Interpreting stress wave signals in rock drilling systems
Ropponen, Henri (2023)
Diplomityö
Ropponen, Henri
2023
School of Engineering Science, Laskennallinen tekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023022128097
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2023022128097
Tiivistelmä
One of the most common ways to drill a borehole to rock, is to use percussion drilling which is based on frequently transferring high kinetic energies from the piston to the rock. When the piston collides with the shank, there will be a high magnitude stress wave propagating towards the rock. With the high stresses, the goal is to break the rock’s structure which eventually creates a borehole. The challenge in percussion drilling is to minimize stress waves that reflect from the rock as they may be harmful for the system. Conventionally, stress waves are measured with strain gauges that measure the strain in an object. In elastic regime, this strain can be converted into stress with the help of Young’s modulus. This Master’s Thesis researches the possibility of configuring numerical Finite Element Method (FEM) models to gain stress wave data without the need of using strain gauges. The models are done for two different drilling systems of which there are strain gauge data available. For analysing the reflected waves in different rock conditions, the models use different parameters in the rock model. From the results it can be concluded that the incident stress wave can be simulated accurately if the model itself is accurate. The reflected stress wave cannot be predicted due to ever-changing rock conditions but it can be fitted with the help of measurement data. Yksi tyypillisimmistä tavoista porata kolo kallioon on käyttää iskuporausta, joka perustuu toistuvien suurien kineettisten energioiden siirtämiseen männältä kallioon. Kun mäntä törmää niskaan, korkean suuruusluokan jännitysaalto kulkeutuu kohti kiveä. Korkeilla jännityksillä tavoitellaan kiven rikkomista, joka lopulta luo porareiän. Eräs haaste iskuporauksessa on minimoida jännitysaaltoja, jotka heijastuvat kiveltä, koska ne saattavat olla haitallisia järjestelmälle. Tavanomaisesti jännitysaaltoja mitataan venymäliuskoilla, jotka mittaavat kappaleessa esiintyviä venymiä. Elastisessa olosuhteessa tämä venymä voidaan muuntaa jännitykseksi kimmokertoimen avulla. Tämä diplomityö tutkii mahdollisuutta konfiguroida numeeristen elementtimenetelmien malleja jännitysaaltodatan tuottamiseksi ilman tarvetta käyttää venymäliuskoja. Mallit tehdään kahdelle eri porausjärjestelmälle, joista on olemassa venymäliuskadataa. Heijastuneiden aaltojen analysoimiseksi erilaisissa kiviolosuhteissa mallit käyttävät vaihtelevia parametreja kivimallissa. Tuloksista voidaan johtaa, että menevä jännitysaalto voidaan simuloida tarkasti, jos malli itsessään on tarkka. Heijastunutta jännitysaaltoa ei voida ennustaa alati muuttuvien kiviolosuhteiden takia, mutta se voidaan sovittaa mittausdatan avulla.