Буровая установка Ион: гидравлическая или пневматическая — сравнение 8 показателей и руководство по Ион
Буровые установки являются основным оборудованием для горнодобывающей промышленности, строительства туннелей и других строительных работ; их производительность напрямую определяет эффективность строительства, безопасность эксплуатации и общую стоимость. Основные буровые установки в отрасли делятся на две категории: гидравлические и пневматические (с пневмоприводом). Фундаментальные различия в принципе работы обуславливают ряд различий в производительности, удобстве оператора и стоимости жизненного цикла. В данной статье сравниваются два типа установок по трём параметрам (основная производительность, практические характеристики и общая стоимость), а также даются прогнозы тенденций в отрасли.
I. Основные характеристики — существенные различия в эффективности и производительности. Основные характеристики определяют эксплуатационную эффективность и прорывной потенциал. Они в основном отражаются в трёх ключевых показателях: рабочем давлении, частоте ударов и энергоэффективности — наиболее важных различиях между двумя типами.
Рабочее давление: безусловное преимущество гидравлических установок Рабочее давление является основным параметром, определяющим энергию удара. Пневматические установки ограничены характеристиками сжатого воздуха: типичные рабочие давления составляют всего (5–7)×10^5 Па, и их трудно поднять дальше — подготовка воздуха высокого давления имеет тепловой КПД ниже 30%, а передача воздуха на большие расстояния теряет более 50% энергии из-за сопротивления потоку. Гидравлические установки используют несжимаемое гидравлическое масло и преодолевают этот предел: рабочее давление может достигать (30–250)×10^5 Па, при обычном рабочем давлении около 1,4×10^7 Па (140×10^5 Па), что более чем в 20 раз больше, чем у пневматических установок. При одинаковой эффективной площади поршня гидравлические установки могут увеличить энергию удара на порядок; для достижения той же энергии удара их поперечное сечение поршня может быть уменьшено примерно до 1/20 от пневматических установок, что позволяет создавать более компактные и легкие конструкции оборудования.
Частота ударов: скачок в высокочастотной работе. Частота ударов вместе с энергией удара определяют выходную мощность. Пневматические буровые установки обычно работают на частоте 25–40 Гц и подвержены пульсациям воздуха, что снижает устойчивость на высоких частотах. Гидравлические буровые установки выигрывают от точного гидравлического управления, достигая частоты 33–155 Гц, с максимальными значениями, почти в четыре раза превышающими показатели пневматических установок, и стабильной выходной мощностью во всем диапазоне частот. Сочетание более высокого давления и более высокой частоты обеспечивает гидравлическим установкам в 3–5 раз большую выходную мощность, чем пневматическим; при бурении твердых пород скорость проходки может быть более чем удвоена, что значительно сокращает сроки строительства.
Энергоэффективность: тройная энергетическая ценность. Энергоэффективность напрямую связана с эксплуатационными расходами. Для пневматических буровых установок цепочка эффективности выглядит следующим образом: «входная мощность воздушного компрессора → выходная мощность буровой установки», с большими потерями по всему периметру, что обеспечивает КПД системы всего около 10%. Для гидравлических буровых установок цепочка выглядит следующим образом: «входная мощность гидравлического насоса → выходная мощность буровой установки», с потерями, сосредоточенными в насосах и трубопроводах; общий КПД может достигать около 30%, что примерно в три раза выше, чем у пневматических буровых установок. При 8-часовом рабочем дне и стоимости электроэнергии 1 юань/кВт⋅ч, гидравлическая буровая установка может сэкономить более 1000 юаней в день при той же нагрузке на бурение, что обеспечивает значительную долгосрочную экономическую выгоду.
II. Практические характеристики — различная адаптивность и опыт оператора. Практические характеристики отражают способность машины адаптироваться к различным условиям работы и опыту оператора. Наиболее важны четыре параметра: эксплуатационная адаптивность, экологичность, передача мощности и рабочая температура — все они влияют на качество строительства и здоровье рабочих.
Эксплуатационная адаптивность: точный контроль против фиксированных параметров Полевые условия сильно различаются — твердость породы (от мягкой до твердой), диаметр взрывных скважин (30–150 мм), длина буровых штанг (1–10 м) и многое другое. Гидравлические буровые установки могут регулировать давление и расход масла для точного управления частотой удара (33–155 Гц), скоростью вращения (0–300 об/мин), энергией удара (100–1000 Дж) и крутящим моментом (100–1000 Н·м), быстро подстраиваясь под оптимальные рабочие условия. Пневматические буровые установки ограничены давлением и расходом сжатого воздуха и не могут быть свободно настроены; в изменяющихся условиях они часто должны работать с фиксированными настройками, что в лучшем случае снижает эффективность проникновения и в худшем случае приводит к поломкам буровых штанг или отклонению скважины.
Экологичность: чище и комфортнее против шумной и загрязняющей окружающую среду. Рабочая среда влияет на здоровье и безопасность оператора, и различия очевидны:
Шум: уровень шума от выхлопных газов пневматических буровых установок может достигать 110–130 дБ, что значительно превышает порог безопасности в 85 дБ, что делает их серьёзным источником акустического загрязнения в замкнутых пространствах, таких как туннели. Гидравлические буровые установки не создают шума от выхлопных газов, а уровень шума при работе составляет всего 70–85 дБ; достаточно обычных средств защиты органов слуха.
Загрязнение воздуха: пневматический выхлоп образует влажный туман, содержащий частицы минерального масла, что ухудшает видимость и загрязняет воздух; длительное вдыхание может привести к респираторным заболеваниям. Гидравлические буровые установки используют замкнутые масляные контуры и не выделяют выхлопных газов, что значительно повышает чистоту воздуха в забое.
Пылеподавление: оба типа буровых установок используют методы мокрого бурения для борьбы с пылью, но гидравлические буровые установки могут более эффективно интегрировать системы подачи воды высокого давления для эффективного пылеподавления. Благодаря звукоизолированной кабине уровень шума в кабине гидравлической буровой установки может быть ниже 60 дБ, что позволяет вести нормальный разговор.
Передача электроэнергии: локальная и дальняя доставка Передача электроэнергии влияет на гибкость компоновки:
Гидравлические буровые установки: гидравлическое масло не подходит для передачи на большие расстояния (значительная потеря давления на расстоянии более ~50 м), поэтому требуется наличие источника питания поблизости — либо бортового двигателя внутреннего сгорания, приводящего в действие насос, либо электрического подключения к ближайшему энергоблоку. Это позволяет сосредоточить оборудование вблизи забоя, но обеспечивает более быструю реакцию мощности.
Пневматические установки: сжатый воздух может подаваться на большие расстояния (часто более 1000 м), что позволяет размещать компрессоры вдали от забоя, в более безопасных зонах. Это делает забой более чистым и особенно подходит для длинных туннелей и глубоких шахт.
Рабочая температура: сценарии охлаждения и нагрева. Рабочая температура оказывает существенное влияние при строительстве в ограниченном пространстве: отработанный воздух пневматических буровых установок расширяется и охлаждается, снижая температуру рабочей поверхности примерно на 3–5 °C, что полезно в условиях высокой температуры под землей. Масляные контуры и источники питания гидравлических буровых установок (особенно двигатели внутреннего сгорания) выделяют значительное количество тепла, повышая температуру рабочей поверхности на 5–10 °C. Это требует более эффективной системы вентиляции и контроля загрязнения выхлопными газами двигателей.
III. Общая стоимость — компромисс между первоначальными инвестициями и долгосрочной эксплуатацией. Общая стоимость включает первоначальные затраты на покупку и долгосрочные эксплуатационные расходы и расходы на техническое обслуживание. Схема выглядит следующим образом: «пневматические системы предпочтительны в краткосрочной перспективе, гидравлические — более экономичны в долгосрочной».
Пример стоимости жизненного цикла: для бурения твёрдых пород с 8 часами в день и 300 днями в году первоначальная стоимость гидравлических буровых установок выше, но благодаря трёхкратной энергоэффективности (ежегодная экономия электроэнергии составляет около 300 000 юаней) и двукратной эффективности бурения (годовой прирост производительности проекта составляет около 2 000 000 юаней) премия за покупку обычно окупается в течение 1–2 лет. Пневматические буровые установки имеют более низкую первоначальную стоимость, но более высокое энергопотребление и более низкую эффективность, что приводит к значительно более высоким долгосрочным эксплуатационным расходам: общая стоимость жизненного цикла за 5 лет примерно в 1,8 раза выше, чем у гидравлических буровых установок.
Перспективы отрасли и руководство по выбору. Постоянное совершенствование гидравлических технологий (высоконапорные уплотнения, интеллектуальные системы управления) и ожидаемое масштабирование массового производства (прогнозируемый пятикратный рост объёма производства в течение следующих трёх лет) должны снизить закупочную стоимость гидравлических буровых установок более чем на 40% и упростить обслуживание благодаря модульной конструкции. Со временем гидравлические буровые установки, вероятно, станут основным выбором для горнодобывающей промышленности, проходки туннелей и бурения крупных объектов инфраструктуры.
Руководство по выбору (краткое):
Выбирайте гидравлические буровые установки, когда: работаете с твердыми породами, где требуется высокая проходка и производительность, когда приоритет отдается долгосрочной экономии эксплуатационных расходов, когда необходим точный контроль параметров удара/вращения или когда работаете в условиях, где необходимо свести к минимуму шум и выхлопные газы.
Выбирайте пневматические установки, если: начальный капитал ограничен, работа краткосрочная или эпизодическая, компрессоры и длинные линии подачи сжатого воздуха уже доступны (например, очень длинные туннели или глубокие шахты, где выгодно удаленное размещение компрессора), или охлаждение рабочей поверхности за счет расширения выхлопных газов выгодно в условиях чрезвычайно высокой температуры.
Резюме. Гидравлические и пневматические буровые установки для горных пород имеют свои сильные стороны. Пневматические установки предлагают более низкие первоначальные затраты и преимущества при использовании сжатого воздуха на больших расстояниях, в то время как гидравлические установки обеспечивают значительно более высокую производительность (более высокое давление и частота), более высокую энергоэффективность, улучшенные характеристики рабочей среды и, в конечном итоге, более низкую стоимость жизненного цикла. Для большинства крупных проектов по добыче твёрдых пород и высокопроизводительных проектов гидравлические установки становятся рекомендуемым вариантом.
