Analyse der Funktionsweise eines hydraulischen Felsbrechers

2.2 Analyse der Funktionsweise eines hydraulischen Felsbrechers

Ein hydraulischer Felsbrecher weist zahlreiche Bauformen auf. Ausgehend vom Wirkprinzip fassen die Autoren die grundlegendsten und entscheidendsten Konzepte eines hydraulischen Felsbrechers zusammen und leiten daraus drei grundlegende Betriebsmodi ab: rein hydraulisch, hydraulisch-pneumatisch kombiniert sowie stickstoffexplosiv.

2.2.1 Reinhidraulisches Wirkprinzip

Das reine hydraulische Funktionsprinzip weist drei Ausführungsformen auf: konstanten Druck im Vorderkammerbereich / variablen Druck im Hinterkammerbereich (abgekürzt „Vorderkammer-Konstantdruck-Prinzip“), konstanten Druck im Hinterkammerbereich / variablen Druck im Vorderkammerbereich (abgekürzt „Hinterkammer-Konstantdruck-Prinzip“) sowie variablen Druck sowohl im Vorder- als auch im Hinterkammerbereich (abgekürzt „Variabldruck-Prinzip“).

(1) Vorderkammer-Konstantdruck-Prinzip

Dies war das Funktionsprinzip, das zu Beginn der Entwicklung hydraulischer Felsbrecher erstmals eingesetzt wurde; alle nachfolgenden technischen Fortschritte bauten darauf auf. Der hydraulische Felsbrecher mit Vorderkammer-Konstantdruck ist in Abb. 2-1 dargestellt.

Aus Abb. 2-1 geht hervor, dass das System aus einem Zylinderkörper, einem Kolben, einem Steuerventil und Ölleitungen besteht. Der Zylinderkörper und der Kolben bilden den Schlagmechanismus. Der Kolben bewegt sich im Zylinderkörper hin und her, angetrieben durch Hydrauliköl, wobei er außen Schlagenergie abgibt und eine große Schlagkraft auf das Ziel ausübt, wodurch ein Hammer-Effekt erzeugt wird. Die Funktion des Steuerventils besteht darin, die Ölströmung zum Antrieb des Kolbens umzukehren, wodurch eine periodische Hin-und-Her-Bewegung des Kolbens erreicht wird.

Der hydraulische Felsbrecher gemäß Abb. 2-1 weist seinen Kolben am Schlagpunkt auf; die Ventilspule befindet sich in der Position, in der sie soeben den Übergang vom Arbeitshub zum Rückhub abgeschlossen hat. In diesem Augenblick strömt Hochdrucköl durch den konstanten Hochdruckanschluss des Ventils in die konstante Hochdruckkammer des Zylinders (Kammer a ) und treibt den Kolben im Rückhub (nach rechts) an. Das Öl in der variablen Druckkammer des Kolbens (Kammer b ) kehrt über Port 4 und den druckvariablen / Rücköl-Port des Ventils in den Tank zurück. Wenn der Kolben sich zurückbewegt, bis seine vordere Schulter Port 2 am Zylinderkörper passiert, wird Hochdrucköl in den Stellventil-Port 5 geleitet, wodurch das Ventil umschaltet (nach links). Da die konstante Hochdruckkammer des Ventils nun mit der mittleren druckvariablen Kammer verbunden ist, strömt Hochdrucköl in die hintere Kammer des Kolbens b über Port 4. Beide Seiten des Kolbens stehen nun unter Hochdrucköl, doch da die druckbelastete Fläche der hinteren Kammer b größer ist als die der vorderen Kammer a der Kolben beginnt bei der Rückhubphase zu verzögern, seine Geschwindigkeit sinkt auf null, und er startet den Arbeitshub (nach links). Sobald die zentrale Aussparung des Kolbens die Anschlüsse 2 und 3 verbindet, hat der Kolben gerade den Schlagpunkt erreicht und damit einen Zyklus abgeschlossen; gleichzeitig verbindet der Stößelventil-Anschluss 5 die Rücklaufölleitung, wodurch der Kolben nach rechts umschaltet und in die in Abb. 2-1 gezeigte Position zurückkehrt, wodurch ein vollständiger Zyklus abgeschlossen und die Vorbereitung für den nächsten Rückhub des Kolbens erfolgt. Auf diese Weise erreicht der Kolben einen kontinuierlichen Schlagbetrieb und gibt ständig Schlagenergie ab. Luftkammer c wird bei diesem Arbeitsprinzip an die Atmosphäre entlüftet.

(2) Prinzip des konstanten Drucks im hinteren Raum

Es ist darauf hinzuweisen, dass dieses Arbeitsprinzip nur unter der Voraussetzung realisierbar ist, dass die druckbelastete Fläche der vorderen Kolbenkammer a größer ist als die der hinteren Kammer b , d. h., der Durchmesser der vorderen Kolbenkammer ist kleiner als der Durchmesser der hinteren Kammer ( d ₁ > d ₂).

Abb. 2-2 zeigt das Schema eines hydraulischen Felsbrechers mit konstantem Druck im hinteren Arbeitsraum und variablen Druck im vorderen Arbeitsraum.

Im Vergleich zu Abb. 2-1 besteht der einzige Unterschied darin, dass Anschluss 1 am Zylindergehäuse nicht mit der konstanten Druckkammer (Hochdruckkammer), sondern mit der variablen Druckkammer des Ventils verbunden ist; Anschluss 4 ist direkt mit der konstanten Druckkammer des Ventils verbunden; alle übrigen Ölleitungen sind identisch. Abb. 2-2 zeigt den Zeitpunkt, zu dem der Kolben-Krafthub gerade beendet ist und das Ventil bereits umgeschaltet hat – das System befindet sich genau in dem Augenblick, in dem der Rückhub beginnt.

Die Arbeitscharakteristik dieses Prinzips besteht darin, dass der hydraulische Felsbrecher während des Rückhubs kein Öl abführt, jedoch während des Kraftstreichs Öl abführt; zudem ist die druckbelastete Fläche des vorderen Arbeitsraums a größer ist als die der hinteren Kammer b da die Entladungszeit des Arbeitshubs kurz und der Durchfluss groß ist, sind die hydraulischen Druckverluste bei diesem Prinzip größer als bei dem Vorderkammer-Druckkonstant-Prinzip. Derzeit verwenden die meisten hydraulischen Felsbrecher dieses Prinzip nicht.

(3) Vorder- und Hinterkammer-Druckvariabel-Prinzip

Das Vorder- und Hinterkammer-Druckvariabel-Prinzip ist in Abb. 2-3 dargestellt. Aus diesem Schema ist leicht ersichtlich, dass diese Art hydraulischer Schlagwerkzeuge eine komplexe Struktur mit zahlreichen Kanälen aufweist, was die Herstellungskosten erhöht. Daher wird es heute bei hydraulischen Felsbrechern nicht eingesetzt; es kommt jedoch noch bei einigen Marken hydraulischer Felsbohrmaschinen zum Einsatz.

Abb. 2-3 zeigt die Position am Ende des Kolben-Arbeitshubs bzw. zu Beginn des Rückhubs. Sobald der Rückhub beginnt, strömt Hochdrucköl aus der mittleren Kammer des Ventils über die linke Kammer und den Zylinderanschluss 1 in die Vorderkammer des Kolbens a und drückt den Kolben nach rechts. Das Öl in der Hinterkammer b wird über den Zylinderanschluss 5 und die rechte Kammer des Ventils in den Öltank abgeleitet. Während des Rückhubes, wenn die linke Schulter des Kolbens den Anschluss 2 am Zylinderkörper passiert, drückt Öl unter hohem Druck über den Anschluss 7 den Ventilspool nach rechts, wodurch dieser umschaltet; der Ventilspool schaltet augenblicklich die Zu- und Ableitungsölpfade des Zylinderkörpers um – der Zylinderanschluss 5 wird auf Hochdruck geschaltet und der Zylinderanschluss 1 wird mit dem Tankrücklauf verbunden – sodass der Kolben zu verlangsamen beginnt, seine Geschwindigkeit rasch auf null sinkt und er in die Beschleunigungsphase des Arbeitshubes übergeht. Wenn der Arbeitshub des Kolbens den Aufschlagpunkt erreicht, verbindet die zentrale Aussparung des Kolbens die Zylinderanschlüsse 2 und 3, die Anschlüsse 4 und 5 werden miteinander verbunden, die linke Seite des Ventilspools ist über den Anschluss 7 mit den Anschlüssen 2 und 3 zur Ölrückführung verbunden, und der rechte Seitenanschluss 6 des Ventilspools ist über die Anschlüsse 4 und 5 sowie die rechte Seite und die Zwischenkammer des Ventils mit Hochdruck verbunden, wodurch der Spool nach links umschaltet, die Zu- und Ableitungsölpfade des Zylinders verändert und einen vollständigen Arbeitszyklus des Kolbens abschließt. Der Kolben und der Ventilspool der hydraulischen Schlagvorrichtung kehren in den Zustand gemäß Abb. 2-3 zurück – den Beginn des Rückhubes. Auf diese Weise gibt der hydraulische Gesteinsbrecher durch die kontinuierliche Hin- und Herbewegung des Kolbens ständig Schlagenergie nach außen ab und führt die Schlagarbeit wirksam aus.

Alle drei oben beschriebenen rein hydraulischen Wirkprinzipien werden derzeit in hydraulischen Bohrhammern, hydraulischen Brechhammern und anderen hydraulischen Schlagmechanismen eingesetzt; hydraulische Brechhämmer verwenden jedoch nach wie vor überwiegend das hydraulisch-pneumatische Kombinationswirkprinzip.

2.2.2 Hydraulisch-pneumatisches Kombinationswirkprinzip

Aus der Analyse des rein hydraulischen Wirkprinzips ergibt sich, dass sämtliche Schlagenergie eines rein hydraulischen Schlagmechanismus ausschließlich durch die Hydraulik bereitgestellt wird. Mit zunehmendem Einsatz reiner hydraulischer Brechhämmer und fortschreitender Forschung zeigte sich jedoch, dass die hydraulischen Verluste erheblich sind, was eine weitere Steigerung des Wirkungsgrads begrenzt. Das Öl muss beim Durchströmen der Kanäle im Zylinderkörper an den Rohrwänden entlanggleiten; zudem sind die durch Krümmungen, Durchmessersprünge und Änderungen der Strömungsrichtung verursachten hydraulischen Verluste beträchtlich; je größer der Volumenstrom, desto höher die Verluste – insbesondere während des Arbeitshubs.

Derzeit wird das hydraulisch-pneumatische kombinierte Arbeitsprinzip hauptsächlich bei hydraulischen Felsbrechern mit großer Schlagenergie und niedriger Frequenz sowie bei hydraulischen Rammen eingesetzt.

Um die Effizienz zu steigern, fanden Menschen nach umfangreichen Untersuchungen eine einfache und wirksame Methode: die gemeinsame Nutzung von Gas und Öl zur Bereitstellung der Schlagenergie des hydraulischen Felsbrechers. Dadurch verringert sich der erforderliche Durchfluss während des Arbeitshubs – was die hydraulischen Verluste senkt und die Arbeitseffizienz verbessert – und führt somit zum hydraulisch-pneumatischen kombinierten hydraulischen Felsbrecher.

Das konstruktive Prinzip des hydraulisch-pneumatischen kombinierten hydraulischen Felsbrechers ist sehr einfach: lediglich die Luftkammer befüllen c in den drei oben genannten rein hydraulischen Prinzipien mit Stickstoff unter einem bestimmten Druck. Da nun Stickstoff vorhanden ist, wird dieser beim Rückhub des Kolbens komprimiert und Energie gespeichert; bei dem Arbeitshub wird diese Energie gemeinsam mit dem Öl freigesetzt, um den Kolben anzutreiben, wodurch kinetische Energie am Aufschlagpunkt erzeugt und in Schlagenergie umgewandelt wird. Offensichtlich reduziert die Rolle des Stickstoffs zwangsläufig die während des Arbeitshubs verwendete Ölmenge, wodurch der Ölverbrauch sinkt und somit geringere hydraulische Verluste sowie ein höherer Wirkungsgrad erreicht werden.

Im Vergleich zu einem rein hydraulischen Felsbrecher beträgt die effektive druckbelastete Fläche der Kolberrückseite b bei einem hydraulisch-pneumatischen kombinierten hydraulischen Felsbrecher verringert. Diese Verringerung der wirksamen druckbelasteten Fläche bedeutet einen geringeren Ölverbrauch während des Arbeitshubs und niedrigere hydraulische Verluste – dies ist der entscheidende Grund, warum sich hydraulisch-pneumatische kombinierte hydraulische Felsbrecher in den letzten Jahren so rasch entwickelt haben. Hydraulisch-pneumatische kombinierte hydraulische Felsbrecher verwenden nahezu alle das Arbeitsprinzip mit konstantem Druck im Vorderkammerbereich; dies ist ebenfalls ein wesentliches Merkmal des hydraulisch-pneumatischen kombinierten Typs.

2.2.3 Stickstoff-Explosions-Arbeitsprinzip

Das Arbeitsprinzip eines stickstoff-explosiven hydraulischen Felsbrechers unterscheidet sich nicht grundsätzlich von dem eines hydraulisch-pneumatischen kombinierten hydraulischen Felsbrechers; lediglich die konstruktiven Parameter des Kolbens weichen voneinander ab. Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass der Durchmesser des Kolbens vorne und hinten identisch ist, d. h. d ₂ = d ₁, und die gesamte Schlagenergie wird durch Stickstoff bereitgestellt.

Gleiche Kolbendurchmesser an Vorder- und Rückseite sind das Hauptmerkmal des stickstoffbetriebenen hydraulischen Felsbrechers. Während des Arbeitshubs wird im hinteren Raum kein Öl verbraucht, und die gesamte Schlagenergie kann durch Stickstoff bereitgestellt werden. Natürlich wird die gespeicherte Energie des Stickstoffs während des Rückhubes hydraulisch zugeführt und in kinetische Energie des Arbeitshubs umgewandelt. Daher erfolgt letztlich immer noch eine Umwandlung hydraulischer Energie – allerdings über Kompression und Energiespeicherung im Gasmedium: Die gespeicherte Stickstoffenergie wird während des Arbeitshubs freigesetzt und in mechanische Energie des Kolbens umgewandelt.

Es ist darauf hinzuweisen, dass nur das Prinzip des konstanten Drucks im Vorderkammerbereich bei hydraulischen Gesteinsbrechern mit Stickstoffexplosion angewendet werden kann; weder das Prinzip des konstanten Drucks im Hinterkammerbereich noch das Prinzip des variablen Drucks in Vorder- und Hinterkammer können bei einem hydraulischen Gesteinsbrecher vom Stickstofftyp angewendet werden. Der Grund wird deutlich, sobald man die Kolbeneigenschaft versteht, die d ₂ = d ₁.