Prolomení kodexu Hard Rock Drilling: Technologie DTH, která mění hru.
Podle geologických podmínek oblasti stavby existují čtyři hlavní metody vrtání běžně používané vrtnými soupravami, jak je znázorněno na obrázku 1.
A. Pneumatické nebo hydraulicky poháněné rotační hlavy kombinované s nárazovým zařízením přenášejí rotační a nárazovou energii přes horní částvrtací trubka, dodávající energii do vrtáku prostřednictvím rázových vln ve vrtací trubce. Tato metoda je omezena na malé průměry a mělké hloubky a obecně se používá v lomech, na stavbách a v podzemních důlních provozech.
b.Kladiva Down-The-Hole (DTH). jsou umístěny ve spodní části vrtací kolony. Stlačený vzduch vstupuje do DTH přes vrtací kolonu a pohání píst vratným pohybem, který přímo naráží na vrták a přenáší energii nárazu do horniny. Tento systém má minimální ztráty výkonu a je vhodný zejména pro hluboké díry, rovné díry a středně tvrdé skály.
C.Vrtání s reverzní cirkulací (RC).používá DTH ke sběru a přepravě vzorků hornin z čela vrtáku. Suché a nekontaminované odřezky jsou dopravovány střední trubkou DTH do zařízení pro odběr vzorků, kde se připravují na geologickou analýzu.
d. Převodovka poháněná hydraulickými nebo elektrickými motory tvoří rotační výkonovou hlavu, která aplikuje dostatečnou posuvnou sílu na tříkuželovou vrtací korunku prostřednictvím posuvového systému, který se pohybuje nahoru a dolů na vrtací soupravě a silnostěnné vrtné trubce. Tato metoda se používá pro měkčí horniny nebo silně spojené tvrdé horniny.
- Principy a vlastnosti DTH
Útvary vrtané pomocí DTH jsou téměř zcela schopné zahrnout všechny vyvřelé horniny, metamorfované horniny a sedimentární horniny, které jsou středně tvrdé nebo tvrdší. DTH je zvláště výhodné pro vrtání tvrdých hornin a tvrdých vrstev, protože tvrdé horniny bývají křehké. Při rázovém zatížení dochází nejen k prasklinám v místě přímého dopadu, ale také k vytvoření porušené zóny, což má za následek větší úlomky hornin. Rychlost vrtání je tedy výrazně vyšší ve srovnání s čistě rotačním vrtáním. Mechanický model na obrázku 2 znázorňuje různá zatížení působící na horninu během rázového rotačního vrtání.
Kromě toho je vrtání DTH (Down-the-Hole) vysoce účinné ve formacích náchylných k odchylce vrtu, jako jsou vrstvy s dobře vyvinutým podložím a olistěním nebo vrstvy hornin s nerovnoměrnou tvrdostí a mnoha zlomy. Může výrazně snížit odchylku vrtu a také překonat potíže při provrtávání štěrkových vrstev a balvanitých loži.
Vrtání DTH bylo vyvinuto na konci 19. století a má více než stoletou historii. Ačkoli existuje mnoho typů DTH vrtáků, mají společný rys: jak rázový mechanismus, tak vrták jsou ponořeny do vrtu, přičemž rotace kombinovaná s rázem rozbíjí horninu. Zařízení používaná k vytváření rázové síly lze kategorizovat podle způsobu jejich pohonu na pneumatické, hydraulické, olejové, elektrické a mechanické typy.
Vzhledem k tomu, že energie nárazu během přenosu dochází ke značným ztrátám a může způsobit značné poškození naražených součástí, je při hlubších vrtacích operacích obecně vyžadováno, aby zařízení vstoupilo do vrtu s vrtacím nástrojem, aby výstupní síla nárazu mohla působit přímo na vrták nebo jádro. To minimalizuje ztráty energie během přenosu, zlepšuje energetickou účinnost a snižuje pravděpodobnost selhání zařízení v hloubce.
Pneumatické DTH, také známé jako vzduchem poháněné DTH, přichází v mnoha konstrukčních typech a klasifikačních metodách.
- Podle tlakové třídy: vysokotlaké, středotlaké a nízkotlaké typy.
- Podle celkové struktury: neprůchozí a průchozí typy.
- Podle principu činnosti ventilu: typ regulačního ventilu, typ volného ventilu a typ hybridního ventilu.
- Podle konstrukce pístu: píst o stejném průměru, píst o nestejném průměru a typy tandemových pístů.
- Podle typu rozvodu vzduchu: ventilový DTH a bezventilový DTH. Ventilové DTH lze rozdělit na typy s talířovým ventilem, talířovým ventilem a válcovým ventilem, zatímco bezventilové DTH lze rozdělit na typ výfuku se středovou tyčí, typ distribuce vzduchu pístu a kombinovanou distribuci vzduchu podle pístu, válce a středové tyče.
- Metodou mytí otvorů a vypouštění strusky: mytí středových otvorů, mytí předních otvorů a mytí bočních otvorů.
2. Určení strukturálních schémat dopadového mechanismu
2.1 Bezventilový nárazový mechanismus s vlastním přívodem plynu pístu
Tento typ nárazového mechanismu primárně využívá pro přívod plynu průchody plynu v samotném pístu, což má za následek složitou konstrukci pístu s četnými plynovými kanály, což snižuje pevnost a životnost pístu. Tento nárazový mechanismus však integruje vnitřní a vnější válec, čímž zvyšuje efektivní pracovní plochu pístu a zvyšuje energii nárazu mechanismu.
2.2 Neventilový nárazový mechanismus s kombinovaným přívodem plynu pístu a válce
Tento typ se vyznačuje jednoduchou konstrukcí, která se snadno vyrábí, má delší životnost pístu a otvory pro plyn jsou umístěny jak na válci, tak na pístu. Tato struktura je široce používána v zahraničí.
2.3 Neventilový nárazový mechanismus centrálního potrubí přívodu plynu
V tomto mechanismu jsou kanály pro přívod vzduchu pro horní a spodní komoru uspořádány na kruhové trubce, kde píst klouže. Vyžaduje vysokou výrobní přesnost a má relativně krátkou životnost středové trubky.
2.4 Mechanismus nárazu bočního výfuku
Takzvaný boční výfuk znamená, že cesta výfukových plynů opouští tělo válce spíše než prochází středem vrtáku ke dnu otvoru. Tento typ nárazového mechanismu má typicky mnoho sacích a výfukových cest na těle válce, což vede ke špatné strukturální pevnosti, potenciálu pro podélné únavové trhliny a značné ztrátě tlaku vzduchu, což vede k neoptimálnímu odstraňování nečistot a chladicím účinkům vrtáku.
2.5 Mechanismus nárazu středového výfuku
Tento typ nárazového mechanismu vytlačuje nečistoty a plyn přímo ze středu vrtáku na dno otvoru. Přímé proudění vzduchu nejen zvyšuje účinnost odstraňování nečistot, ale také zlepšuje účinnost vrtání a chlazení, čímž prodlužuje životnost vrtáku. Tento konstrukční typ nahrazuje četné podélné drážky ve vnitřním válci mechanismů bočního nárazu výfuku prstencovou drážkou, což výrazně snižuje koncentraci napětí ve vnitřním válci. V posledních letech se stala široce přijímanou strukturou.
2.6 Sériový pístový nárazový mechanismus
Sériový pístový nárazový mechanismus, také známý jako dvoupístový (hlavový) nárazový mechanismus, rozděluje válec na dvě komory pomocí izolačního kroužku. Tato konstrukce umožňuje, aby obě čela pístu pracovaly současně se stejným průměrem vrtání, což má za následek větší rázovou sílu a vyšší frekvenci rázů. V souladu s tím existuje duální výfukový systém, který účinně odstraňuje kamenný prach ze dna otvoru. Jeho hlavní nevýhodou je však složitá struktura a potřeba vysoké přesnosti při obrábění dílů; například píst má až pět spojovacích ploch s přidruženými součástmi, což omezuje jeho použití a propagaci. Proto tato konstrukce přijímá druhou možnost, kterou je bezventilový nárazový mechanismus s kombinovaným přívodem plynu pístu a válce. Jeho struktura je znázorněna na obrázku 3.
3. Teoretická analýza a příslušné výpočty pro DTH
3.1 Výběr provozních parametrů**
3.1.1 Délka a hmotnost kladiva: Předběžný návrh udává délku menší než 4500 mm a hmotnost menší než 2500 kg.
3.1.2 Průměr kladiva: Vhodný průměr kladiva je určen na základě průměru vrtání, nastaveného na 540 mm.
3.1.3 Průměr vrtání: Vztahuje se k průměru otvoru piloty, obecně mezi 550 mm a 600 mm.
3.1.4 Hloubka vrtání: Podle požadavků na návrh piloty se obvykle pohybuje mezi několika desítkami metrů a sto metrů.
3.1.5 Rychlost vrtání: Vrtání DTH obecně funguje při nízkých otáčkách, typicky mezi 7 a 25 r/s.
3.1.6 Točivý moment: Maximální točivý moment pro tuto konstrukci je nastaven na 150 kN·m.
3.2 Výpočet konstrukčních parametrů
Konstrukční parametry pro DTH, konkrétně výkonové parametry dopadového zařízení DTH, slouží jako základ pro konstrukci stroje a definují výkon vyráběného zařízení.
3.2.1 Návrhový tlak P pro nárazové zařízení
V Číně je tlak 0,49 MPa (přibližně 5 × 10^5 Pa) široce zvolen jako konstrukční standard pro pneumatická nárazová zařízení. Vzhledem k tomu, že DTH pro tuto konstrukci je bezventilové nárazové zařízení s velkým průměrem vrtání a těžkým pístem, vyšší tlak vzduchu dále zvýší výkon. Kromě toho jsou stále běžnější vysokotlaké vzduchové kompresory a v souladu s mezinárodní normou ISO 5941-1979 je zvolen konstrukční tlak 1,6 MPa.
3.2.2 Rázová síla
U DTH používaného k vrtání otvorů o velkém průměru může návrhová energie nárazu výrazně kolísat. Energie nárazu pro tento návrh se vypočítá takto:
3.2.3 Frekvence dopadů
Obecně platí, že při konstantní energii nárazu je frekvence nárazu úměrná výstupnímu výkonu nárazového tělesa. Když je však průměr válce pevný, zvýšení frekvence nárazu vyžaduje snížení zdvihu pístu, což zase snižuje sílu jediného nárazu. Jakmile výkon jednotlivého nárazu klesne pod určitou prahovou hodnotu, zvýšení frekvence nepřinese uspokojivé výsledky při lámání skály. Výběr frekvence nárazu je tedy omezen silou nárazu.
U pneumatického DTH pracujícího při návrhovém tlaku 0,5 MPa by frekvence neměla překročit 16,8 Hz. Protože DTH pracuje při návrhových tlacích mezi 0,5 a 2,5 MPa, frekvence nárazů se může výrazně lišit. Počáteční výběr frekvence nárazového tělesa lze vypočítat takto:
f = 10,4 + 7,6 P
(2) kde P je napájecí tlak systému. Pro tento návrh je P = 1,6 MPa, proto:
f = 10,4 + 7,6 x 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Návrh konstrukčních parametrů
Mezi hlavní konstrukční parametry DTH patří průměr vrtání válce, zdvih pístu a rozměry pístu. Zvětšení průměru válce může zvýšit jak sílu nárazu, tak frekvenci, takže průměr by měl být maximalizován v mezích konstrukční velikosti. Typicky by rozdíl mezi vnějším průměrem DTH a průměrem otvoru neměl být menší než 15 až 20 mm a vnější plášť DTH by neměl být příliš tenký. Proto je poměr průměru válce DTH k průměru vrtání obecně nad 0,5.
3.3.1 Pracovní průměr válce a konstrukční zdvih
Pracovní průměr D válce lze vypočítat následovně:
D = K × D (vrtání) = (0,57 - 0,68) × D (vrtání) (3)
Pro toto provedení je D(vrtání) = 600 mm, takže D se bere jako 360 mm. Konstrukční zdvih S je empiricky uvažován jako S = 500 mm.
3.3.2 Hmotnost pístu
Radiální rozměry pístu jsou omezeny velikostí a strukturou válce, což umožňuje buď stejný nebo jiný průměr pístů. Lineární rozměry závisí na hmotnosti pístu, která také souvisí s rychlostí, kterou má při úderu do vrtáku. Stanovení konstrukčních rozměrů pístu je proto komplexním aspektem návrhu DTH. Hmotnost pístu DTH lze odhadnout takto:
m = 0,0205 D^2,84 (4)
kde m je hmotnost pístu v kg; D je pracovní průměr válce v cm.
Dosazením D = 36 se získá: m = 540 kg.
DTH se skládá hlavně z konstrukce přenosu točivého momentu a pneumatického nárazového mechanismu. Struktura přenosu krouticího momentu spojuje vrtací tyč a DTH, přenáší rotační řezné a tažné síly; pneumatický příklepový mechanismus vytváří příklep a poskytuje axiální sílu příklepové vrtací korunce. Konkrétní detaily struktury jsou zobrazeny na obrázku 3.
Struktura přenosu točivého momentu spojuje vrtací tyč a nárazové těleso. Horní kloub se spojuje s vrtací tyčí a nárazovým tělesem pomocí trubkových závitů, především pro zajištění plynotěsnosti a zároveň přenos točivého momentu a tažné síly. Zpětný ventil zabraňuje vniknutí bahna a vody do nárazového tělesa a vrtací tyče, ovládaný pružinou. Sedlo nasávání vzduchu s tyčí přívodu plynu funguje tak, že přivádí stlačený vzduch do válce, což usnadňuje činnost přívodu plynu spolu s válcem a pístem, čímž se dosahuje kombinovaného přívodu plynu. Pružinový pojistný kroužek zabraňuje vyklouznutí pístu z válce při výměně vrtáku.
3.4 Analýza konečných prvků vrtáku DTH
Vrták DTH je vystaven rázovým silám pístu a kroutícímu momentu hnací hlavy. Síla, kterou na píst působí stlačený vzduch, je dána:
F = P × S (5)
kde P je systémový tlak v Pa; S je silová plocha pístu v m².
Tedy F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Nárazová síla na vrták je tedy:
F' = kF (6)
kde k je koeficient nárazu; F je síla, kterou působí na vrták stlačený vzduch v N. Tedy F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Krouticí moment působící na vrták DTH hnací hlavou je N = 150 kN. Aplikací F' = 2688 kN a N = 150 kN na vrták při upevnění spodního čela vrtáku as použitím materiálu QT500-7 s mezí kluzu 320 MPa se provede analýza metodou konečných prvků. Konkrétní podmínky zatížení a omezení a rozdělení sítě jsou znázorněny na obrázcích 4 a 5.
Výsledky analýzy metodou konečných prvků jsou znázorněny na obrázku 6, což ukazuje, že maximální napětí je 144,355 MPa, což je méně než mez kluzu QT500-7 (320 MPa), čímž jsou splněny požadavky.