تحليل طريقة عمل كاسّر الصخور الهيدروليكي

2.2 تحليل طريقة عمل كاسّر الصخور الهيدروليكي

يمتلك كاسّر الصخور الهيدروليكي أشكالاً هيكلية عديدة. وانطلاقاً من مبدأ العمل، يعمد المؤلفون إلى استخلاص وتلخيص أكثر الأفكار أساسيةً وأهميةً في كاسّر الصخور الهيدروليكي، وتقليلها إلى ثلاث طرائق تشغيل أساسية: الطريقة الهيدروليكية البحتة، والطريقة الهيدروليكية-الهوائية المدمجة، والطريقة القائمة على انفجار النيتروجين.

2.2.1 مبدأ العمل الهيدروليكي البحت

مبدأ العمل الهيدروليكي الخالص يمتلك ثلاث صور تنفيذية: ضغط ثابت في الغرفة الأمامية / ضغط متغير في الغرفة الخلفية (ويُشار إليه اختصارًا بـ «مبدأ الضغط الثابت في الغرفة الأمامية»)، وضغط ثابت في الغرفة الخلفية / ضغط متغير في الغرفة الأمامية (ويُشار إليه اختصارًا بـ «مبدأ الضغط الثابت في الغرفة الخلفية»)، وضغط متغير في كلٍّ من الغرفة الأمامية والغرفة الخلفية (ويُشار إليه اختصارًا بـ «مبدأ الضغط المتغير»).

(1) مبدأ الضغط الثابت في الغرفة الأمامية

كان هذا هو مبدأ العمل الذي اعتمد لأول مرة عند بدء تطوير المكابس الهيدروليكية لكسر الصخور؛ وجميع التطورات التقنية اللاحقة بُنيت على أساسه. ويظهر المكبس الهيدروليكي لكسر الصخور ذي الضغط الثابت في الغرفة الأمامية في الشكل ٢-١.

من الشكل ٢-١، يتكون النظام من جسم الأسطوانة، والمبكبس، وصمام التحكم، وممرات الزيت. ويتكوّن آلية التأثير من جسم الأسطوانة والمبكبس. ويتحرك المبكبس ذهابًا وإيابًا داخل جسم الأسطوانة بفعل زيت الضغط الهيدروليكي، ليُخرِج طاقة التأثير خارجيًّا ويُطبِّق قوة تأثير كبيرة على الهدف، مُنتِجًا تأثير المطرقة. أما وظيفة صمام التحكم فهي عكس اتجاه تدفق الزيت الذي يدفع المبكبس، مما يحقِّق الحركة التذبذبية الدورية للمبكبس.

المثقاب الصخري الهيدروليكي الموضح في الشكل ٢-١ يكون مبكبسه عند نقطة التأثير؛ أما عمود الصمام فيكون عند الموضع الذي أتمَّ فيه للتو التحويل من الشوط النشيط إلى شوط العودة. وفي هذه اللحظة، يدخل زيت الضغط العالي إلى غرفة الضغط العالي الثابتة في الأسطوانة (الغرفة أ ) عبر منفذ الضغط العالي الثابت في الصمام، لدفع المبكبس خلال شوط العودة (نحو اليمين). أما الزيت الموجود في الغرفة المتغيرة الضغط الخاصة بالمكبّس (الغرفة ب يُعاد توجيه الزيت عبر المنفذ ٤ والمنفذ المتغير الضغط / العائد للزيت الخاص بالصمام إلى الخزان. وعندما يتحرك المكبس للخلف حتى يمر كتفه الأمامي على المنفذ ٢ في جسم الأسطوانة، يُوجَّه زيت عالي الضغط إلى منفذ الصمام الدافع (المنفذ ٥)، ما يؤدي إلى تبديل وضع الصمام (نحو اليسار). وبما أن غرفة الضغط العالي الثابتة الخاصة بالصمام أصبحت الآن متصلةً بالغرفة المتوسطة ذات الضغط المتغير، فإن زيت عالي الضغط يدخل الغرفة الخلفية للمكبس ب عبر المنفذ ٤. وتصبح كلا جانبي المكبس الآن تحت تأثير زيت عالي الضغط، ولكن نظرًا لأن مساحة السطح التي تتحمل الضغط في الغرفة الخلفية ب أكبر من مساحة السطح التي تتحمل الضغط في الغرفة الأمامية أ يبدأ المكبس في التباطؤ أثناء الحركة العكسية، وتنخفض سرعته إلى الصفر، ثم يبدأ في الشوط الطرقي (نحو اليسار). وعندما يتصل التجويف المركزي في المكبس بالمنفذين 2 و3، يكون المكبس قد وصل للتو إلى نقطة التصادم، مُكمِّلًا دورة واحدة؛ وفي الوقت نفسه، يتصل منفذ الصمام الدافع رقم 5 بخط عودة الزيت، فينتقل السلك إلى اليمين، عائدًا إلى الوضع الموضح في الشكل 2-1، مُكمِّلًا بذلك دورة كاملة ويستعد لحركة المكبس العكسية التالية. وبهذه الطريقة، يحقِّق المكبس تأثيرات متواصلة، ويُخرِج طاقة تصادمية باستمرار. غرفة الهواء ج في مبدأ العمل هذا، تُفتح غرفة الهواء على الجو الخارجي.

(2) مبدأ الضغط الثابت في الغرفة الخلفية

وتجدر الإشارة إلى أن هذا المبدأ التشغيلي لا يمكن تحقيقه إلا بشرط أن تكون مساحة سطح المكبس المعرَّضة للضغط في الغرفة الأمامية أ أكبر من مساحة سطح الغرفة الخلفية ب أي أن قطر الغرفة الأمامية للمكبس أصغر من قطر الغرفة الخلفية ( د ₁ > د ₂).

الشكل ٢-٢ يُظهر المخطط التخطيطي لكسر صخور هيدروليكي ذي غرفة خلفية ذات ضغط ثابت / وغرفة أمامية ذات ضغط متغير.

وبالمقارنة مع الشكل ٢-١، فإن الاختلاف الوحيد هو أن المنفذ ١ الموجود في جسم الأسطوانة موصولٌ بالغرفة ذات الضغط المتغير في الصمام بدلًا من الغرفة ذات الضغط الثابت (عالية الضغط)؛ أما المنفذ ٤ فيتصل مباشرةً بالغرفة ذات الضغط الثابت في الصمام؛ وبقية مجاري الزيت هي نفسها. ويُظهر الشكل ٢-٢ اللحظة التي انتهت فيها للتو حركة الدفع للإ piston، وقد قام الصمام بالفعل بالتبديل — أي أن النظام يكون عند اللحظة التي تبدأ فيها حركة العودة.

وتتميّز خصائص عمل هذه الطريقة بأن كسر الصخور الهيدروليكي لا يُفرِّغ الزيت أثناء حركة العودة، بل يُفرِّغه أثناء حركة الدفع؛ كما أن مساحة السطح الحامل للضغط في الغرفة الأمامية أ أكبر من مساحة سطح الغرفة الخلفية ب لأن زمن تفريغ ضربة القدرة قصيرٌ والتدفق كبير، فإن خسائر الضغط الهيدروليكي الناتجة عن هذه المبدأ تكون أكبر من تلك الناتجة عن مبدأ الغرفة الأمامية ذات الضغط الثابت. وفي الوقت الحاضر، لا تستخدم معظم الكسارات الصخرية الهيدروليكية هذا المبدأ.

(3) مبدأ التغير في الضغط للغرفتين الأمامية والخلفية

يُظهر الشكل 2-3 مبدأ التغير في الضغط للغرفتين الأمامية والخلفية. ومن هذه المخططات يتبين بسهولة أن هذا النوع من الأجهزة الهيدروليكية للتأثير يتمتّع بهيكل معقّد يحتوي على عدد كبير من الممرات، ما يزيد من تكاليف التصنيع. ولذلك، فإنه لا يُستخدم في الكسارات الصخرية الهيدروليكية اليوم؛ بل لا يزال يُستخدم في بعض العلامات التجارية لمثاقب الصخور الهيدروليكية.

يُظهر الشكل 2-3 وضع المكبس عند نهاية ضربة القدرة وبداية ضربة العودة. وعندما تبدأ ضربة العودة، يدخل زيت عالي الضغط من الغرفة الوسطى للصمام إلى الغرفة الأمامية للمكبس أ عبر الغرفة اليسرى ومنفذ الأسطوانة رقم ١، دافعًا المكبس نحو اليمين. أما الزيت الموجود في الغرفة الخلفية ب يُفرَغ في خزان الزيت عبر المنفذ 5 للأسطوانة والغرفة اليمنى للصمام. وخلال الشوط العائد، عندما يمر كتف المكبس الأيسر على المنفذ 2 في جسم الأسطوانة، يدفع زيت عالي الضغط عبر المنفذ 7 ساق الصمام ليتحول إلى اليمين؛ فيقوم ساق الصمام عندئذٍ فورًا بتبديل مساري تزويد الأسطوانة وتفريغها من الزيت — فيصبح المنفذ 5 للأسطوانة تحت ضغط عالٍ، بينما يعود الزيت من المنفذ 1 للأسطوانة إلى الخزان — وبذلك يبدأ المكبس في التباطؤ، وتتناقص سرعته بسرعة إلى الصفر، ثم يتحول إلى التسارع في شوط القوة. وعندما يصل شوط قوة المكبس إلى نقطة التصادم، يتصل التجويف المركزي في المكبس بالمنفذين 2 و3 للأسطوانة، ويتصِل المنفذان 4 و5 ببعضهما البعض، وتتصل الجهة اليسرى لساق الصمام عبر المنفذ 7 بالمنفذين 2 و3 لإرجاع الزيت، بينما تتصل الجهة اليمنى لمنفذ ساق الصمام رقم 6 عبر المنفذين 4 و5 والجهة اليمنى للصمام والغرفة الوسيطة بالضغط العالي، ما يؤدي إلى تحول ساق الصمام إلى اليسار، وتغيير مساري تزويد الأسطوانة وتفريغها من الزيت، وإكمال دورة عمل واحدة للمكبس. ويعود كلٌّ من مكبس جهاز التكسير الهيدروليكي وساق الصمام إلى الحالة الموضَّحة في الشكل ٢-٣ — أي بداية الشوط العائد. وبهذه الطريقة، وباستمرار الحركة الترددية للمكبس، يُخرِج مُكسِّر الصخور الهيدروليكي طاقة التصادم خارجيًّا باستمرار، وأنجز عمل التصادم بكفاءة.

تُستخدم حاليًّا جميع المبادئ الثلاثة البحتة للعمل الهيدروليكي الموصوفة أعلاه في مثاقيب الصخور الهيدروليكية، وكاسرات الصخور الهيدروليكية، وغيرها من الآليات الهيدروليكية ذات التأثير، لكن كاسرات الصخور الهيدروليكية ما زالت تستخدم بشكل أكثر شيوعًا المبدأ الهيدروليكي-الهوائي المشترك للعمل.

2.2.2 المبدأ الهيدروليكي-الهوائي المشترك للعمل

ومن تحليل المبدأ البحت للعمل الهيدروليكي، يمكننا أن نرى أن جميع طاقة التأثير في آلية تأثير هيدروليكية بحتة تُزوَّد بواسطة النظام الهيدروليكي. ومع ذلك، وبما أن استخدام كاسرات الصخور الهيدروليكية البحتة زاد وتطوَّرت الأبحاث، وُجد أن الخسائر الهيدروليكية كانت كبيرة جدًّا، مما حدَّ من إمكانية تحسين الكفاءة أكثر فأكثر. فعند مرور الزيت عبر المجاري الداخلية لجسم الأسطوانة، لا بدَّ أن يحتكَّ بجدران الأنبوب، والخسائر الهيدروليكية الناجمة عن الانحناءات والتغيرات في القطر وتغيرات اتجاه التدفق تكون كبيرة جدًّا؛ وكلما زاد معدل التدفق، زادت هذه الخسائر، وهي شديدة جدًّا خصوصًا أثناء الشوط القوي.

في الوقت الراهن، يُستخدم مبدأ العمل الهيدروليكي-الهوائي المدمج بشكل رئيسي في المكاسح الصخرية الهيدروليكية التي تتطلب طاقة تصادمية كبيرة وتكراراً منخفضاً، وكذلك في آلات دق الأوتاد الهيدروليكية.

ولتحسين الكفاءة، وبعد بحثٍ واسع النطاق، اكتشف الناس طريقةً بسيطةً وفعّالة: وهي استخدام الغاز والزيت معاً لتوفير الطاقة التصادمية للمكاشط الصخرية الهيدروليكية. وهذا يقلل من التدفق المطلوب أثناء الشوط القوي — مما يقلل الخسائر الهيدروليكية ويزيد الكفاءة التشغيلية — ومن ثم ظهرت المكاشط الصخرية الهيدروليكية المدمجة هيدروليكياً وهوائياً.

ومبدأ التركيب للمكاشط الصخرية الهيدروليكية المدمجة هيدروليكياً وهوائياً بسيطٌ للغاية: يكفي فقط شحن غرفة الهواء. ج في المبادئ الهيدروليكية النقية الثلاثة المذكورة أعلاه مع وجود النيتروجين عند ضغط معين. وبما أن النيتروجين موجود الآن، فإنّه يُضغط أثناء الحركة العكسية للأسفل (السكتة العكسية) للإسطوانة، فيُخزَّن بذلك الطاقة؛ وعند حدوث السكتة التمكينية (السكتة القوية)، تُطلق هذه الطاقة جنبًا إلى جنب مع الزيت لدفع الإسطوانة، م logًّا بذلك الطاقة الحركية عند نقطة التصادم، ثم تحويلها إلى طاقة تصادمية. ومن الواضح أن دور النيتروجين يؤدي بالضرورة إلى تقليل كمية الزيت المستخدمة أثناء السكتة التمكينية، مما يقلل من استهلاك الزيت وبالتالي يحقّق خسائر هيدروليكية أقل وكفاءة أعلى.

مقارنةً بمُنكّس الصخور الهيدروليكي الخالص، فإنّ مساحة الضغط الفعّالة في الغرفة الخلفية للإسطوانة ب يتم تقليل المساحة الفعالة لتحمل الضغط في كاسرة الصخور الهيدروليكية المدمجة هيدروليكيًا-هوائيًا. ويؤدي هذا التخفيض في المساحة الفعالة لتحمل الضغط إلى استهلاك أقل للزيت أثناء الشوط القيادي، وانخفاض الخسائر الهيدروليكية — وهذه هي الأسباب الرئيسية التي أدت إلى التطور السريع لكاسرات الصخور الهيدروليكية المدمجة هيدروليكيًا-هوائيًا في السنوات الأخيرة. وتستخدم كاسرات الصخور الهيدروليكية المدمجة هيدروليكيًا-هوائيًا تقريبًا جميعها مبدأ العمل ذا الضغط الثابت في الغرفة الأمامية؛ وهذا أيضًا ميزة رئيسية من ميزات النوع المدمج هيدروليكيًا-هوائيًا.

2.2.3 مبدأ العمل النيتروجيني-الانفجاري

مبدأ عمل كاسرة الصخور الهيدروليكية النيتروجينية-الانفجارية لا يختلف جوهريًّا عن مبدأ عمل كاسرة الصخور الهيدروليكية المدمجة هيدروليكيًا-هوائيًا؛ وإنما تختلف ببساطة المعايير البنائية للساقط. أما الاختلاف الجوهري فهو أن قطر الساقط الأمامي والخلفي متساوٍ، أي أن: د ₂ = د ₁، وتُزوَّد كل طاقة التأثير بواسطة النيتروجين.

يتمثل الميزة الرئيسية لكسر الصخور الهيدروليكي المتفجر بالنيتروجين في تساوي أقطار المكابس الأمامية والخلفية. وخلال شوط القوة، لا تستهلك الغرفة الخلفية أي زيت، ويمكن تزويد جميع طاقة التأثير بواسطة النيتروجين. وبطبيعة الحال، يتم تزويد الطاقة المخزَّنة في النيتروجين بواسطة النظام الهيدروليكي أثناء شوط العودة، ثم تحوَّل إلى طاقة حركية خلال شوط القوة. ولذلك، وبتحليل نهائي، تظل الطاقة المستخدمة هي الطاقة الهيدروليكية التي تتحوَّل — ولكن عبر ضغط وسيط غازي وتخزين الطاقة، حيث تُطلَق الطاقة المخزَّنة في النيتروجين خلال شوط القوة وتتحول إلى طاقة ميكانيكية للمكبس.

يجب الإشارة إلى أن مبدأ الغرفة الأمامية ذات الضغط الثابت فقط هو القابل للتطبيق على كاسرة الصخور الهيدروليكية المتفجرة النيتروجينية؛ ولا يمكن تطبيق كلٍّ من مبدأ الغرفة الخلفية ذات الضغط الثابت ومبدأ الغرفة الأمامية والخلفية ذات الضغط المتغير على كاسرة الصخور الهيدروليكية من النوع النيتروجيني. والسبب يصبح واضحًا بمجرد فهم خاصية المكبس التي د ₂ = د ₁.