.2.3 Частата ўдару
Як правіла, пры пастаяннай энергіі ўдару частата ўдару прапарцыйная выхадной магутнасці ўдарнага элемента. Аднак, калі дыяметр цыліндру фіксаваны, павелічэнне частаты ўдару патрабуе памяншэння ходу поршня, што, у сваю чаргу, памяншае магутнасць адзінкавага ўдару. Калі магутнасць адзінкавага ўдару апусціцца ніжэй пэўнага парога, павышэнне частаты не дасць здавальняючых вынікаў разбівання каменя. Такім чынам, выбар частоты ўдару абмежаваны магутнасцю ўдару.
Для пнеўматычнага DTH, які працуе пры разліковым ціску 0,5 Мпа, частата не павінна перавышаць 16,8 Гц. Паколькі DTH працуе пры разліковым ціску ад 0,5 да 2,5 МПа, частата ўдару можа істотна адрознівацца. Першапачатковы выбар частаты ўдарнага элемента можа быць разлічаны наступным чынам:
f = 10,4 + 7,6P
(2) дзе P - ціск падачы ў сістэму. Для гэтай канструкцыі P = 1,6 МПа, таму:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Гц.
3.3 Распрацоўка структурных параметраў
Асноўныя канструктыўныя параметры DTH ўключаюць дыяметр адтуліны цыліндру, ход поршня і памеры поршня. Павелічэнне дыяметра цыліндру можа павялічыць як сілу ўдару, так і частату, таму дыяметр павінен быць максімальным у межах памеру канструкцыі. Як правіла, розніца паміж вонкавым дыяметрам DTH і дыяметрам адтуліны не павінна быць меншай за 15-20 мм, а вонкавы корпус DTH не павінен быць занадта тонкім. Такім чынам, стаўленне дыяметра цыліндра DTH да дыяметра свідравання звычайна вышэй за 0,5.
3.3.1 Працоўны дыяметр цыліндру і канструктыўны ход
Працоўны дыяметр D цыліндру можна разлічыць наступным чынам:
D = K × D (дыяметр) = (0,57 - 0,68) × D (дыяметр) (3)
Для гэтай канструкцыі D (свідравіны адтуліны) = 600 мм, таму D прынята за 360 мм. Канструктыўны ход S эмпірычна прымаецца роўным S = 500 мм.
3.3.2 Маса поршня
Радыяльныя памеры поршня абмежаваныя памерам і канструкцыяй цыліндру, што дазваляе выкарыстоўваць поршні роўнага або рознага дыяметра. Лінейныя памеры залежаць ад масы поршня, якая таксама звязана з хуткасцю, якую ён мае пры ўдары па свердзела. Такім чынам, вызначэнне канструктыўных памераў поршня з'яўляецца складаным аспектам праектавання DTH. Масу поршня DTH можна ацаніць наступным чынам:
m = 0,0205D^2,84 (4)
дзе m - маса поршня ў кг; D - працоўны дыяметр цыліндру ў см.
Падстаўляючы D = 36, атрымліваем: m = 540 кг.
DTH у асноўным складаецца з структуры перадачы крутоўнага моманту і пнеўматычнага ўдарнага механізму. Структура перадачы крутоўнага моманту злучае буравую штангу і DTH, перадаючы вярчальныя сілы рэзкі і цягі; пнеўматычны ўдарны механізм стварае ўдар, забяспечваючы восевую магутнасць ударнага свердзела. Канкрэтныя дэталі структуры паказаны на малюнку 3.
Канструкцыя перадачы крутоўнага моманту злучае буравую штангу і ўдарны элемент. Верхняе злучэнне злучаецца са свідравой штангай і ўдарным элементам праз трубавую разьбу, галоўным чынам для забеспячэння газанепранікальнасці, адначасова перадаючы крутоўны момант і цягнучую сілу. Зваротны клапан прадухіляе трапленне бруду і вады ў ўдарны элемент і бурыльную штангу, кіраваную спружынай. Сядзенне паветразаборніка са стрыжнем падачы газу функцыянуе для ўвядзення сціснутага паветра ў цыліндр, палягчаючы дзеянне падачы газу разам з цыліндрам і поршнем, дасягаючы тым самым камбінаванай падачы газу. Спружыннае ахоўнае кольца прадухіляе выслізгванне поршня з цыліндру пры замене свердзела.
3.4 Аналіз канечных элементаў свердзела DTH
Свердзел DTH падвяргаецца ўздзеянню ўдарных сіл ад поршня і крутоўнага моманту ад галоўкі прывада. Сіла, якая дзейнічае на поршань сціснутым паветрам, вызначаецца:
F = P × S (5)
дзе P - ціск у сістэме ў Па; S - плошча сілы поршня ў м².
Такім чынам, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 Н.
Такім чынам, сіла ўдару па свердзелу роўная:
F' = кФ (6)
дзе k - каэфіцыент ўздзеяння; F — сіла, з якой сціснутае паветра дзейнічае на свердзел у Н. Такім чынам, F' = 20 × 134400 = 2688 кН.
Крутоўны момант, які прыкладваецца да свердзела DTH прываднай галоўкай, складае N = 150 кН. Прыклаўшы F' = 2688 кН і N = 150 кН да свердзела пры фіксацыі ніжняга тарца свердзела і з выкарыстаннем матэрыялу QT500-7 з мяжой цякучасці 320 МПа, выкананы метад канчатковых элементаў. Канкрэтныя ўмовы нагрузкі і абмежаванні і падзел сеткі паказаны на малюнках 4 і 5.
Вынікі аналізу метадам канчатковых элементаў паказаны на малюнку 6, што паказвае, што максімальнае напружанне складае 144,355 МПа, што менш, чым мяжа цякучасці QT500-7 (320 МПа), што адпавядае патрабаванням.