สภาพแวดล้อมใต้ดิน — สถานที่ทำงานที่เลวร้ายที่สุดสำหรับรถขับเคลื่อนสี่ล้อ
อุโมงค์เหมืองแร่หินแข็งใต้ดินรวมเอาอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมทุกอย่างจากการใช้งานบนพื้นผิวในชุดบทความนี้เข้าไว้ด้วยกัน และยังเพิ่มข้อจำกัดที่ไม่มีอยู่เหนือพื้นดิน บรรยากาศภายในอุโมงค์ประกอบด้วยฝุ่นหิน (ความแข็งระดับโมห์ 5 ถึง 8 ละเอียดกว่า 100 ไมครอน) ละอองน้ำจากการล้างหัวเจาะและการลดฝุ่น อนุภาคไอเสียดีเซล (ในเครื่องจักรขนาดใหญ่ที่ใช้เครื่องยนต์ดีเซล) และน้ำบาดาลที่มีฤทธิ์กัดกร่อน (ค่า pH 3 ถึง 11 ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบทางเคมีของแหล่งแร่) พื้นอุโมงค์เป็นหินระเบิดที่ไม่เรียบปกคลุมด้วยชั้นโคลน (หินแตกและน้ำ) ที่ เกียร์ทดรอบแบบเฟืองดาวเคราะห์ขับเคลื่อนล้อ ต้องนำทางและจัดวางตำแหน่งเครื่องจักรที่มีน้ำหนัก 25 ถึง 50 ตัน ให้มีความแม่นยำภายใน 50 มิลลิเมตร
พื้นที่จำกัดเป็นข้อจำกัดแรก โดยทั่วไปแล้วหัวเจาะอุโมงค์จะมีความกว้าง 4.0 ถึง 5.5 เมตร และสูง 4.0 ถึง 5.0 เมตร เครื่องเจาะขนาดใหญ่ (ซึ่งอาจยาว 12 ถึง 15 เมตรเมื่อพับแขนเจาะ) ต้องขับเข้าไปในหัวเจาะ หมุนเพื่อหันหน้าเข้าหาหน้าผาหิน วางตำแหน่งตัวเองให้อยู่ตรงกลาง และยืดแขนเจาะออกตามรูปแบบที่กำหนด การหมุนต้องใช้ระบบบังคับเลี้ยวแบบข้อต่อหรือระบบบังคับเลี้ยวสี่ล้อเพื่อให้พอดีกับความกว้างของอุโมงค์ และระบบขับเคลื่อนล้อต้องให้แรงบิดที่ราบเรียบและได้สัดส่วนที่ความเร็วในการวางตำแหน่ง 0.5 ถึง 2 กม./ชม. โดยไม่มีการกระตุกหรือลังเลที่จะทำให้การจัดตำแหน่งที่แม่นยำทำได้ยากในสภาพแวดล้อมใต้ดินที่มีทัศนวิสัยจำกัด
ความลาดชันของอุโมงค์อาจสูงถึง 15 ถึง 201 ตัน ในอุโมงค์ทางลาด (ทางลง) ที่เชื่อมต่อพื้นผิวกับงานใต้ดิน เครื่องจักรขนาดใหญ่ต้องปีนขึ้นและลงทางลาดเหล่านี้โดยบรรทุกเต็มที่ ซึ่งรวมถึงแขนเจาะ อุปกรณ์ยึดหิน และวัสดุสิ้นเปลือง (เหล็กเจาะ วัตถุระเบิดในบางกรณี) ซึ่งเพิ่มน้ำหนักอีก 5 ถึง 15 ตันจากน้ำหนักพื้นฐานของเครื่องจักร ความต้องการแรงเบรกบนทางลาด 201 ตัน ที่น้ำหนัก 45 ตัน เกินกว่า 88 กิโลนิวตันของแรงหน่วงต่อเนื่อง ซึ่งต้องคงอยู่ตลอดความยาวทางลาด 500 ถึง 2,000 เมตร เบรกขับเคลื่อนล้อต้องให้แรงหน่วงต่อเนื่องนี้โดยไม่ลดลง เพราะเครื่องจักรขนาดใหญ่ที่วิ่งหนีในอุโมงค์จะไม่มีที่ไปนอกจากชนกับหน้าผาหรือรถคันอื่นในอุโมงค์
โดยทั่วไปอุณหภูมิใต้ดินจะคงที่อยู่ที่ 20 ถึง 40 องศาเซลเซียส (เพิ่มขึ้นตามความลึกประมาณ 1 องศาเซลเซียสต่อความลึก 30 ถึง 50 เมตร) ในเหมืองลึก (1,000 ถึง 3,000 เมตรใต้พื้นผิว) อุณหภูมิของหินดั้งเดิมจะสูงถึง 40 ถึง 60 องศาเซลเซียส และอุณหภูมิอากาศในอุโมงค์หลังจากทำความเย็นแล้วจะอยู่ที่ 25 ถึง 32 องศาเซลเซียส ดังนั้นอุณหภูมิพื้นฐานของน้ำมันขับเคลื่อนล้อจึงสูงกว่าอุณหภูมิแวดล้อมบนพื้นผิว 15 ถึง 25 องศาเซลเซียสในเหมืองลึก ซึ่งลดขีดจำกัดความร้อนสำหรับการใช้งานแรงบิดสูงอย่างต่อเนื่อง เช่น การปีนทางลาด
ข้อจำกัดด้านการระบายอากาศเพิ่มมิติใหม่เข้ามา อุโมงค์ใต้ดินมีปริมาณการไหลของอากาศจำกัด โดยทั่วไปอยู่ที่ 20 ถึง 40 ลูกบาศก์เมตรต่อวินาที ผ่านอุโมงค์ เมื่อเทียบกับการพาความร้อนตามธรรมชาติที่แทบจะไม่มีข้อจำกัดบนพื้นผิว ระบบขับเคลื่อนล้ออาศัยการระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนจากอากาศโดยรอบเพื่อระบายความร้อนระหว่างการเคลื่อนที่และการจัดตำแหน่ง ในอุโมงค์ปลายตัน (ที่เครื่องเจาะขนาดใหญ่เจาะที่หน้างาน) การไหลของอากาศจะมาจากท่อระบายอากาศซึ่งอาจส่งอากาศไปยังบริเวณหน้างานได้เพียง 5 ถึง 15 ลูกบาศก์เมตรต่อวินาทีเท่านั้น การไหลของอากาศที่จำกัดนี้จะลดค่าสัมประสิทธิ์การระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนบนตัวเรือนเกียร์ลง 50 ถึง 701 ตัน เมื่อเทียบกับสภาพบนพื้นผิว ซึ่งหมายความว่าอุณหภูมิน้ำมันในสภาวะคงที่สูงกว่า 20 ถึง 35 องศาเซลเซียส เมื่อเทียบกับการใช้งานแบบเดียวกันบนพื้นผิว ผลกระทบร่วมกันของอุณหภูมิแวดล้อมที่สูงขึ้น (ในเหมืองลึก) และการระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนที่ลดลง (การระบายอากาศที่จำกัด) อาจทำให้อุณหภูมิของน้ำมันสูงถึง 100 ถึง 120 องศาเซลเซียสในระหว่างการปฏิบัติงานจัดตำแหน่งอย่างต่อเนื่อง ซึ่งจำเป็นต้องใช้น้ำมันสังเคราะห์และซีล FKM เป็นข้อกำหนดพื้นฐาน ไม่ใช่ตัวเลือกพิเศษ
แนวโน้มการใช้พลังงานไฟฟ้าในเหมืองใต้ดินกำลังเปลี่ยนแปลงข้อกำหนดของระบบขับเคลื่อนล้อ รถตักดินไฟฟ้าแบบใช้แบตเตอรี่และแบบใช้สายเคเบิลช่วยลดไอเสียจากเครื่องยนต์ดีเซล (ปรับปรุงคุณภาพอากาศและลดความต้องการการระบายอากาศ) แต่ก็ทำให้เกิดความท้าทายใหม่ๆ ในระบบขับเคลื่อนล้อเช่นกัน นั่นคือ มอเตอร์ไฟฟ้าสร้างแรงบิดทันทีตั้งแต่รอบหมุนศูนย์ (เสี่ยงต่อการลื่นไถลของล้อบนพื้นโคลนเปียกหากระบบควบคุมการยึดเกาะไม่ได้รับการปรับเทียบอย่างเหมาะสม) และการเบรกแบบสร้างพลังงานกลับคืนระหว่างการลงทางลาดจะส่งพลังงานกลับไปยังแบตเตอรี่ (ทำให้ระบบขับเคลื่อนล้อต้องจัดการกับการไหลของพลังงานแบบสองทิศทางโดยไม่มีแรงบิดกระเพื่อม) ชุดเกียร์แบบเฟืองดาวเคราะห์สำหรับรถตักดินไฟฟ้าต้องรองรับความเร็วรอบอินพุตที่สูงขึ้น (โดยทั่วไปมอเตอร์ไฟฟ้าทำงานที่ 3,000 ถึง 6,000 รอบต่อนาที เทียบกับ 2,000 ถึง 3,000 รอบต่อนาทีสำหรับมอเตอร์ไฮดรอลิก) ซึ่งต้องใช้อัตราทดเกียร์ที่สูงขึ้นหรือขั้นตอนการลดความเร็วรอบกลางเพิ่มเติม
การกำหนดตำแหน่งรูปแบบการเจาะ — ความแม่นยำ 50 มม. บนพื้นอุโมงค์ที่ปกคลุมด้วยโคลน
รูปแบบการเจาะ (การจัดเรียงของรูระเบิดในหน้าผาหิน) เป็นตัวกำหนดอัตราการขุดเจาะ คุณภาพการแตกตัวของหิน และความแม่นยำของรูปทรงอุโมงค์ ความคลาดเคลื่อนในการกำหนดตำแหน่งมากกว่า 100 มม. จะทำให้รูปแบบการเจาะทั้งหมดเปลี่ยนไป ซึ่งอาจทำให้เกิดการขุดเจาะมากเกินไป (ขุดหินมากกว่าที่จำเป็น สิ้นเปลืองวัตถุระเบิด และต้องมีการเสริมแรงเพิ่มเติม) หรือการขุดเจาะน้อยเกินไป (เหลือหินที่ต้องเจาะและระเบิดใหม่ ทำให้การขุดเจาะล่าช้าไปหนึ่งรอบ) ระบบขับเคลื่อนล้อต้องกำหนดตำแหน่งของเครื่องจักรให้มีความคลาดเคลื่อน ±50 มม. บนพื้นอุโมงค์ที่ประกอบด้วยเศษหินแตก (50 ถึง 300 มม.) โคลน (ส่วนผสมของหินบดและน้ำใต้ดิน) และบางครั้งอาจมีน้ำขัง (ความลึก 100 ถึง 300 มม.)
พื้นโคลนให้แรงยึดเกาะที่แปรผันสูงมาก โคลนแห้งมีค่าสัมประสิทธิ์การยึดเกาะ 0.4 ถึง 0.6 โคลนเปียกลดลงเหลือ 0.2 ถึง 0.4 และน้ำขังบนโคลนลดลงเหลือ 0.15 ถึง 0.3 ระบบขับเคลื่อนล้อต้องรักษาความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งตลอดช่วงแรงยึดเกาะทั้งหมดนี้ ซึ่งต้องใช้การควบคุมไฮดรอลิกแบบสัดส่วนพร้อมการชดเชยแรงยึดเกาะแบบเรียลไทม์ที่ลดแรงบิดเมื่อตรวจพบการลื่นไถลของล้อและกระจายแรงบิดไปยังล้อที่ไม่ลื่นไถล
เมื่อเข้าที่แล้ว เครื่องเจาะขนาดใหญ่จะยืดขาตั้ง (ขา) ไปยังพื้นและผนังอุโมงค์ เพื่อยึดเครื่องจักรไว้กับแรงปฏิกิริยาจากการเจาะ ในระหว่างการเจาะ แขนแต่ละข้างจะออกแรงผลัก 15 ถึง 30 กิโลนิวตันกับหน้าผาหิน และแรงปฏิกิริยานี้จะต้องถูกดูดซับโดยขาตั้ง ไม่ใช่โดยระบบขับเคลื่อนล้อ ระบบเบรกมือแบบขับเคลื่อนล้อ ต้องยึดเครื่องจักรไว้ในระหว่างขั้นตอนการติดตั้งอุปกรณ์กันสั่น (ก่อนที่แม่แรงจะรับน้ำหนักเต็มที่) และต้องคงอยู่ในตำแหน่งสำรองตลอดการเจาะ เพราะหากแม่แรงกันสั่นลื่นหรือชำรุด จะต้องไม่ทำให้เครื่องจักรเคลื่อนที่ในขณะที่เหล็กเจาะฝังอยู่ในหน้าผา เครื่องจักรที่เคลื่อนที่ระหว่างการเจาะอาจทำให้เหล็กเจาะงอหรือหัก (200 ถึง 500 ดอลลาร์สหรัฐต่อแท่ง) ทำให้ระบบไฮดรอลิกของบูมเจาะเสียหาย (5,000 ถึง 15,000 ดอลลาร์สหรัฐต่อบูม) และในกรณีที่เลวร้ายที่สุด อาจทำให้ผู้ปฏิบัติงานสูญเสียการควบคุมสว่าน ส่งผลให้ได้รับบาดเจ็บจากสายไฮดรอลิกที่สะบัดหรือเศษเหล็กเจาะที่กระเด็นออกมา
เครื่องเจาะขนาดใหญ่สมัยใหม่ใช้ระบบกำหนดตำแหน่งการเจาะอัตโนมัติที่อ่านตำแหน่งหน้างานโดยใช้เครื่องสแกนเลเซอร์หรือสถานีรวม และคำนวณตำแหน่งเครื่องจักรที่ต้องการโดยอัตโนมัติ ระบบขับเคลื่อนล้อรับคำสั่งกำหนดตำแหน่งจากระบบอัตโนมัติ และต้องตอบสนองด้วยความแม่นยำและความราบรื่นเช่นเดียวกับระบบขับเคลื่อนที่ควบคุมด้วยมือ แต่ไม่มีการป้อนกลับจากผู้ปฏิบัติงาน การกระตุก การหยุดนิ่ง หรือความล่าช้าในการตอบสนองในระบบควบคุมไฮดรอลิกของระบบขับเคลื่อนล้อจะแสดงออกมาเป็นข้อผิดพลาดในการกำหนดตำแหน่ง ซึ่งระบบอัตโนมัติต้องตรวจจับและแก้ไข ทำให้ต้องเพิ่มรอบการแก้ไขซึ่งยืดเวลาการกำหนดตำแหน่งทั้งหมดและลดเวลาการเจาะที่มีประสิทธิภาพ ระบบขับเคลื่อนล้อที่มีเวลาตอบสนองน้อยกว่า 0.3 วินาที และการกระตุกของความเร็วต่ำกว่า 2% ช่วยให้สามารถกำหนดตำแหน่งอัตโนมัติแบบผ่านครั้งเดียวได้ โดยไปถึงตำแหน่งเป้าหมายในการเคลื่อนที่ต่อเนื่องเพียงครั้งเดียว แทนที่จะเป็นรูปแบบการแกว่งไปมาที่เกิดจากระบบขับเคลื่อนที่มีการตอบสนองช้ากว่าหรือมีการกระตุกสูงกว่า
การปิดผนึกน้ำในเหมืองและฝุ่นหิน — ความท้าทายจากการปนเปื้อนสองประการ
ระบบขับเคลื่อนล้อใต้ดินต้องเผชิญกับการปนเปื้อนทั้งน้ำและฝุ่นพร้อมกัน ซึ่งการรวมกันของทั้งสองอย่างนี้ก่อให้เกิดความเสียหายมากกว่าอันตรายใดอันตรายหนึ่งเพียงอย่างเดียว น้ำที่ใช้ล้างหัวเจาะ (ใช้เพื่อระบายความร้อนหัวเจาะและชะล้างเศษหินออกจากรู) จะพ่นออกมาจากหน้าหัวเจาะด้วยอัตรา 5 ถึง 15 ลิตรต่อนาทีต่อแขนเจาะ ทำให้เครื่องจักรทั้งหมดรวมถึงระบบขับเคลื่อนล้อเปียกโชก น้ำนี้จะพาอนุภาคฝุ่นหินที่มีขนาดตั้งแต่ 1 ถึง 500 ไมครอน ซึ่งเป็นอนุภาคกัดกร่อนชนิดเดียวกับที่ทำลายซีลในเครื่องบดหิน (WD-07) แต่ถูกแขวนลอยอยู่ในกระแสน้ำและถูกดันเข้าไปในทุกช่องว่างด้วยแรงดันไฮโดรสแตติก
องค์ประกอบทางเคมีของน้ำใต้ดินเพิ่มมิติของการกัดกร่อนทางเคมี ในแหล่งแร่ซัลไฟด์ (ทองแดง สังกะสี ตะกั่ว ทองคำ) น้ำใต้ดินอาจมีสภาพเป็นกรดสูง (pH 2 ถึง 4) จากการละลายของเหล็กซัลไฟด์ (ไพไรต์) ซึ่งจะกัดกร่อนเหล็ก ทองแดง และวัสดุปิดผนึกมาตรฐานในอัตราที่เทียบได้กับน้ำองุ่นบนเครื่องเก็บเกี่ยวในไร่องุ่น แต่ในปริมาณที่สูงกว่ามากและระยะเวลาการสัมผัสที่ยาวนานกว่า ในแหล่งแร่คาร์บอเนต (หินปูน โดโลไมต์) น้ำใต้ดินจะมีสภาพเป็นด่าง (pH 8 ถึง 11) คล้ายกับน้ำล้างคอนกรีต วัสดุปิดผนึกและตัวเรือนของระบบขับเคลื่อนล้อต้องระบุให้เหมาะสมกับองค์ประกอบทางเคมีของน้ำใต้ดินในพื้นที่นั้นๆ เพราะวัสดุปิดผนึกที่ใช้งานได้นาน 4,000 ชั่วโมงในน้ำที่เป็นกลาง อาจใช้งานได้เพียง 1,000 ชั่วโมงในน้ำเหมืองที่เป็นกรด pH 3
ซีลหน้าตัดแบบดูโอโคนเป็นมาตรฐานสำหรับระบบขับเคลื่อนล้อในเหมืองใต้ดิน เนื่องจากฝุ่นหิน แรงดันน้ำ และการกัดกร่อนจากสารเคมีจะทำให้ซีลแบบลิปซีลเสียหายภายใน 500 ถึง 1,500 ชั่วโมง ซีลแบบดูโอโคนทำงานโดยการเสียดสีระหว่างโลหะ (หน้าตัดทำจากเหล็กชุบแข็งหรือทังสเตนคาร์ไบด์) และไม่ได้รับผลกระทบจากการเสียดสีของฝุ่นหรือการกัดกร่อนจากสารเคมีที่ทำให้ซีลแบบอีลาสโตเมอร์เสื่อมสภาพ อายุการใช้งานของซีลแบบดูโอโคนอยู่ที่ 3,000 ถึง 6,000 ชั่วโมงในเหมืองใต้ดิน ซึ่งยาวนานกว่าซีลแบบลิปซีลที่ดีที่สุดในสภาวะเดียวกันถึง 2-4 เท่า
สามลักษณะความล้มเหลวเฉพาะของระบบขับเคลื่อนล้อจัมโบ้ใต้ดิน
น้ำบาดาลที่มีค่า pH 2 ถึง 4 จะซึมเข้าไปในเกียร์ผ่านรอยรั่วของซีล ช่องระบายอากาศ หรือรอยต่อของปะเก็นตัวเรือน เมื่อเข้าไปข้างในแล้ว น้ำที่เป็นกรดจะกัดกร่อนพื้นผิวของรางลูกปืน ทำให้เกิดการกัดกร่อนแบบเป็นหลุม ซึ่งจะนำไปสู่การแตกร้าวจากความล้าภายใน 500 ถึง 1,000 ชั่วโมงของการใช้งานอย่างต่อเนื่อง ผลิตภัณฑ์จากการกัดกร่อน (เหล็กออกไซด์ คอปเปอร์ซัลเฟต) จะปนเปื้อนในน้ำมันและเร่งการสึกหรอของพื้นผิวภายในทั้งหมด ในกรณีที่ร้ายแรงที่สุด น้ำที่เป็นกรดจะละลายทองแดงในกรงลูกปืนบรอนซ์ ทำให้โครงสร้างของกรงอ่อนแอลงและทำให้กรงแตกหัก ส่งผลให้ลูกปืนติดขัดและทำให้ระบบส่งกำลังของเกียร์หยุดทำงาน
รถขุดขนาด 45 ตันที่กำลังลงทางลาดความยาว 1,500 เมตร ด้วยความลาดชัน 15% จะต้องระบายความร้อนพลังงานศักยภาพประมาณ 99 เมกะจูล หากระบบเบรกของเครื่องยนต์ทำงานไม่เพียงพอ (เนื่องจากการลดกำลังเครื่องยนต์จากระดับความสูงหรือแรงดันย้อนกลับของไอเสียจากระบบระบายอากาศในอุโมงค์) เบรกของล้อจะดูดซับพลังงานส่วนเกินนั้น ใต้ดิน ความสามารถในการระบายความร้อนด้วยอากาศจะต่ำกว่าบนพื้นผิว 30 ถึง 50% (การไหลของอากาศลดลง อุณหภูมิแวดล้อมสูงขึ้น) ซึ่งหมายความว่าเบรกไม่สามารถระบายความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ เบรกที่ผ่านการทดสอบการลงทางลาดบนพื้นผิวอาจร้อนจัดและเสื่อมสภาพได้เมื่อลงทางลาดเดียวกันใต้ดิน อุโมงค์ที่จำกัดหมายความว่าไม่มีทางเลือกที่จะหยุดและระบายความร้อนเบรก เครื่องจักรที่อยู่ข้างหลังไม่สามารถแซงได้ และการปิดกั้นทางลาดจะหยุดการทำงานของเหมืองทั้งหมด
พื้นอุโมงค์หลังการระเบิดประกอบด้วยเศษหินขนาด 50 ถึง 500 มิลลิเมตร ซึ่งมีลักษณะแหลมคม เป็นเหลี่ยม และกระจายตัวอยู่ทั่วไป รถขุดขนาดใหญ่จะวิ่งผ่านเศษหินเหล่านี้ด้วยความเร็ว 10 ถึง 15 กิโลเมตรต่อชั่วโมง ระหว่างการเคลื่อนย้ายจากหน้างานไปยังจุดขนดิน การกระแทกจากเศษหินแต่ละครั้งจะทำให้เกิดแรงกระแทก 3 ถึง 8 g ที่แบริ่งส่งกำลังของระบบขับเคลื่อนล้อ ซึ่งคล้ายกับแรงกระแทกจากการเคลื่อนย้ายด้วยความเร็วของรถดันดิน (WD-14) แต่มีลักษณะการรับแรงกระแทกที่แหลมคมและเป็นเหลี่ยมมากกว่าจากหินที่แตกหัก ความล้าจากการกระแทกสะสมจากเศษหิน 200 ถึง 500 ครั้งต่อการเคลื่อนย้ายหนึ่งเที่ยว จะเร่งการสึกหรอของแบริ่งในอัตรา 5 ถึง 10 เท่าของการขับเคลื่อนบนพื้นผิวเรียบ ทำให้การเคลื่อนย้ายใต้ดินเป็นสภาวะการขับขี่ที่ทำลายแบริ่งมากที่สุดในชุดเครื่องจักรขับเคลื่อนล้อทั้งหมด
คำถามที่พบบ่อย
บริษัท Korea Ever-Power ให้บริการระบบขับเคลื่อนล้อจัมโบ้สำหรับใช้งานใต้ดินที่มีแรงบิดตั้งแต่ 8,000 ถึง 40,000 นิวตันเมตร พร้อมระบบซีลกันน้ำรั่วซึมแบบดูโอโคน ระบบเบรกแบบจานเปียก และระบบป้องกันการกัดกร่อนจากกรดน้ำ
บรรณาธิการ: Cxm
