Memecahkan Kod Penggerudian Hard Rock: Teknologi DTH yang Mengubah Permainan.
Mengikut keadaan geologi kawasan pembinaan, terdapat empat kaedah penggerudian utama yang biasa digunakan oleh pelantar gerudi, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1.
a. Kepala putar yang dipacu pneumatik atau hidraulik digabungkan dengan peralatan hentaman menghantar tenaga putaran dan hentaman melalui bahagian ataspaip gerudi, menghantar tenaga ke mata gerudi melalui gelombang kejutan dalam paip gerudi. Kaedah ini terhad kepada diameter kecil dan kedalaman cetek dan biasanya digunakan dalam kuari, tapak pembinaan, dan operasi perlombongan bawah tanah.
b.tukul Down-The-Hole (DTH). terletak di bahagian bawah tali gerudi. Udara termampat memasuki DTH melalui rentetan gerudi, memacu omboh dalam gerakan salingan yang secara langsung memberi kesan kepada mata gerudi, memindahkan tenaga hentaman ke batu. Sistem ini mempunyai kehilangan kuasa yang minimum dan amat sesuai untuk lubang dalam, lubang lurus dan batu sederhana keras.
c.Penggerudian peredaran songsang (RC).menggunakan DTH untuk mengumpul dan mengangkut sampel batuan dari muka mata gerudi. Keratan kering dan tidak tercemar disalurkan melalui paip tengah DTH ke dalam peranti pengumpulan sampel, menyediakan untuk analisis geologi.
d. Kotak gear yang digerakkan oleh motor hidraulik atau elektrik membentuk kepala kuasa berputar, menggunakan daya suapan yang mencukupi pada bit gerudi tiga kon melalui sistem suapan yang bergerak ke atas dan ke bawah pada pelantar gerudi dan paip gerudi berdinding tebal. Kaedah ini digunakan untuk batuan yang lebih lembut atau batuan keras yang bercantum kuat.
- Prinsip dan Ciri DTH
Formasi yang digerudi dengan DTH hampir keseluruhannya mampu memasukkan semua batuan igneus, batuan metamorfik, dan batuan sedimen yang sederhana keras atau lebih keras. DTH amat berfaedah untuk menggerudi batu keras dan strata tegar kerana batuan keras cenderung rapuh. Di bawah beban hentaman, keretakan bukan sahaja berlaku di tapak hentaman langsung tetapi juga mewujudkan zon pecah, mengakibatkan serpihan batu yang lebih besar. Oleh itu, kelajuan penggerudian adalah lebih cepat berbanding dengan penggerudian berputar tulen. Model mekanikal dalam Rajah 2 menggambarkan pelbagai beban yang bertindak ke atas batu semasa penggerudian berputar hentaman.
Di samping itu, penggerudian DTH (Down-the-Hole) sangat berkesan dalam formasi yang terdedah kepada sisihan lubang gerudi, seperti strata dengan peralatan tempat tidur dan foliasi yang dibangunkan dengan baik, atau lapisan batuan dengan kekerasan tidak sekata dan banyak keretakan. Ia boleh mengurangkan sisihan lubang geru dengan ketara dan juga mengatasi kesukaran dalam penggerudian melalui lapisan kerikil dan dasar batu.
Penggerudian DTH telah dibangunkan pada akhir abad ke-19 dan mempunyai sejarah lebih dari satu abad. Walaupun terdapat banyak jenis gerudi DTH, ia berkongsi ciri yang sama: kedua-dua mekanisme hentaman dan mata gerudi ditenggelami ke dalam lubang gerudi, dengan putaran digabungkan dengan hentaman untuk memecahkan batu. Peralatan yang digunakan untuk menjana daya hentaman boleh dikategorikan mengikut kaedah pemanduannya kepada jenis pneumatik, hidraulik, tekanan minyak, elektrik dan mekanikal.
Memandangkan tenaga hentaman mengalami kerugian yang ketara semasa penghantaran dan boleh menyebabkan kerosakan besar pada komponen yang terjejas, secara amnya diperlukan dalam operasi penggerudian yang lebih mendalam bahawa peralatan memasuki lubang gerudi dengan alat gerudi, supaya daya hentaman keluaran boleh bertindak terus pada mata gerudi. atau tong teras. Ini meminimumkan kehilangan tenaga semasa penghantaran, meningkatkan kecekapan tenaga, dan mengurangkan kemungkinan kegagalan peralatan lubang bawah.
DTH pneumatik, juga dikenali sebagai DTH dipacu udara, terdapat dalam banyak jenis struktur dan kaedah pengelasan.
- Mengikut penilaian tekanan: jenis tekanan tinggi, tekanan sederhana dan tekanan rendah.
- Mengikut struktur keseluruhan: jenis bukan melalui dan melalui.
- Mengikut prinsip operasi injap: jenis injap kawalan, jenis injap bebas dan jenis injap hibrid.
- Mengikut struktur omboh: omboh diameter sama, omboh diameter tidak sama, dan jenis omboh tandem.
- Mengikut jenis pengedaran udara: DTH injap dan DTH tanpa injap. DTH berinjap boleh dibahagikan kepada jenis injap plat, injap cakera, dan injap silinder, manakala DTH tanpa injap boleh dibahagikan kepada jenis ekzos rod tengah, jenis pengedaran udara omboh, dan pengedaran udara gabungan oleh omboh, silinder dan rod tengah.
- Dengan kaedah mencuci lubang dan pelepasan sanga: basuh lubang tengah, basuh lubang hadapan, dan basuh lubang sisi.
2. Penentuan Skim Struktur Mekanisme Kesan
2.1 Mekanisme Kesan Bukan Injap Bekalan Gas Kendiri Omboh
Mekanisme impak jenis ini terutamanya menggunakan saluran gas dalam omboh itu sendiri untuk bekalan gas, menghasilkan struktur omboh yang kompleks dengan banyak saluran gas, yang mengurangkan kekuatan dan jangka hayat omboh. Walau bagaimanapun, mekanisme hentaman ini menyepadukan silinder dalam dan luar, meningkatkan kawasan kerja berkesan omboh dan meningkatkan tenaga hentaman mekanisme.
2.2 Mekanisme Impak Bukan Injap Bekalan Omboh dan Silinder Gas
Jenis ini mempunyai struktur ringkas yang mudah dihasilkan, mempunyai jangka hayat omboh yang lebih lama, dan lubang gas terletak pada kedua-dua silinder dan omboh. Struktur ini digunakan secara meluas di luar negara.
2.3 Mekanisme Kesan Bukan Injap Bekalan Gas Pusat Paip
Dalam mekanisme ini, laluan pengambilan udara untuk ruang atas dan bawah disusun pada paip bulat tempat omboh meluncur. Ia memerlukan ketepatan pembuatan yang tinggi dan mempunyai jangka hayat yang agak pendek untuk paip tengah.
2.4 Mekanisme Kesan Ekzos Sisi
Apa yang dipanggil ekzos sisi bermaksud laluan gas ekzos keluar dari badan silinder dan bukannya melalui pusat mata gerudi ke bahagian bawah lubang. Mekanisme hentaman jenis ini biasanya mempunyai banyak laluan masuk dan ekzos pada badan silinder, yang membawa kepada kekuatan struktur yang lemah, potensi retak keletihan membujur, dan kehilangan tekanan udara yang ketara, mengakibatkan penyingkiran serpihan yang tidak optimum dan kesan penyejukan untuk mata gerudi.
2.5 Mekanisme Kesan Ekzos Pusat
Mekanisme impak jenis ini mengeluarkan serpihan dan gas terus dari tengah mata gerudi ke bahagian bawah lubang. Aliran udara terus bukan sahaja meningkatkan kecekapan penyingkiran serpihan tetapi juga meningkatkan kecekapan penggerudian dan penyejukan, memanjangkan jangka hayat mata gerudi. Jenis struktur ini menggantikan banyak alur membujur dalam silinder dalam mekanisme hentaman ekzos sisi dengan alur anulus, dengan banyaknya mengurangkan kepekatan tegasan dalam silinder dalam. Ia telah menjadi struktur yang diterima pakai secara meluas dalam beberapa tahun kebelakangan ini.
2.6 Mekanisme Hentaman Omboh Siri
Mekanisme hentaman omboh siri, juga dikenali sebagai hentam dwi-omboh (kepala), membahagikan silinder kepada dua ruang menggunakan gelang pengasing. Reka bentuk ini membolehkan kedua-dua muka omboh berfungsi serentak dalam diameter lubang yang sama, menghasilkan kuasa hentaman yang lebih besar dan kekerapan hentaman yang lebih tinggi. Sejajar dengan itu, terdapat sistem ekzos dwi yang berkesan menghilangkan serbuk batu dari bahagian bawah lubang. Walau bagaimanapun, kelemahan utamanya ialah strukturnya yang kompleks dan keperluan untuk ketepatan tinggi dalam bahagian pemesinan; contohnya, omboh mempunyai sehingga lima permukaan mengawan dengan komponen yang berkaitan, yang mengehadkan penggunaan dan promosinya. Oleh itu, reka bentuk ini menggunakan pilihan kedua, iaitu mekanisme hentaman bukan injap dengan bekalan gas gabungan omboh dan silinder. Strukturnya ditunjukkan dalam Rajah 3.
3. Analisis Teori dan Pengiraan Berkaitan untuk DTH
3.1 Pemilihan Parameter Operasi**
3.1.1 Panjang dan Berat Tukul: Reka bentuk awal menentukan panjang kurang daripada 4500 mm dan berat kurang daripada 2500 kg.
3.1.2 Diameter Tukul: Diameter tukul yang sesuai ditentukan berdasarkan diameter penggerudian, ditetapkan pada 540 mm.
3.1.3 Diameter Penggerudian: Ini merujuk kepada diameter lubang cerucuk, secara amnya antara 550 mm dan 600 mm.
3.1.4 Kedalaman Penggerudian: Mengikut keperluan reka bentuk cerucuk, ini biasanya antara beberapa dozen meter dan seratus meter.
3.1.5 Kelajuan Gerudi: Penggerudian DTH biasanya beroperasi pada kelajuan putaran rendah, biasanya antara 7 dan 25 r/s.
3.1.6 Tork Putaran: Tork maksimum untuk reka bentuk ini ditetapkan pada 150 kN·m.
3.2 Pengiraan Parameter Reka Bentuk
Parameter reka bentuk untuk DTH, khususnya parameter prestasi peralatan kesan DTH, berfungsi sebagai asas untuk reka bentuk mesin dan menentukan prestasi peralatan yang dikeluarkan.
3.2.1 Reka Bentuk Tekanan P untuk Peralatan Impak
Di China, tekanan 0.49 MPa (kira-kira 5 × 10^5 Pa) dipilih secara meluas sebagai standard reka bentuk untuk peralatan hentaman pneumatik. Memandangkan DTH untuk reka bentuk ini ialah peranti hentaman bukan injap dengan diameter penggerudian yang besar dan omboh berat, tekanan udara yang lebih tinggi akan meningkatkan lagi prestasi. Selain itu, pemampat udara tekanan tinggi semakin biasa, dan mengikut piawaian antarabangsa ISO 5941-1979, tekanan reka bentuk 1.6 MPa dipilih.
3.2.2 Kuasa Kesan
Untuk DTH yang digunakan untuk menggerudi lubang diameter besar, tenaga impak reka bentuk boleh berubah-ubah dengan ketara. Tenaga impak untuk reka bentuk ini dikira seperti berikut:
3.2.3 Kekerapan Kesan
Secara amnya, di bawah tenaga hentaman malar, kekerapan hentaman adalah berkadar dengan kuasa keluaran hentam. Walau bagaimanapun, apabila diameter silinder ditetapkan, meningkatkan kekerapan hentaman memerlukan pengurangan lejang omboh, yang seterusnya mengurangkan kuasa hentaman tunggal. Apabila kuasa hentaman tunggal jatuh di bawah ambang tertentu, meningkatkan kekerapan tidak akan menghasilkan hasil pecah batu yang memuaskan. Oleh itu, pemilihan kekerapan hentaman dikekang oleh kuasa hentaman.
Untuk DTH pneumatik yang beroperasi pada tekanan reka bentuk 0.5 MPa, frekuensi tidak boleh melebihi 16.8 Hz. Memandangkan DTH beroperasi pada tekanan reka bentuk antara 0.5 dan 2.5 MPa, kekerapan hentaman boleh berbeza dengan ketara. Pemilihan awal kekerapan hentaman boleh dikira seperti berikut:
f = 10.4 + 7.6P
(2) di mana P ialah tekanan bekalan sistem. Untuk reka bentuk ini, P = 1.6 MPa, oleh itu:
f = 10.4 + 7.6 × 1.6 = 22.5 Hz.
3.3 Reka Bentuk Parameter Struktur
Parameter struktur utama DTH termasuk diameter lubang silinder, lejang omboh, dan dimensi omboh. Meningkatkan diameter silinder boleh meningkatkan kedua-dua kuasa hentaman dan kekerapan, jadi diameter harus dimaksimumkan dalam had saiz struktur. Biasanya, perbezaan antara diameter luar DTH dan diameter lubang tidak boleh kurang daripada 15 hingga 20 mm, dan selongsong luar DTH tidak boleh terlalu nipis. Oleh itu, nisbah diameter silinder DTH kepada diameter penggerudian biasanya melebihi 0.5.
3.3.1 Diameter Kerja Silinder dan Lejang Struktur
Diameter kerja D silinder boleh dikira seperti berikut:
D = K × D(lubang) = (0.57 - 0.68) × D(lubang) (3)
Untuk reka bentuk ini, D(lubang) = 600 mm, jadi D diambil sebagai 360 mm. Lejang struktur S diambil secara empirik sebagai S = 500 mm.
3.3.2 Jisim Omboh
Dimensi jejari omboh dikekang oleh saiz dan struktur silinder, membolehkan omboh diameter sama atau berbeza. Dimensi linear bergantung pada berat omboh, yang juga berkaitan dengan halaju yang ada semasa memukul mata gerudi. Oleh itu, menentukan dimensi struktur omboh adalah aspek kompleks reka bentuk DTH. Jisim omboh DTH boleh dianggarkan seperti berikut:
m = 0.0205D^2.84 (4)
di mana m ialah jisim omboh dalam kg; D ialah diameter kerja silinder dalam cm.
Menggantikan D = 36 hasil: m = 540 kg.
DTH terutamanya terdiri daripada struktur penghantaran tork dan mekanisme impak pneumatik. Struktur penghantaran tork menghubungkan rod gerudi dan DTH, menghantar daya pemotongan dan tarikan putaran; mekanisme hentaman pneumatik menjana impak, memberikan kuasa paksi kepada bit gerudi impak. Butiran struktur khusus ditunjukkan dalam Rajah 3.
Struktur penghantaran tork menghubungkan rod gerudi dan impaktor. Sambungan atas bersambung dengan rod gerudi dan hentam melalui benang paip, terutamanya untuk memastikan kekejangan gas sambil juga menghantar daya tork dan tarikan. Injap sehala menghalang lumpur dan air daripada memasuki impaktor dan rod gerudi, dikawal oleh mata air. Tempat duduk pengambilan udara dengan rod bekalan gas berfungsi untuk memasukkan udara termampat ke dalam silinder, memudahkan tindakan bekalan gas bersama-sama dengan silinder dan omboh, dengan itu mencapai bekalan gas gabungan. Gelang keselamatan spring menghalang omboh daripada menggelongsor keluar dari silinder apabila menggantikan mata gerudi.
3.4 Analisis Elemen Terhingga Mata Gerudi DTH
Bit gerudi DTH tertakluk kepada daya hentaman dari omboh dan tork dari kepala pemacu. Daya yang dikenakan pada omboh oleh udara termampat diberikan oleh:
F = P × S (5)
di mana P ialah tekanan sistem dalam Pa; S ialah luas daya omboh dalam m².
Oleh itu, F = 1.6 × 10^6 × 0.084 = 134400 N.
Oleh itu, daya impak pada mata gerudi ialah:
F' = kF (6)
di mana k ialah pekali hentaman; F ialah daya yang dikenakan pada mata gerudi oleh udara termampat di N. Oleh itu, F' = 20 × 134400 = 2688 kN.
Tork yang digunakan pada bit gerudi DTH oleh kepala pemacu ialah N = 150 kN. Menggunakan F' = 2688 kN dan N = 150 kN pada mata gerudi sambil membetulkan muka hujung bawah mata gerudi, dan menggunakan bahan QT500-7 dengan kekuatan hasil 320 MPa, analisis unsur terhingga dilakukan. Keadaan pemuatan dan kekangan khusus dan pembahagian jaringan ditunjukkan dalam Rajah 4 dan 5.
Keputusan analisis unsur terhingga ditunjukkan dalam Rajah 6, menunjukkan bahawa tegasan maksimum ialah 144.355 MPa, iaitu kurang daripada kekuatan hasil QT500-7 (320 MPa), sekali gus memenuhi keperluan.