El principio de diseño de las herramientas de perforación de rocas se basa en un conocimiento profundo del mecanismo de rotura de rocas. A través de la configuración coordinada de la estructura mecánica y el sistema de energía, la energía de entrada se convierte eficientemente en fuerza destructiva que actúa sobre la roca en el fondo del pozo, logrando así una rápida formación del pozo y una operación estable. Básicamente, utiliza impacto, rotación y acciones combinadas para inducir grietas y desconchado en la roca bajo concentración de tensiones y corte. Todo el diseño gira en torno a la transferencia de energía, la adaptación al estrés y la adaptación a las condiciones de trabajo.
Desde la perspectiva del mecanismo de rotura de rocas, la resistencia a la compresión de la roca es mucho mayor que su resistencia a la tracción y al corte. Esta característica se utiliza a menudo en el diseño. El impacto genera ondas de tensión transitorias de alta-presión en el fondo del pozo, formando grietas radiales y circunferenciales dentro de la roca. Posteriormente, la rotación o el impacto continuo hacen que las grietas se expandan y penetren, expulsando finalmente los fragmentos de roca del agujero bajo empuje axial. Según las diferencias litológicas, las herramientas se pueden dividir en impacto-dominante, rotación-corte-dominante e impacto-rotación combinada-dominante, correspondientes a diferentes modos de acción de tensión y métodos de eliminación de escoria.
La estructura de transmisión de potencia es el elemento central del diseño. Las herramientas neumáticas de perforación de rocas utilizan aire comprimido como fuente de energía. El flujo de aire es controlado por una válvula de distribución para ingresar alternativamente a las dos cámaras del cilindro, impulsando el pistón en un movimiento alternativo de alta-frecuencia, convirtiendo la energía de la presión del aire en energía de impacto. Las herramientas hidráulicas de perforación de rocas, por otro lado, utilizan una bomba hidráulica para generar aceite a alta-presión, impulsando el pistón de impacto y el motor giratorio, combinando las ventajas de un alto par y una frecuencia de impacto controlable. Ambos tipos de energía requieren soluciones para la eficiencia de la conversión de energía, la adaptación de la energía y la frecuencia del impacto, y la baja fricción y la alta confiabilidad de las partes móviles.
El diseño del actuador debe considerar la coordinación entre el extremo de impacto y el extremo giratorio. El par de contacto entre el pistón y la broca en el extremo de impacto debe tener alta resistencia al desgaste y a la fatiga; la carrera y la masa determinan la magnitud de la energía del impacto único. El extremo giratorio transmite el movimiento de rotación a la varilla de perforación a través de engranajes o estrías, lo que garantiza una transmisión estable incluso bajo fuerzas de reacción de impacto. El diseño de los mecanismos de propulsión y guía debe garantizar que el eje de la barra de perforación esté alineado con el eje del orificio para evitar una desalineación que provoque atascos de perforación o una forma irregular del orificio. El control de fuerza axial ajustable garantiza una combinación óptima de las acciones de impacto y rotación.
El diseño del sistema auxiliar refleja la consideración de adaptabilidad a las condiciones de trabajo. El sistema de suministro de agua inyecta agua limpia en el fondo del pozo para enfriar la broca y eliminar el polvo y los cortes de roca. Su caudal y presión deben adaptarse a la frecuencia de impacto. El sistema de lubricación suministra continuamente niebla de aceite o aceite hidráulico a las piezas móviles para reducir el desgaste y mantener el sellado. Las estructuras de reducción de ruido y amortiguación de vibraciones reducen los efectos adversos del ruido y la vibración en los operadores y en el propio equipo.
En el diseño moderno, la introducción de sensores y unidades de control amplía el principio desde la simple producción mecánica de energía hasta la regulación inteligente. Al monitorear parámetros como la frecuencia del impacto, el par de rotación, la fuerza de propulsión y la temperatura en tiempo real, el sistema de control puede ajustar dinámicamente la potencia de salida y los parámetros operativos para adaptarse a diferentes tipos de rocas y condiciones de trabajo, manteniendo una rotura de rocas eficiente y una operación con bajas-pérdidas.
En general, el principio de diseño de las herramientas de perforación de rocas se basa en la mecánica de rocas. A través de la conversión de energía, la coordinación de impacto y rotación, la guía de propulsión y la integración de sistemas auxiliares, logra una utilización eficiente de la energía y condiciones de trabajo adaptables, proporcionando un medio confiable para romper rocas y formar pozos para minería e ingeniería geotécnica.
