Grundlegende technische Parameter

2.1 Grundlegende technische Parameter

2.1.1 Parameter eines hydraulischen Felsbrechers

(1) Leistungsparameter

W und Schlagfrequenz k sind die Leistungsparameter, die einen hydraulischen Felsbrecher beschreiben. W definiert die Arbeitsleistung des Brechers; k definiert seine Arbeitsgeschwindigkeit.

Die Ausgangsleistung eines hydraulischen Felsbrechers kann wie folgt angegeben werden:

N = W × k                                           (2.1)

Da die beiden Parameter, die die Leistung beschreiben – Schlagenergie und Schlagfrequenz – miteinander gekoppelt sind, wird beim Entwurf eines hydraulischen Felsbrechers das Verhältnis von W bis zu k muss sorgfältig abgewogen werden. Unter der Bedingung einer minimalen installierten Leistung sollte ein möglichst hoher Wirkungsgrad erreicht werden. Bei einem hydraulischen Felsbrecher ist eine hohe Schlagenergie W erforderlich, und die Schlagfrequenz k sollte angemessen reduziert werden, um die Anforderung nach hoher Schlagkraft und guter Brechwirkung zu erfüllen. Bei einem hydraulischen Felsbohrgerät ist zwar ebenfalls ein hydraulischer Schlagmechanismus vorhanden, jedoch wird eine geringe Schlagenergie W und eine möglichst hohe Schlagfrequenz k benötigt, um die Anforderung nach schnellem Bohren zu erfüllen.

(2) Betriebsparameter

Maximale Kolbenschlaggeschwindigkeit v _m , Betriebsdurchfluss Q , Betriebsdruck p , und optimale Vorschubkraft K _T sind die Betriebsparameter eines hydraulischen Felsbrechers.

● Maximale Kolben-Aufprallgeschwindigkeit v _m : dies ist die momentane Kontaktgeschwindigkeit, mit der der Kolben auf das Ende des Meißels trifft. Die zugehörige kinetische Energie des Kolbens wird als Schlagenergie des hydraulischen Hammers definiert W . Wenn die kinetische Energie des Kolbens vollständig auf das Ziel übertragen wird, beträgt die Schlagenergie des hydraulischen Hammers:

W = ½ mV ²_m                                            (2.2)

wo: m — Kolbenmasse.

Aus Gleichung (2.2) folgt, dass je höher die Kolben-Aufprallgeschwindigkeit ist, desto größer die Schlagenergie ist.

Allerdings ist die Erhöhung von v _m durch zwei Faktoren begrenzt:

1) Materialeigenschaftsgrenzen von Kolben und Meißel. Aufprallendgeschwindigkeit am Ende v _m bezieht sich auf die Kontaktspannung σ ; je höher σ , desto stärker wirkt sich dies auf die Lebensdauer von Kolben und Meißel aus. Bei zulässiger Kontaktspannung σ , erfolgt die typische Auswahl v _m = 9 bis 12 m/s. Mit Fortschreiten der Werkstoffwissenschaft kann der Wert von v _m weiter erhöht werden.

2) Frequenzgrenze des Schlagmechanismus. Da Bauform und Hub des Kolbens begrenzt sind, benötigt der Kolben bei festem Hub nur sehr kurze Zeit, um die erforderliche v _m zu erreichen. Offensichtlich gilt: Je größer v _m , desto kürzer ist die erforderliche Beschleunigungszeit.

Eine niedrige Frequenz bedeutet, dass sowohl die Zykluszeit als auch die Hubzeit des Kolbens lang sind, während eine hohe v _m führt zwangsläufig zu kürzeren Schlag- und Zykluszeiten d. h. zu hoher Aufprallfrequenz, die den Konstruktionsanforderungen für Niedrigfrequenz nicht entsprechen kann.

● Arbeitsfluss Q : der Stromstrom, der während des Betriebs durch die Hydraulikpumpe an den hydraulischen Felsbrecher geleitet wird; er ist eine unabhängige Variable. Die Verhaltens- und Leistungsparameter des hydraulischen Felsbruchs hängen alle eng mit dem Arbeitsfluss zusammen und sind Funktionen des Arbeitsflusses; sie ändern sich mit der Veränderung des Arbeitsflusses.

● Arbeitsdruck p : der Druck, den das hydraulische System bei Betrieb des hydraulischen Felsbrechers benötigt der Druck, der für die Erreichung seiner Leistungsparameter erforderlich ist. Arbeitsdruck p ist eine abhängige Variable; sie ändert sich mit dem Eingangsfluss Q und Strukturparameter verändern. Während des Betriebs, wenn alle anderen Parameter fest bleiben, wird der Druck p kann nicht aktiv geändert werden. Arbeitsdruck p und Eingangsfluss Q erfüllen das grundlegende Prinzip der Hydrauliktechnik: Der Systemdruck wird durch die externe Last bestimmt. Auf dieser Grundlage bedeutet die Konstruktion eines hydraulischen Felsbrechers, strukturelle Parameter und den Arbeitsdurchfluss so auszulegen, dass der gewünschte Systemarbeitsdruck p erreicht wird.

● Schubkraft K _T wenn der hydraulische Felsbrecher arbeitet, verursacht die Beschleunigung des Kolbens während des Arbeitshubs einen Rückstoß des Maschinenkörpers, wodurch der Meißel den Kontakt mit dem Zielobjekt verliert und der Schlag nicht mehr ordnungsgemäß wirkt. Um diesen Rückstoß zu kompensieren, muss entlang der Achse des Brecherkörpers eine Kraft aufgebracht werden – die sogenannte Vorschubkraft. Die Vorschubkraft muss ausreichend groß sein, um den Meißel stets fest mit dem zu bearbeitenden Objekt in Kontakt zu halten. Die Vorschubkraft muss optimal sein. Mit anderen Worten besteht ein Problem der optimalen Vorschubkraft, das eng mit der Baugröße der Trägermaschine zusammenhängt. Ist die Trägermaschine zu klein, ist die von ihr bereitstellbare Vorschubkraft unzureichend; ist sie hingegen zu groß, so wird zwar die erforderliche Vorschubkraft erreicht, doch steigen die Investitionskosten für die Trägermaschine – was ebenfalls unerwünscht ist. Bei der Konstruktion hydraulischer Felsbrecher war es stets ein Optimierungsziel, eine hohe Schlagenergie bei geringer Vorschubkraft zu erreichen. Dadurch wird es möglich, einen hydraulischen Felsbrecher mit hoher Schlagenergie an eine kleinere Trägermaschine anzukoppeln, wodurch eine effiziente Arbeitskombination entsteht und die Betriebskosten gesenkt werden.

(3) Konstruktionsparameter

Die drei Kolbendurchmesser d ₁, d ₂, und d ₃, Arbeitsmasse m , und Arbeitshub S sind die Konstruktionsparameter eines hydraulischen Felsbrechers. Die Konstruktionsparameter bestimmen dessen Leistungsparameter. Die Konstruktion eines hydraulischen Felsbrechers besteht im Wesentlichen darin, die Konstruktionsparameter festzulegen d ₁, d ₂, d ₃, m , und S die sicherstellen, dass die geforderten Leistungsparameter erreicht werden. Sobald die Konstruktionsparameter festgelegt sind, ändern sich alle Leistungsparameter und Betriebsparameter mit dem zugeführten Volumenstrom und sind Funktionen des zugeführten Volumenstroms.

2.1.2 Arbeitsöl-Druck und Nenn-Druck

(Der Nenn-Druck ist in diesem Abschnitt durch p _H gekennzeichnet)

Wenn der hydraulische Felsbrecher arbeitet, treibt der hydraulische Öl-Druck den Kolben in Bewegung, und das Bewegungsmuster des Kolbens wird durch das Muster der Änderung dieser ölgetriebenen Kraft bestimmt — dies ist die Kolbenkinematik und -dynamik.

Unter Berücksichtigung der Kolbenmasse m , Beschleunigung a , und der Trägheitskraft des Kolbens K _K , ergibt das zweite Newtonsche Gesetz:

K _K = mA                                              (2.3)

Die treibende Kraft K entspricht K _K betraglich, weist jedoch entgegengesetzte Richtung auf. Die treibende Kraft K wirkt auf den Kolben und wird durch den Öldruck p im Zylinder erzeugt und kann wie folgt ausgedrückt werden:

p = K _K / A = mA / A = ( m / A ) · d v \/ d t             (2.4)

wo: m — Kolbenmasse, konstant;

 A — Kolben-Druckfläche, konstant;

 v — Kolbengeschwindigkeit; der momentane Durchfluss q treibt die Kolbenbewegung an gemäß:

AV = q                                               (2.5)

Seit v und q in Gl. (2.5) sind Zeitfunktionen; eine Ableitung v und q nach der Zeit ergibt:

A d v \/ d t = D q \/ d t                                  (2.6)

Einsetzen von Gl. (2.6) in Gl. (2.4) ergibt:

p = ( m / A ²) · d q \/ d t                              (2.7)

In Gl. (2.7), m / A ²ist eine Konstante; d q \/ d t steht für die Änderungsrate des Systemstroms.

Aus den Gleichungen (2.3)–(2.7) ergibt sich der Systemdruck auf der Grundlage der veränderlichen Eingangsströmung in die Ölkammer. Mit anderen Worten erzeugt die Änderung des Hydraulikölstroms die Beschleunigung des Kolbens und die Trägheitskraft, wodurch wiederum der Druck in der Ölkammer entsteht p .

Systemöldruck p ist proportional zur Kolbenmasse m und zur Änderungsrate des Stroms d q /dt , und umgekehrt proportional zum Quadrat der kolbenseitigen drucktragenden Fläche A . Um den Systemöl-Druck zu senken p , ist die Vergrößerung der kolbenseitigen drucktragenden Fläche A die wirksamste Methode, führt jedoch auch zu einer größeren Maschinenbauform, sodass bei der Konstruktion beide Faktoren berücksichtigt werden müssen.

Systemöldruck p ist eine Funktion des Stroms und stellt eine abhängige Variable dar; sie kann während des Betriebs nicht aktiv verändert werden, sondern ändert sich nur mit der Änderung des Eingangsstroms. Da der in die Ölkammer strömende Ölstrom beim Betrieb eines hydraulischen Brechers eine Funktion der Zeit ist, ist der Öldruck p variiert ebenfalls mit der Zeit und besitzt keinen konstanten Wert. Der auf einem Produktdatenblatt angegebene Öldruck, den die Autoren als Nennöldruck bezeichnen, wird mit p _H bezeichnet. Bei diesem Druck erreichen die Leistungsparameter des hydraulischen Felsbrechers ihre Nennwerte. p _H ist ein virtueller Parameter – er existiert nicht tatsächlich –, spielt jedoch bei der Konstruktion und beim Einsatz eines hydraulischen Felsbrechers eine äußerst wichtige Rolle. Bei der Konstruktion wird p _H als Grundlage für die Berechnung der Leistungsparameter, Betriebsparameter und Konstruktionsparameter sowie für die Auswahl der Komponenten des hydraulischen Systems verwendet. Vor Ort dient er dem Bediener als wichtiger Referenzwert, um zu beurteilen, ob das System normal arbeitet oder nicht. Der Parameter p _H wird in späteren Kapiteln ausführlicher behandelt.