Mọi lực tác động lên cần khoan dưới lòng đất (và tại sao việc hiểu rõ chúng lại thay đổi cách bạn mua thép)
Hầu hết mọi người khi mua cần khoan đều nghĩ về chúng theo kiểu "bao nhiêu mét thì nó gãy". Điều đó thì ổn đối với bảng tính mua hàng. Nhưng nếu bạn muốn hiểu...Tại saoKhi các thanh truyền động bị hỏng — và tại sao những thanh đắt tiền đôi khi không hỏng, còn những thanh rẻ tiền đôi khi lại hỏng — bạn cần phải suy nghĩ theo khía cạnh lực.
Thanh khoan trông có vẻ đơn giản. Nó là một thanh thép có ren ở cả hai đầu. Nhưng 30 giây cần thiết để khoan một lỗ dài một mét khiến thanh thép đó phải chịu một tải trọng mà ít bộ phận máy móc nào từng gặp phải. Dưới đây là tất cả các lực tác động lên thanh khoan, theo thứ tự chúng tác động lên thanh khoan.
Nén và kéo dọc trục — Chu kỳ đẩy-kéo
Đây là trường hợp dễ thấy nhất. Piston va vào khớp nối trục. Trục va vào cần piston. Cần piston va vào mũi khoan. Mũi khoan va vào đá.
Nhưng đây là điều mà nhiều người bỏ qua: đá sẽ phản công.
Khi mũi khoan va vào vách đá, đá không chỉ hấp thụ lực va đập mà còn tạo ra một sóng ứng suất phản xạ ngược trở lại dọc theo dây cung. Sóng này mang tính chất kéo căng – nó kéo cần khoan thay vì đẩy. Vì vậy, chỉ trong một lần va chạm, cần khoan sẽ trải qua chu kỳ chuyển đổi từ nén sang kéo căng và ngược lại. Với tốc độ 50 nhát khoan mỗi giây, tức là 50 chu kỳ đẩy-kéo hoàn chỉnh mỗi giây, tương đương 180.000 chu kỳ mỗi giờ.
Mỗi chân ren, mỗi sự thay đổi tiết diện, mỗi sự gián đoạn luyện kim trong thanh thép đó đều bị kéo giãn và nén ba nghìn lần mỗi phút. Thanh thép chịu được vì mức độ ứng suất luôn nằm dưới giới hạn mỏi của thép được xử lý nhiệt đúng cách. Nhưng nếu giới hạn đó giảm xuống — do quá nhiệt, do khuyết tật bề mặt, do điểm yếu trong quá trình xử lý nhiệt — thì thời gian bắt đầu tính.
Ứng suất uốn — Vấn đề về độ mảnh
Cần khoan là một cột mảnh. Cần khoan R32 dùng trong đào hầm có thể dài ba mét với đường kính 32 mm ở phần ren. Tỷ lệ chiều dài/đường kính gần bằng 100:1.
Có ba yếu tố gây ra hiện tượng cong vênh ở cột này. Chỉ riêng trọng lực cũng đủ làm võng một thanh dài, đặc biệt là khi có một chuỗi từ mười thanh trở lên. Lực đẩy – áp lực đẩy mũi khoan về phía trước – sẽ làm tăng thêm độ võng nếu thanh không hoàn toàn thẳng trục. Và lực tác động, nếu thanh không thẳng tuyệt đối, sẽ tạo ra một thành phần cong vênh với mỗi cú đánh vì đường truyền năng lượng lệch khỏi đường tâm.
Ứng suất uốn rất quan trọng vì nó có tính chất cộng dồn. Một thanh chịu nén dọc trục thuần túy có thể chịu được lực tác động 200 kN. Thêm mômen uốn do độ cong nhẹ hoặc sự lệch trục khi cấp liệu, và ứng suất cực đại tại thớ ngoài của chỗ uốn có thể gấp đôi so với ứng suất do tải trọng dọc trục tạo ra. Đó là lý do tại sao một thanh đáng lẽ phải bền lại bị gãy ở một nửa chiều dài định mức.
Ứng suất xoắn — Sự xoắn
Động cơ quay trên máy khoan thủy lực tạo mô-men xoắn để quay toàn bộ cụm khoan — thân khoan, cần khoan, khớp nối, mũi khoan. Các cần khoan phải truyền mô-men xoắn đó đồng thời chịu lực tác động dọc trục và bất kỳ tải trọng uốn nào hiện có.
Ứng suất xoắn làm tăng thêm trạng thái ứng suất tổng hợp. Một thanh chịu xoắn, uốn và va đập dọc trục sẽ ở trong điều kiện ứng suất ba chiều. Dự đoán sự phá hỏng trong điều kiện đó không hề đơn giản — nó phụ thuộc vào độ lớn tương đối và phản ứng của vật liệu đối với tải trọng đa trục. Điều quan trọng trên thực tế là một thanh có độ cứng xoắn cao sẽ chịu được tải trọng tổng hợp tốt hơn so với thanh dễ bị xoắn, bởi vì độ lệch góc ít hơn có nghĩa là năng lượng bị tiêu tán trong thân thanh ít hơn thay vì truyền vào đá.
Sự hao mòn bên ngoài — Ma sát, sứt mẻ và nước
Không phải tất cả các lực tác động đều đến từ mũi khoan. Bản thân lỗ khoan đã là một môi trường mài mòn.
Thanh thép cọ xát vào thành lỗ, đặc biệt là khi lỗ không thẳng. Các mảnh đá vụn xoáy quanh thanh thép, được nước rửa trôi mang theo, mài mòn bề mặt như giấy nhám ướt. Bản thân nước rửa trôi, thường mang theo các hạt mài mòn mịn, sẽ ăn mòn bề mặt thanh thép theo thời gian. Trong điều kiện nước ngầm ăn mòn — ví dụ như nước mỏ có tính axit — thép vừa chịu tác động hóa học vừa chịu tải trọng cơ học, sự kết hợp này làm tăng tốc độ nứt mỏi thông qua cơ chế ăn mòn do ứng suất.
Đây là lý do tại sao độ hoàn thiện bề mặt của thanh thép lại quan trọng, và tại sao những thanh thép trông giống nhau trên bảng thông số kỹ thuật lại có thể hoạt động khác nhau dưới lòng đất. Một bề mặt nhẵn, được hoàn thiện tốt sẽ chống lại sự hình thành vết nứt. Bề mặt thô ráp với các vết gia công hoặc lớp gỉ sẽ tạo điều kiện cho sự ăn mòn và mỏi vật liệu bắt đầu.
Những quân bài bất ngờ — Lực lượng đặc nhiệm
Rồi còn những việc mà cần câu không được thiết kế để làm, nhưng vẫn được yêu cầu thực hiện.
Dùng cần khoan để cạy đá vụn. Kéo cần khoan bị kẹt ra khỏi lỗ khoan bị sập. Bắn hụt khi áp suất cấp liệu giảm và mũi khoan mất tiếp xúc với mặt đá. Đưa cần khoan vào lỗ khoan có chu vi được làm nhẵn nhưng thành lỗ bị nứt nẻ và dễ bị kẹt. Mỗi trường hợp này đều tạo ra các tổ hợp tải trọng tác động lên cần khoan vượt quá giới hạn thiết kế.
Một thanh khoan có thể chịu được tải trọng khoan thông thường lên đến hàng nghìn mét có thể bị gãy ngay trong lần thao tác dùng xà beng đầu tiên. Lực tác động khác nhau, điểm tập trung ứng suất khác nhau, và thanh khoan không biết hoặc không quan tâm rằng nó đáng lẽ phải bền hơn.
Tại sao điều này lại quan trọng khi bạn mua hàng?
Tóm lại, khi so sánh hai cần khoan có thông số kỹ thuật tương tự nhau — cùng loại ren, cùng chiều dài, cùng mác thép — và một cái có giá cao hơn 30%, sự khác biệt hầu như luôn nằm ở khả năng chịu tải đa trục của cần khoan đó.
Thanh thép rẻ tiền hơn có thể có độ cứng bề mặt phù hợp nhưng lại có sự chuyển tiếp đột ngột đến lõi, khiến nó dễ bị mỏi do uốn. Nó có thể có độ bền kéo phù hợp nhưng bề mặt hoàn thiện kém, tạo điều kiện cho ăn mòn. Nó có thể có hình dạng phù hợp nhưng độ thẳng không nhất quán, do đó mỗi thanh trong chuỗi đều góp phần tạo nên độ uốn cong riêng.
Cây gậy có giá cao hơn và bền hơn không phải là phép màu. Đó chỉ đơn giản là loại thép được xử lý để chịu được cả năm chế độ lực cùng một lúc, chứ không chỉ chế độ dễ thiết kế nhất.
