Grundlegendes Funktionsprinzip hydraulischer Felsbrecher

1.3 Grundlegendes Funktionsprinzip hydraulischer Felsbrecher

Ein hydraulischer Felsbrecher ist eine Schlagmaschine, die hydraulische Energie in mechanische Energie umwandelt. Er enthält zwei grundlegende bewegliche Komponenten – einen Kolben und eine Verteilerventilspule –, die sich gegenseitig in einer Rückkopplungsschleife steuern: Die Hubbewegung der Ventilspule steuert die Kolbenkommutierung, und der Kolben öffnet bzw. schließt zu Beginn und am Ende jedes Hubes seinerseits die Steuerölleitung des Ventils, wodurch die Ventilkommutierung erfolgt – und dieser Zyklus wiederholt sich … Das grundlegende Funktionsprinzip eines hydraulischen Felsbrechers lautet: Durch diese Kolben-Spulen-Rückkopplungssteuerung bewegt sich der Kolben unter hydraulischem (bzw. gasförmigem) Druck schnell hin- und her und schlägt auf den Meißel, um so externe Arbeit zu verrichten.

Hydraulische Felsbrecher sind in zahlreichen Typen und Bauformen erhältlich, die in späteren Kapiteln ausführlich beschrieben werden. Im Folgenden wird als Beispiel der hydraulische Felsbrecher mit konstantem Druck im vorderen Raum und variablen Druck im hinteren Raum erläutert:

Wie in der Abbildung dargestellt, strömt beim Beginn des Rückhubes Hochdrucköl durch Öffnung 1 in die vordere Kolbenkammer und wirkt gleichzeitig auf das untere Ende des Wegeventilspools, wodurch dieser stabil in dem in Abbildung (a) gezeigten Zustand gehalten wird. Zu diesem Zeitpunkt befindet sich Hochdrucköl in der vorderen Kolbenkammer; die hintere Kammer ist über Öffnung 4 mit dem Rücklauf (T) verbunden. Angetrieben durch den Öldruck in der vorderen Kammer beschleunigt der Kolben während des Rückhubes und verdichtet den im Stickstoffraum gespeicherten Stickstoff (außer bei rein hydraulischen Ausführungen); der Speicher akkumuliert Öl. Wenn der Rückhub des Kolbens die Steueröffnung 2 erreicht, gelangt Hochdrucköl an das obere Ende des Ventilspools. Zu diesem Zeitpunkt sind sowohl das obere als auch das untere Ende des Spools mit Hochdrucköl verbunden; da im Konstruktionsentwurf die wirksame Fläche am oberen Ende des Spools größer ist als die wirksame Fläche am unteren Ende, schaltet der Spool unter der Wirkung des Hochdrucköls in den Zustand gemäß Abbildung (b) um. Zu diesem Zeitpunkt sind sowohl die vordere als auch die hintere Kolbenkammer mit Hochdrucköl verbunden; der Speicher gibt Öl ab, um das System zu ergänzen. Unter der Wirkung der resultierenden Kraft F_q beschleunigt der Kolben während des Arbeitshubes, trifft auf den Meißel und gibt Schlagenergie ab. Sobald der Kolben den Schlagpunkt passiert hat, werden die Steueröffnungen 2 und 3 miteinander verbunden und mit dem Rücklauföl (T) verknüpft; der Öldruck am oberen Ende des Ventilspools sinkt ab; unter dem Druck des Öls am unteren Ende kehrt der Ventilspool schnell in den Zustand gemäß Abbildung (a) zurück. Damit ist der ursprüngliche Zustand wiederhergestellt, der Kolben beginnt den Rückhub und tritt in den nächsten Schlagzyklus ein – und so weiter, zyklisch fortlaufend. In diesem Prozess ist die Kopplungsbeziehung zwischen Kolben und Ventilspool in Abbildung 1-2 dargestellt.

Aus Abb. 1-1 ist ersichtlich, dass während des Arbeitshubs – unter Vernachlässigung der Kolbengewichtskraft und der Reibungswiderstände – die Kraft F_q, die die Kolbenstoßarbeit antreibt, hauptsächlich aus dem hydraulischen Druck und dem Stickstoffgasdruck besteht, d. h. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Die antreibende Kraft F_q hängt von der effektiven Flächendifferenz zwischen vorderem und hinterem Arbeitsraum, dem Öldruck p und dem Stickstoffkammerdruck p_N ab. Basierend auf den unterschiedlichen Verhältnissen der hydraulischen zu der gasseitigen Arbeit können drei Betriebsformen entstehen: rein hydraulisch, hydraulisch-pneumatisch kombiniert und stickstoffexplosiv.

Rein hydraulisch: p_N = 0. Bei dieser Form verfügt der hydraulische Felsbrecher über keine Stickstoffkammer, und der Kolben wird ausschließlich durch die Druckdifferenz zwischen oberem und unterem Ölkammerdruck angetrieben. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Diese Form stellt die früheste Ausführungsart dar, die bei der ersten Einführung hydraulischer Felsbrecher verwendet wurde.

Hydraulisch-pneumatisch kombiniert: Bei dieser Form gilt d₁ < d₂, und gleichzeitig wird am Kolbenende eine Stickstoffkammer hinzugefügt, wodurch Stickstoff zur Leistungserbringung eingesetzt wird (p_N > 0). Die Kraft F_q setzt sich hauptsächlich aus zwei Anteilen zusammen: der Druckdifferenz zwischen Vorder- und Hinterkammer sowie der Kraft aus Kompression und Expansion des Stickstoffs. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Diese Form stellt derzeit die gebräuchlichste Bauart von hydraulischen Felsbrechern dar. Je nach unterschiedlichem Anteil der hydraulischen und gasförmigen Arbeit an der gesamten Antriebskraft – also je nach unterschiedlichem Gas-zu-Flüssigkeits-Arbeitsverhältnis – lassen sich Produkte mit unterschiedlichen Leistungsmerkmalen realisieren.

Stickstoff-explosiv: Bei dieser Form gilt d₁ = d₂ und p_N > 0. Die hydraulische Kraft in der oberen und unteren Kammer ist null; die Kolbenarbeit während des Arbeitshubes wird vollständig durch den Gasdruck in der Stickstoffkammer erzeugt. F_q = π/4 · p_N · d₁². Diese Form stellt die neueste Bauart von hydraulischen Felsbrechern dar.

Alle drei Bauformen weisen jeweils Vor- und Nachteile auf, doch ihre Gesamtleistung verbessert sich von einer Generation zur nächsten. Der rein hydraulische Typ als früheste Produktform bei der Einführung hydraulischer Felsbrecher zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion und zuverlässigen Betrieb aus und erfordert keine Anfangsschubkraft; allerdings ist die Energienutzung gering, und er eignet sich nicht für die Herstellung großformatiger Produkte. Der hydraulisch-pneumatische Kombinationstyp stellt einen wesentlichen Fortschritt gegenüber dem rein hydraulischen Typ dar: Durch Hinzufügen einer Stickstoffkammer am Kolbenende wird die Rückhubenergie effektiv genutzt und die Schlagkraft deutlich gesteigert; allerdings ist die Konstruktion komplexer und es ist eine Anfangsschubkraft erforderlich, um den Betrieb aufzunehmen. Der stickstoffexplosive hydraulische Felsbrecher benötigt aus energetischer Sicht während des Arbeitshubs keine Ölarbeit und ist daher energiesparender; gleichzeitig sind die Durchmesser der Kolbenvorder- und -hinterkammer identisch, wodurch das Problem einer unzureichenden momentanen Ölzufuhr während des Arbeitshubs des Kolbens wirksam gelöst wird. Aufgrund des hohen Anfangsdrucks der Stickstofffüllung ist jedoch eine größere Anfangsschubkraft erforderlich.

1.4 Grundstruktur und Klassifizierung hydraulischer Felsbrecher

1.4.1 Grundstruktur hydraulischer Felsbrecher

Obwohl hydraulische Felsbrecher in vielen Varianten erhältlich sind, weisen sie gemeinsame strukturelle Merkmale auf. Die grundlegende Zusammensetzung eines hydraulischen Felsbrechers umfasst: Zylindergehäuse, Kolben, Verteilerventil, Speicherbehälter, Stickstoffkammer, Meißelhalterung, Meißel, hochfeste Schrauben sowie Dichtungssysteme. Unterschiedliche Typen hydraulischer Felsbrecher weisen geringfügige strukturelle Abweichungen auf; jeder Felsbrecher enthält jedoch zwei grundlegende bewegliche Komponenten – den Kolben und die Ventilspule. Die Grundstruktur ist in Abb. 1-3 dargestellt.

(1) Schlagmechanismus

Ein hydraulischer Felsbrecher verfügt über einen relativ langen und schlanken Kolben, der die wichtigste Komponente darstellt. Auf Grundlage der Theorie der Spannungswellenübertragung muss der Durchmesser des Schlagkolbens im Allgemeinen nahezu dem Enddurchmesser des Meißelstummels entsprechen, um die Schlagenergie des Kolbens optimal zu übertragen. Dadurch wird eine vollständige Kontaktfläche an der Schlagstelle gewährleistet und eine effiziente Energieübertragung erreicht. Das Passungsmaß zwischen Schlagkolben und Zylinderkörper bzw. Zwischenbuchse ist ein äußerst wichtiger technischer Parameter. Ist das Maß zu groß, entsteht eine sehr hohe innere Leckage, wodurch die Schlagkraft unzureichend wird und der Felsbrecher unter Umständen sogar nicht mehr normal arbeiten kann; ist das Maß zu klein, kann die Kolbenbewegung träge werden oder es kann zu Kaltverschweißung kommen, gleichzeitig steigen jedoch auch die Herstellungskosten stark an.

(2) Verteilmechanismus

Ein hydraulischer Felsbrecher verfügt im Allgemeinen über ein Verteilerventil, das die Richtung des Hydraulikölstroms umschaltet und dadurch die Hubbewegung des Schlagkolbens steuert und antreibt. Die Bauformen von Verteilerventilen sind vielfältig; grundsätzlich lassen sie sich in zwei Hauptkategorien einteilen: Kolbenventile und Hülsenventile. Kolbenventile sind im Allgemeinen leicht, verbrauchen weniger Öl, weisen einen kleineren Durchmesser auf und besitzen eine geringere Passungsspielweite sowie geringere Leckage; meist weisen sie jedoch eine stufenförmige Struktur auf, haben eine relativ schlechte mechanische Bearbeitbarkeit und größere Drosselverluste. Hülsenventile sind schwerer, weisen einen größeren Durchmesser auf und weisen ebenfalls eine größere Passungsspielweite sowie höhere Leckage auf; ihre mechanische Bearbeitbarkeit ist jedoch gut, der Öffnungsflächengradient ist groß und die Drosselverluste sind gering. Die Passungsspielweite zwischen Ventilkolben und Ventilgehäuse bzw. Ventilhülse stellt einen weiteren wichtigen technischen Parameter bei der Herstellung hydraulischer Felsbrecher dar; sowohl zu große als auch zu kleine Spielweiten führen dazu, dass das Ventil nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert.

(3) Akkumulatordruckstabilisierungsmechanismus

Die meisten hydraulischen Felsbrecher verfügen über einen oder mehrere Akkumulatoren, die zur Energiespeicherung und Druckstabilisierung dienen. Ein hydraulischer Felsbrecher verrichtet externe Arbeit ausschließlich während des Arbeitshubs; der Rückhub dient lediglich der Vorbereitung des Arbeitshubs. Während des Kolbenrücklaufs strömt Hydrauliköl mit einem Druck ein, der höher ist als der Ladedruck im Akkumulatorraum, und wird dort als potenzielle Energie des Öls gespeichert. Diese Energie wird während des Arbeitshubs des Kolbens freigesetzt und wandelt den Großteil der beim Rückhub gewonnenen Energie in Schlagenergie um. Auf diese Weise trägt der Akkumulator zur Verbesserung der Systemwirkungsgrad bei und verringert gleichzeitig Druckstöße sowie Strömungspulsationen, die durch das Umschalten des Verteilerventilschiebers verursacht werden.

(4) Betätigungsmechanismus

Der Meißel ist das betätigende Bauteil des hydraulischen Felsbrechers, das externe Arbeit verrichtet und direkt auf das Arbeitsobjekt einwirkt; es handelt sich um ein Verschleißteil, das eine gute Abriebfestigkeit aufweisen muss, außen hart und innen zäh ist und dessen Härte sich allmählich von außen nach innen verändert. Um sich an verschiedene Arbeitsbedingungen und Arbeitsobjekte anzupassen, sind Meißel in spitzen, quadratischen, schaufelförmigen und flachköpfigen Ausführungen erhältlich.

(5) Mechanismus zur Verhinderung von Leerschlägen

Da ein hydraulischer Felsbrecher eine hohe Schlagenergie aufweist, würde ein direkter Schlag des Kolbens gegen den Zylinderkörper den Felsbrecherkörper schwer beschädigen – was zu einem Leerlauf („Blank-Firing“) führt. Die Vorrichtung zur Vermeidung eines Leerlaufs besteht darin, am vorderen Ende des Zylinderkörpers eine hydraulische Pufferkammer anzubringen. Wenn der Meißel noch nicht mit dem Gestein in Kontakt steht und sich nach vorne bewegt, dringt der Schlagkolben in die Pufferkammer ein, komprimiert das darin enthaltene Öl und absorbiert so die Schlagenergie, wodurch eine gedämpfte Schutzfunktion für den Maschinenkörper realisiert wird. Gleichzeitig wird der Öleinlass in die vordere Kammer geschlossen, sodass der Kolben unter der Wirkung der Schwerkraft und des Stickstoffdrucks im hinteren Bereich nicht zurückweichen kann; erst wenn der Meißel erneut mit dem Gestein in Kontakt tritt und mit erhöhtem Arm-Druck zurückgedrückt wird, schiebt der Schlagkolben das Öl aus der Pufferkammer heraus und Hochdrucköl kann dann in die vordere Kammer eintreten, wodurch der normale Betrieb wieder aufgenommen wird. Wie in Abb. 1–4 dargestellt, kann der hydraulische Felsbrecher nach Durchbrechen des zu zerkleinernden Objekts höchstens ein- bis zweimal im Leerlauf arbeiten, bevor er zum Stillstand kommt. Der Bediener muss dann einen neuen Schlagpunkt wählen, den Meißel fest andrücken, Druck ausüben, wodurch der Meißel den Kolben vom Öleinlass der unteren Kammer wegschiebt, und die Arbeit kann erneut aufgenommen werden.

(6) Weitere Mechanismen

Weitere Mechanismen des hydraulischen Felsbrechers umfassen: Verbindungsrahmen, Schwingungsdämpfungsmechanismus, Dichtsystem, automatisches Schmiersystem usw.

1.4.2 Klassifizierung hydraulischer Felsbrecher

Es gibt zahlreiche Arten hydraulischer Felsbrecher sowie verschiedene Klassifizierungsmethoden. Die wichtigsten Klassifizierungsmethoden sind folgende:

(1) Klassifizierung nach Betriebsart

Hydraulische Felsbrecher werden nach Betriebsart in tragbare und handgeführte Typen unterteilt. Handgeführte Typen sind kleine Felsbrecher, auch hydraulische Meißel genannt; ihre Masse liegt im Allgemeinen unter 30 kg, sie werden von Hand bedient und über eine spezielle hydraulische Pumpstation angetrieben; sie können pneumatische Meißelarbeiten weitgehend ersetzen. Tragbare Typen sind mittlere und große Felsbrecher, die direkt am Ausleger von Hydraulikbaggern, -ladegeräten und anderen hydraulischen Trägermaschinen montiert werden und deren Antriebssystem, Hydrauliksystem sowie Auslegerbewegungssystem zur Durchführung der Arbeiten nutzen.

(2) Klassifizierung nach Arbeitsmedium

Hydraulische Felsbrecher werden nach ihrem Arbeitsmedium in drei Hauptkategorien unterteilt: rein hydraulisch, hydraulisch-pneumatisch kombiniert und stickstoffexplosiv. Rein hydraulische Typen arbeiten ausschließlich mit dem Druck von Hydrauliköl, um den Kolben anzutreiben; hydraulisch-pneumatisch kombinierte Typen nutzen sowohl Hydrauliköl als auch im hinteren Bereich komprimierten Stickstoff, um den Kolben anzutreiben; stickstoffexplosive Typen beruhen vollständig auf der instantanen Expansion des Stickstoffs in der hinteren Stickstoffkammer, um den Kolben zur Arbeit zu bewegen.

(3) Klassifizierung nach Rückkopplungsmethode

Hydraulische Felsbrecher werden nach der Rückkopplungsmethode in Hubrückkopplung und Druckrückkopplung unterteilt. Der Unterschied liegt in der Art und Weise, wie das Rückkopplungssignal für die Umschaltung des Verteilerventils erfasst wird. Hydraulische Felsbrecher mit Hubrückkopplung steuern die Umschaltung des Verteilerventils über das Öffnen und Schließen von Hochdruck-Ölrückkopplungslöchern durch den Kolben während seines Hubes; die Positionen dieser Rückkopplungslöcher können nur starr festgelegt werden, und aufgrund konstruktiver Randbedingungen lassen sich maximal drei Rückkopplungslöcher anordnen; daher ist bei hydraulischen Felsbrechern mit Hubrückkopplung keine stufenlose Einstellung der Schlagfrequenz möglich. Hydraulische Felsbrecher mit Druckrückkopplung steuern die Umschaltung des Verteilerventils durch Erfassung des Systemdrucks oder des Stickstoffkammerdrucks am Kolbenende; während der Kolben in die Stickstoffkammer einfährt, ändert sich der Druck in der Stickstoffkammer kontinuierlich, und sobald der im Inneren der Kammer installierte Drucksensor einen voreingestellten Druckwert erfasst, erfolgt die Ventilumschaltung über eine Mikrocomputersteuerung; da der Umschaltdruck beliebig eingestellt werden kann, ermöglichen hydraulische Felsbrecher mit Druckrückkopplung eine stufenlose Einstellung.

(4) Klassifizierung nach Verteilungsverfahren

Basierend auf der Form des Verteilungsventils lassen sie sich in zwei Hauptkategorien einteilen: Drei-Wege-Ventil mit einseitiger Rücklauföl-Führung und Vier-Wege-Ventil mit beidseitiger Rücklauföl-Führung. Die einseitige Rücklauföl-Struktur weist den Vorteil einfacher Ölwege und einer einfachen Steuerung auf; in der Praxis wird sie daher relativ häufig eingesetzt. Die einseitige Rücklauföl-Führung lässt sich weiter unterteilen in Rücklauföl-Führung aus der Vorderkammer und Rücklauföl-Führung aus der Hinterkammer; von diesen weist die Rücklauföl-Führung aus der Vorderkammer den Nachteil eines hohen Saug- und Rücklauföl-Widerstands auf, weshalb derzeit am häufigsten die Kombination aus konstantem Druck in der Vorderkammer und Rücklauföl-Führung aus der Hinterkammer verwendet wird. Das Vier-Wege-Ventil mit beidseitiger Rücklauföl-Führung wird auch als doppeltwirkender Typ bezeichnet; sein charakteristisches Merkmal ist das Fehlen einer Konstantdruckkammer, wobei die Drücke in Vorder- und Hinterkammer abwechselnd hoch und niedrig sind; aufgrund der komplexen Ölwege bei der beidseitigen Rücklauföl-Struktur kommt dieser Typ jedoch selten zum Einsatz.

(5) Klassifizierung nach Anordnung des Verteilungsventils

Aufgrund der Anordnung des Verteilungsventils lassen sie sich in zwei Typen einteilen: intern montierte und extern montierte Ventile. Der intern montierte Typ kann weiter unterteilt werden in Kolbenventil- und Hülsenventil-Typ. Intern montierte Verteilungsventile sind mit dem Zylinderkörper in einem Stück integriert und weisen eine kompakte Bauweise auf; extern montierte Verteilungsventile befinden sich unabhängig außerhalb des Zylinderkörpers und zeichnen sich durch eine einfache Bauweise sowie bequeme Wartung und Austauschbarkeit aus.

Darüber hinaus lassen sie sich anhand des Geräuschpegels in geräuscharme und Standardtypen einteilen; anhand der Form des äußeren Gehäuses können sie in dreieckige, turmähnliche und geschlossene Brechmaschinen usw. unterteilt werden. Die verschiedenen Klassifizierungsmethoden sind in Abbildung 1-5 zusammengefasst.