Razbijanje kode vrtanja v trdi kamen: tehnologija DTH, ki spreminja igre.
Glede na geološke razmere na območju gradnje obstajajo štiri glavne metode vrtanja, ki jih običajno uporabljajo vrtalne naprave, kot je prikazano na sliki 1.
a. Vrtljive glave na pnevmatski ali hidravlični pogon v kombinaciji z udarno opremo prenašajo rotacijsko in udarno energijo skozi vrhvrtalna cev, ki dovaja energijo svedru preko udarnih valov v svedri. Ta metoda je omejena na majhne premere in plitke globine in se običajno uporablja v kamnolomih, gradbiščih in podzemnih rudarskih dejavnostih.
b.Kladiva za vrtanje (DTH). se nahajajo na dnu vrtalne verige. Stisnjen zrak vstopa v DTH skozi vrtalno verigo, pri čemer poganja bat v izmeničnem gibanju, ki neposredno vpliva na sveder in prenaša energijo udarca na skalo. Ta sistem ima minimalne izgube moči in je posebej primeren za globoke vrtine, ravne vrtine in srednje trde kamnine.
c.Vrtanje z obratno cirkulacijo (RC).uporablja DTH za zbiranje in transport vzorcev kamnin s čela svedra. Suhi in nekontaminirani odrezki se prenašajo skozi središčno cev DTH v napravo za zbiranje vzorcev, ki se pripravlja za geološko analizo.
d. Menjalnik, ki ga poganjajo hidravlični ali električni motorji, tvori vrtljivo pogonsko glavo, ki uporablja zadostno podajalno silo za tristožčasti sveder prek podajalnega sistema, ki se premika gor in dol po vrtalni napravi in debelostenski vrtalni cevi. Ta metoda se uporablja za mehkejše ali trde kamnine z močnimi spojkami.
- Načela in značilnosti DTH
Formacije, izvrtane z DTH, lahko skoraj v celoti vključujejo vse magmatske kamnine, metamorfne kamnine in sedimentne kamnine, ki so srednje trde ali trše. DTH je še posebej ugoden za vrtanje trde kamnine in žilavih plasti, ker je trda kamnina ponavadi krhka. Pri udarnih obremenitvah se zlomi ne pojavijo samo na mestu neposrednega udarca, ampak ustvarijo tudi zlomljeno območje, kar ima za posledico večje drobce kamnin. Tako je hitrost vrtanja bistveno večja v primerjavi s čistim rotacijskim vrtanjem. Mehanski model na sliki 2 ponazarja različne obremenitve, ki delujejo na skalo med udarnim rotacijskim vrtanjem.
Poleg tega je vrtanje DTH (Down-the-Hole) zelo učinkovito v formacijah, ki so nagnjene k odstopanju vrtine, kot so plasti z dobro razvito plastjo in foliacijo ali plasti kamnin z neenakomerno trdoto in številnimi zlomi. Lahko znatno zmanjša odstopanje vrtine in tudi premaga težave pri vrtanju skozi prodnate plasti in skalne postelje.
DTH vrtanje je bilo razvito v poznem 19. stoletju in ima več kot stoletje dolgo zgodovino. Čeprav obstaja veliko vrst DTH svedrov, imajo skupno značilnost: tako udarni mehanizem kot sveder sta potopljena v vrtino, pri čemer se vrtenje kombinira z udarcem, da razbije skalo. Opremo, ki se uporablja za ustvarjanje udarne sile, lahko glede na njihov način vožnje razdelimo na pnevmatsko, hidravlično, oljno tlačno, električno in mehansko.
Ker se udarna energija med prenosom občutno izgubi in lahko povzroči znatno škodo na prizadetih komponentah, je pri globljih vrtalnih operacijah na splošno potrebno, da oprema vstopi v vrtino z vrtalnim orodjem, tako da lahko izhodna udarna sila deluje neposredno na sveder ali cev za jedro. To zmanjša izgubo energije med prenosom, izboljša energetsko učinkovitost in zmanjša verjetnost okvar opreme v vrtini.
Pnevmatski DTH, znan tudi kot zračni DTH, je na voljo v številnih strukturnih tipih in metodah razvrščanja.
- Po razredu tlaka: visokotlačni, srednjetlačni in nizkotlačni.
- Po splošni strukturi: neprehodni in skoznji tipi.
- Po principu delovanja ventila: regulacijski ventil, prosti ventil in hibridni ventil.
- Po strukturi bata: bati z enakim premerom, bati z neenakim premerom in tandemski bati.
- Po vrsti distribucije zraka: DTH z ventili in DTH brez ventilov. DTH z ventili lahko razdelimo na ploščate ventile, ventile s ploščami in cilindrične tipe ventilov, medtem ko lahko DTH brez ventilov razdelimo na tip izpušnih plinov s sredinsko palico, tip z batno distribucijo zraka in kombinirano distribucijo zraka z batom, cilindrom in sredinsko palico.
- Z metodo pranja lukenj in odvajanja žlindre: pranje sredinske luknje, pranje sprednje luknje in pranje stranske luknje.
2. Določitev strukturnih shem mehanizma vpliva
2.1 Udarni mehanizem brez ventila s samodejnim dovajanjem plina
Ta vrsta udarnega mehanizma za dovod plina uporablja predvsem plinske prehode v samem batu, kar ima za posledico kompleksno strukturo bata s številnimi plinskimi kanali, kar zmanjšuje moč in življenjsko dobo bata. Vendar pa ta udarni mehanizem združuje notranji in zunanji valj, kar poveča učinkovito delovno območje bata in poveča udarno energijo mehanizma.
2.2 Kombinirani udarni mehanizem brez ventila za dovod plina z batom in valjem
Ta tip ima preprosto strukturo, ki je enostavna za izdelavo, ima daljšo življenjsko dobo bata, luknje za plin pa se nahajajo tako na cilindru kot na batu. Ta struktura se pogosto uporablja v tujini.
2.3 Sredinska cev za dovod plina, udarni mehanizem brez ventila
Pri tem mehanizmu so prehodi za dovod zraka za zgornjo in spodnjo komoro razporejeni na okrogli cevi, kjer drsi bat. Zahteva visoko natančnost izdelave in ima relativno kratko življenjsko dobo za sredinsko cev.
2.4 Mehanizem stranskega izpuha
Tako imenovani stranski izpuh pomeni, da pot izpušnih plinov zapusti telo cilindra, namesto da gre skozi središče svedra na dno izvrtine. Ta vrsta udarnega mehanizma ima običajno veliko sesalnih in izpušnih poti na telesu cilindra, kar vodi do slabe strukturne trdnosti, možnosti vzdolžnih utrujenostnih razpok in znatne izgube zračnega tlaka, kar ima za posledico neoptimalno odstranjevanje ostankov in učinke hlajenja svedra.
2.5 Sredinski izpušni udarni mehanizem
Ta vrsta udarnega mehanizma iztisne ostanke in plin neposredno iz središča svedra na dno luknje. Neposredni zračni tok ne poveča samo učinkovitosti odstranjevanja smeti, temveč tudi izboljša učinkovitost vrtanja in hlajenja, s čimer podaljša življenjsko dobo svedra. Ta strukturni tip nadomešča številne vzdolžne utore v notranjem cilindru bočnih izpušnih udarnih mehanizmov z obročastim utorom, ki močno zmanjša koncentracijo napetosti v notranjem valju. V zadnjih letih je postala široko sprejeta struktura.
Batni udarni mehanizem serije 2.6
Serijski batni udarni mehanizem, znan tudi kot udarna glava z dvojnim batom (glava), razdeli valj na dve komori z uporabo izolacijskega obroča. Ta zasnova omogoča, da obe ploskvi bata delujeta hkrati znotraj istega premera izvrtine, kar ima za posledico večjo udarno moč in višjo frekvenco udarcev. Temu primerno je na voljo dvojni izpušni sistem, ki učinkovito odstranjuje kameni prah z dna luknje. Vendar pa je njegova glavna pomanjkljivost zapletena struktura in potreba po visoki natančnosti pri obdelavi delov; na primer, bat ima do pet parnih površin s pripadajočimi komponentami, kar omejuje njegovo uporabo in napredovanje. Zato ta zasnova sprejme drugo možnost, to je udarni mehanizem brez ventila s kombiniranim dovodom plina iz bata in cilindra. Njegova struktura je prikazana na sliki 3.
3.Teoretična analiza in ustrezni izračuni za DTH
3.1 Izbira delovnih parametrov**
3.1.1 Dolžina in teža kladiva: Idejni projekt določa dolžino manj kot 4500 mm in težo manj kot 2500 kg.
3.1.2 Premer kladiva: Ustrezen premer kladiva se določi na podlagi premera vrtanja, nastavljenega na 540 mm.
3.1.3 Premer vrtanja: To se nanaša na premer luknje za pilote, običajno med 550 mm in 600 mm.
3.1.4 Globina vrtanja: V skladu z zahtevami za načrtovanje pilotov je ta običajno med nekaj deset in sto metri.
3.1.5 Hitrost vrtanja: DTH vrtanje na splošno deluje pri nizkih vrtilnih hitrostih, običajno med 7 in 25 vrt/s.
3.1.6 Rotacijski navor: Največji navor za to konstrukcijo je nastavljen na 150 kN·m.
3.2 Izračun konstrukcijskih parametrov
Konstrukcijski parametri za DTH, zlasti parametri zmogljivosti udarne opreme DTH, služijo kot osnova za načrtovanje stroja in določajo zmogljivost izdelane opreme.
3.2.1 Projektni tlak P za udarno opremo
Na Kitajskem je tlak 0,49 MPa (približno 5 × 10^5 Pa) splošno izbran kot konstrukcijski standard za pnevmatsko udarno opremo. Glede na to, da je DTH za to zasnovo udarna naprava brez ventila z velikim premerom vrtanja in težkim batom, bo višji zračni tlak še povečal učinkovitost. Poleg tega so visokotlačni zračni kompresorji vedno pogostejši, v skladu z mednarodnim standardom ISO 5941-1979 pa je izbran projektni tlak 1,6 MPa.
3.2.2 Moč udarca
Pri DTH, ki se uporablja za vrtanje lukenj velikega premera, lahko projektirana udarna energija znatno niha. Energija udarca za to zasnovo se izračuna na naslednji način:
3.2.3 Pogostost udarcev
Na splošno je pri stalni udarni energiji udarna frekvenca sorazmerna z izhodno močjo udarne glave. Ko pa je premer cilindra fiksen, je zaradi povečanja frekvence udarca potrebno zmanjšanje giba bata, kar posledično zmanjša moč posameznega udarca. Ko moč enkratnega udarca pade pod določeno mejno vrednost, povečanje frekvence ne bo prineslo zadovoljivih rezultatov lomljenja skal. Tako je izbira frekvence udarca omejena z močjo udarca.
Za pnevmatski DTH, ki deluje pri konstrukcijskem tlaku 0,5 MPa, frekvenca ne sme preseči 16,8 Hz. Ker DTH deluje pri konstrukcijskih tlakih med 0,5 in 2,5 MPa, se lahko frekvenca udarca zelo razlikuje. Začetno izbiro frekvence udarne glave je mogoče izračunati na naslednji način:
f = 10,4 + 7,6P
(2) kjer je P dovodni tlak sistema. Za to zasnovo je P = 1,6 MPa, torej:
f = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Hz.
3.3 Oblikovanje strukturnih parametrov
Glavni strukturni parametri DTH vključujejo premer izvrtine valja, hod bata in dimenzije bata. Povečanje premera cilindra lahko poveča udarno moč in frekvenco, zato je treba premer čim bolj povečati v mejah strukturne velikosti. Običajno razlika med zunanjim premerom DTH in premerom izvrtine ne sme biti manjša od 15 do 20 mm, zunanje ohišje DTH pa ne sme biti pretanko. Zato je razmerje med premerom cilindra DTH in premerom vrtanja na splošno nad 0,5.
3.3.1 Delovni premer cilindra in konstrukcijski hod
Delovni premer D valja je mogoče izračunati na naslednji način:
D = K × D (izvrtina) = (0,57 - 0,68) × D (izvrtina) (3)
Za to zasnovo je D(izvrtina) = 600 mm, zato je D vzet kot 360 mm. Strukturni hod S je empirično vzet kot S = 500 mm.
3.3.2 Masa bata
Radialne dimenzije bata so omejene z velikostjo in strukturo cilindra, kar omogoča bate z enakim ali različnim premerom. Linearne dimenzije so odvisne od teže bata, ki je povezana tudi s hitrostjo, ki jo ima pri udarcu v sveder. Zato je določanje strukturnih dimenzij bata kompleksen vidik načrtovanja DTH. Maso bata DTH je mogoče oceniti na naslednji način:
m = 0,0205D^2,84 (4)
kjer je m masa bata v kg; D je delovni premer valja v cm.
Če zamenjamo D = 36, dobimo: m = 540 kg.
DTH je v glavnem sestavljen iz strukture za prenos navora in pnevmatskega udarnega mehanizma. Struktura prenosa navora povezuje vrtalno palico in DTH, prenaša rotacijske rezalne in vlečne sile; pnevmatski udarni mehanizem ustvarja udarec in zagotavlja aksialno moč udarnemu svedru. Specifične podrobnosti strukture so prikazane na sliki 3.
Struktura prenosa navora povezuje vrtalno palico in udarno glavo. Zgornji spoj je povezan z vrtalno palico in udarno glavo skozi cevne navoje, predvsem za zagotavljanje tesnosti za plin, hkrati pa prenaša navor in vlečno silo. Protipovratni ventil preprečuje, da bi blato in voda vstopila v udarno glavo in vrtalno palico, ki ju nadzira vzmet. Sedež za dovod zraka s palico za dovod plina deluje tako, da dovaja stisnjen zrak v jeklenko, kar olajša delovanje dovoda plina skupaj z valjem in batom, s čimer se doseže kombinirana oskrba s plinom. Vzmetni varnostni obroč preprečuje zdrs bata iz cilindra pri zamenjavi svedra.
3.4 Analiza končnih elementov DTH svedra
Sveder DTH je izpostavljen udarnim silam bata in navoru pogonske glave. Sila, s katero na bat deluje stisnjen zrak, je podana z:
F = P × S (5)
kjer je P sistemski tlak v Pa; S je površina sile bata v m².
Tako je F = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 N.
Zato je udarna sila na sveder:
F' = kF (6)
kjer je k udarni koeficient; F je sila, s katero na sveder deluje stisnjen zrak v N. Tako je F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Navor, ki ga pogonska glava uporablja za sveder DTH, je N = 150 kN. Z uporabo F' = 2688 kN in N = 150 kN na sveder med pritrjevanjem spodnje čelne ploskve svedra in z uporabo materiala QT500-7 z mejo tečenja 320 MPa, se izvede analiza končnih elementov. Specifični pogoji obremenitve in omejitve ter razdelitev mrežnega očesa so prikazani na slikah 4 in 5.
Rezultati analize končnih elementov so prikazani na sliki 6, kar kaže, da je največja napetost 144,355 MPa, kar je manj od meje tečenja QT500-7 (320 MPa), s čimer izpolnjuje zahteve.