Analýza způsobu činnosti hydraulického kamenolomu

2.2 Analýza způsobu činnosti hydraulického kamenolomu

Hydraulický kamenolom má mnoho konstrukčních provedení. Na základě pracovního principu autoři abstrahují a shrnují nejzákladnější a nejdůležitější myšlenky týkající se hydraulického kamenolomu a redukují je na tři základní pracovní režimy: čistě hydraulický, kombinovaný hydraulicko-pneumatický a dusíkově-výbušný.

2.2.1 Čistě hydraulický pracovní princip

Čistý hydraulický pracovní princip má tři realizační formy: konstantní tlak v přední komoře / proměnný tlak v zadní komoře (zkráceně „princip konstantního tlaku v přední komoře“), konstantní tlak v zadní komoře / proměnný tlak v přední komoře (zkráceně „princip konstantního tlaku v zadní komoře“) a proměnný tlak v přední i zadní komoře (zkráceně „princip proměnného tlaku“).

(1) Princip konstantního tlaku v přední komoře

Toto byl pracovní princip, který byl poprvé použit na začátku vývoje hydraulických krušičů hornin; všechny následné technické pokroky byly na něm založeny. Hydraulický krušič hornin s principem konstantního tlaku v přední komoře je znázorněn na obr. 2-1.

Z obr. 2-1 vyplývá, že systém se skládá z válcového tělesa, pístu, řídicího ventilu a olejových kanálů. Válcové těleso a píst tvoří nárazový mechanismus. Píst se pohybuje vpřed a vzad uvnitř válcového tělesa hydraulickým olejem, čímž předává nárazovou energii ven a působí na cíl velkou nárazovou silou, čímž vytváří účinek kladiva. Úkolem řídicího ventilu je obrátit směr toku oleje pohánějícího píst, čímž se dosáhne periodického zpětného pohybu pístu.

Hydraulický horní krušič znázorněný na obr. 2-1 má píst v bodě nárazu; šoupátko ventilu je v poloze, kdy právě dokončilo přepnutí z pracovního zdvihu do zdvihu návratového. V tomto okamžiku vstupuje vysokotlaký olej do stálé vysokotlaké komory válce (komora a ) prostřednictvím stálého vysokotlakého přívodu ventilu a pohání píst ve zdvihu návratovém (doprava). Olej v proměnnotlaké komoře pístu (komora b se vrací zpět do nádrže přes port 4 a proměnný tlakový / vratný olejový port ventilu. Když se píst vrátí tak daleko, že jeho přední rameno projde portem 2 na tělese válce, je vysokotlaký olej vedeno do portu 5 tlačného ventilu, čímž dojde k přepnutí ventilu (doleva). Protože je nyní stálá vysokotlaková komora ventilu spojena s prostřední komorou proměnného tlaku, vstupuje vysokotlaký olej do zadní komory pístu b přes port 4. Na obou stranách pístu je nyní vysokotlaký olej, avšak protože plocha, na kterou působí tlak v zadní komoře, b je větší než plocha v přední komoře a píst začíná zpomalovat při zpětném zdvihu, jeho rychlost klesne na nulu a poté začne pracovní zdvih (doleva). V okamžiku, kdy střední vybrání pístu propojí přívody 2 a 3, dosáhne píst právě nárazového bodu a dokončí tak jeden cyklus; současně se přívod 5 tlačného ventilu propojí se zpětnou olejovou větví, čímž se šoupátko přepne doprava a vrátí do polohy znázorněné na obr. 2-1, čímž se dokončí jeden úplný cyklus a připraví se na další zpětný zdvih pístu. Tímto způsobem píst dosahuje nepřetržitého nárazu a neustále vydává nárazovou energii. Vzduchová komora c v tomto pracovním principu je vypouštěna do atmosféry.

(2) Princip konstantního tlaku v zadní komoře

Je třeba upozornit, že tento pracovní princip lze realizovat pouze za podmínky, že plocha pístu vystavená tlaku ve frontální komoře a je větší než plocha v zadní komoře b , tj. průměr frontální komory pístu je menší než průměr zadní komory ( h ₁ > h ₂).

Obr. 2-2 znázorňuje schéma hydraulického kamenolomu s konstantním tlakem v zadní komoře a proměnným tlakem ve vnější komoře.

Ve srovnání s obr. 2-1 je jediným rozdílem to, že přípojka 1 na tělese válce je připojena k proměnnotlakové komoře ventilu místo ke komoře s konstantním tlakem (vysokým tlakem); přípojka 4 je přímo připojena ke komoře s konstantním tlakem ventilu; všechny ostatní olejové kanály jsou stejné. Obr. 2-2 ukazuje okamžik, kdy právě skončil pracovní zdvih pístu a ventil již přepnul – systém je v okamžiku, kdy začíná návratový zdvih.

Pracovní charakteristikou tohoto principu je, že hydraulický kamenolom nepustí olej během návratového zdvihu, ale olej vypouští během pracovního zdvihu; a plocha, na kterou působí tlak ve vnější komoře a je větší než plocha v zadní komoře b protože doba výstřelu je krátká a průtok velký, jsou hydraulické tlakové ztráty tohoto principu větší než u principu stálého tlaku v přední komoře. V současné době většina hydraulických kamenolomů tento princip nepoužívá.

(3) Princip proměnného tlaku v přední a zadní komoře

Princip proměnného tlaku v přední a zadní komoře je znázorněn na obr. 2-3. Z tohoto schématu je snadno patrné, že tento typ hydraulického nárazového zařízení má složitou konstrukci s mnoha průchody, což zvyšuje výrobní náklady. Proto se dnes nepoužívá v hydraulických kamenolomech; stále se však používá u některých značek hydraulických kamenolomových vrtáků.

Obr. 2-3 ukazuje polohu na konci výkonového zdvihu pístu a na začátku návratového zdvihu. Když začne návratový zdvih, vstupuje vysokotlaký olej ze střední komory ventilu do přední komory pístu a přes levou komoru a válcový otvor 1 a tlačí píst doprava. Olej v zadní komoře b je vypouštěn do olejové nádrže prostřednictvím válcového přípoje 5 a pravé komory ventilu. Během zpětného zdvihu, kdy levé rameno pístu projde přípojem 2 na tělese válce, vyvíší vysokotlaký olej přes přípoj 7 tlak na šoupátko ventilu, čímž ho přepne doprava; šoupátko ventilu okamžitě přepne přívodní a výtokové olejové cesty tělesa válce – přípoj 5 válce se přepne na vysoký tlak a přípoj 1 válce se přepne na návrat do nádrže – takže píst začne zpomalovat, jeho rychlost rychle klesne na nulu a přepne se na zrychlení pracovního zdvihu. Když píst dosáhne bodu nárazu během pracovního zdvihu, střední vybrání pístu spojí přípoje 2 a 3 válce, přípoje 4 a 5 se spojí, levá strana šoupátka ventilu je prostřednictvím přípoje 7 spojena s přípoji 2 a 3 pro návrat oleje, a pravá strana šoupátka ventilu (přípoj 6) je prostřednictvím přípojů 4 a 5, pravé strany ventilu a střední komory, spojena s vysokotlakým olejem, čímž dojde k přepnutí šoupátka doleva, změně přívodních a výtokových olejových cest válce a dokončení jednoho pracovního cyklu pístu. Píst a šoupátko hydraulického nárazového zařízení se vrátí do stavu znázorněného na obr. 2-3 – do počátečního stavu zpětného zdvihu. Tímto způsobem hydraulický horní krušič, díky nepřetržitému vratnému pohybu pístu, neustále předává nárazovou energii dovnitř, čímž účinně plní nárazovou práci.

Všechny tři výše popsané čistě hydraulické pracovní principy se v současné době používají v hydraulických kamenolamných vrtačkách, hydraulických kamenolamných nářadích a dalších hydraulických nárazových mechanismech, avšak hydraulická kamenolamná nářadí stále častěji využívají kombinovaný hydraulicko-pneumatický pracovní princip.

2.2.2 Kombinovaný hydraulicko-pneumatický pracovní princip

Z analýzy čistě hydraulického pracovního principu vyplývá, že veškerá nárazová energie čistě hydraulického nárazového mechanismu je dodávána prostřednictvím hydrauliky. S rostoucím používáním čistě hydraulických kamenolamných nářadí a s pokročilým výzkumem však bylo zjištěno, že hydraulické ztráty jsou poměrně velké, což omezuje další zlepšení účinnosti. Olej protékající kanály uvnitř těla válce se musí třít o stěny trubky a hydraulické ztráty způsobené oblouky, změnami průměru a změnami směru toku jsou významné; čím větší je průtok, tím větší jsou i ztráty, a to je obzvláště patrné během pracovního zdvihu.

V současné době se pro hydraulické kamenolamy vyžadující velkou nárazovou energii a nízkou frekvenci, stejně jako pro hydraulické pilotní stroje, používá převážně kombinovaný hydropneumatický pracovní princip.

K zvýšení účinnosti byla po rozsáhlém výzkumu nalezena jednoduchá a účinná metoda: k dodávání nárazové energie hydraulického kamenolamu se současně využívají plyn a olej. To snižuje průtok potřebný během pracovního zdvihu – čímž se snižují hydraulické ztráty a zvyšuje se provozní účinnost – a proto vznikl hydraulický kamenolam s kombinovaným hydropneumatickým pohonem.

Konstrukční princip hydraulického kamenolamu s kombinovaným hydropneumatickým pohonem je velmi jednoduchý: stačí naplnit vzduchovou komoru. c v těch třech čistě hydraulických principech uvedených výše s dusíkem za určitého tlaku. Protože je nyní přítomen dusík, při zpětném zdvihu pístu se dusík stlačuje a energie se ukládá; při pracovním zdvihu se tato energie uvolňuje společně s olejem, čímž se pohání píst, dosahuje se kinetické energie v bodě nárazu a ta se přeměňuje na nárazovou energii. Je zřejmé, že role dusíku nutně snižuje množství oleje použitého během pracovního zdvihu, čímž se snižuje spotřeba oleje a tím se dosahuje nižších hydraulických ztrát a vyšší účinnosti.

Ve srovnání s čistě hydraulickým kamenolomem je efektivní plocha pístu v zadní komoře b u hydraulicko-pneumatického kombinovaného hydraulického krušiče hornin je snížena. Toto snížení účinné plochy, na kterou působí tlak, znamená nižší spotřebu oleje během pracovního zdvihu a nižší hydraulické ztráty — to je klíčový důvod, proč se hydraulicko-pneumatické kombinované hydraulické krušiče hornin v posledních letech tak rychle vyvíjely. Téměř všechny hydraulicko-pneumatické kombinované hydraulické krušiče hornin využívají pracovní princip konstantního tlaku v přední komoře; to je také klíčová vlastnost hydraulicko-pneumatického kombinovaného typu.

2.2.3 Pracovní princip s využitím dusíku jako výbušniny

Pracovní princip hydraulického krušiče hornin s využitím dusíku jako výbušniny se zásadně neliší od principu hydraulicko-pneumatického kombinovaného hydraulického krušiče hornin; liší se pouze konstrukční parametry pístu. Klíčový rozdíl spočívá v tom, že průměr předního i zadního pístu je stejný, tj. h ₂ = h ₁, a veškerá nárazová energie je dodávána dusíkem.

Stejný průměr pístů na přední i zadní straně je hlavní vlastností hydraulického kamenolomu s využitím dusíku jako výbušného prostředku. Během pracovního zdvihu se olej do zadní komory nepoužívá a veškerá nárazová energie je dodávána prostřednictvím dusíku. Samozřejmě je energie uložená v dusíku během zdvihu zpětního napájena hydraulicky a přeměněna na kinetickou energii pracovního zdvihu. V konečném důsledku tedy stále dochází k přeměně hydraulické energie – avšak prostřednictvím stlačení a akumulace energie v plynném prostředí je uložená energie dusíku uvolněna během pracovního zdvihu a přeměněna na mechanickou energii pístu.

Je třeba zdůraznit, že u hydraulického kamenolomu s výbušným dusíkem lze použít pouze princip konstantního tlaku v přední komoře; ani princip konstantního tlaku v zadní komoře, ani princip proměnného tlaku v přední a zadní komoře nelze u hydraulického kamenolomu typu dusík použít. Důvod je zřejmý, jakmile pochopíte vlastnosti pístu, který h ₂ = h ₁.