Разбијање кода тврдог бушења: ДТХ технологија која мења игру.

Према геолошким условима грађевинског подручја, постоје четири главне методе бушења које се обично користе у бушаћим постројењима, као што је приказано на слици 1.

а. Пнеуматске или хидрауличке ротационе главе у комбинацији са ударном опремом преносе енергију ротације и ударца кроз врхцев за бушење, испоручујући енергију до бургије путем ударних таласа у бушаћој цеви. Ова метода је ограничена на мале пречнике и мале дубине и генерално се користи у каменоломима, градилиштима и подземним рударским операцијама.

б.Довн-Тхе-Холе (ДТХ) чекићи налазе се на дну бушаће колоне. Компримовани ваздух улази у ДТХ кроз бушаћу колону, покрећући клип у повратном кретању који директно утиче на бургију, преносећи енергију удара на стену. Овај систем има минималан губитак снаге и посебно је погодан за дубоке рупе, равне рупе и средње тврде стене.

ц.Бушење са обрнутом циркулацијом (РЦ).користи ДТХ за прикупљање и транспорт узорака стена са лица бургије. Суви и неконтаминирани откос се транспортују кроз централну цев ДТХ у уређај за сакупљање узорака, припремајући се за геолошку анализу.

д. Мењач покретан хидрауличним или електричним моторима формира ротирајућу снагу, примењујући довољну силу за довод на бургију са три конуса кроз систем за напајање који се креће горе-доле на бушаћој платформи и бушаћој цеви са дебелим зидовима. Ова метода се користи за мекше или чврсто спојене тврде стене.

 

1. Принципи и карактеристике ДТХ

Формације избушене са ДТХ су скоро у потпуности способне да укључе све магматске стене, метаморфне стене и седиментне стене које су средње тврде или теже. ДТХ је посебно повољан за бушење тврдих стена и чврстих слојева јер тврда стена има тенденцију да буде крта. Под ударним оптерећењима, ломови се не јављају само на месту директног удара, већ стварају и зону прелома, што доводи до већих фрагмената стена. Дакле, брзина бушења је знатно већа у поређењу са чистим ротационим бушењем. Механички модел на слици 2 илуструје различита оптерећења која делују на стену током ударног ротационог бушења.

                                                             

Поред тога, ДТХ (Довн-тхе-Холе) бушење је веома ефикасно у формацијама склоним одступању бушотине, као што су слојеви са добро развијеним слојем и фолијацијом, или слојеви стена са неуједначеном тврдоћом и многим ломовима. Може значајно да смањи девијацију бушотине и такође превазиђе потешкоће у бушењу кроз слојеве шљунка и камењаре.

 

ДТХ бушење је развијено крајем 19. века и има историју дужу од једног века. Иако постоји много типова ДТХ бушилица, оне деле заједничку карактеристику: и ударни механизам и бургија су потопљени у бушотину, са ротацијом у комбинацији са ударом за разбијање стене. Опрема која се користи за стварање силе удара може се категорисати према начину вожње на пнеуматске, хидрауличке, под притиском уља, електричне и механичке.

 

Пошто енергија удара доживљава значајан губитак током преноса и може проузроковати значајну штету на ударним компонентама, генерално је потребно у дубљим операцијама бушења да опрема уђе у бушотину са алатом за бушење, тако да излазна ударна сила може да делује директно на бургију или језгро. Ово минимизира губитак енергије током преноса, побољшава енергетску ефикасност и смањује вероватноћу кварова опреме у бушотини.

Пнеуматски ДТХ, такође познат као ДТХ са ваздушним погоном, долази у многим структуралним типовима и методама класификације.

- По степену притиска: типови високог притиска, средњег притиска и ниског притиска.

- По укупној структури: непролазни и пролазни типови.

- По принципу рада вентила: тип контролног вентила, тип слободног вентила и хибридни тип вентила.

- По структури клипа: клип истог пречника, клип неједнаког пречника и тандемски типови клипа.

- По типу дистрибуције ваздуха: ДТХ са вентилима и ДТХ без вентила. ДТХ са вентилима се може поделити на типове вентила са плочама, вентила са диском и цилиндричног вентила, док се ДТХ без вентила може поделити на тип издувавања централне шипке, тип дистрибуције ваздуха са клипом и комбиновану дистрибуцију ваздуха клипом, цилиндром и средишњом шипком.

- Испирањем рупа и методом испуштања шљаке: прање централне рупе, прање предње рупе и прање бочних рупа.

2. Одређивање структурних шема механизма утицаја

2.1 Механизам удара клипа са сопственим гасом без вентила

Овај тип ударног механизма првенствено користи гасне пролазе у самом клипу за снабдевање гасом, што резултира сложеном структуром клипа са бројним гасним каналима, што смањује снагу и животни век клипа. Међутим, овај ударни механизам интегрише унутрашње и спољашње цилиндре, повећавајући ефективну радну површину клипа и повећавајући енергију ударца механизма.

2.2 Клип и цилиндар комбиновани механизам за довод гаса без вентила

Овај тип има једноставну структуру која се лако производи, има дужи век трајања клипа, а рупе за гас се налазе и на цилиндру и на клипу. Ова структура се широко користи у иностранству.

2.3 Ударни механизам за довод гаса у централној цеви без вентила

У овом механизму, отвори за усис ваздуха за горњу и доњу комору су распоређени на кружној цеви где клип клип. Захтева високу прецизност производње и има релативно кратак животни век централне цеви.

2.4 Механизам бочног удара издувних гасова

Такозвани бочни издувни гас значи да пут издувних гасова излази из тела цилиндра уместо да пролази кроз центар бургије до дна рупе. Овај тип ударног механизма обично има много усисних и издувних путева на телу цилиндра, што доводи до слабе чврстоће структуре, потенцијала за уздужне заморне пукотине и значајног губитка ваздушног притиска, што резултира субоптималним уклањањем остатака и ефектима хлађења бургије.

2.5 Централни издувни ударни механизам

Овај тип ударног механизма избацује остатке и гас директно из центра бургије до дна рупе. Директан проток ваздуха не само да побољшава ефикасност уклањања остатака, већ и побољшава ефикасност бушења и хлађења, продужавајући животни век бургије. Овај структурни тип замењује бројне уздужне жлебове у унутрашњем цилиндру бочних издувних механизама за удар са прстенастим жлебом, значајно смањујући концентрацију напрезања у унутрашњем цилиндру. Последњих година је постала широко прихваћена структура.

Ударни механизам клипа серије 2.6

Ударни механизам серијског клипа, такође познат као ударна глава са двоструким клипом, дели цилиндар на две коморе помоћу изолационог прстена. Овај дизајн омогућава да обе стране клипа раде истовремено унутар истог пречника отвора, што резултира већом снагом удара и већом фреквенцијом удара. Сходно томе, постоји двоструки издувни систем који ефикасно уклања камени прах са дна рупе. Међутим, његов главни недостатак је сложена структура и потреба за високом прецизношћу у машинској обради; на пример, клип има до пет спојних површина са припадајућим компонентама, што ограничава његову примену и унапређење. Стога, овај дизајн усваја другу опцију, а то је ударни механизам без вентила са комбинованим доводом гаса клипа и цилиндра. Његова структура је приказана на слици 3.

3.Теоријска анализа и релевантни прорачуни за ДТХ

3.1 Избор радних параметара**

3.1.1 Дужина и тежина чекића: Идејни пројекат предвиђа дужину мању од 4500 мм и тежину мању од 2500 кг.

3.1.2 Пречник чекића: Одговарајући пречник чекића се одређује на основу пречника бушења, подешеног на 540 мм.

3.1.3 Пречник бушења: Ово се односи на пречник рупе од шипа, обично између 550 мм и 600 мм.

3.1.4 Дубина бушења: Према захтевима за пројектовање шипова, то је обично између неколико десетина метара и сто метара.

3.1.5 Брзина бушења: ДТХ бушење генерално ради при малим брзинама ротације, обично између 7 и 25 р/с.

3.1.6 Ротациони момент: Максимални обртни момент за овај дизајн је постављен на 150 кН·м.

 

3.2 Прорачун пројектних параметара

Пројектни параметри за ДТХ, посебно параметри перформанси ДТХ ударне опреме, служе као основа за пројектовање машина и дефинишу перформансе произведене опреме.

3.2.1 Пројектовани притисак П за ударну опрему

У Кини, притисак од 0,49 МПа (приближно 5 × 10^5 Па) је широко изабран као стандард за дизајн опреме за пнеуматски удар. С обзиром да је ДТХ за овај дизајн ударни уређај без вентила са великим пречником бушења и тешким клипом, већи ваздушни притисак ће додатно побољшати перформансе. Поред тога, све су чешћи ваздушни компресори високог притиска, ау складу са међународним стандардом ИСО 5941-1979, изабран је пројектовани притисак од 1,6 МПа.

3.2.2 Снага удара

За ДТХ који се користи за бушење рупа великог пречника, пројектована енергија удара може значајно да варира. Енергија удара за овај дизајн се израчунава на следећи начин:

                                                 

3.2.3 Учесталост удара

Генерално, под константном енергијом удара, фреквенција удара је пропорционална излазној снази ударне главе. Међутим, када је пречник цилиндра фиксиран, повећање фреквенције удара захтева смањење хода клипа, што заузврат смањује снагу појединачног удара. Једном када снага појединачног удара падне испод одређеног прага, повећање фреквенције неће дати задовољавајуће резултате разбијања камена. Дакле, избор фреквенције удара је ограничен снагом удара.

За пнеуматски ДТХ који ради при пројектованом притиску од 0,5 МПа, фреквенција не би требало да прелази 16,8 Хз. Пошто ДТХ ради на пројектованим притисцима између 0,5 и 2,5 МПа, фреквенција удара може значајно да варира. Почетни избор фреквенције ударца може се израчунати на следећи начин:

ф = 10,4 + 7,6 П

(2) где је П притисак напајања система. За овај дизајн, П = 1,6 МПа, дакле:

ф = 10,4 + 7,6 × 1,6 = 22,5 Хз.

 

3.3 Пројектовање параметара конструкције

Главни структурни параметри ДТХ укључују пречник отвора цилиндра, ход клипа и димензије клипа. Повећање пречника цилиндра може повећати и снагу удара и фреквенцију, тако да пречник треба да буде максимизиран у границама структуралне величине. Типично, разлика између спољашњег пречника ДТХ и пречника отвора не би требало да буде мања од 15 до 20 мм, а спољно кућиште ДТХ не би требало да буде превише танко. Због тога је однос пречника ДТХ цилиндра и пречника бушења генерално изнад 0,5.

3.3.1 Радни пречник цилиндра и ход конструкције

Радни пречник Д цилиндра може се израчунати на следећи начин:

Д = К × Д(проврт) = (0,57 - 0,68) × Д(проврт) (3)

За овај дизајн, Д(проврт) = 600 мм, па се Д узима као 360 мм. Конструктивни ход С се емпиријски узима као С = 500 мм.

3.3.2 Маса клипа

Радијалне димензије клипа су ограничене величином и структуром цилиндра, омогућавајући клипове истог или различитог пречника. Линеарне димензије зависе од тежине клипа, што се такође односи на брзину коју има при удару у бургију. Стога је одређивање структурних димензија клипа сложен аспект ДТХ дизајна. Маса ДТХ клипа се може проценити на следећи начин:

м = 0,0205Д^2,84 (4)

где је м маса клипа у кг; Д је радни пречник цилиндра у цм.

Замена Д = 36 даје: м = 540 кг.

ДТХ се углавном састоји од структуре за пренос обртног момента и пнеуматског ударног механизма. Структура преноса обртног момента повезује шипку за бушење и ДТХ, преносећи ротационе силе сечења и вуче; пнеуматски ударни механизам ствара удар, пружајући аксијалну снагу ударној бургији. Специфични детаљи структуре су приказани на слици 3.

Структура за пренос обртног момента повезује шипку за бушење и ударни елемент. Горњи спој се повезује са шипком за бушење и ударном главом преко навоја цеви, првенствено да би се обезбедила непропусност гаса, а истовремено преноси обртни момент и вучна сила. Неповратни вентил спречава да блато и вода уђу у ударни елемент и шипку за бушење, контролисане опругом. Седиште за усис ваздуха са шипком за довод гаса функционише тако да уводи компримовани ваздух у цилиндар, олакшавајући акцију довода гаса заједно са цилиндром и клипом, чиме се постиже комбиновано снабдевање гасом. Опружни сигурносни прстен спречава клип клипа из цилиндра приликом замене бургије.

3.4 Анализа коначних елемената ДТХ бургије

ДТХ бургија је изложена ударним силама од клипа и обртном моменту из погонске главе. Сила коју компримовани ваздух делује на клип је дата као:

Ф = П × С (5)

где је П системски притисак у Па; С је површина силе клипа у м².

Дакле, Ф = 1,6 × 10^6 × 0,084 = 134400 Н.

Дакле, сила удара на бургију је:

Ф' = кФ (6)

где је к коефицијент удара; Ф је сила коју компримовани ваздух делује на бургију у Н. Дакле, Ф' = 20 × 134400 = 2688 кН.

Момент који се примењује на ДТХ бургију од стране погонске главе је Н = 150 кН. Применом Ф' = 2688 кН и Н = 150 кН на бургију при фиксирању доње чеоне стране бургије и коришћењем КТ500-7 материјала са граном течења од 320 МПа, врши се анализа коначних елемената. Специфични услови оптерећења и ограничења и подела мреже приказани су на сликама 4 и 5.

Резултати анализе коначних елемената приказани су на слици 6, показујући да је максимално напрезање 144,355 МПа, што је мање од границе течења КТ500-7 (320 МПа), чиме су испуњени услови.