Analyse af, hvordan en hydraulisk stenknuser virker

2.2 Analyse af, hvordan en hydraulisk stenknuser virker

En hydraulisk stenknuser har mange strukturelle former. Ud fra virkningsprincippet abstraherer og sammenfatter forfatterne de mest grundlæggende og afgørende idéer vedrørende en hydraulisk stenknuser og reducerer dem til tre grundlæggende driftstilstande: ren hydraulisk, hydraulisk-pneumatisk kombineret og kvælstofeksplosiv.

2.2.1 Rent hydraulisk virkningsprincip

Det rene hydrauliske virkningsprincip har tre implementeringsformer: konstant tryk i forrummet / variabelt tryk i bagrummet (forkortet 'forrumskonstant-tryk-princippet'), konstant tryk i bagrummet / variabelt tryk i forrummet (forkortet 'bagrumskonstant-tryk-princippet') og variabelt tryk både i forrummet og bagrummet (forkortet 'variabel-tryk-princippet').

(1) Forrumskonstant-tryk-princippet

Dette var det virkningsprincip, der først blev anvendt ved starten af udviklingen af hydrauliske stenbrudere; alle efterfølgende tekniske fremskridt bygger på det. Den hydrauliske stenbruder med forrumskonstant tryk er vist på fig. 2-1.

Fra fig. 2-1 består systemet af en cylinderkrop, et stempel, en styreventil og oliekanaler. Cylinderkroppen og stemplet udgør stødmekanismen. Stemlet bevæger sig frem og tilbage inden i cylinderkroppen, drevet af hydraulikolie, og afgiver stødenergi eksternt samt påfører målet en stor stødkraft, hvilket skaber en hammer-effekt. Funktionen af styreventilen er at omstille retningen af den olie, der driver stemlet, og dermed opnå en periodisk svingbevægelse af stemlet.

Den hydrauliske kløver, der er vist på fig. 2-1, har sit stempel i stødpunktet; ventilstiften befinder sig i den position, hvor den lige har fuldført omstillingen fra kraftstød til returstød. I dette øjeblik træder højtryksolie ind i cylinderens konstante højtrykskammer (kammer a ) gennem ventilens konstante højtryksport og driver stemlet på returstødet (mod højre). Olien i stemlets variabeltrykskammer (kammer b ) returneres til tanken gennem port 4 og ventilenes justerbare tryk-/returolieport. Når stemlen bevæger sig tilbage, indtil dets forreste skulder passerer port 2 på cylinderkroppen, ledes højtryksolie ind i trykventilens port 5, hvilket får ventilen til at skifte (mod venstre). Da ventilenes konstante højtrykskammer nu er forbundet med det mellemliggende justerbare trykkammer, strømmer højtryksolie ind i stemlens bagkammer b gennem port 4. Begge sider af stemlen er nu udsat for højtryksolie, men da trykfladen på bagkammeret b er større end den på forkammeret a pistonen begynder at bremse op under tilbageførslen, dens hastighed falder til nul, og den starter kraftstødet (mod venstre). Når pistons centrale fordybning forbinder portene 2 og 3, har pistonen lige nået stødpunktet og fuldført én cyklus; samtidig forbinder trykventilens port 5 med returolieledningen, så spolen skifter til højre og vender tilbage til positionen vist på fig. 2-1, hvorefter én fuld cyklus er gennemført og systemet er klar til pistons næste tilbageførsel. På denne måde opnår pistonen kontinuerlig stødvirkning og afgiver kontinuerligt stødeffekt. Luftkammer c i dette arbejdsprincip ventileres til atmosfæren.

(2) Bagkammerets konstanttryksprincip

Det skal fremhæves, at dette arbejdsprincip kun kan realiseres under betingelsen af, at trykfladen i pistons forreste kammer a er større end i bagkammeret b , dvs. at pistons forreste kammerdiameter er mindre end bagkammerets diameter ( d ₁ > d ₂).

Fig. 2-2 viser skematisk opbygningen af en hydraulisk stenbryder med konstant tryk i bagkammeret og variabelt tryk i forankammeret.

I forhold til fig. 2-1 er den eneste forskel, at port 1 på cylinderkroppen er forbundet til ventilenes variabeltrykskammer i stedet for det konstante tryk (højtryks)kammer; port 4 er forbundet direkte til ventilenes konstanttrykskammer; alle øvrige oliekanaler er de samme. Fig. 2-2 viser det øjeblik, hvor stempelens kraftstød lige er slut, og ventilen allerede er skiftet – systemet befinder sig netop i det øjeblik, hvor returstedet starter.

Arbejdsegenskaben ved dette princip er, at den hydrauliske stenbryder ikke afgiver olie under returstedet, men afgiver olie under kraftstedet; og trykfladen i forankammeret a er større end i bagkammeret b fordi kraftstødet udslipstid er kort og strømmen stor, er de hydrauliske tryktab ved dette princip større end ved forkammerets konstanttrykprincip. I dag bruger de fleste hydrauliske stenknusere ikke dette princip.

(3) For- og bagkammerets variabeltrykprincip

For- og bagkammerets variabeltrykprincip er vist på fig. 2-3. Af denne skitse fremgår det let, at denne type hydraulisk slagværktøj har en kompliceret konstruktion med mange kanaler, hvilket øger fremstillingsomkostningerne. Derfor anvendes det ikke i hydrauliske stenknusere i dag; det anvendes dog stadig på nogle mærker af hydrauliske stenbor.

Fig. 2-3 viser stillingen ved slutningen af kolbens kraftstød og begyndelsen af returstødet. Når returstødet begynder, strømmer højtryksolie fra ventilen mellemkammer ind i kolbens forkammer a gennem venstre kammer og cylinderport 1 og presser kolben mod højre. Olien i bagkammeret b blæses ud i olietanken gennem cylinderport 5 og ventilens højre kammer. Under tilbageløbet, når stempelens venstre skulder passerer port 2 på cylinderkroppen, presser højtryksolie gennem port 7 ventilspolen til at skifte til højre; ventilspolen skifter øjeblikkeligt tilførsels- og afløbsoliestierne for cylinderkroppen — cylinderport 5 går til højtryk, og cylinderport 1 går til tankretur — så stempelbegynder at bremse op, dets hastighed falder hurtigt til nul, og det skifter til kraftstødacceleration. Når stempelkraftstødet når stødpunktet, forbinder stemplets centrale fordybning cylinderporte 2 og 3, porte 4 og 5 forbindes, ventilspolens venstre side forbindes gennem port 7 med porte 2 og 3 til olieafledning, og ventilspolens højre sideport 6 forbindes gennem porte 4 og 5, ventilens højre side og mellemkammeret, til højtryk, hvilket får spolen til at skifte til venstre, ændrer cylinderens tilførsels- og afløbsoliestier og fuldfører én arbejdscyklus for stempel. Stempel og spole i den hydrauliske stødanordning vender tilbage til tilstanden vist på fig. 2-3 — starten af tilbageløbet. På denne måde udsender den hydrauliske stødbryder kontinuerligt stødenergi eksternt gennem stempelens vedvarende reciprokerende bevægelse og udfører effektivt stødarbejdet.

Alle tre ren hydrauliske virkningsprincipper, der er beskrevet ovenfor, anvendes i dag i hydrauliske stenborde, hydrauliske stenknusere og andre hydrauliske slagmekanismer, men hydrauliske stenknusere bruger stadig oftere det kombinerede hydraulisk-pneumatiske virkningsprincip.

2.2.2 Kombineret hydraulisk-pneumatisk virkningsprincip

Ud fra analysen af det rene hydrauliske virkningsprincip kan vi se, at al slagsenergi fra en ren hydraulisk slagmekanisme leveres af hydraulikken. Når brugen af rene hydrauliske stenknusere imidlertid steg og forskningen skred fremad, fandt man ud af, at de hydrauliske tab var ret store, hvilket begrænsede yderligere effektivitetsforbedringer. Olie, der strømmer gennem kanalerne i cylinderkroppen, må gnide mod rørvæggene, og de hydrauliske tab, der skyldes bøjninger, ændringer i diameter og ændringer i strømningsretning, er betydelige; jo større strømmen er, jo større er tabene, og dette er især alvorligt under kraftslaget.

I øjeblikket anvendes hovedsageligt den hydraulisk-pneumatiske kombinerede virkningsmåde til hydrauliske stenknusere, der kræver stor slagenergi og lav frekvens, samt til hydrauliske påldrivere.

For at forbedre effektiviteten fandt man efter omfattende forskning en simpel og effektiv metode: at anvende gas og olie sammen til at levere slagenergien til den hydrauliske stenknuser. Dette reducerer strømningshastigheden under kraftslaget – hvilket mindsker hydrauliske tab og forbedrer arbejdseffektiviteten – og derfor kaldes den hydraulisk-pneumatiske kombinerede hydrauliske stenknuser.

Konstruktionsprincippet for den hydraulisk-pneumatiske kombinerede hydrauliske stenknuser er meget simpelt: blot fyld luftkammeret c i de tre rene hydrauliske principper nævnt ovenfor med kvælstof ved et bestemt tryk. Da kvælstof nu er til stede, bliver kvælstoffet komprimeret, og energi opbevares, når støjen udfører returbevægelsen; når kraftstødet sker, frigives denne energi sammen med olie til at drive støjen, hvilket opnår kinetisk energi ved stødpunktet og omdanner den til stødenergi. Tydeligvis reducerer kvælstoffets rolle nødvendigvis mængden af olie, der bruges under kraftstødet, hvilket reducerer olieforbruget og dermed opnår lavere hydrauliske tab og højere effektivitet.

I forhold til en ren hydraulisk stenknuser er den effektive trykbelastede areal af støjpistons bagkammer b i en hydraulisk-pneumatisk kombineret hydraulisk stenbryder er reduceret. Denne reduktion af den effektive trykbelastede areal betyder mindre olieforbrug under kraftstødet og lavere hydrauliske tab – dette er den væsentlige årsag til, at hydraulisk-pneumatiske kombinerede hydrauliske stenbrydere har udviklet sig hurtigt de seneste år. Hydraulisk-pneumatiske kombinerede hydrauliske stenbrydere bruger næsten alle frontkammerets konstanttryksarbejdsprincip; dette er også en væsentlig karakteristik ved den hydraulisk-pneumatiske kombinerede type.

2.2.3 Nitrogeneksplosionsarbejdsprincippet

Arbejdsprincippet for en nitrogeneksplosionshydraulisk stenbryder adskiller sig ikke væsentligt fra det for en hydraulisk-pneumatisk kombineret hydraulisk stenbryder; der er blot forskel på kolbens konstruktionsparametre. Den væsentlige forskel er, at kolbens for- og bagdiameter er ens, dvs. d ₂ = d ₁, og al stødeenergi leveres af nitrogen.

Lige stempeldiametre foran og bagpå er hovedkarakteristikken for den nitrogenudstødende hydrauliske stenbryder. Under kraftslaget forbruger den bageste kammer ikke olie, og al slagenergi kan leveres af nitrogen. Selvfølgelig leveres den lagrede energi i nitrogen under tilbagevenden af hydraulikken og omdannes til kinetisk energi under kraftslaget. Derfor er det i sidste ende stadig hydraulisk energi, der omdannes – men gennem komprimering og energilagring i gasmediumet frigives den lagrede nitrogenenergi under kraftslaget og omdannes til stemplets mekaniske energi.

Det skal understreges, at kun frontkammerets konstanttryksprincip kan anvendes på den kvælstofdrevne hydrauliske stenknuser; hverken bagkammerets konstanttryksprincip eller front- og bagkammerets variabeltryksprincip kan anvendes på en kvælstofbaseret hydraulisk stenknuser. Årsagen er tydelig, så snart man forstår kolbens egenskab, der d ₂ = d ₁.