A kemény kőzetfúrás kódjának feltörése: A játékot megváltoztató DTH technológia.
Az építési terület geológiai adottságai szerint a fúróberendezések által általánosan használt négy fő fúrási módszer létezik, amint az 1. ábrán látható.
a. A pneumatikus vagy hidraulikus hajtású forgófejek ütköztető berendezéssel kombinálva továbbítják a forgási és ütési energiát a készülék tetején keresztül.fúrócső, energiát juttat a fúrószárhoz a fúrócsőben lévő lökéshullámokon keresztül. Ez a módszer kis átmérőkre és sekély mélységekre korlátozódik, és általában kőbányákban, építkezéseken és földalatti bányászati műveletekben alkalmazzák.
b.Down-The-Hole (DTH) kalapácsok a fúrósor alján találhatók. A sűrített levegő a fúrószálon keresztül jut be a DTH-ba, és egy dugattyút hajt végre, és ez közvetlenül a fúrószárat érinti, és az ütközési energiát a kőzetre továbbítja. Ez a rendszer minimális teljesítményveszteséggel rendelkezik, és különösen alkalmas mély lyukak, egyenes lyukak és közepesen kemény sziklák esetén.
c.Fordított keringtetésű (RC) fúrásDTH-t használ a kőzetminták gyűjtésére és szállítására a fúrófej felületéről. A száraz és szennyezetlen dugványokat a DTH középső csövén keresztül egy mintagyűjtő berendezésbe szállítják, előkészítve a geológiai elemzésre.
d. A hidraulikus vagy villanymotorral hajtott hajtómű forgó erőfejet képez, amely elegendő előtolóerőt fejt ki a három kúpos fúróra egy előtolórendszeren keresztül, amely fel-le mozog a fúróberendezésen és egy vastag falú fúrócsőn. Ezt a módszert lágyabb kőzeteknél vagy erősen illesztett kemény kőzeteknél alkalmazzák.
- A DTH alapelvei és jellemzői
A DTH-val fúrt képződmények szinte teljes mértékben képesek az összes magmás kőzet, metamorf kőzet és üledékes kőzet befogadására, amelyek közepesen kemények vagy keményebbek. A DTH különösen előnyös kemény kőzetek és kemény rétegek fúrásához, mivel a kemény kőzet hajlamos rideggé válni. Ütközési terhelések hatására a repedések nem csak a közvetlen becsapódás helyén következnek be, hanem törött zónát is létrehoznak, ami nagyobb szikladarabokat eredményez. Így a fúrási sebesség lényegesen gyorsabb a tiszta rotációs fúráshoz képest. A 2. ábrán látható mechanikai modell szemlélteti a kőzetre ható különféle terheléseket az ütvefúrás során.
Ezen túlmenően a DTH (Down-the-Hole) fúrás rendkívül hatékony a fúrólyuk eltérésére hajlamos képződményekben, mint például a jól fejlett ágyazatú és fóliázott rétegekben, vagy egyenetlen keménységű és sok töréssel rendelkező kőzetrétegekben. Jelentősen csökkentheti a fúrólyuk eltérését, és leküzdheti a kavicsrétegek és sziklatömbök átfúrásának nehézségeit is.
A DTH fúrást a 19. század végén fejlesztették ki, és több mint egy évszázados múltra tekint vissza. Bár sokféle DTH fúró létezik, van egy közös jellemzőjük: mind az ütőmechanizmus, mind a fúrófej bemerül a fúrólyukba, a forgás és az ütközés kombinálva a szikla megtörése érdekében. Az ütési erő létrehozására használt berendezések hajtásmódjuk szerint pneumatikus, hidraulikus, olajnyomásos, elektromos és mechanikus típusokra oszthatók.
Mivel az ütési energia jelentős veszteséget szenved az átvitel során, és jelentős károkat okozhat az ütköző alkatrészekben, a mélyebb fúrási műveleteknél általában szükséges, hogy a berendezés a fúrószerszámmal együtt lépjen be a furatba, hogy a kimenő ütőerő közvetlenül a fúrószárra vagy a maghordóra tudjon hatni. Ez minimálisra csökkenti az energiaveszteséget az átvitel során, javítja az energiahatékonyságot, és csökkenti a fúrólyuk berendezések meghibásodásának valószínűségét.
A pneumatikus DTH, más néven levegővel vezérelt DTH, számos szerkezeti típusban és osztályozási módszerben létezik.
- Nyomásbesorolás szerint: nagynyomású, közepes nyomású és alacsony nyomású típusok.
- Átfogó szerkezet szerint: nem átmenő és átmenő típusok.
- Szelep működési elve szerint: vezérlőszelep típus, szabad szelep típus és hibrid szelep típus.
- Dugattyúszerkezet szerint: azonos átmérőjű dugattyú, nem egyenlő átmérőjű dugattyú és tandem dugattyútípusok.
- Levegőelosztó típus szerint: szelepes DTH és szelep nélküli DTH. A szelepes DTH felosztható lemezszelepes, tárcsaszelepes és hengeres szelepes típusokra, míg a szelep nélküli DTH felosztható középrúd kipufogó típusra, dugattyús levegőelosztó típusra, valamint kombinált dugattyús, hengeres és középső rúdú levegőelosztásra.
- Lyukmosás és salakürítési módszer szerint: középső lyukmosás, első furatmosás és oldalsó furatmosás.
2. Hatásmechanizmus-szerkezeti sémák meghatározása
2.1 Dugattyús öngáz-ellátó, nem szelepes ütközési mechanizmus
Ez a fajta ütőmechanizmus elsősorban magában a dugattyúban lévő gázjáratokat használja gázellátásra, ami egy összetett dugattyúszerkezetet eredményez számos gázcsatornával, ami csökkenti a dugattyú szilárdságát és élettartamát. Ez az ütőmechanizmus azonban integrálja a belső és külső hengereket, növelve a dugattyú effektív munkaterületét és növelve a mechanizmus ütközési energiáját.
2.2 Dugattyús és hengeres kombinált gázellátó, nem szelepes ütközési mechanizmus
Ez a típus egyszerű felépítésű, könnyen gyártható, hosszabb a dugattyú élettartama, a gázlyukak mind a hengeren, mind a dugattyún találhatók. Ezt a szerkezetet külföldön széles körben használják.
2.3 Központi cső gázellátó nem szelepes ütközési mechanizmus
Ebben a mechanizmusban a felső és alsó kamra levegőbeszívó járatai a kör alakú csövön vannak elrendezve, ahol a dugattyú elcsúszik. Nagy gyártási pontosságot igényel, és viszonylag rövid élettartammal rendelkezik a központi cső esetében.
2.4 Oldalsó kipufogó ütközési mechanizmus
Az úgynevezett oldalsó kipufogógáz azt jelenti, hogy a kipufogógáz útja kilép a hengertestből, nem pedig a fúrószár közepén haladva a furat aljáig. Az ilyen típusú ütközőmechanizmusok jellemzően sok szívó- és kipufogóúttal rendelkeznek a hengertesten, ami gyenge szerkezeti szilárdsághoz, hosszirányú kifáradási repedések kialakulásához és jelentős légnyomásveszteséghez vezet, ami szuboptimális törmelékeltávolítást és a fúrószár hűtését eredményezi.
2.5 Központi kipufogógáz ütközési mechanizmus
Ez a fajta ütőmechanizmus a törmeléket és a gázt közvetlenül a fúrószár közepétől a furat aljáig távolítja el. A közvetlen légáramlás nemcsak a törmelékeltávolítás hatékonyságát javítja, hanem javítja a fúrás hatékonyságát és a hűtést is, meghosszabbítva a fúrószár élettartamát. Ez a szerkezeti típus az oldalsó kipufogó-ütköző mechanizmusok belső hengerének számos hosszirányú hornyát gyűrű alakú horonnyal helyettesíti, nagymértékben csökkentve a belső henger feszültségkoncentrációját. Az elmúlt években széles körben elfogadott szerkezetté vált.
2.6 sorozatú dugattyús ütközési mechanizmus
A sorozatos dugattyús ütőmechanizmus, más néven kétdugattyús (fejes) ütközésmérő, a hengert egy szigetelőgyűrű segítségével két kamrára osztja. Ez a kialakítás lehetővé teszi, hogy mindkét dugattyúfelület egyidejűleg működjön ugyanazon a furatátmérőn belül, ami nagyobb ütési teljesítményt és nagyobb ütési gyakoriságot eredményez. Ennek megfelelően van egy kettős kipufogórendszer, amely hatékonyan távolítja el a kőport a lyuk aljáról. Legfőbb hátránya azonban a bonyolult felépítése és a nagy pontosság igénye az alkatrészek megmunkálásakor; Például a dugattyúnak legfeljebb öt illeszkedő felülete van a hozzájuk tartozó alkatrészekkel, ami korlátozza alkalmazását és népszerűsítését. Ezért ez a kialakítás a második opciót alkalmazza, amely a nem szelepes ütközési mechanizmus dugattyús és hengeres kombinált gázellátással. Szerkezete a 3. ábrán látható.
3. A DTH elméleti elemzése és vonatkozó számításai
3.1 A működési paraméterek kiválasztása**
3.1.1 Kalapács hossza és súlya: Az előzetes terv 4500 mm-nél kisebb hosszúságot és 2500 kg-nál kisebb súlyt ad meg.
3.1.2 Kalapácsátmérő: A megfelelő kalapácsátmérőt az 540 mm-re beállított fúrási átmérő alapján határozzák meg.
3.1.3 Fúrási átmérő: Ez a cölöplyuk átmérőjére vonatkozik, általában 550 mm és 600 mm között.
3.1.4 Fúrásmélység: A cölöpök tervezési követelményei szerint ez jellemzően több tucat méter és száz méter között van.
3.1.5 Fúrási sebesség: A DTH fúrás általában alacsony fordulatszámon működik, jellemzően 7 és 25 r/s között.
3.1.6 Forgási nyomaték: Ennél a kialakításnál a maximális nyomaték 150 kN·m.
3.2 Tervezési paraméterek számítása
A DTH tervezési paraméterei, különösen a DTH ütőberendezések teljesítményparaméterei a géptervezés alapjául szolgálnak, és meghatározzák a gyártott berendezés teljesítményét.
3.2.1 P tervezési nyomás ütközőberendezéseknél
Kínában a 0,49 MPa (körülbelül 5 × 10^5 Pa) nyomást széles körben választják a pneumatikus ütőberendezések tervezési szabványaként. Tekintettel arra, hogy ehhez a kialakításhoz a DTH egy nem szelepes ütőmű nagy fúrási átmérővel és nehéz dugattyúval, a magasabb légnyomás tovább javítja a teljesítményt. Ezenkívül a nagynyomású légkompresszorok egyre elterjedtebbek, és az ISO 5941-1979 nemzetközi szabványnak megfelelően 1,6 MPa tervezési nyomást választanak.
3.2.2 Ütőerő
A nagy átmérőjű lyukak fúrására használt DTH esetében a tervezett ütközési energia jelentősen ingadozhat. Ennek a kialakításnak az ütési energiáját a következőképpen számítják ki:
3.2.3 Ütésgyakoriság
Általában állandó ütközési energia mellett az ütközési frekvencia arányos az ütközésmérő kimeneti teljesítményével. Ha azonban a henger átmérője rögzített, az ütközési gyakoriság növelése szükségessé teszi a dugattyúlöket csökkentését, ami viszont csökkenti az egyszeri ütközési teljesítményt. Ha az egyszeri becsapódási teljesítmény egy bizonyos küszöb alá esik, a frekvencia növelése nem hoz kielégítő sziklatörési eredményeket. Így az ütközési frekvencia kiválasztását az ütési teljesítmény korlátozza.
0,5 MPa tervezési nyomáson működő pneumatikus DTH esetén a frekvencia nem haladhatja meg a 16,8 Hz-et. Mivel a DTH 0,5 és 2,5 MPa közötti tervezési nyomáson működik, az ütközési gyakoriság jelentősen változhat. Az ütközésmérő frekvenciájának kezdeti kiválasztása a következőképpen számítható ki:
f = 10,4 + 7,6 P
(2) ahol P a rendszer tápnyomása. Ennél a kialakításnál P = 1,6 MPa, ezért:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Strukturális paraméterek tervezése
A DTH fő szerkezeti paraméterei közé tartozik a hengerfurat átmérője, a dugattyúlöket és a dugattyúméretek. A henger átmérőjének növelése növelheti mind az ütközési teljesítményt, mind a frekvenciát, ezért az átmérőt a szerkezeti méret határain belül kell maximalizálni. Általában a DTH külső átmérője és a furatátmérő közötti különbség nem lehet kisebb 15-20 mm-nél, és a DTH külső burkolata nem lehet túl vékony. Ezért a DTH henger átmérőjének és a fúrás átmérőjének aránya általában 0,5 felett van.
3.3.1 A henger munkaátmérője és a szerkezeti löket
A henger D munkaátmérője a következőképpen számítható ki:
D = K × D(furat) = (0,57 - 0,68) × D (furat) (3)
Ennél a kialakításnál D(furat) = 600 mm, tehát D-t 360 mm-nek vesszük. Az S szerkezeti löketet empirikusan úgy vettük, hogy S = 500 mm.
3.3.2 Dugattyú tömege
A dugattyú sugárirányú méreteit a henger mérete és szerkezete korlátozza, lehetővé téve az azonos vagy eltérő átmérőjű dugattyúkat. A lineáris méretek a dugattyú súlyától függenek, ami a fúrószárba ütközéskor tapasztalható sebességhez is kapcsolódik. Ezért a dugattyú szerkezeti méreteinek meghatározása a DTH tervezés összetett szempontja. A DTH dugattyú tömege a következőképpen becsülhető meg:
m = 0,0205 D^2,84 (4)
ahol m a dugattyú tömege kg-ban; D a henger munkaátmérője cm-ben.
D = 36 behelyettesítésével hozamok: m = 540 kg.
A DTH főként egy nyomatékátviteli szerkezetből és egy pneumatikus ütőmechanizmusból áll. A nyomatékátviteli szerkezet összeköti a fúrórudat és a DTH-t, átadva a forgó vágó- és húzóerőket; a pneumatikus ütőmechanizmus ütést generál, axiális erőt biztosítva az ütvefúrófejnek. A konkrét szerkezeti részletek a 3. ábrán láthatók.
A nyomatékátvivő szerkezet köti össze a fúrórudat és az ütközésmérőt. A felső csukló csőmeneteken keresztül kapcsolódik a fúrórúdhoz és az ütközésmérőhöz, elsősorban a gáztömörség biztosítása érdekében, miközben a nyomatékot és a húzóerőt is továbbítja. A visszacsapó szelep megakadályozza, hogy sár és víz bejusson az ütközésmérőbe és a fúrórúdba, amelyet egy rugó vezérel. A gázellátó rúddal ellátott légbeömlő ülék feladata sűrített levegő bevezetése a hengerbe, megkönnyítve a gázellátást a hengerrel és a dugattyúval együtt, ezáltal kombinált gázellátás érhető el. A rugós biztonsági gyűrű megakadályozza, hogy a dugattyú kicsússzon a hengerből a fúrószár cseréjekor.
3.4 DTH fúrófej végeselem-elemzése
A DTH fúrószárat a dugattyú ütési erői és a meghajtófej nyomatéka éri. A sűrített levegő által a dugattyúra ható erőt a következő képlet adja meg:
F = P × S (5)
ahol P a rendszernyomás Pa-ban; S a dugattyú erőterülete m²-ben.
Így F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Ezért a fúrószárra ható ütési erő:
F' = kF (6)
ahol k az ütközési együttható; F a sűrített levegő által a fúrószárra kifejtett erő N-ben. Így F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
A meghajtófej által a DTH fúrószárra alkalmazott nyomaték N = 150 kN. F' = 2688 kN és N = 150 kN fúrót alkalmazva a fúrószár alsó végfelületének rögzítése közben, valamint QT500-7 anyag felhasználásával 320 MPa folyáshatárral végeselemes analízis történik. A fajlagos terhelési és kényszerfeltételeket, valamint a hálófelosztást a 4. és 5. ábra mutatja.
A végeselemes analízis eredményeit a 6. ábra mutatja, amely azt jelzi, hogy a maximális feszültség 144,355 MPa, ami kisebb, mint a QT500-7 folyáshatára (320 MPa), így megfelel a követelményeknek.