PERFORATRICE
PERFORATRICE (fr. machine à pacer; sp. perforadora; ted. Gesteinbohrmaschine; ingl. stone-drill machine)
È la macchina o l'apparecchio atto a perforare terre, pietre, rocce, opere murarie, conglomerati. Nei materiali lavorati in lastre di debole spessore, come, ad es., i marmi, i fori, generalmente passanti, sono ottenuti per mezzo del trapano (v.).
La perforazione in cave o gallerie minerarie o ferroviarie per mezzo di perforatrici ha generalmente lo scopo di formare fori ciechi da mina per la disgregazione delle rocce a mezzo di esplosivi. Tali perforazioni hanno profondità variabili da meno di un metro a circa dieci metri e si effettuano in tutti i sensi ma specialmente in piani orizzontali o inclinati. La perforazione profonda verticale ha invece lo scopo di ricerche del sottosuolo o di permettere la posa di tubazioni per portare alla superficie acqua, olî minerali, gas, vapore o di aprire soffioni.
Le perforatrici agiscono per mezzo della percussione o della rotazione di apposito utensile detto succhiello, scalpello o fioretto, del quale il materiale e la costruzione, la velocità e pressione di lavoro sono appropriati al metodo di perforazione e alle qualità caratteristiche delle rocce da perforare.
Tutti i tipi di perforatrici a mano, meccaniche o elettriche, a rotazione o a percussione devono poter provvedere al movimento di avanzo; quelli a percussione devono essere provvisti anche di un periodico movimento di rotazione del fioretto. Tutti i movimenti possono essere automatici oppure no.
Perforatrici per cave e gallerie minerarie e ferroviarie. - Questi tipi si distinguono anche per l'agente che le aziona e cioè a mano, ad aria compressa, o ad acqua in pressione, e ad azionamento elettrico.
Tra le perforatrici a mano a percussione si citano i tipi Jordan e Delahaye. Nella Jordan si comprime, a mano, l'aria di un cilindro, il cui stantuffo agisce sullo scalpello.
Nella Delahaye una pesante asta portante il fioretto scorre su rulli e ad essa l'operaio imprime una spinta rettilinea come a un ariete. Ad ogni colpo il fioretto riceve una leggiera rotazione. Tra le perforatrici a mano a rotazione si hanno i tipi Lisbeth, Leschot, Ulrich. Nella Lisbeth l'albero che porta il fioretto, girato a mano, passa attraverso un albero cavo con filettatura esterna, che si avvita in un manicotto fisso a un telaio verticale (fig. 1). L'albero portafioretto può essere reso solidale con l'asse cavo filettato, di tempo in tempo, ottenendo l'avanzamento. Le perforatrici a mano sono state impiegate quasi esclusivamente nelle miniere di sale.
Tra le perforatrici meccaniche ad aria compressa una notevole quantità di tipi furono sviluppati per la formazione di fori da mine in gallerie. La prima fu quella ideata da G. B. Piatti e realizzata da G. Sommeiller per il traforo del Fréjus. Con 1600 m. di altezza massima della montagna incombente sul punto più alto di questa galleria e con più di 12,5 km. di lunghezza, i pozzi intermedî quali fronti di attacco della perforazione e di uscita dei materiali, come erano stati usati fino allora, erano d'impossibile realizzazione e si doveva perciò con due soli attacchi estremi scavare due lunghe gallerie a fondo cieco. Il vapore non si prestava quale agente motore a causa della condensazione e della difficoltà di respirazione in galleria.
G .B. Piatti nel 1853 propose di usare per i fori da mine una perforatrice a percussore azionata ad aria compressa, ottenendo con questo fluido anche l'aereazione della galleria. L'idea fondamentale costruttiva del Piatti fu quella applicata poi nella costruzione della prima perforatrice perfezionata dall'inglese Bartlett e dal savoiardo Sommeiller, e usata regolarmente dal 1860 al 1871 per quel traforo che fu gloria del piccolo Piemonte. La perforatrice Piatti-Sommeiller fu un primato italiano. L'impiego dell'aria compressa in tubazione per una lunghezza di più di 6 km., che costituì il primo trasporto di energia a notevole distanza, è un altro primato italiano.
Nella perforatrice Piatti-Sommeiller, come nella grande maggioranza delle successive perforatrici, per mezzo di un cassetto di distribuzione l'aria compressa produce il movimento alternativo di uno stantuffo che porta il fioretto percussore. Mediante un motorino indipendente si ottengono l'avanzamento e la rotazione periodica del fioretto, come anche il ritiro del cilindro e relativo stantuffo percussore.
Numerosi perfezionamenti ebbe la perf0ratrice Piatti-Sommeiller nelle molte applicazioni posteriori per i trafori di gallerie, dovute anche in gran parte alla diversa natura delle rocce. Così nel traforo del Gottardo furono adoperati i tipi François-Dubois, Mac Kean-Séguin, Turrettini-Colladon, nei trafori delle gallerie di Laveno e dell'Arlberg le perforatrici Ferroux, in quello della galleria del Turchino le Blanchod e Segala.
La perforatrice Piatti-Sommeiller del 1868 (fig. 2) è formata da un telaio di ferro, da un cilindro percursore mobile K, che si avanza sul telaio quando il fioretto approfondisce il foro e che si può far retrocedere, quando è necessario, e da un piccolo motore R collocato sulla parte posteriore, che ha lo scopo, mediante un'asta quadra S e un eccentrico C, di dare il movimento al cassetto di distribuzione Q nel cilindro percussore K e inoltre di comunicare il movimento di rotazione al fioretto B, come anche di far avanzare o retrocedere il cilindro percussore a mezzo di ruote dentate AA.
Già in questo primo tipo di perforatrice si provvedeva alla soffiatura e alla lavatura del foro per allontanare i detriti della perforazione.
Nelle costruzioni posteriori di perforatrici molti dispositivi ingegnosi furono applicati, ma tutti basati sui movimenti di percussione, rotazione periodica dello scalpello ed avanzamento e tutti o in parte automatici. Il diametro dei fioretti era di circa 2-3 cm. Le perforatrici a percussione per gallerie erano tutte azionate ad aria compressa.
In quanto alle perforatrici a rotazione un solo tipo fu usato nei grandi trafori alpini e fu il Brandt con azionamento però ad acqua in pressione, che venne adoperato nei trafori dei monti Sonnstein, Pfaffensprung, Arlberg, Albula e Sempione.
Nella perforatrice Brandt (fig. 3), azionata ad acqua alla pressione di circa 100 atmosfere, il movimento rapidissimo alternativo dei due stantuffi di un motore idraulico a due cilindri è trasf0rmato in movimento circolare di una vite perpetua, che per mezzo di una ruota dentata trasmette con notevole riduzione di velocità il moto all'asse del fioretto. Questo è avvitato su un cilindro cavo, che forma lo stantuffo di un cilindro dove l'acqua compressa produce una grande pressione (circa 15.000 kg.) contro la roccia, nonché l'avanzamento. L'acqua motrice sfugge poi attraverso il fioretto cavo, raffreddandone i denti e asportando i detriti. Il diametro esterno del fioretto cavo è di circa 8 cm., la forma è quella di un dente molare cavo, generalmente a tre punte.
I tipi sopra menzionati di perforatrici ad aria o ad acqua per gallerie ferroviarie, quali il Piatti-Sommeiller, il Brandt, il Humboldt, ecc. (figg. 4, 5) di notevole peso, erano sempre montati su pesanti affusti o carri. Gli affusti portano sempre parecchie perforatrici alla volta e cioè fino a 9 nel tipo Piatti-Sommeiller. Ogni perforatrice è sempre indipendente dalle altre e si può volgere in qualunque direzione, acciocché il fioretto possa lavorare in alto, in basso e sui fianchi e con qualunque inclinazione.
Tra le perforatrici azionate elettricamente troviamo esempî di macchine a percussione quali le Van Depoele, Marwin, Jenkins, Morgan e a rotazione quali la Siemens & Halske.
Nella Van Depoele (fig. 6) a un nucleo cilindrico K di ferro che porta il fioretto è impresso, per induzione, un movimento alternativo da due avvolgimenti S1 S2, il primo formato da poche spire di grosso conduttore e l'altro da molte spire di filo sottile, le due spirali essendo isolate fra loro. Nella parte posteriore della perforatrice l'asse s porta scanalature elicoidali che, per mezzo di ruota dentata e scatto a denti, producono ad ogni ritorno del nucleo una rotazione dello stesso e quindi del fioretto. Le prese di corrente delle spirali fanno capo in k. Nel tipo Marwin costruito esclusivamente per azionamento a corrente alternata monofase le spirali sono soltanto due.
Nella perforatrice elettrica a rotazione Siemens & Halske (fig. 7) un motore elettrico separato aziona la perforatrice, che è indipendente, mediante un albero flessibile che trasmette il moto all'albero cavo W per mezzo della coppia di ruote coniche K1 K2. L'albero S prende il moto dall'albero cavo W per mezzo di una molla f fissata in una scanalatura elicoidale dell'asse S. Sull'asse W è fissata la mcota dentata a, che attraverso le ruote b, c aziona la d e con questa la vite m che avvolge l'asse S. Le velocità angolari di m e dell'albero porta-fioretto S risultano diverse ed è questa rotazione relativa che provoca l'avanzamento del fioretto. La ruota dentata c non è fissa, ma è trascinata dalla ruota b solo per l'attrito causato dalla molla F. La ruota c essendo maggiore della ruota d, risulta che la vite m gira più rapidamente che l'albero S e questo quindi avanza. A questa rotazione relativa tra la vite m e l'asse S si oppone la controspinta dell'asse S, come anche l'attrito di rotazione della vite. Tra questa resistenza e l'attrito dell'accoppiamento delle ruote b, c si stabilisce una condizione di equilibrio. A ogni aumento di controspinta dell'asse S cagionato da una maggiore durezza della roccia, diminuisce il moto relativo tra m e S e aumenta lo scorrimento tra a e b. Se il fioretto s'incastra in modo da essere impedito l'avanzamento, avranno m e S la stessa velocità, le ruote dentate avranno il massimo possibile scorrimento e tutto il lavoro motore si consumerà in attrito.
Nelle più recenti costruzioni le perforatrici per gallerie sono state notevolmente alleggerite, rese indipendenti e manovrate senza affusto oppure con singoli leggieri sostegni. Questi sono i tipi attualmente in uso e sono azionati ad aria compressa o elettricamente.
Quando si tratti di fori verticali o inclinati da eseguirsi dall'alto in basso, dove cioè il peso dell'utensile e lo sforzo dell'operatore ne determinano l'avanzamento, la perforatrice è ridotta ad un apparecchio leggiero trasportabile (15 ÷ 30 kg.) detto anche martello perforatore, agente per sola percussione senza avanzamento automatico ed azionato ad aria compressa (fig. 8) (v. perforatore, martello).
Per i fori dal basso in alto od orizzontali, che possono talvolta sorpassare i 10 m. di lunghezza, s'adoperano attualmente singole perforatrici ad aria compressa, ma leggiere (30 ÷ 50 kg.) e con avanzamento e rotazione del. l'utensile, montate su colonne verticali o supporti orizzontali fissati nella galleria (fig. 9).
Analoghi apparecchi, ma a rotazione, sono azionati più spesso elettricamente e sono di potenze da 2 a 4 cavalli. Tra questi il Siemens-Schuckert (fig. 10) che pesa 103 kg., è montato su un telaio di leghe metalliche leggiere, è usato specialmente nelle miniere di carbone ed è provvisto di un giunto a frizione tra il motore e l'albero del fioretto, che automaticamente disconnette il motore in caso di sovraccarico. Vi sono però esempî di piccole perforatrici a rotazione azionate ad aria compressa.
Tutti i tipi di perforatrici finora descritti sono destinati principalmente alla formazione di fori da mine. Ma le mine non possono venire usate senza grave pericolo, quando esse sovrastino l'abitato o corsi d'acqua. Così nelle grandi gallerie o "tubi" di metropolitane s'adoperano singole perforatrici con un disco rotante scavante tutta la fronte, quali le Callon, Evrard, Pembriss, Beaumont, nella quale ultima il disco porta una serie di pistolotti sulla periferia.
Nei grandi trafori alpini furono adoperati diversi tipi di perforatri. ci ad aria compressa, ma uno solo ad acqua impressione. Questa ultima è più razionale delle prime e inoltre il rendimento delle pompe ad acqua è molto superiore a quello dei compressori d'aria a causa del riscaldamento dell'aria durante la compressione, ma in prove comparative non fu constatata una superiorità netta della perforatrice ad acqua su quella ad aria. Però nel caso di rocce che si decompongono con l'acqua quali certi micascisti, scisti argillosi e anidrite, è preferibile la perforatrice ad aria per non aggiungere all'acqua di filtrazione quella abbondante che viene fornita dalle perforatrici, giacché il terreno si rigonfia e l'acqua ristagna.
Nella pratica attuale è prevalsa la tendenza a fare uso di singole piccole perforatrici a percussione ad aria compressa con o senza telaio di sostegno.
Nel numero dei colpi delle perforatrici ad aria compressa a percussione usate nei trafori alpini, i valori minimi e massimi erano stati da 250 colpi (Piatti-Sommeiller) a 800 colpi (Turrettini-Colladon) con aria fra 3 e 6 atmosfere, mentre nelle perforatrici attuali si hanno da 1000 a 1600 colpi con pressione d'aria di 4 a 7 atm. In queste ultime il consumo d'aria libera varia per i varî tipi e pressioni fra i 350 e i 1600 litri al minuto.
Nella perforatrice Brandt ad acqua in pressione i giri del fioretto variano da 4 a 8. La potenza delle antiche perforatrici variava da 3,8 cavalli teorici (Piatti-Sommeiller) a 27 cavalli (Brandt).
Con essa furono assorbiti 11 ÷ 14 cavalli in rocce tenere, 17 ÷ 20 in rocce di media durezza, 24 ÷ 27 cavalli in rocce durissime.
La perforatrice elettrica Siemens & Halske assorbe 900 Watt.
La lunghezza dei fori di mina era intorno a un metro nelle antiche perforatrici ad aria compressa e in media di m. 1,46 nella perforatrice ad acqua compressa (Brandt) con un massimo di m. 2 a 2,50; nelle moderne perforatrici leggiere si superano i 10 m.
Il diametro dei fioretti varia da 3 ÷ 4 cm. nelle perforatrici ad aria compressa; è di 8 cm. nella perforatrice ad acqua compressa (Brandt).
Il numero dei fori da mine per ciascun attacco nei grandi trafori alpini varia da un minimo di 9 (Fréjus) a un massimo di 34 (Arlberg) con le perforatrici ad aria e da 4 (Laveno) a 15 (Sempione) con quelle ad acqua; la dinamite adoperata varia da kg. 0,80 ÷ 1 per le perforatrici ad aria, da kg. 3 ÷ 4 per quelle ad acqua.
Perforatrici per fori profondi. - Quando i fori profondi hanno solo lo scopo di sondare o campionare il terreno, l'apparecchio estrattore dovrebbe chiamarsi sonda, ma nella pratica è tutto l'insìeme della macchina di perforazione e di quella d'estrazione che va indifferentemente sotto il nome di perforatrice o di sonda.
Anche nelle perforatrici per fori profondi, come in quelle per gallerie, lo scalpello agisce a percussione o a rotazione. Lo scopo della perforazione, generalmente verticale, può essere quello di sondare il terreno oppure di scavare fori da mina e di portare alla superficie i materiali del sottosuolo attraverso la via tubolare del foro. La perforazione si effettua a secco o a circolazione d'acqua mediante corrispondenti costruzioni delle perforatrici. L'apparecchio perforante e quello estraente sono azionati da meccanismi mossi da qualsiasi forma di energia e che sono sempre collocati alla superficie.
Pare che perforazioni profonde si siano effettuate in Cina prima dell'era volgare e fino a profondità di 1200 m. per ottenere acqua dolce e salata o gas. Un pesante scalpello, appeso a cavi di bambù fasciati, per mezzo di bilanciere azionato a mano o con forza animale, agiva a percussione. Il sistema è usato tuttora.
Le operazioni principali di una perforazione sono la formazione del foro, l'estrazione dei detriti e la rivestitura del foro stesso.
Gl'impíeghi più frequenti delle perforatrici per fori profondi sono per fori da mina, per fondazioni e per ricercare acque, gas e soprattutto olî minerali. I fori possono avere diametri variabili, generalmente da 10 a 60 cm. Per la perforazione di fori da mina profondi servono piccole perforatrici a percussione e azionate direttamente ad aria compressa montate su trepiede, che vanno a profondità massime di 15 ÷ 20 m. con diametri di fori di 100 mm. (fig. 11).
Per ricerche più profonde la perforazione a percussione si può ottenere col sistema delle aste o con quello dei cavi. Nel sistema classico canadese ad aste, uno scalpello piatto è appeso a una colonna di aste piene, di un diametro da 18 a 30 mm. Il movimento di percussione è dato da un bilanciere collocato alla superficie e azionato da un argano. I detriti del terreno prodotti dalla perforazione formano, con l'acqua di infiltrazione o con quella introdotta appositamente, una melma che di quando in quando, ritirando prima lo scalpello, viene estratta da una sonda detta generalmente cucchiara, formata da un tubo munito al fondo di una valvola. A mano a mano che la perforazione procede, vengono calati i tubi di rivestimento del foro.
L'avanzamento medio è di m. 2 a 5 in 24 ore.
Maggiore rapidità di perforazione si è ottenuta col sistema pennsylvano (fig. 12) anch'esso a secco, in cui la colonna rigida di aste è sostituita da un cavo flessibile di acciaio. L'avanzamento medio che si ottiene con questo sistema, è di m. 8 a 30 nelle 24 ore. In alcuni tipi di perforatrici si hanno tamburi separati per le manovre di sollevamento o abbassamento dello scalpello, della cucchiara, delle tubazioni di rivestimento.
Nei sistemi a circolazione d'acqua lo scalpello è portato da una colonna di aste cave entro le quali scende l'acqua sotto pressione, la quale dopo aver toccato il fondo, risale nella corona circolare tra la colonna di aste cave e il tubo di rivestimento, riportando alla superficie i detriti, abbreviando in tal modo in misura assai rilevante il tempo necessario all'estrazione. Perciò il sistema ebbe notevole sviluppo, raggiungendosi in condizioni favorevoli avanzamenti di 200 m. in 24 ore. Tra i varî tipi di perforatrici da esso derivati citiamo il Raky (fig. 13) nel quale però, avendo la rapidità di percussione raggiunto i 200 colpi al minuto, è risultato necessario inserire una batteria ammortizzatrice di molle nella sospensione del bilanciere. Nel sistema Franck la circolazione d'acqua è inversa, cioè essa discende nella tubazione esterna e risale su per la cavità delle aste (fig. 14), col vantaggio di ottenere attraverso di questa un campione o nucleo, detto anche carotta, del terreno.
Altro sistema caratteristico per il metodo di lavoro e la costruzione della perforatrice è quello detto Alianza (fig. 15). In questo le aste cave sono sospese a una fune collegata a un piccolo bilanciere, collocato sulla sommità, detta anche corona, della perforatrice. L'avanzamento medio varia da 30 a 200 metri nelle 24 ore.
Un importante perfezionamento del metodo della corrente d'acqua per eliminare l'inconveniente di facili smottamenti del terreno è stato quello di sostituire all'acqua pura un miscuglio di acqua con argilla con l'eventuale aggiunta di sostanze pesanti (barite) e colloidali e che è detto a corrente densa, nel quale il miscuglio spalmando le pareti le rende consistenti.
Nei sistemi di perforazione a rotazione lo scalpello, che è detto anche tagliatore, è, nel sistema Davis-Kalix (figg. 16, 17) e per terreni teneri; un cilindro di acciaio terminante in una serie di denti, e cioè uno scalpello a più punte, che ruotando in un solco circolare sminuzza la roccia in schegge. Un sistema di aste di sonda mosso da un tavolo rotativo alla superficie imprime la rotazione.
Un cilindro di roccia o carotta resta così rinchiuso nella barra da nucleo o carottiera, che immediatamente segue il tagliatore, mentre i detriti della perforazione risalgono con la colonna d'acqua in pressione rimontante, depositandosi nel tubo a sedimento o calice, che fa seguito verso l'alto alla barra da nucleo, alla quale è fissato con un manicotto.
Quando la carottiera è piena, il cilindro di roccia viene spezzato al piede e tutto l'apparecchio riportato alla superficie. Per le rocce dure il tagliatore è a granaglia di quarzite o di acciaio.
Si hanno piccole perforatrici di questo sistema con manovra a mano e con una potenza di circa 3 HP, mentre le grandi perforatrici azionate meccanicamente richiedono potenze di 20 ÷ 25 HP.
Per rocce durissime s'adoperano più utilmente tagliatori portanti diamanti incastonati nella corona. Per le perforatrici a rotazione a circolazione d'acqua è generale l'impiego dell'acqua pura.
Tra le perforatrici a rotazione un tipo molto noto è quello Sullivan. L'avanzamento medio giornaliero dipende molto dalla natura del terreno oscillando in limiti assai vasti, da pochi centimetri fino a 20 m.
Tra le perforatrici a rotazione più moderne, ha caratteristiche particolari il sistema Rotary (fig. 18) che è adoperato su larghissima scala nei campi petroliferi di tutto il mondo. In esso lo scalpello è a coda di pesce, il taglio è rivestito di metalli duri (borium, stellite, ecc.) e lo scalpello è posto in rotazione per mezzo di un sistema di aste cave o tubi di grosso spessore con diametri da 75 a 150 mm., fatti ruotare da un robusto tavolo rotativo. Si usa la circolazione con corrente densa, che esercita una notevole pressione sulle pareti del foro, rivestendole di argilla fangosa, con che si può rinunciare al rivestimento metallico del foro durante i lavori di perforazione, ottenendosi così rapidissimí avanzamenti.
La tubazione è poi collocata in un sol colpo. Si sono così ottenuti avanzamenti, rapidissimi, con un massimo di 730 m. in 24 ore. Nel sistema Rotary, le notevoli dimensioni dei diametri e dello spessore delle colonne di tubi di rotazione hanno permesso l'uso di tagliatori e carottiere di notevole grandezza, ottenendosi più rapidi avanzamenti e maggiori dimensioni del nucleo o carotta estratta.
Appunto con la perforatrice Rotarv si è raggiunta in America la profondità massima di oltre 3300 m., e un pozzo di 1000 m. di profondità in terreni di media durezza può essere forato entro un mese, incluso il montaggio, l'introduzione della tubazione e la cementazione.
Sono state costruite anche perforatrici risultanti dai sistemi combinati a rotazione e a percussione e in particolare si conosce la combinazione del sistema Rotary col pennsylvano.
La trasmissione del moto allo scalpello sia nei sistemi a percussione sia in quelli a rotazione si effettua con scarso rendimento causa la lunga trasmissione perciò si è tentato di porre il motore in fondo al pozzo in prossimità immediata dello scalpello.
Tra questi è assai originale il sistema Wolski, che aveva adoperato un motore idraulico azionante una valvola, la quale con ripetuti colpi di ariete imprimeva la percussione. Questo sistema non ha avuto sviluppo notevole per la difficoltà di trovare per la fabbricazione delle valvole, un materiale che potesse resistere alle sollecitazioni meccaniche di 3000 colpi al minuto. Né erano ancora noti i vantaggi della corrente densa.
Altra notevole invenzione, sulla quale però sono tuttora scarse le notizie, appare quella del Kapelusnikov in Russia, la quale consiste in una perforatrice a rotazione formata da una turbina a corrente densa, che viene collocata in fondo al foro e che imprime direttamente la rotazione allo scalpello.