Základní pracovní princip hydraulických kamenolomů

1.3 Základní pracovní princip hydraulických kamenolomů

Hydraulický kamenolom je nárazový stroj, který přeměňuje hydraulickou energii na mechanickou energii. Obsahuje dva základní pohyblivé prvky – píst a rozváděcí ventilový zdvihák – které se vzájemně ovládají zpětnou vazbou: vratný pohyb zdviháku řídí komutaci pístu a píst na začátku i na konci každého zdvihu naopak otevírá nebo uzavírá řídicí olejovou dráhu ventilu, čímž realizuje komutaci ventilu – tento cyklus se tak opakuje… Základní pracovní princip hydraulického kamenolomu spočívá v tom, že díky této zpětnovazební regulaci mezi pístem a zdvihákem rychle vyrábí píst vratný pohyb pod působením hydraulické (nebo pneumatické) síly a naráží do dláta, čímž vykonává práci na vnější straně.

Hydraulické kamenolomy jsou dostupné v mnoha typech a provedeních, které budou podrobně popsány v následujících kapitolách. Níže je jako příklad popsán hydraulický kamenolom s konstantním tlakem v přední komoře a proměnným tlakem v zadní komoře:

Jak je znázorněno na obrázku, při zahájení návratového zdvihu vstupuje olej pod vysokým tlakem do přední komory pístu přes olejový otvor 1 a současně působí na dolní konec šoupátka směrového ventilu, čímž udržuje šoupátko stabilně ve stavu znázorněném na obrázku (a). V tomto okamžiku má přední komora pístu olej pod vysokým tlakem; zadní komora je přes olejový otvor 4 spojena s návratovou větví T. Píst se na návratovém zdvihu urychluje díky tlaku oleje v přední komoře a stlačuje dusík uložený v dusíkové komoře (s výjimkou čistě hydraulického typu); akumulátor ukládá olej. Když píst dosáhne na svém návratovém zdvihu řídícího otvoru 2, dosáhne olej pod vysokým tlakem horního konce šoupátka. V tomto okamžiku jsou jak horní, tak dolní konec šoupátka připojeny k oleji pod vysokým tlakem; protože je v konstrukci účinná plocha horního konce šoupátka větší než účinná plocha jeho dolního konce, přepne se šoupátko pod působením oleje pod vysokým tlakem do stavu znázorněného na obrázku (b). V tomto okamžiku jsou jak přední, tak zadní komora pístu připojeny k oleji pod vysokým tlakem; akumulátor vypouští olej, který doplňuje systém. Pod působením výsledné síly F_q se píst urychluje na pracovním zdvihu, narazí na dlahový klín a vykoná rázovou práci. Když píst projde bodem nárazu, jsou řídící otvory 2 a 3 spojeny a propojeny s návratovým olejem T; tlak oleje na horním konci šoupátka klesne; pod působením tlaku oleje na dolním konci se šoupátko rychle vrátí do stavu znázorněného na obrázku (a). Po návratu do původního stavu začne píst návratový zdvih a vstoupí do dalšího rázového cyklu, a tak dále cyklicky. V tomto procesu je vztah mezi pístem a šoupátkem směrového ventilu znázorněn na obr. 1-2.

Z obr. 1-1 je patrné, že během pracovního zdvihu – s ohledem na zanedbání tíhy pístu a třecího odporu – síla F_q pohánějící píst a vykonávající nárazovou práci zahrnuje především tlak hydraulické kapaliny a tlak dusíkového plynu, tj. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Pohánějící síla F_q závisí na rozdílu účinných ploch předního a zadního prostoru, tlaku oleje p a tlaku v dusíkové komoře p_N. Na základě různých poměrů mezi prací vykonanou olejem a prací vykonanou plynem lze rozlišit tři pracovní režimy: čistě hydraulický, kombinovaný hydraulicko-pneumatický a dusíkový explozivní.

Čistě hydraulický režim: p_N = 0. V tomto režimu hydraulický krušič kamenů nemá dusíkovou komoru a píst je poháněn výhradně rozdílem tlaku oleje v horní a dolní komoře. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Tento režim je nejstarším typem, který se objevil při prvním výskytu hydraulických krušičů kamenů.

Hydraulicko-pneumatická kombinace: U této varianty platí d₁ < d₂ a současně je na zadní straně pístu přidaná dusíková komora, ve které dusík vykonává práci, přičemž p_N > 0. Síla F_q se skládá převážně ze dvou částí: rozdílu tlaku oleje mezi přední a zadní komorou a síly způsobené stlačením a expanzí dusíku. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Tato varianta je v současné době nejrozšířenějším typem hydraulického krušiče hornin. Na základě různých podílů práce oleje a plynu na celkové poháněcí síle, tj. různých poměrů práce plynu k práci kapaliny, lze vytvořit produkty s odlišnými výkonnostními vlastnostmi.

Dusíkový výbušný typ: V této variantě je d₁ = d₂ a p_N = 0. Hydraulická síla mezi horní a dolní komorou je nulová; práce pístu během pracovního zdvihu je zcela poháněna tlakem plynu v dusíkové komoře. F_q = π/4 · p_N · d₁². Tato varianta je nejnovější formou hydraulického krušiče kamenů.

Všechny tři typy mají své výhody i nevýhody, avšak jejich celkový výkon se z generace na generaci zlepšuje. Čistě hydraulický typ, jako nejstarší forma výrobku, která vznikla v době prvního výskytu hydraulických krušičů hornin, má jednoduchou konstrukci a spolehlivý provoz bez nutnosti počáteční tlačné síly, avšak má nízkou účinnost využití energie a není vhodný pro výrobu velkých výrobků. Hydraulicko-pneumatický kombinovaný typ představuje významný pokrok oproti čistě hydraulickému typu: přidáním dusíkové komory na zadní část pístu efektivně využívá energii zpětného zdvihu a výrazně zvyšuje nárazovou sílu; konstrukce je však složitější a k provozu je vyžadována počáteční tlačná síla. Dusíko-výbušný hydraulický krušič hornin potřebuje z hlediska energie během pracovního zdvihu žádnou práci oleje, a je proto energeticky úspornější; současně jsou průměry komor přední i zadní části pístu stejné, což efektivně řeší problém nedostatečného okamžitého přívodu oleje během pracovního zdvihu pístu. Kvůli vysokému počátečnímu tlaku nabití dusíkem je však vyžadována větší tlačná síla.

1.4 Základní struktura a klasifikace hydraulických kamenolomů

1.4.1 Základní struktura hydraulických kamenolomů

Ačkoli hydraulické kamenolomy existují v mnoha různých provedeních, mají společné strukturální charakteristiky. Základní složení hydraulického kamenolomu zahrnuje: válec, píst, rozdělovací ventil, akumulátor, dusíkovou komoru, držák dlahy, dlahu, vysoce pevné šrouby a těsnicí systémy. Různé typy hydraulických kamenolomů se ve své struktuře mírně liší, avšak každý kamenolom obsahuje 2 základní pohyblivé součásti – píst a uzavírací kužel ventilu. Jeho základní struktura je znázorněna na obr. 1-3.

(1) Nárazový mechanismus

Hydraulický kamenolom má relativně dlouhý a štíhlý píst, který je nejdůležitější součástí. Na základě teorie šíření napěťové vlny se k maximálnímu přenosu nárazové energie pístu obvykle volí průměr nárazového pístu zhruba rovný nebo blízký průměru konce dlahy, čímž se zajišťuje úplný kontakt na nárazové ploše a dosahuje se účinného přenosu energie. Vůle mezi nárazovým pístem a tělesem válce nebo vložkou je velmi důležitý technický parametr. Je-li vůle příliš velká, vznikne značná vnitřní úniková kapalina, což vede k nedostatečné nárazové síle a dokonce může způsobit, že kamenolom nebude fungovat správně; je-li vůle příliš malá, může být pohyb pístu pomalý nebo může dojít k zaškrábání, současně se výrazně zvýší výrobní náklady.

(2) Rozdělovací mechanismus

Hydraulický kamenolom obecně má rozdělovací ventil, který mění směr toku hydraulického oleje a tím řídí a pohání vratný pohyb nárazového pístu. Konstrukčních forem rozdělovacích ventilů je mnoho; obecně je lze rozdělit do dvou hlavních kategorií: šoupátkové ventily a pouzdrové ventily. Šoupátkové ventily jsou obvykle lehké, mají nízkou spotřebu oleje, menší průměr a menší montážní vůli a úniky oleje; většinou však mají stupňovitou konstrukci, relativně špatnou obráběnost konstrukce a vyšší tlakové ztráty při škrcení. Pouzdrové ventily jsou těžší, mají větší průměr a montážní vůle i úniky oleje jsou také relativně větší; jejich konstrukce je však dobře obrábětelná, gradient otevřené plochy je velký a tlakové ztráty při škrcení jsou malé. Montážní vůle mezi šoupátkem a tělem ventilu nebo pouzdrem ventilu je dalším důležitým technickým parametrem při výrobě hydraulických kamenolomů; jak příliš velká, tak příliš malá vůle způsobí, že ventil nebude fungovat správně.

(3) Mechanism pro stabilizaci tlaku akumulátoru

Většina hydraulických kamenolomů je vybavena jedním nebo více akumulátory, které plní funkci ukládání energie a stabilizace tlaku. Hydraulický kamenolom vykonává vnější práci pouze během pracovního zdvihu; návratový zdvih je přípravou na pracovní zdvih. Když se píst vrací, hydraulický olej vstupuje do akumulátoru za tlaku vyššího než je tlak v nabíjecí komoře a ukládá se jako potenciální energie oleje v akumulátoru. Během pracovního zdvihu pístu je tato energie uvolněna a většina energie návratového zdvihu se tak přemění na nárazovou energii. Tímto způsobem akumulátor zvyšuje účinnost provozu celého systému a současně snižuje rázové tlakové špičky a pulzace průtoku způsobené přepínáním šoupátka rozdělovacího ventilu.

(4) Pohonný mechanismus

Klín je poháněnou součástí hydraulického krušiče hornin, která vykonává vnější práci a působí přímo na pracovní předmět; jedná se o opotřebitelnou součást, která vyžaduje dobrou odolnost proti opotřebení, má tvrdý povrch a houževnatý střed s postupným poklesem tvrdosti od povrchu směrem dovnitř. Aby bylo možné přizpůsobit klíny různým pracovním podmínkám a pracovním předmětům, jsou dodávány v provedení špičatém, čtvercovém, lopatovém a plochém.

(5) Mechanismus pro zabránění prázdného výstřelu

Protože hydraulický kamenolom má velkou nárazovou energii, přímý náraz pístu do těla válce by způsobil vážné poškození těla kamenolomu – tzv. prázdné výstřely. Konstrukce zabránění prázdným výstřelům spočívá v přidání hydraulické tlumicí komory na přední straně těla válce. Pokud se kladivo ještě nenarazilo na kámen a pohybuje se vpřed, vstupuje nárazový píst do tlumicí komory, stlačuje uvnitř olej a tak pohltí nárazovou energii, čímž dosáhne tlumené ochrany těla stroje. Současně je uzavřen vstup oleje do přední komory, takže pod vlivem gravitace a působení dusíku v zadní části se píst nemůže vrátit zpět; píst se může vystrčit z tlumicí komory a vysokotlaký olej může vstoupit do přední komory pouze tehdy, když se kladivo znovu dotkne kamene a zpětným tlakem pažby ho silněji odrazí. Tím se obnoví normální provoz. Jak je znázorněno na obr. 1–4, po proražení objektu, který se má rozbít, může hydraulický kamenolom provést nejvýše 1 až 2 prázdné výstřely, než se zastaví. Obsluha musí znovu vybrat místo nárazu, kladivo pevně přitisknout, aplikovat tlak a kladivo tak odstrčí píst od vstupu oleje do spodní komory, čímž lze práci opět zahájit.

(6) Další mechanismy

Mezi další mechanismy hydraulického kamenolomu patří: připojovací rám, mechanismus tlumení vibrací, těsnicí systém, automatický mazací systém atd.

1.4.2 Klasifikace hydraulických kamenolomů

Existuje mnoho typů hydraulických kamenolomů a mnoho způsobů jejich klasifikace. Hlavní způsoby klasifikace jsou následující:

(1) Klasifikace podle způsobu provozu

Hydraulické krušiče kamenů se podle způsobu provozu dělí na přenosné (montované na nosiči) a ruční. Ruční typy jsou malé krušiče kamenů, nazývané také hydraulické dláta; jejich hmotnost je obvykle nižší než 30 kg, ovládají se ručně a napájejí se z vyhrazené hydraulické čerpadlo stanice a mohou široce nahradit pneumatická dláta. Přenosné typy (montované na nosiči) jsou střední a velké krušiče kamenů, které se přímo montují na ruku hydraulických bagrů, nakladačů a jiných hydraulických strojů s nosnou funkcí, přičemž využívají napájecí systém, hydraulický systém a systém pohybu ruky těchto strojů k provádění operací.

(2) Klasifikace podle pracovního prostředí

Hydraulické kamenolomy se podle pracovního prostředí dělí do tří hlavních kategorií: čistě hydraulické, kombinované hydraulicko-pneumatické a dusíkově-explozivní. Čistě hydraulické typy využívají k pohánění pístu výhradně tlaku hydraulického oleje; kombinované hydraulicko-pneumatické typy využívají k pohánění pístu současně hydraulický olej a stlačený dusík v zadní části; dusíkově-explozivní typy využívají k pohánění pístu výhradně okamžitého roztažení dusíku v zadní dusíkové komoře.

(3) Klasifikace podle způsobu zpětné vazby

Hydraulické kamenolomy se podle způsobu zpětné vazby dělí na kamenolomy se zpětnou vazbou podle zdvihu a kamenolomy se zpětnou vazbou podle tlaku. Rozdíl spočívá v způsobu sběru signálu zpětné vazby pro přepínání rozdělovacího ventilu. U hydraulických kamenolomů se zpětnou vazbou podle zdvihu je přepínání rozdělovacího ventilu řízeno otevíráním a uzavíráním otvorů pro zpětnou vazbu vysokotlakého oleje v pístu během zdvihu; poloha těchto otvorů pro zpětnou vazbu je pevně daná a kvůli konstrukčním omezením lze umístit nejvýše tři takové otvory; proto hydraulické kamenolomy se zpětnou vazbou podle zdvihu nedokáží dosáhnout plynulé (stupňově neomezené) regulace frekvence úderů. U hydraulických kamenolomů se zpětnou vazbou podle tlaku je přepínání rozdělovacího ventilu řízeno sběrem tlaku v systému nebo tlaku v dusíkové komoře na zadní straně pístu; při vstupu pístu do dusíkové komory se tlak v této komoře neustále mění a jakmile tlakový senzor instalovaný v komoře zaznamená předem nastavenou hodnotu tlaku, provede mikropočítačové řízení přepnutí ventilu; protože tlak pro přepnutí lze nastavit libovolně, umožňují hydraulické kamenolomy se zpětnou vazbou podle tlaku plynulou (stupňově neomezenou) regulaci.

(4) Klasifikace podle způsobu rozvodu

Na základě tvaru rozváděcího ventilu lze tyto systémy rozdělit do dvou hlavních kategorií: trojcestné ventily s jednostranným návratem oleje a čtyřcestné ventily se dvoustranným návratem oleje. Konstrukční uspořádání s jednostranným návratem oleje mají výhody jednoduchých olejových kanálů a snadného řízení; v praxi se proto používají poměrně často. Jednostranný návrat oleje lze dále rozdělit na typ s návratem oleje do přední komory a typ s návratem oleje do zadní komory; z těchto dvou typů má typ s návratem oleje do přední komory nevýhodu vysokého sacího a návratového odporu oleje, a proto je v současné době nejrozšířenějším uspořádáním typ s konstantním tlakem v přední komoře a návratem oleje do zadní komory. Čtyřcestný ventil se dvoustranným návratem oleje se také označuje jako dvojčinný typ; jeho charakteristickou vlastností je absence komory s konstantním tlakem a střídavě vysoký a nízký tlak v přední a zadní komoře; kvůli složitým olejovým kanálům u konstrukčního uspořádání se dvoustranným návratem oleje se však tento typ v praxi používá zřídka.

(5) Klasifikace podle uspořádání rozdělovacího ventilu

Na základě uspořádání rozdělovacího ventilu lze tyto zařízení rozdělit na dva typy: vnitřní a vnější montáž. Typ s vnitřní montáží lze dále rozdělit na typ se zásuvným jádrem a typ se pouzdrem. Rozdělovací ventily s vnitřní montáží jsou integrovány přímo do tělesa válce, čímž vzniká kompaktní konstrukce; rozdělovací ventily s vnější montáží jsou umístěny samostatně mimo těleso válce, mají jednoduchou konstrukci a umožňují snadnou údržbu a výměnu.

Kromě toho lze zařízení podle hladiny hluku rozdělit na nízkohlučné a standardní typy; podle tvaru vnějšího pouzdra lze rozlišit trojúhelníkové, věžovité a uzavřené drtiče kameniva apod. Různé způsoby klasifikace jsou shrnuty na obr. 1–5.