แรงทุกอย่างที่แท่งเจาะเหล็กสัมผัสขณะอยู่ใต้ดิน (และเหตุใดการรู้ถึงแรงเหล่านี้จึงเปลี่ยนวิธีการเลือกซื้อเหล็กของคุณ)
คนส่วนใหญ่ที่ซื้อแท่งเจาะมักคิดถึงมันในแง่ของ "มันจะหักได้กี่เมตร" ซึ่งก็ใช้ได้ดีสำหรับตารางคำนวณการซื้อ แต่ถ้าคุณอยากเข้าใจให้ลึกซึ้งกว่านั้นทำไมเมื่อแท่งเหล็กชำรุด และทำไมแท่งเหล็กราคาแพงบางครั้งถึงไม่ชำรุด ในขณะที่แท่งเหล็กราคาถูกบางครั้งถึงชำรุด คุณต้องพิจารณาในแง่ของแรงที่กระทำ
แท่งเจาะดูเหมือนจะเรียบง่าย มันเป็นแท่งเหล็กที่มีเกลียวที่ปลายทั้งสองข้าง แต่เวลาสามสิบวินาทีที่ใช้ในการเจาะรูขนาดหนึ่งเมตรนั้น ทำให้แท่งเหล็กนี้ต้องรับแรงกระทำในรูปแบบที่ชิ้นส่วนเครื่องจักรอื่นๆ แทบไม่เคยเจอมาก่อน นี่คือแรงทั้งหมดที่กระทำต่อแท่งเหล็ก เรียงตามลำดับ
การบีบอัดและการดึงตามแนวแกน — วัฏจักรการผลักและดึง
อันนี้เห็นได้ชัดเลย ลูกสูบชนกับอะแดปเตอร์ก้าน ก้านชนกับแกน แกนชนกับดอกสว่าน ดอกสว่านชนกับหิน
แต่สิ่งที่หลายคนมองข้ามไปก็คือ ร็อคก็โต้กลับเช่นกัน
เมื่อหัวเจาะกระทบกับหน้าผาหิน หินไม่ได้แค่ดูดซับแรงกระแทกเท่านั้น แต่ยังส่งคลื่นแรงสะท้อนกลับขึ้นมาตามสายเบ็ด คลื่นนั้นเป็นแรงดึง ซึ่งจะดึงแท่งเหล็กแทนที่จะผลัก ดังนั้นภายในเหตุการณ์การกระแทกเพียงครั้งเดียว แท่งเหล็กจะเปลี่ยนสถานะจากแรงอัดเป็นแรงดึงและกลับมาอีกครั้ง ด้วยอัตราการกระแทก 50 ครั้งต่อวินาที นั่นหมายถึงการเปลี่ยนสถานะจากแรงดึงเป็นแรงผลัก 50 รอบต่อวินาที หรือ 180,000 รอบต่อชั่วโมง
ทุกรากเกลียว ทุกการเปลี่ยนแปลงของหน้าตัด ทุกความไม่ต่อเนื่องทางโลหะวิทยาในแท่งโลหะนั้น ถูกยืดและบีบอัดถึงสามพันครั้งต่อนาที แท่งโลหะยังคงใช้งานได้เพราะระดับความเค้นยังคงต่ำกว่าขีดจำกัดความล้าของเหล็กที่ผ่านการอบชุบความร้อนอย่างเหมาะสม แต่ถ้าขีดจำกัดนั้นลดลง — จากความร้อนสูงเกินไป จากข้อบกพร่องที่พื้นผิว จากจุดอ่อนในกระบวนการอบชุบความร้อน — นาฬิกาแห่งความตายก็จะเริ่มนับถอยหลัง
ความเค้นดัดงอ — ปัญหาเรื่องความเรียวบาง
แท่งเจาะเป็นแท่งเรียวยาว แท่ง R32 สำหรับงานขุดอุโมงค์อาจยาวถึงสามเมตร มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 32 มิลลิเมตรตรงส่วนที่เป็นเกลียว นั่นหมายถึงอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางสูงถึง 100:1
มีสามสิ่งที่เป็นสาเหตุให้แท่งโลหะงอได้ แรงโน้มถ่วงเพียงอย่างเดียวก็ทำให้แท่งโลหะยาวงอได้แล้ว โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากต่อกันเป็นแถวยาวสิบแท่งขึ้นไป แรงดันในการป้อน – แรงดันที่ผลักดอกสว่านไปข้างหน้า – จะเพิ่มขึ้นหากทิศทางของแรงดันไม่ตรงสนิท และแรงกระแทก หากแท่งโลหะไม่ตรงสนิท จะทำให้เกิดการงอขึ้นทุกครั้งที่กระแทก เพราะเส้นทางของพลังงานจะเบี่ยงเบนจากแนวแกนกลาง
ความเค้นดัดมีความสำคัญเพราะมันสามารถสะสมได้ แท่งโลหะที่รับแรงอัดตามแนวแกนอย่างเดียวอาจรับแรงกระแทกได้ 200 กิโลนิวตัน แต่ถ้าเพิ่มแรงดัดจากความโค้งเล็กน้อยหรือการป้อนที่ไม่ตรงแนว ความเค้นสูงสุดที่เส้นใยด้านนอกของส่วนที่โค้งงออาจเป็นสองเท่าของแรงอัดตามแนวแกนเพียงอย่างเดียว นั่นเป็นเหตุผลที่แท่งโลหะที่ควรจะทนทานกลับหักที่ความยาวเพียงครึ่งหนึ่งของความยาวที่กำหนดไว้
ความเค้นจากการบิด — การบิดตัว
มอเตอร์หมุนในเครื่องเจาะไฮดรอลิกจะส่งแรงบิดเพื่อหมุนชุดเจาะทั้งหมด — ก้านเจาะ ข้อต่อ และหัวเจาะ ก้านเจาะต้องส่งผ่านแรงบิดนั้นไปพร้อมๆ กับรับแรงกระแทกตามแนวแกนและแรงดัดงอที่เกิดขึ้น
ความเค้นจากการบิดจะเพิ่มเข้าไปในสภาวะความเค้นรวม แท่งโลหะที่อยู่ภายใต้แรงบิด แรงดัด และแรงกระแทกตามแนวแกน จะอยู่ในสภาวะความเค้นสามแกน การทำนายความเสียหายในสภาวะนั้นไม่ใช่เรื่องง่าย — มันขึ้นอยู่กับขนาดสัมพัทธ์และการตอบสนองของวัสดุต่อการรับแรงหลายแกน สิ่งสำคัญในทางปฏิบัติคือ แท่งโลหะที่มีความแข็งแกร่งต่อแรงบิดสูงจะทนต่อการรับแรงรวมได้ดีกว่าแท่งโลหะที่บิดง่าย เพราะการโก่งตัวเชิงมุมน้อยลงหมายถึงพลังงานที่สูญเสียไปในตัวแท่งโลหะน้อยลง แทนที่จะส่งไปยังหิน
การสึกหรอจากภายนอก — แรงเสียดทาน เศษโลหะ และน้ำ
แรงทั้งหมดไม่ได้มาจากสว่านเพียงอย่างเดียว รูที่เจาะเองก็เป็นสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อนเช่นกัน
แท่งโลหะจะเสียดสีกับผนังหลุม โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อหลุมเบี่ยงเบนจากแนวตรง เศษหินจะหมุนวนรอบแท่งโลหะเนื่องจากถูกน้ำชะล้าง ทำให้เกิดการเสียดสีกับพื้นผิวเหมือนกระดาษทรายเปียก น้ำชะล้างเองซึ่งมักมีอนุภาคขัดถูละเอียดปนอยู่ จะกัดกร่อนพื้นผิวของแท่งโลหะไปเรื่อยๆ เมื่อเวลาผ่านไป ในสภาพน้ำใต้ดินที่มีฤทธิ์กัดกร่อน เช่น น้ำในเหมืองที่เป็นกรด เหล็กจะถูกกัดกร่อนทางเคมีไปพร้อมๆ กับรับแรงทางกล ซึ่งเป็นการรวมกันที่เร่งให้เกิดการแตกร้าวจากความล้าผ่านกลไกการกัดกร่อนจากความเค้น
นี่คือเหตุผลว่าทำไมการตกแต่งพื้นผิวของแท่งเหล็กจึงมีความสำคัญ และทำไมแท่งเหล็กที่ดูเหมือนกันในเอกสารข้อมูลจำเพาะจึงอาจมีพฤติกรรมที่แตกต่างกันเมื่อใช้งานใต้ดิน พื้นผิวที่เรียบและได้รับการตกแต่งอย่างดีจะช่วยป้องกันการเกิดรอยแตก พื้นผิวที่หยาบ มีร่องรอยจากการผลิตหรือคราบตะกรัน จะเป็นจุดเริ่มต้นของการกัดกร่อนและความล้า
ไพ่พิเศษ — ปฏิบัติการพิเศษ
นอกจากนี้ยังมีสิ่งที่คันเบ็ดไม่ได้ถูกออกแบบมาให้ทำ แต่ก็ยังถูกขอให้ทำอยู่ดี
การงัดหินให้หลุดด้วยชุดเจาะ การดึงแท่งเจาะที่ติดอยู่ในรูที่ยุบตัว การยิงเปล่าเมื่อแรงดันป้อนลดลงและหัวเจาะสูญเสียการสัมผัสกับหน้าหิน การดันแท่งเจาะเข้าไปในรูที่ระเบิดเรียบแล้วซึ่งผนังแตกและยึดเกาะได้ดี การกระทำเหล่านี้แต่ละอย่างทำให้เกิดภาระต่อแท่งเจาะที่อยู่นอกเหนือขอบเขตการออกแบบ
แท่งเจาะที่ใช้เจาะได้ไกลถึงพันเมตรตามปกติ อาจหักได้ตั้งแต่การใช้คันงัดครั้งแรก แรงที่กระทำแตกต่างกัน จุดเค้นกระจายตัวแตกต่างกัน และแท่งเจาะนั้นไม่รู้หรือไม่สนใจว่ามันควรจะใช้งานได้นานกว่านั้น
เหตุใดเรื่องนี้จึงสำคัญเมื่อคุณกำลังซื้อ
นี่คือข้อคิดที่สำคัญ เมื่อคุณดูแท่งเจาะสองแท่งที่มีคุณสมบัติคล้ายกัน — ชนิดเกลียวเดียวกัน ความยาวเท่ากัน เกรดเหล็กเดียวกัน — แต่แท่งหนึ่งราคาแพงกว่า 30% ความแตกต่างนั้นมักอยู่ที่ประสิทธิภาพของแท่งเจาะในการรับมือกับแรงกระทำหลายแกนนั่นเอง
คันเบ็ดราคาถูกอาจมีความแข็งผิวที่เหมาะสม แต่มีการเปลี่ยนผ่านที่คมชัดไปยังแกนกลาง ทำให้เกิดความล้าจากการงอได้ง่าย หรืออาจมีความแข็งแรงดึงที่เหมาะสม แต่ผิวสัมผัสไม่ดี ทำให้เกิดการกัดกร่อนได้ง่าย หรืออาจมีรูปทรงที่เหมาะสม แต่ความตรงไม่สม่ำเสมอ ทำให้คันเบ็ดแต่ละคันในชุดมีส่วนประกอบของการงอเพิ่มขึ้น
แท่งเหล็กที่ราคาสูงกว่าและใช้งานได้นานกว่านั้นไม่ใช่ของวิเศษ มันเป็นเพียงเหล็กที่ผ่านกระบวนการผลิตมาเพื่อรองรับแรงทั้งห้าประเภทพร้อมกัน ไม่ใช่แค่แรงประเภทที่ง่ายที่สุดในการกำหนดสเปคเท่านั้น
