Setiap Gaya yang Dirasakan Batang Bor di Bawah Tanah (Dan Mengapa Mengetahuinya Mengubah Cara Anda Membeli Baja)
Kebanyakan orang yang membeli batang bor memikirkannya dalam hal berapa meter sebelum patah. Itu bagus untuk spreadsheet pembelian. Tapi jika Anda ingin memahamiMengapaJika batang penghubung mengalami kegagalan — dan mengapa yang mahal terkadang tidak, dan yang murah terkadang gagal — Anda perlu memikirkannya dalam hal gaya.
Batang bor tampak sederhana. Itu adalah batang baja dengan ulir di kedua ujungnya. Tetapi tiga puluh detik yang dibutuhkan untuk mengebor lubang sepanjang satu meter membuat batang tersebut mengalami beban yang jarang dialami oleh komponen mesin lainnya. Berikut adalah setiap gaya yang bekerja, sesuai urutan gaya yang mengenai batang bor.
Kompresi dan Tarik Aksial — Siklus Dorong-Tarik
Ini yang paling jelas. Piston menabrak adaptor tangkai. Tangkai menabrak batang. Batang menabrak mata bor. Mata bor menabrak batu.
Namun, ada satu hal yang sering dilewatkan banyak orang: batu itu akan membalas.
Ketika mata bor mengenai permukaan batu, batu tersebut tidak hanya menyerap benturan. Batu tersebut mengirimkan gelombang tegangan pantulan kembali ke tali. Gelombang itu bersifat tarik — gelombang tersebut menarik batang bor alih-alih mendorongnya. Jadi dalam satu peristiwa benturan, batang bor mengalami siklus dari kompresi ke tegangan dan kembali lagi. Dengan 50 benturan per detik, itu berarti 50 siklus dorong-tarik penuh setiap detik, 180.000 siklus per jam.
Setiap akar ulir, setiap perubahan penampang, setiap diskontinuitas metalurgi pada batang tersebut mengalami peregangan dan kompresi tiga ribu kali per menit. Batang tersebut bertahan karena tingkat tegangan tetap di bawah batas kelelahan baja yang diberi perlakuan panas dengan benar. Tetapi jika batas tersebut turun — karena pemanasan berlebihan, cacat permukaan, atau titik lemah dalam perlakuan panas — waktu mulai berjalan.
Tegangan Lentur — Masalah Kelangsingan
Batang bor adalah kolom ramping. Batang R32 untuk pembuatan terowongan mungkin memiliki panjang tiga meter dengan diameter 32 milimeter pada bagian berulir. Itu berarti rasio aspeknya mendekati 100:1.
Tiga hal menyebabkan pembengkokan pada kolom tersebut. Gravitasi saja akan membuat batang yang panjang melengkung, terutama dalam rangkaian sepuluh batang atau lebih. Gaya dorong—tekanan yang mendorong bor ke depan—menambah pembengkokan jika tidak sepenuhnya aksial. Dan gaya tumbukan, jika batang tidak lurus sempurna, akan menimbulkan komponen pembengkokan pada setiap pukulan karena jalur energi menyimpang dari garis tengah.
Tegangan lentur penting karena bersifat aditif. Batang yang berada di bawah tekanan aksial murni mungkin mampu menahan benturan 200 kN. Tambahkan momen lentur dari sedikit lengkungan atau umpan yang tidak sejajar, dan tegangan puncak pada serat terluar dari tekukan mungkin dua kali lipat dari yang dihasilkan oleh beban aksial saja. Itulah mengapa batang yang seharusnya tidak mengalami kerusakan bisa patah pada setengah dari panjang nominalnya.
Tekanan Torsional — Putaran
Motor putar pada mesin bor hidrolik memberikan torsi untuk memutar seluruh rangkaian bor — tangkai, batang, sambungan, mata bor. Batang-batang tersebut harus mentransmisikan torsi tersebut sambil secara bersamaan menahan benturan aksial dan beban lentur yang ada.
Tegangan torsi menambah kondisi tegangan gabungan. Batang yang mengalami torsi, lentur, dan benturan aksial berada dalam kondisi tegangan triaksial. Memprediksi kegagalan dalam kondisi tersebut bukanlah hal yang mudah—itu bergantung pada besaran relatif dan respons material terhadap pembebanan multiaksial. Yang penting secara praktis adalah bahwa batang dengan kekakuan torsi tinggi lebih tahan terhadap pembebanan gabungan daripada batang yang mudah terpelintir, karena defleksi sudut yang lebih kecil berarti lebih sedikit energi yang hilang di badan batang daripada yang disalurkan ke batuan.
Keausan Eksternal — Gesekan, Serpihan, dan Air
Tidak semua gaya berasal dari mata bor. Lubang itu sendiri merupakan lingkungan yang abrasif.
Batang bor bergesekan dengan dinding lubang, terutama ketika lubang tersebut menyimpang dari garis lurus. Serpihan batuan berputar-putar di sekitar batang bor, terbawa oleh air bilas, dan bergesekan dengan permukaan seperti amplas basah. Air bilas itu sendiri, yang sering membawa partikel abrasif halus, mengikis permukaan batang bor seiring waktu. Dalam kondisi air tanah korosif — misalnya, air tambang yang bersifat asam — baja mengalami serangan kimia sekaligus beban mekanis, kombinasi yang mempercepat keretakan akibat kelelahan melalui mekanisme korosi tegangan.
Inilah mengapa penyelesaian permukaan batang piston penting, dan mengapa batang piston yang terlihat sama pada lembar spesifikasi dapat berperilaku berbeda di bawah tanah. Permukaan yang halus dan terfinishing dengan baik menahan inisiasi retakan. Permukaan yang kasar dengan bekas pengerjaan mesin atau kerak memberikan tempat bagi korosi dan kelelahan untuk dimulai.
Kartu Liar — Operasi Khusus
Lalu ada hal-hal yang sebenarnya tidak dirancang untuk dilakukan oleh joran tersebut, tetapi tetap diminta untuk dilakukan.
Mengungkit batuan yang lepas dengan rangkaian bor. Menarik batang bor yang macet keluar dari lubang yang runtuh. Pengeboran gagal ketika tekanan umpan turun dan mata bor kehilangan kontak dengan permukaan batuan. Memasukkan batang bor ke dalam lubang perimeter yang diledakkan dengan halus di mana dindingnya retak dan lengket. Masing-masing hal ini memberikan kombinasi beban pada batang bor yang berada di luar batas desain.
Batang bor yang mampu menahan pengeboran normal hingga seribu meter mungkin akan patah pada manuver linggis pertama. Gaya yang bekerja berbeda, konsentrasi tegangan berbeda, dan batang bor tidak tahu atau tidak peduli bahwa seharusnya ia bertahan lebih lama.
Mengapa Hal Ini Penting Saat Anda Membeli
Intinya adalah: Ketika Anda melihat dua batang bor dengan spesifikasi serupa — jenis ulir yang sama, panjang yang sama, mutu baja yang sama — dan salah satunya harganya 30% lebih mahal, perbedaannya hampir selalu terletak pada bagaimana batang bor tersebut menangani lingkungan beban multi-sumbu ini.
Batang yang lebih murah mungkin memiliki kekerasan permukaan yang tepat tetapi transisi yang tajam ke bagian inti, sehingga rentan terhadap kelelahan akibat tekukan. Batang tersebut mungkin memiliki kekuatan tarik yang tepat tetapi hasil akhir permukaan yang buruk, sehingga korosi mudah terjadi. Batang tersebut mungkin memiliki geometri yang tepat tetapi kelurusannya tidak konsisten, sehingga setiap batang dalam rangkaian tersebut menambah komponen tekukannya sendiri.
Batang yang harganya lebih mahal dan lebih awet bukanlah sihir. Itu hanyalah baja yang telah diproses untuk menangani kelima rezim gaya sekaligus, bukan hanya yang paling mudah untuk ditentukan spesifikasinya.
