اقسام مختلفی از تجهیزات حفاری برای نفوذ بر سطوح سخت استفاده می شود. در عمل، دو روش پرکاربرد از پنوماتیک و هیدرولیک بهره می برند؛ کدام بهترین است؟ روش‌های حفاری سنگ هیدرولیک یا پنوماتیک؟ برای شکل دادن یک تصمیم آگاهانه نیاز به این است که نگاهی به عملکرد هرکدام بیندازیم:
پنوماتیک
تجهیزات پنوماتیک با بهره‌گیری از هوای فشرده و تبدیل انرژی آن به انرژی مکانیکی کار می کنند. در صنایع گازهای فشرده به طور گسترده‌ای کاربرد دارند و در کارخانجات نیز هوای فشرده برای مدیریت دستگاه‌های ابزار دقیق استفاده می شود.
پنوماتیک در راهسازی، ساخت و ساز، حفاری معدن و بخش‌های مختلف دیگری از زندگی بشر، حتی دندانپزشکی حضور داشته و امکانات مختلفی را فراهم آورده است.
برای تامین هوای فشرده تجهیزات پنوماتیک به کمپرسورهای هوا نیازمندیم و در پستی به معرفی کمپرسور مورد استفاده در مصارف حفاری پرداخته ایم. علاوه بر آن در جای جای وبسایت امکان مطالعه در مورد کمپرسورهای پرتابل دیزلی را دارید.
هیدرولیک
تجهیزات هیدرولیک با بهره‌گیری از انرژی سیالات فشرده کار می کنند. زمانی که شما پا بر روی پدال ترمز خودروی خود میفشارید، میله‌ای(رادی) را حرکت میدهید و این حرکت به پیستون‌های سیلندر اصلی منتقل می شود، این اتفاق سیال را به سوی کالیپرهای ترمز فرستاده و کالیپرها لنت‌ها را بر روی روتور (محور) چفت می کند که به چرخ‌های خودرو متصل است. این اصطکاک افزوده چرخ‌ها را از حرکت بازمیدارد.
کدام قوی‌تر است؟
هوای فشرده و سیال فشرده هر دو حجم زیادی انرژی ذخیره دارند و برتری یکی بر دیگری بستگی به کاربرد مورد نظر ما دارد.
گفته‌های اخیر چگونه به تجهیزات حفاری سنگ هیدرولیک و پنوماتیک مربوط می شود؟
زمانی که شما به بازدهی کلی سیستم‌ها توجه کنید، شاهد برتری هیدرولیک با بازدهی ۳۰ درصدی بر پنوماتیک با بازدهی ۱۰ درصدی خواهید بود. این بدین معناست که نیاز به قدرت و بازدهی انرژی بیشتر در مقابل پول پرداخت شده را دریلهای هیدرولیک ارضا خواهد کرد. همچنین بهره‌گیری از فشارهایی به مراتب بالاتر در حفاری با تجهیزات هیدرولیک نسبت به حفاری با تجهیزات پنوماتیک ممکن می باشد.
سطح صدا (نویز)
آلودگی صوتی مسئله‌ای حائز اهمیت در محیط‌های کاری این روزهاست. دریلهای پنوماتیک عموما پرسروصداتر هستند، چون به سه طریق مختلف صدا تولید می کند:
- صدای ناشی از مکانیک حفاری
- صدای ناشی از فرآیند حفاری
- هوای خروجی از مکانیزم حفاری
ارزش فشرده‌سازی
هر دوی این سیستم‌ها با بهره‌گیری از فشرده‌سازی کار میکنند، با این تفاوت که سیال را نمیتوان فشرده کرد و در دیگر سو هوا تراکم‌پذیر است. مزیت هیدرولیک آن است که به قرارگیری قطعات در جای خود کمک میکند و نیاز به سایر تجهیزات جانبی را میکاهد.
لب کلام:
هیدرولیک بازدهی ۳۰ درصدی و پنوماتیک بازدهی ۱۰ درصدی دارد. دریل هیدرولیک سنگینتر از دریل پنوماتیک است. پنوماتیک با هوای فشرده و هیدرولیک با سیال کار می کند.
فاصله
سیالات هیدرولیک را نمیتوان به نقاط دوردست منتقل کرد و انجام این امر بسیار هزینه‌بر خواهد بود. از این رو تمامی اجزای سیستم هیدرولیک میبایست بر روی آن بوده و یک پکیج کامل به محل حفاری منتقل شود. این مسئله در مورد هوای فشرده صادق نیست. دریل واگن هیدرولیک به این دلیل به مراتب سنگینتر خواهد بود.
قابلیت نگهداری و تعمیر
یکی از عوامل مهم در انتخاب تجهیزات حفاری، قابلیت نگهداری و تعمیر آن‌هاست. تجهیزات پنوماتیک به دلیل ساختار ساده‌تر، نیاز به نگهداری کمتری دارند و قطعات یدکی آنها نیز به راحتی در بازار یافت می‌شود. از سوی دیگر، سیستم‌های هیدرولیک با وجود بازدهی بالاتر، به نگهداری دقیق‌تر و سرویس‌های تخصصی‌تری نیاز دارند. خرابی در سیستم‌های هیدرولیک ممکن است هزینه‌بر باشد، زیرا قطعات آنها پیچیده‌تر و نیازمند تنظیمات دقیق هستند.
مثالهایی از دریل واگن‌های اطلس کوپکو… دریلهای مناسب حفاری داندهول و تاپ هامر، دریل‌هایی هیدرولیک یا پنوماتیک
مصرف انرژی و هزینه‌های عملیاتی
مصرف انرژی یکی از مهم‌ترین پارامترهای اقتصادی در انتخاب تجهیزات حفاری است. تجهیزات پنوماتیک به دلیل استفاده از کمپرسورهای هوا، معمولاً مصرف انرژی بالاتری دارند و هزینه‌های سوخت یا برق کمپرسور به هزینه‌های عملیاتی اضافه می‌شود. در مقابل، تجهیزات هیدرولیک به دلیل بهره‌وری بالاتر در انتقال انرژی، در طولانی‌مدت هزینه‌های عملیاتی کمتری خواهند داشت. این مسئله مخصوصاً در پروژه‌های بزرگ و بلندمدت اهمیت بیشتری پیدا میکند.
ایمنی و پایداری سیستم
ایمنی تجهیزات حفاری در محیط‌های صنعتی از اهمیت بالایی برخوردار است. سیستم‌های پنوماتیک به دلیل کار با هوای فشرده، ریسک نشت و آلودگی کمتری دارند و ایمنی بالاتری را در شرایط خاص ارائه می‌دهند. در مقابل، سیستم‌های هیدرولیک با سیالات تحت فشار کار میکنند که در صورت نشتی می‌توانند باعث آلودگی محیط‌زیست و خطرات احتمالی برای کارکنان شوند. استفاده از تجهیزات استاندارد و انجام سرویس‌های منظم در هر دو سیستم، نقش مهمی در کاهش این خطرات دارد.
کارایی در شرایط محیطی مختلف
یکی دیگر از فاکتورهای مهم در انتخاب بین دریلهای پنوماتیک و هیدرولیک، سازگاری آنها با شرایط محیطی است. تجهیزات پنوماتیک در محیط‌های سرد و مرطوب عملکرد بهتری دارند، زیرا سیستم‌های هوای فشرده کمتر تحت تأثیر شرایط آب‌وهوایی قرار می‌گیرند. در مقابل، تجهیزات هیدرولیک در محیط‌های گرم و خشک ممکن است با مشکلات مربوط به دمای سیال و افزایش فشار روبرو شوند. انتخاب صحیح تجهیزات بر اساس شرایط محیطی پروژه، می‌تواند تأثیر بسزایی در عملکرد و طول عمر دستگاه داشته باشد.
فشار دریل پنوماتیک
برای کاربردهای مختلف، فشار مورد نیاز به عواملی همچون سختی سنگ، اندازه سرمته و عمق چال بستگی دارد. در اینجا یک تقسیم‌بندی کلی ارائه شده است:
سنگ‌های نرم تا متوسط (سنگ آهک، ماسه‌سنگ)
- فشار: ۷ تا ۱۰ بار (۱۰۰ تا ۱۵۰ psi)
- دلیل: فشار پایین‌تر کافی است، زیرا این نوع سنگ‌ها به‌راحتی شکسته می‌شوند. فشار بیش از حد می‌تواند باعث سایش سریع سرمته و کاهش راندمان حفاری شود.
سنگ‌های سخت (گرانیت، بازالت، کوارتزیت)
- فشار: ۱۰ تا ۱۴ بار (۱۵۰ تا ۲۰۰ psi)
- دلیل: سنگ‌های سخت به انرژی ضربه‌ای بیشتری نیاز دارند تا بتوان به آنها نفوذ کرد. فشار بالاتر باعث افزایش انرژی ضربه‌ای می‌شود که برای نفوذ در مواد متراکم و سخت ضروری است.
حفاری چال‌های عمیق
- فشار: ۱۴ تا ۲۵ بار (۲۰۰ تا ۳۵۰ psi)
- دلیل: در حفاری‌های عمیق، افت فشار هوا در طول لوله حفاری بیشتر است، بنابراین فشار بالاتری لازم است تا عملکرد مؤثر چکش DTH حفظ شود.
حفاری روباره (شن، ماسه و مواد سست)
- فشار: ۶ تا ۸ بار (۹۰ تا ۱۲۰ psi)
- دلیل: در مواد سست، فشار کمتر ریزش دیواره چال را کاهش می‌دهد، در حالی که نیروی کافی برای پیشروی سرمته را حفظ میکند.
چگونه فشار مناسب را انتخاب کنیم:
- فشار بالاتر: نفوذ سریع‌تر، انرژی ضربه‌ای بیشتر، مصرف هوای بالاتر
- فشار پایین‌تر: عمر بیشتر سرمته، کاهش استهلاک تجهیزات، مصرف سوخت کمتر
تفاوت فشار مورد نیاز در حفاری DTH و تاپ همر
۱. حفاری دان د هول DTH
- فشار عملیاتی: ۷ تا ۲۵ بار (۱۰۰ تا ۳۵۰ psi) — بسته به نوع سنگ و عمق حفاری
- موارد کاربرد: حفاری چال‌های عمیق و متوسط، سنگ‌های سخت و متراکم
- دلیل: در سیستم DTH، چکش مستقیماً پشت سرمته قرار دارد و ضربات با فشار هوای فشرده به سرمته وارد می‌شود. برای حفظ انرژی ضربه‌ای در چال‌های عمیق، فشار هوای بالاتر لازم است.
- مزیت: نفوذ بالا در سنگ‌های سخت، دقت بیشتر در حفاری عمودی
- معایب: مصرف هوای بیشتر، نیاز به کمپرسور قوی‌تر
۲. حفاری تاپ همر (Top Hammer)
- فشار عملیاتی: ۵ تا ۱۲ بار (۷۰ تا ۱۷۵ psi) — بسته به دستگاه و نوع کاربرد
- موارد کاربرد: حفاری چال‌های کم‌عمق و متوسط، سنگ‌های نرم تا نیمه‌سخت
- دلیل: در سیستم تاپ همر، چکش بالای لوله حفاری قرار دارد و انرژی ضربه‌ای از طریق میله حفاری (راد) به سرمته منتقل می‌شود. در چال‌های عمیق، افت انرژی ضربه‌ای رخ می‌دهد، بنابراین فشار بالا همیشه مؤثر نیست.
- مزیت: سرعت حفاری بالا در چال‌های کوتاه، مصرف هوای کمتر
- معایب: کاهش راندمان در چال‌های عمیق، استهلاک بیشتر رادها
نتیجه:
- برای چال‌های عمیق‌تر و سنگ‌های سخت: DTH بهتر است چون انرژی ضربه‌ای مستقیماً به سرمته منتقل می‌شود.
- برای چال‌های کم‌عمق و سنگ‌های نیمه‌سخت: تاپ همر مناسب‌تر است، چون سرعت بالاتر و مصرف هوای کمتری دارد.
محاسبات
۱. مصرف هوای چکش پنوماتیک DTH: 
- Q = مصرف هوا (مترمکعب بر دقیقه یا cfm)
- P = فشار عملیاتی (بار یا psi)
- V = حجم هوای مورد نیاز در هر ضربه (لیتر یا فوت مکعب)
- T = زمان هر ضربه (ثانیه یا دقیقه)
۲. دبی هیدرولیک دریل حفاری هیدرولیکی:
- Qh = دبی روغن هیدرولیک (لیتر بر دقیقه)
- A = مساحت مقطع سیلندر (سانتی‌متر مربع)
- v = سرعت پیستون (سانتی‌متر بر دقیقه)
۳. نیروی پیشروی (Feed Force) در حفاری DTH و تاپ همر:
- F = نیروی پیشروی (نیوتن یا کیلونیوتن)
- P = فشار داخل سیلندر پیشروی (بار یا psi)
- A = مساحت مقطع سیلندر (سانتی‌متر مربع)
۴. انرژی ضربه چکش:
- E = انرژی ضربه (ژول)
- m = جرم چکش (کیلوگرم)
- v = سرعت چکش (متر بر ثانیه)
۵. نرخ نفوذ سرمته (Penetration Rate):
- E = انرژی ضربه (ژول)
- Rp = نرخ نفوذ (متر بر دقیقه یا فوت بر دقیقه)
- f = تعداد ضربات در ثانیه (هرتز)
- R = مقاومت سنگ (نیوتن بر متر مربع یا psi)
یک مثال ساده:
فرض کنید می‌خواهیم مصرف هوای یک چکش DTH پنوماتیک را حساب کنیم:
- فشار عملیاتی: ۱۰ بار (۱۴۵ psi)
- حجم هوای هر ضربه: ۱۰ لیتر
- زمان هر ضربه: ۰.۲ ثانیه
با جایگذاری در فرمول:
Q = 10*10/0.2 = 500
پاسخ نیم متر مکعب بر دقیقه یا ۵۰۰ لیتر بر دقیقه است.
برای محاسبه‌ی نفوذ سرمته ممکن است نیاز به محاسبه انرژی ضربه یا E داشته باشیم.
انرژی ضربه برای چکش‌های پنوماتیکی یا هیدرولیکی
که در آن:
- E = انرژی ضربه (ژول)
- F = نیروی ضربه (نیوتن)
- d = فاصله حرکت یا کورس (متر یا فوت) یا مسافتی که چکش یا پیستون قبل از برخورد طی میکند.
نحوه محاسبه اجزاء:
- نیروی ضربه (F): این نیرو را می‌توان با استفاده از فشار هیدرولیکی یا پنوماتیکی که چکش را میراند، تخمین زد. اگر فشار هوا یا هیدرولیکی و مساحت مقطع پیستون را بدانید، می‌توانید نیروی ضربه را با استفاده از فرمول زیر محاسبه کنید:
که در آن:
- P = فشار (پاسکال یا psi)
- A = مساحت مقطع پیستون یا چکش (متر مربع یا اینچ مربع)
برای سیستم‌های پنوماتیکی، فشار معمولاً به صورت psi بیان می‌شود و برای سیستم‌های هیدرولیکی، فشار معمولاً در پاسکال (Pa) اندازه‌گیری می‌شود.
- فاصله حرکت (d): فاصله حرکت یا کورس مسافتی است که پیستون یا چکش قبل از برخورد طی میکند. این پارامتر معمولاً یک پارامتر شناخته‌شده برای اکثر سیستم‌ها است و معمولاً توسط سازنده تجهیزات ارائه می‌شود.
در نظر گرفتن فرکانس ضربات (f)
برای محاسبه دقیق‌تر نرخ نفوذ، باید فرکانس ضربات را نیز بدانید. برای چکش‌های پنوماتیکی یا هیدرولیکی، این معمولاً توسط مشخصات سازنده داده می‌شود یا می‌توان آن را بر اساس سرعت عملکرد چکش تخمین زد.
- f معمولاً به عنوان تعداد ضربات در هر ثانیه (هرتز) بیان می‌شود و برای محاسبه انرژی کلی که در طول زمان به سنگ وارد می‌شود، اهمیت دارد.
این روش به شما رویکرد عملی برای محاسبه انرژی ضربه (E) را می‌دهد. به خاطر داشته باشید که تغییرات در سختی سنگ، فرسایش تجهیزات و دیگر عوامل خارجی می‌تواند بر عملکرد واقعی تأثیر بگذارد.
نتیجه‌گیری
بسیاری از کارشناسان بنا به دلایل فوق معتقد به برتری دریلهای سنگ هیدرولیک نسبت به مشابه پنوماتیک آنها هستند، اما این تجهیزات ضعف‌هایی نیز در مقام مقایسه دارند. تصمیم‌گیری نهایی بسته به موقعیت‌های مختلف صورت میپذیرد.
