Probijanje koda tvrdog bušenja: DTH tehnologija koja mijenja igru.

Prema geološkim uslovima građevinskog područja, postoje četiri glavne metode bušenja koje se obično koriste u bušaćim postrojenjima, kao što je prikazano na slici 1.

a. Pneumatske ili hidrauličke rotacijske glave u kombinaciji s udarnom opremom prenose rotaciju i energiju udara kroz vrhcijev za bušenje, isporučujući energiju do burgije putem udarnih valova u cijevi za bušenje. Ova metoda je ograničena na male prečnike i male dubine i općenito se koristi u kamenolomima, gradilištima i podzemnim rudarskim operacijama.

b.Down-The-Hole (DTH) čekići nalaze se na dnu bušaće kolone. Komprimovani vazduh ulazi u DTH kroz bušaću kolonu, pokrećući klip u povratnom kretanju koji direktno utiče na burgiju, prenoseći energiju udara na stenu. Ovaj sistem ima minimalne gubitke snage i posebno je pogodan za duboke rupe, ravne rupe i srednje tvrde stijene.

c.Reverzno cirkulacijsko (RC) bušenjekoristi DTH za prikupljanje i transport uzoraka stijena s čeone strane burgije. Suhi i nekontaminirani otjeci se prenose kroz središnju cijev DTH u uređaj za prikupljanje uzoraka, pripremajući se za geološku analizu.

d. Mjenjač pokretan hidrauličnim ili električnim motorima formira rotirajuću pogonsku glavu, primjenjujući dovoljnu silu uvlačenja na burgiju s tri konusa kroz sistem za dovod koji se kreće gore-dolje na bušaćoj platformi i bušaćoj cijevi debelih zidova. Ova metoda se koristi za mekše stijene ili čvrsto spojene tvrde stijene.

 

1. Principi i karakteristike DTH

Formacije izbušene sa DTH su gotovo u potpunosti sposobne uključiti sve magmatske stijene, metamorfne stijene i sedimentne stijene koje su srednje tvrde ili teže. DTH je posebno povoljan za bušenje tvrdih stijena i čvrstih slojeva jer je tvrda stijena lomljiva. Pod udarnim opterećenjima, pukotine ne samo da se javljaju na mjestu direktnog udara, već i stvaraju lomanu zonu, što rezultira većim fragmentima stijena. Dakle, brzina bušenja je znatno veća u odnosu na čisto rotaciono bušenje. Mehanički model na slici 2 ilustruje različita opterećenja koja djeluju na stijenu tijekom udarnog rotacionog bušenja.

                                                             

Osim toga, DTH (Down-the-Hole) bušenje je veoma efikasno u formacijama sklonim odstupanju bušotine, kao što su slojevi sa dobro razvijenim slojem i folijacijom, ili slojevi stena neujednačene tvrdoće i mnogo lomova. Može značajno smanjiti devijaciju bušotine i također prevladati poteškoće u bušenju kroz slojeve šljunka i kamene stijene.

 

DTH bušenje je razvijeno krajem 19. veka i ima istoriju dužu od jednog veka. Iako postoji mnogo tipova DTH bušilica, one dijele zajedničku osobinu: i udarni mehanizam i svrdlo su potopljeni u bušotinu, uz rotaciju u kombinaciji sa udarom za razbijanje stijene. Oprema koja se koristi za stvaranje sile udara može se kategorizirati prema načinu pogona na pneumatske, hidrauličke, pod pritiskom ulja, električne i mehaničke.

 

Budući da energija udara doživljava značajan gubitak tokom prijenosa i može uzrokovati značajnu štetu na udarnim komponentama, općenito je potrebno u dubljim operacijama bušenja da oprema uđe u bušotinu s alatom za bušenje, tako da izlazna udarna sila može djelovati direktno na burgiju ili jezgro. Ovo minimizira gubitak energije tokom prijenosa, poboljšava energetsku efikasnost i smanjuje vjerovatnoću kvarova opreme u bušotini.

Pneumatski DTH, također poznat kao DTH na zračni pogon, dolazi u mnogim strukturalnim tipovima i metodama klasifikacije.

- Po nazivu pritiska: tipovi visokog pritiska, srednjeg pritiska i niskog pritiska.

- Po ukupnoj strukturi: neprolazni i prolazni tipovi.

- Po principu rada ventila: tip regulacionog ventila, tip slobodnog ventila i hibridni tip ventila.

- Po strukturi klipa: klip jednakog prečnika, klip nejednakog prečnika i tipovi tandemskih klipova.

- Po vrsti distribucije vazduha: ventilirani DTH i DTH bez ventila. Ventilski DTH se može podijeliti na tipove pločastih ventila, ventila s diskom i cilindričnog ventila, dok se DTH bez ventila može podijeliti na tip ispuha središnje šipke, tip distribucije zraka s klipom i kombiniranu distribuciju zraka po klipu, cilindru i središnjoj šipki.

- Ispiranjem rupa i metodom ispuštanja šljake: pranje centralne rupe, pranje prednje rupe i pranje bočnih rupa.

2. Određivanje strukturnih šema mehanizma uticaja

2.1 Mehanizam udara bez ventila za samoopskrbu klipa plinom

Ovaj tip udarnog mehanizma prvenstveno koristi gasne prolaze u samom klipu za dovod gasa, što rezultira složenom strukturom klipa sa brojnim gasnim kanalima, što smanjuje snagu i životni vek klipa. Međutim, ovaj udarni mehanizam integriše unutrašnje i spoljašnje cilindre, povećavajući efektivnu radnu površinu klipa i povećavajući energiju udarca mehanizma.

2.2 Klip i cilindar Kombinirani mehanizam za dovod plina bez ventila

Ovaj tip ima jednostavnu strukturu koja se lako proizvodi, ima duži vijek trajanja klipa, a rupe za plin se nalaze i na cilindru i na klipu. Ova struktura se široko koristi u inostranstvu.

2.3 Udarni mehanizam centralne cijevi za dovod plina bez ventila

U ovom mehanizmu, otvori za usis zraka za gornju i donju komoru su raspoređeni na kružnoj cijevi gdje klip klip. Zahtijeva visoku preciznost proizvodnje i ima relativno kratak vijek trajanja središnje cijevi.

2.4 Mehanizam bočnog udara izduvnih gasova

Takozvani bočni izduvni gas znači da put izduvnih gasova izlazi iz tela cilindra, a ne prolazi kroz sredinu burgije do dna rupe. Ovaj tip udarnog mehanizma obično ima mnogo ulaznih i izduvnih puteva na tijelu cilindra, što dovodi do slabe strukturne čvrstoće, potencijala za uzdužne zamorne pukotine i značajnog gubitka tlaka zraka, što rezultira suboptimalnim uklanjanjem krhotina i efektima hlađenja burgije.

2.5 Centralni mehanizam za udar izduvnih gasova

Ova vrsta udarnog mehanizma izbacuje krhotine i plin direktno iz središta burgije do dna rupe. Direktan protok vazduha ne samo da poboljšava efikasnost uklanjanja krhotina, već i poboljšava efikasnost bušenja i hlađenja, produžavajući životni vek svrdla. Ovaj tip konstrukcije zamjenjuje brojne uzdužne žljebove u unutrašnjem cilindru bočnih udarnih mehanizama izduvnih gasova prstenastim žljebom, značajno smanjujući koncentraciju naprezanja u unutrašnjem cilindru. Posljednjih godina postala je široko prihvaćena struktura.

Udarni mehanizam klipa serije 2.6

Serijski klipni udarni mehanizam, također poznat kao udarni udar s dvostrukim klipom (glavom), dijeli cilindar u dvije komore pomoću izolacijskog prstena. Ovaj dizajn omogućava da obje strane klipa rade istovremeno unutar istog promjera provrta, što rezultira većom snagom udara i većom frekvencijom udara. Shodno tome, postoji dvostruki izduvni sistem koji efikasno uklanja kameni prah sa dna rupe. Međutim, njegov glavni nedostatak je složena struktura i potreba za visokom preciznošću u obradi dijelova; na primjer, klip ima do pet spojnih površina sa pripadajućim komponentama, što ograničava njegovu primjenu i promociju. Stoga ovaj dizajn usvaja drugu opciju, a to je udarni mehanizam bez ventila sa kombinovanim dovodom gasa klipa i cilindra. Njegova struktura je prikazana na slici 3.

3.Teorijska analiza i relevantni proračuni za DTH

3.1 Izbor radnih parametara**

3.1.1 Dužina i težina čekića: Idejni projekat određuje dužinu manju od 4500 mm i težinu manju od 2500 kg.

3.1.2 Prečnik čekića: Odgovarajući prečnik čekića se određuje na osnovu prečnika bušenja, postavljenog na 540 mm.

3.1.3 Prečnik bušenja: Ovo se odnosi na prečnik rupe od šipa, obično između 550 mm i 600 mm.

3.1.4 Dubina bušenja: Prema zahtjevima dizajna šipova, to je obično između nekoliko desetina metara i sto metara.

3.1.5 Brzina bušenja: DTH bušenje generalno radi pri malim brzinama rotacije, obično između 7 i 25 r/s.

3.1.6 Rotacijski moment: Maksimalni obrtni moment za ovaj dizajn je postavljen na 150 kN·m.

 

3.2 Proračun projektnih parametara

Projektni parametri za DTH, konkretno parametri performansi DTH udarne opreme, služe kao osnova za dizajn mašine i definišu performanse proizvedene opreme.

3.2.1 Projektni pritisak P za udarnu opremu

U Kini je pritisak od 0,49 MPa (otprilike 5 × 10^5 Pa) široko odabran kao standard za dizajn pneumatske udarne opreme. S obzirom da je DTH za ovaj dizajn udarni uređaj bez ventila sa velikim prečnikom bušenja i teškim klipom, veći pritisak vazduha će dodatno poboljšati performanse. Dodatno, visokotlačni kompresori zraka su sve češći, a u skladu s međunarodnim standardom ISO 5941-1979 odabran je projektni tlak od 1,6 MPa.

3.2.2 Snaga udara

Za DTH koji se koristi za bušenje rupa velikog prečnika, projektovana energija udara može značajno da varira. Energija udara za ovaj dizajn izračunava se na sljedeći način:

                                                 

3.2.3 Učestalost udara

Općenito, pod konstantnom energijom udara, frekvencija udara je proporcionalna izlaznoj snazi ​​udarne glave. Međutim, kada je promjer cilindra fiksiran, povećanje frekvencije udara zahtijeva smanjenje hoda klipa, što zauzvrat smanjuje snagu pojedinačnog udara. Jednom kada snaga pojedinačnog udara padne ispod određenog praga, povećanje frekvencije neće dati zadovoljavajuće rezultate razbijanja stijena. Dakle, izbor frekvencije udara je ograničen snagom udara.

Za pneumatski DTH koji radi pri projektovanom pritisku od 0,5 MPa, frekvencija ne bi trebala prelaziti 16,8 Hz. Budući da DTH radi na projektnim pritiscima između 0,5 i 2,5 MPa, frekvencija udara može značajno varirati. Početni odabir frekvencije udarca može se izračunati na sljedeći način:

f = 10,4 + 7,6 P

(2) gdje je P tlak napajanja sistema. Za ovaj dizajn, P = 1,6 MPa, dakle:

f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.

 

3.3 Projektovanje strukturnih parametara

Glavni strukturni parametri DTH-a uključuju prečnik provrta cilindra, hod klipa i dimenzije klipa. Povećanje prečnika cilindra može povećati i snagu udarca i frekvenciju, tako da prečnik treba da bude maksimiziran u granicama veličine strukture. Tipično, razlika između vanjskog promjera DTH i promjera provrta ne bi trebala biti manja od 15 do 20 mm, a vanjsko kućište DTH-a ne smije biti pretanko. Stoga je omjer prečnika DTH cilindra i promjera bušenja općenito iznad 0,5.

3.3.1 Radni prečnik cilindra i hod konstrukcije

Radni prečnik D cilindra može se izračunati na sledeći način:

D = K × D (provrt) = (0,57 - 0,68) × D (provrt) (3)

Za ovaj dizajn, D(provrt) = 600 mm, pa se D uzima kao 360 mm. Konstruktivni hod S empirijski se uzima kao S = 500 mm.

3.3.2 Masa klipa

Radijalne dimenzije klipa su ograničene veličinom i strukturom cilindra, omogućavajući klipove istog ili različitog promjera. Linearne dimenzije ovise o težini klipa, koja se također odnosi na brzinu koju ima pri udaru u burgiju. Stoga je određivanje strukturnih dimenzija klipa složen aspekt DTH dizajna. Masa DTH klipa se može procijeniti na sljedeći način:

m = 0,0205D^2,84 (4)

gdje je m masa klipa u kg; D je radni prečnik cilindra u cm.

Zamjena D = 36 daje: m = 540 kg.

DTH se uglavnom sastoji od strukture za prenos obrtnog momenta i pneumatskog udarnog mehanizma. Struktura prenosa obrtnog momenta povezuje šipku za bušenje i DTH, prenoseći rotacione sile rezanja i povlačenja; pneumatski udarni mehanizam stvara udar, pružajući aksijalnu snagu udarnoj bušilici. Specifični detalji strukture prikazani su na slici 3.

Struktura prenosa obrtnog momenta povezuje šipku za bušenje i udarni element. Gornji spoj se povezuje sa šipkom za bušenje i udarnom glavom preko navoja cevi, prvenstveno da bi se obezbedila nepropusnost gasa, a istovremeno prenosi obrtni moment i vučna sila. Nepovratni ventil sprečava ulazak blata i vode u udarni element i šipku za bušenje, kontrolisan oprugom. Sjedalo za usis zraka sa šipkom za dovod plina funkcionira tako da uvodi komprimirani zrak u cilindar, olakšavajući djelovanje dovoda plina zajedno s cilindrom i klipom, čime se postiže kombinirano dovod plina. Sigurnosni opružni prsten sprječava klip klipa iz cilindra prilikom zamjene burgije.

3.4 Analiza konačnih elemenata DTH burgije

DTH svrdlo je podvrgnuto udarnim silama od klipa i obrtnom momentu iz pogonske glave. Sila koju komprimirani zrak djeluje na klip daje se:

F = P × S (5)

gdje je P pritisak sistema u Pa; S je površina sile klipa u m².

Dakle, F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.

Dakle, sila udarca na burgiju je:

F' = kF (6)

gdje je k koeficijent udara; F je sila koju komprimirani zrak djeluje na burgiju u N. Dakle, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.

Moment koji se na DTH burgiju primjenjuje od strane pogonske glave je N = 150 kN. Primjenom F' = 2688 kN i N = 150 kN na burgiju uz fiksiranje donje čeone strane burgije i korištenjem QT500-7 materijala s granom tečenja od 320 MPa, vrši se analiza konačnih elemenata. Specifični uvjeti opterećenja i ograničenja te podjela mreže prikazani su na slikama 4 i 5.

Rezultati analize konačnih elemenata prikazani su na slici 6, što pokazuje da je maksimalno naprezanje 144,355 MPa, što je manje od granice popuštanja QT500-7 (320 MPa), čime se zadovoljavaju zahtjevi.