Grundlæggende virkningsprincip for hydrauliske stenknusere

1.3 Grundlæggende virkningsprincip for hydrauliske stenknusere

En hydraulisk stenbryder er en slagmaskine, der omdanner hydraulisk energi til mekanisk energi. Den indeholder to grundlæggende bevægelige komponenter – en kolben og en fordelingsventilspole – som gensidigt styrer hinanden via feedback: Den oscillerende bevægelse af ventilsolen styrer kolbens kommutering, og kolben åbner eller lukker i sin tur ved starten og slutningen af hver slagcyklus styreoliekanalen til ventilen, hvilket realiserer ventilkommuttering – og sådan gentager cyklussen sig … Det grundlæggende virkningsprincip for en hydraulisk stenbryder er: Gennem denne kolbe-spol-feedbackstyring oscillerer kolben hurtigt under påvirkning af hydraulisk (eller gas) kraft og slår mod mejslen for at udføre arbejde på omgivelserne.

Hydrauliske stenbrydere forekommer i mange typer og former, som beskrives detaljeret i senere kapitler. Nedenfor anvendes frontkammerets konstanttryks- og bagkammerets variabeltrykshydrauliske stenbryder som eksempel til at beskrive dets virkningsprincip:

Som vist på diagrammet, når tilbagestrøkningsfasen begynder, trænger højtryksolie ind i kolvens forreste kammer gennem olieport 1 og virker samtidig på den nedre ende af retningsservovejlsakslen, hvilket holder akslen stabil i den tilstand, der er vist på diagram (a). I dette øjeblik indeholder kolvens forreste kammmer højtryksolie; det bageste kammmer er forbundet til retur-T gennem olieport 4. Drevet af oliepressen i det forreste kammmer accelererer kolven under tilbagestrøkningsfasen og komprimerer kvælstoffet, der er opbevaret i kvælstofkammeret (undtagen ved ren hydraulisk type); akkumulatoren opbevarer olie. Når kolvens tilbagestrøkningsfase når styringsport 2, når højtryksolie frem til den øverste ende af vejlsakslen. På dette tidspunkt er både den øverste og den nederste ende af akslen forbundet til højtryksolie; da den effektive arealstørrelse på den øverste ende af akslen i konstruktionen er større end den effektive arealstørrelse på den nederste ende, skifter akslen til tilstanden på diagram (b) under påvirkning af højtryksolien. I dette øjeblik er både kolvens forreste og bageste kammere forbundet til højtryksolie; akkumulatoren afgiver olie for at supplere systemet. Under påvirkning af den resulterende kraft F_q accelererer kolven under kraftstrøkningsfasen, rammer mejslen og afgiver slagenergi. Når kolven passerer slagpunktet, forbindes styringsporte 2 og 3 og kobles til retur-olie T; oliepressen på den øverste ende af vejlsakslen falder; under påvirkning af oliepressen på den nederste ende skifter vejlsakslen hurtigt tilbage til tilstanden på diagram (a). Ved at vende tilbage til den oprindelige tilstand starter kolven tilbagestrøkningsfasen og går ind i den næste slagcyklus – og så videre cyklisk. I denne proces vises sammenhængen mellem kolven og vejlsakslen på Fig. 1-2.

Fra fig. 1-1 fremgår det, at der under kraftstødet – idet stempeltyngdekraften og friktionsmodstanden ignoreres – er to hovedbidrag til den kraft F_q, der driver stemplet og udfører arbejde: hydraulisk tryk og nitrogen-gastryk, dvs. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Den drivende kraft F_q afhænger af forskellen mellem effektive arealer i for- og bagkammeret, oliepresset p og trykket i nitrogenkammeret p_N. På grundlag af de forskellige forhold mellem oliearbejde og gasarbejde kan der dannes tre arbejdsformer: ren hydraulisk, hydraulisk-pneumatisk kombineret og nitrogeneksplosiv.

Ren hydraulisk: p_N = 0. I denne form har den hydrauliske stenbryder intet nitrogenkammer, og stemplet drives fuldstændigt af trykforskellen mellem øverste og nederste kammer i oliesystemet. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Denne form er den tidligste, som opstod, da hydrauliske stenbrydere første gang blev introduceret.

Hydraulisk-pneumatisk kombineret: I denne form er d₁ < d₂, og samtidig tilføjes en kvælstofkammer ved stempelens bagside, hvor kvælstof indføres for at udføre arbejde, p_N > 0. F_q består hovedsageligt af to dele: trykforskellen mellem for- og bagkammeret i olie og kraften fra kvælstofkompressionen og -ekspansionen. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Denne form er i dag den mest almindelige form for hydrauliske stenknusere. Udgangspunktet for forskellige produkters ydeevne er de forskellige andele af olie- og gasarbejde i den samlede drivkraft, dvs. forskellige gas-til-væske-arbejdsforhold.

Kvælstofeksplosiv: I denne form er d₁ = d₂, p_N > 0. Den hydrauliske kraft i øverste og nederste kammer er nul; stemplets arbejde under kraftudstødningen drives fuldstændigt af gastrykket i kvælstofkammeret. F_q = π/4 · p_N · d₁². Denne form er den nyeste type hydraulisk stenknuiser.

Alle tre typer har deres fordele og ulemper, men deres samlede ydelse forbedres fra én generation til den næste. Den rene hydrauliske type, som er den tidligste form for produkt, der opstod, da hydrauliske stenknusere første gang blev introduceret, har en simpel konstruktion og pålidelig drift uden behov for en indledende skubekraft, men har en lav energiudnyttelsesgrad og er ikke velegnet til fremstilling af produkter i stor størrelse. Den hydraulisk-pneumatiske kombinerede type udgør en væsentlig gennembrudsudvikling i forhold til den rene hydrauliske type: ved at tilføje en kvælstofkammer ved kolbens bagside udnyttes returstrøkets energi effektivt, og stødkraften forbedres betydeligt; men konstruktionen er mere kompliceret, og der kræves en indledende skubekraft for at kunne fungere. Den kvælstofeksplosive hydrauliske stenknuser kræver fra et energimæssigt synspunkt ingen oliebaseret arbejde under kraftstrøket og er derfor mere energibesparende; samtidig er diameterne på kolbens for- og bagsidekammer ens, hvilket kan løse problemet med utilstrækkelig øjeblikkelig olieforsyning under kolbens kraftstrøk. På grund af den høje indledende kvælstoffyldningstryk er den krævede skubekraft dog større.

1.4 Grundlæggende struktur og klassificering af hydrauliske stenknusere

1.4.1 Grundlæggende struktur af hydrauliske stenknusere

Selvom hydrauliske stenknusere forekommer i mange variationer, deler de fælles strukturelle karakteristika. Den grundlæggende sammensætning af en hydraulisk stenknuiser omfatter: cylinderkrop, kolben, fordelingsventil, akkumulator, kvælstofkammer, mejselholder, mejsel, højstærke skruer samt tætningsystemer. Forskellige typer hydrauliske stenknusere adskiller sig lidt i struktur, men hver stenknuiser indeholder to grundlæggende bevægelige komponenter – kolben og ventilstiften. Dens grundlæggende struktur er vist på fig. 1-3.

(1) Slagmekanisme

En hydraulisk stenbryder har en relativt lang og slank kolbe, som er den vigtigste komponent. Ifølge teorien om spændingsbølgeoverførsel skal kolbens slagenergi maksimalt overføres; derfor er diameteren af slagkolben generelt stort set lig med eller tæt på endediameteren af mejselens skaft for at sikre fuldstændig kontakt på slagfladen og opnå effektiv energioverførsel. Spillet mellem slagkolben og cylinderkroppen eller linerhylsen er en meget vigtig teknisk parameter. Hvis spillet er for stort, vil der opstå meget stor intern lækkage, hvilket gør slagkraften utilstrækkelig og kan endda få stenbryderen til at fungere forkert; hvis spillet er for lille, kan kolbebevægelsen blive træg, eller der kan opstå koldsværd, samtidig med at fremstillingsomkostningerne stiger kraftigt.

(2) Fordelingsmekanisme

En hydraulisk stenbryder har generelt en distributionsventil, der ændrer retningen af strømmen af hydraulikolie, hvormed den styrer og driver den reciprokerende bevægelse af slagpistonen. Der findes mange forskellige konstruktionsformer for distributionsventiler; de kan generelt opdeles i to store kategorier: skydeventiler og manchetventiler. Skydeventiler er generelt lette i vægt, har lav olieforbrug, mindre diameter og mindre samspilsspalt og -lækkage, men har for det meste en trinformede struktur, relativt dårlig konstruktionstilvirkelighed og større drosseltab. Manchetventiler er tungere, har større diameter, og samspilsspalt og -lækkage er også relativt større; men deres konstruktionstilvirkelighed er god, åbningsarealgradienten er stor, og drosseltabene er små. Samspilsspaltet mellem ventilskyden og ventilkroppen eller ventilsleeven er en anden vigtig teknisk parameter i fremstillingen af hydrauliske stenbrydere; både for store og for små spalter vil medføre, at ventilen ikke fungerer normalt.

(3) Akkumulator til trykstabilisering

De fleste hydrauliske stenknusere har én eller flere akkumulatorer, som fungerer som energilager og trykstabilisator. En hydraulisk stenknuser udfører kun eksternt arbejde under kraftslaget; tilbage-slagent er forberedelse til kraftslaget. Når støjen returnerer, strømmer hydraulikolie ind i akkumulatoren ved et tryk, der er højere end trykket i ladekammeret, og lagres som potentielle energi i olien i akkumulatoren. Den frigives under støjpistons kraftslag og omdanner størstedelen af energien fra tilbage-slagnet til slagenergi. På denne måde forbedrer akkumulatoren systemets arbejdseffektivitet og reducerer samtidig trykstød og strømningspulsationer forårsaget af distributionsventilens skydevognsskift.

(4) Aktiveringsmekanisme

Mejslen er den aktiverende komponent i den hydrauliske stenknuser, der udfører ydre arbejde, og virker direkte på det arbejdsobjekt, der behandles; den er en slidt del, der kræver god slidstyrke, hård på ydersiden og sej indeni, samt med en gradvis ændring i hårdhed fra ydersiden mod indersiden. For at tilpasse sig forskellige arbejdsmiljøer og arbejdsobjekter forekommer mejsler i spidsformede, firkantede, skovlformede og fladtoppede udformninger.

(5) Mekanisme til forhindring af tomfyring

Da en hydraulisk stenbryder har stor stødbelastning, vil direkte stød fra stemlen mod cylinderkroppen alvorligt beskadige stenbryderens krop — hvilket fører til tomfyring. Strukturen til forebyggelse af tomfyring består i at tilføje en hydraulisk dæmpningskammer foran cylinderkroppen. Når mejslen ikke er i kontakt med stenen og bevæger sig fremad, træder stødstemlen ind i dæmpningskammeret, hvor olie komprimeres og stødenergien absorberes, hvilket sikrer en dæmpet beskyttelse af maskinkroppen. Samtidig lukkes olieindgangen til det forreste kammer, så stemlen under tyngdekraften og den bagvedliggende kvælstoftryk ikke kan trække sig tilbage; kun når mejslen igen kommer i kontakt med stenen og skubbes tilbage med større armtryk, skubber stødstemlen sig ud af dæmpningskammeret, og højtryksolie kan derefter strømme ind i det forreste kammer, hvorefter normal drift genoptages. Som vist på fig. 1-4 kan stemlen i en hydraulisk stenbryder maksimalt udføre 1–2 tomfyringer, efter at stenbryderen har gennembrudt det materiale, der skal brydes, inden den standser. Operatøren skal derefter vælge et nyt stødpunkt, presse mejslen fast mod overfladen, anvende tryk, og mejslen skubber stemlen væk fra olieindgangen til det nederste kammer, hvorefter arbejdet kan genoptages.

(6) Andre mekanismer

Andre mekanismer i den hydrauliske stenbryder omfatter: forbindelsesramme, vibrationsdæmpningsmekanisme, tætningssystem, automatisk smøresystem osv.

1.4.2 Klassificering af hydrauliske stenbrydere

Der findes mange typer hydrauliske stenbrydere og mange klassificeringsmetoder. De vigtigste klassificeringsmetoder er følgende:

(1) Klassificering efter brugsmetode

Hydrauliske stenbrydere klassificeres efter brugsmetode i bæremaskinemonterede og håndholdte typer. Håndholdte typer er små stenbrydere, også kaldet hydrauliske mejsler; masse er generelt under 30 kg, de betjenes manuelt og drives af en dedikeret hydraulisk pumpestation og kan bredt erstatte pneumatiske mejseloperationer. Bæremaskinemonterede typer er mellemstore og store stenbrydere, der monteres direkte på udgravningsskuffen (boom) af hydrauliske gravemaskiner, lastere og andre hydrauliske bæremaskiner og bruger bæremaskinens kraftsystem, hydrauliske system og bevægelsessystem til udgravning.

(2) Klassificering efter arbejdsmiddel

Hydrauliske stenknusere klassificeres efter arbejdsmiddel i tre hovedkategorier: ren hydraulisk, hydraulisk-pneumatisk kombineret og kvælstofeksplosiv. Ren hydraulisk type fungerer udelukkende ved hjælp af trykket fra hydraulikolie til at drive kolben i arbejde; hydraulisk-pneumatisk kombineret type bruger både hydraulikolie og komprimeret kvælstof i den bageste del samtidigt til at drive kolben i arbejde; kvælstofeksplosive typer fungerer udelukkende ved den øjeblikkelige udvidelse af kvælstof i den bageste kvælstofkammer til at skubbe kolben i arbejde.

(3) Klassificering efter feedback-metode

Hydrauliske stenknusere klassificeres efter feedback-metode i slagfeedback og trykfeedback. Forskellen ligger i, hvordan feedback-signalet indsamles til omstilling af fordelingsventilen. Slagfeedback-hydrauliske stenknusere er afhængige af, at stempelens åbning og lukning af højtryksolie-feedback-huller i slaget styrer omstillingen af fordelingsventilen; placeringen af feedback-hullerne kan kun fastsættes stift, og på grund af konstruktionsmæssige begrænsninger kan der maksimalt anbringes 3 feedback-huller; derfor kan slagfeedback-hydrauliske stenknusere ikke opnå trinløs justering af slagfrekvensen. Trykfeedback-hydrauliske stenknusere er afhængige af indsamling af systemtrykket eller nitrogenkammerets tryk ved stemplets bagside for at styre omstillingen af fordelingsventilen; når stemplet træder ind i nitrogenkammeret, ændres trykket i nitrogenkammeret kontinuerligt, og når tryksensoren, der er monteret i kammeret, registrerer et forudindstillet tryk, foretager ventilen omstilling via mikrocomputerstyring; da omstillingstrykket kan indstilles vilkårligt, kan trykfeedback-hydrauliske stenknusere opnå trinløs justering.

(4) Klassificering efter distributionsmetode

Ud fra formen på distributionsventilen kan de inddeles i to hovedkategorier: 3-vejsventil med enkeltflad returolie og 4-vejsventil med dobbeltflad returolie. Enkeltflad returolie har fordele som enkle oliekanaler og let kontrol; i praksis anvendes denne type relativt ofte. Enkeltflad returolie kan opdeles i forrum-returolie og bagrum-returolie; af disse har forrum-returolietypen ulemperne ved store suge- og returolie-modstande, så den nuværende mest almindelige form er forrum-konstanttryk og bagrum-returolie. 4-vejsventil med dobbeltflad returolie kaldes også for den dobbeltvirkende type; dens karakteristika er fraværet af et konstanttrykskammer, mens trykket i for- og bagrummet skiftevis er højt og lavt; men på grund af de komplekse oliekanaler i den dobbeltflade returolie-struktur er denne type sjælden.

(5) Klassificering efter fordelingsventilens layout

Ud fra fordelingsventilens layout kan de klassificeres i to typer: indbygget og eksternt monteret. Den indbyggede type kan yderligere klassificeres i spoletype og manchettype. Indbyggede fordelingsventiler er integreret i cylindervæggen som én enhed og har en kompakt konstruktion; eksternt monterede fordelingsventiler er uafhængige og placeret uden for cylindervæggen, hvilket giver en simpel konstruktion samt let vedligeholdelse og udskiftning.

Desuden kan de ud fra støjniveau klassificeres i lavstøj- og standardtyper; og ud fra ydre kabinettform kan de klassificeres i trekantede, tårnformede og lukkede knusere osv. De forskellige klassificeringsmetoder er sammenfattet i Fig. 1-5.