Ανάλυση του τρόπου λειτουργίας ενός υδραυλικού σπαστήρα βράχων

2.2 Ανάλυση του τρόπου λειτουργίας ενός υδραυλικού σπαστήρα βράχων

Ένας υδραυλικός σπαστήρας βράχων έχει πολλές δομικές μορφές. Ξεκινώντας από την αρχή λειτουργίας, οι συγγραφείς αφαιρούν και συνοψίζουν τις πιο θεμελιώδεις και κρίσιμες ιδέες ενός υδραυλικού σπαστήρα βράχων και τις μειώνουν σε τρεις βασικούς τρόπους λειτουργίας: καθαρά υδραυλικό, υδραυλικο-πνευματικό συνδυασμένο και με εκρηκτική χρήση αζώτου.

2.2.1 Καθαρά υδραυλική αρχή λειτουργίας

Η καθαρά υδραυλική αρχή λειτουργίας έχει τρεις μορφές εφαρμογής: σταθερή πίεση στην εμπρόσθια θάλαμο / μεταβλητή πίεση στον οπίσθιο θάλαμο (συντομογραφία «αρχή σταθερής πίεσης στον εμπρόσθιο θάλαμο»), σταθερή πίεση στον οπίσθιο θάλαμο / μεταβλητή πίεση στον εμπρόσθιο θάλαμο (συντομογραφία «αρχή σταθερής πίεσης στον οπίσθιο θάλαμο») και μεταβλητή πίεση στον εμπρόσθιο και οπίσθιο θάλαμο (συντομογραφία «αρχή μεταβλητής πίεσης»).

(1) Αρχή σταθερής πίεσης στον εμπρόσθιο θάλαμο

Ήταν η αρχή λειτουργίας που εφαρμόστηκε για πρώτη φορά στην αρχή της ανάπτυξης των υδραυλικών σπαστήρων βράχων· όλες οι επόμενες τεχνικές πρόοδοι βασίζονται σε αυτήν. Ο υδραυλικός σπαστήρας βράχων με σταθερή πίεση στον εμπρόσθιο θάλαμο απεικονίζεται στο Σχήμα 2-1.

Από το Σχ. 2-1, το σύστημα αποτελείται από ένα κυλινδρικό σώμα, ένα έμβολο, μια βαλβίδα ελέγχου και οδούς λαδιού. Το κυλινδρικό σώμα και το έμβολο αποτελούν τον μηχανισμό κρούσης. Το έμβολο κινείται προς τα εμπρός και προς τα πίσω εντός του κυλινδρικού σώματος, κινούμενο από το υδραυλικό λάδι, παρέχοντας εξωτερικά ενέργεια κρούσης και ασκώντας μεγάλη δύναμη κρούσης στον στόχο, με αποτέλεσμα τη δημιουργία εφφέκτη («σφυριού»). Η λειτουργία της βαλβίδας ελέγχου είναι να αντιστρέψει τη φορά του λαδιού που κινεί το έμβολο, επιτυγχάνοντας έτσι περιοδική εναλλασσόμενη κίνηση του εμβόλου.

Ο υδραυλικός σπαστήρας βράχων που φαίνεται στο Σχ. 2-1 έχει το έμβολό του στο σημείο κρούσης· η κατανομή της βαλβίδας βρίσκεται στη θέση όπου έχει μόλις ολοκληρώσει την αλλαγή από τη φάση ενεργοποίησης (power stroke) στη φάση επιστροφής (return stroke). Σε αυτήν τη στιγμή, το υψηλής πίεσης λάδι εισέρχεται στην κάμερα σταθερής υψηλής πίεσης του κυλίνδρου (κάμερα α ) μέσω της οπής σταθερής υψηλής πίεσης της βαλβίδας, κινώντας το έμβολο κατά τη φάση επιστροφής (προς τα δεξιά). Το λάδι στην κάμερα μεταβλητής πίεσης του εμβόλου (κάμερα β ) επιστρέφεται στη δεξαμενή μέσω της θύρας 4 και της θύρας μεταβλητής πίεσης/επιστροφής λαδιού της βαλβίδας. Όταν το έμβολο κινηθεί προς τα πίσω μέχρις ότου ο μπροστινός ώμος του περάσει τη θύρα 2 στο σώμα του κυλίνδρου, λάδι υψηλής πίεσης κατευθύνεται στη θύρα 5 της ωθούσας βαλβίδας, προκαλώντας την εναλλαγή της βαλβίδας (προς τα αριστερά). Επειδή η σταθερή θάλαμος υψηλής πίεσης της βαλβίδας συνδέεται τώρα με τον ενδιάμεσο θάλαμο μεταβλητής πίεσης, λάδι υψηλής πίεσης εισέρχεται στον πίσω θάλαμο του εμβόλου β μέσω της θύρας 4. Και οι δύο πλευρές του εμβόλου βρίσκονται τώρα υπό λάδι υψηλής πίεσης, αλλά επειδή η επιφάνεια επαφής με την πίεση του πίσω θαλάμου β είναι μεγαλύτερη από αυτήν του μπροστινού θαλάμου α ο εμβολοφόρος άξονας αρχίζει να επιβραδύνεται κατά την επιστροφική κίνηση, η ταχύτητά του μειώνεται σε μηδέν και αρχίζει η ενεργός κίνηση (προς τα αριστερά). Όταν η κεντρική εγκοπή του εμβόλου συνδέει τις θύρες 2 και 3, ο εμβολοφόρος άξονας έχει μόλις φτάσει στο σημείο κρούσης, ολοκληρώνοντας έναν κύκλο· ταυτόχρονα, η θύρα 5 της ώθησης βαλβίδας συνδέεται με τη γραμμή επιστροφής λαδιού, οπότε ο κινητός πυρήνας (spool) μετακινείται προς τα δεξιά, επανέρχεται στη θέση που φαίνεται στο Σχήμα 2-1, ολοκληρώνοντας έναν πλήρη κύκλο και ετοιμάζεται για την επόμενη επιστροφική κίνηση του εμβόλου. Με αυτόν τον τρόπο, ο εμβολοφόρος άξονας επιτυγχάνει συνεχή κρούση, παρέχοντας συνεχώς ενέργεια κρούσης. Θάλαμος αέρα c σε αυτήν την αρχή λειτουργίας αποστραγγίζεται στην ατμόσφαιρα.

(2) Αρχή σταθερής πίεσης στον οπίσθιο θάλαμο

Πρέπει να τονιστεί ότι αυτή η αρχή λειτουργίας μπορεί να πραγματοποιηθεί μόνο εφόσον η επιφάνεια επαφής με την πίεση στον εμπρόσθιο θάλαμο του εμβόλου α είναι μεγαλύτερη από αυτήν του οπίσθιου θαλάμου β , δηλαδή η διάμετρος του εμπρόσθιου θαλάμου του εμβόλου είναι μικρότερη από τη διάμετρο του οπίσθιου θαλάμου ( δ ₁ > δ ₂).

Το Σχήμα 2-2 απεικονίζει το διαγραμματικό σχήμα ενός υδραυλικού σφυριού για βράχους με σταθερή πίεση στην οπίσθια θάλαμο και μεταβλητή πίεση στον εμπρόσθιο θάλαμο.

Σε σύγκριση με το Σχήμα 2-1, η μοναδική διαφορά είναι ότι η θύρα 1 στο σώμα του κυλίνδρου συνδέεται με τον θάλαμο μεταβλητής πίεσης της βαλβίδας αντί για τον θάλαμο σταθερής πίεσης (υψηλής πίεσης), ενώ η θύρα 4 συνδέεται απευθείας με τον θάλαμο σταθερής πίεσης της βαλβίδας· όλες οι υπόλοιπες οδοί λαδιού παραμένουν ίδιες. Το Σχήμα 2-2 απεικονίζει τη στιγμή κατά την οποία έχει μόλις ολοκληρωθεί η ενεργός διαδρομή του εμβόλου και η βαλβίδα έχει ήδη εναλλαγεί — το σύστημα βρίσκεται ακριβώς στη στιγμή που αρχίζει η διαδρομή επιστροφής.

Η λειτουργική χαρακτηριστική αυτής της αρχής είναι ότι το υδραυλικό σφυρί για βράχους δεν αποβάλλει λάδι κατά τη διαδρομή επιστροφής, αλλά αποβάλλει λάδι κατά την ενεργό διαδρομή· και το εμβαδόν επιφάνειας που δέχεται πίεση στον εμπρόσθιο θάλαμο α είναι μεγαλύτερη από αυτήν του οπίσθιου θαλάμου β επειδή η διάρκεια εκκένωσης της ενεργού φάσης είναι σύντομη και η παροχή μεγάλη, οι απώλειες υδραυλικής πίεσης σε αυτήν την αρχή είναι μεγαλύτερες από εκείνες της αρχής σταθερής πίεσης στην εμπρόσθια θάλαμο. Σήμερα, οι περισσότεροι υδραυλικοί σπαστήρες βράχων δεν χρησιμοποιούν αυτήν την αρχή.

(3) Αρχή μεταβλητής πίεσης στον εμπρόσθιο και οπίσθιο θάλαμο

Η αρχή μεταβλητής πίεσης στον εμπρόσθιο και οπίσθιο θάλαμο απεικονίζεται στο Σχήμα 2-3. Από αυτό το διαγραμματικό σχήμα είναι εύκολο να διαπιστωθεί ότι αυτό το είδος υδραυλικής κρουστικής συσκευής έχει πολύπλοκη δομή με πολλούς αγωγούς, γεγονός που αυξάνει το κόστος κατασκευής. Ως εκ τούτου, δεν χρησιμοποιείται σήμερα σε υδραυλικούς σπαστήρες βράχων· εξακολουθεί ωστόσο να χρησιμοποιείται σε ορισμένες μάρκες υδραυλικών τρυπανιών βράχων.

Το Σχήμα 2-3 απεικονίζει τη θέση στο τέλος της ενεργού φάσης του εμβόλου και στην αρχή της φάσης επιστροφής. Όταν αρχίζει η φάση επιστροφής, λάδι υψηλής πίεσης από τον ενδιάμεσο θάλαμο της βαλβίδας εισέρχεται στον εμπρόσθιο θάλαμο του εμβόλου α μέσω του αριστερού θαλάμου και της οπής 1 του κυλίνδρου, ωθώντας το έμβολο προς τα δεξιά. Το λάδι στον οπίσθιο θάλαμο β εκκενώνεται στη δεξαμενή λαδιού μέσω της οπής 5 του κυλίνδρου και της δεξιάς θαλάμου της βαλβίδας. Κατά την επιστροφή, όταν η αριστερή ώμος του εμβόλου περάσει την οπή 2 του σώματος του κυλίνδρου, το υψηλής πίεσης λάδι που διέρχεται από την οπή 7 ωθεί τον εμβολοειδή κινητήρα της βαλβίδας να μετακινηθεί προς τα δεξιά· ο εμβολοειδής κινητήρας της βαλβίδας αλλάζει ακαριαία τις διαδρομές εφοδιασμού και εκκένωσης λαδιού του σώματος του κυλίνδρου — η οπή 5 του κυλίνδρου πηγαίνει σε υψηλή πίεση και η οπή 1 του κυλίνδρου στην επιστροφή στη δεξαμενή — οπότε το έμβολο αρχίζει να επιβραδύνεται, η ταχύτητά του μειώνεται γρήγορα σε μηδέν και μεταβαίνει στην επιτάχυνση της ενεργού διαδρομής. Όταν η ενεργός διαδρομή του εμβόλου φτάσει στο σημείο κρούσης, η κεντρική ενσορρή του εμβόλου συνδέει τις οπές 2 και 3 του κυλίνδρου, οι οπές 4 και 5 συνδέονται, η αριστερή πλευρά του εμβολοειδούς κινητήρα της βαλβίδας συνδέεται μέσω της οπής 7 με τις οπές 2 και 3 για επιστροφή λαδιού, ενώ η δεξιά πλευρά της οπής 6 του εμβολοειδούς κινητήρα συνδέεται μέσω των οπών 4 και 5, της δεξιάς πλευράς και του ενδιάμεσου θαλάμου της βαλβίδας, με την υψηλή πίεση, προκαλώντας τη μετακίνηση του εμβολοειδούς κινητήρα προς τα αριστερά, αλλάζοντας τις διαδρομές εφοδιασμού και εκκένωσης λαδιού του κυλίνδρου και ολοκληρώνοντας έναν πλήρη κύκλο λειτουργίας του εμβόλου. Το έμβολο και ο εμβολοειδής κινητήρας της υδραυλικής συσκευής κρούσης επιστρέφουν στην κατάσταση που φαίνεται στο Σχήμα 2-3 — την αρχή της διαδρομής επιστροφής. Με αυτόν τον τρόπο, ο υδραυλικός σπαστήρας πετρωμάτων, μέσω της συνεχούς εναλλασσόμενης κίνησης του εμβόλου, εξάγει συνεχώς ενέργεια κρούσης προς τα έξω, ολοκληρώνοντας αποτελεσματικά την εργασία κρούσης.

Και οι τρεις καθαρά υδραυλικές αρχές λειτουργίας που περιγράφονται παραπάνω χρησιμοποιούνται επί του παρόντος σε υδραυλικά τρυπάνια βράχων, υδραυλικούς θραυστήρες βράχων και άλλους υδραυλικούς μηχανισμούς κρούσης, αλλά οι υδραυλικοί θραυστήρες βράχων χρησιμοποιούν ακόμη συχνότερα τη συνδυασμένη υδραυλική-πνευματική αρχή λειτουργίας.

2.2.2 Συνδυασμένη Υδραυλική-Πνευματική Αρχή Λειτουργίας

Από την ανάλυση της καθαρά υδραυλικής αρχής λειτουργίας μπορούμε να διαπιστώσουμε ότι όλη η ενέργεια κρούσης ενός καθαρά υδραυλικού μηχανισμού κρούσης προέρχεται από το υδραυλικό σύστημα. Ωστόσο, καθώς η χρήση των καθαρά υδραυλικών θραυστήρων βράχων αυξήθηκε και η έρευνα προχώρησε, διαπιστώθηκε ότι οι υδραυλικές απώλειες ήταν αρκετά μεγάλες, γεγονός που περιόριζε την περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης. Το λάδι που ρέει μέσα από τις διαδρομές του κυλίνδρου πρέπει να τρίβεται με τα τοιχώματα του σωλήνα, ενώ οι υδραυλικές απώλειες που προκαλούνται από καμπύλες, αλλαγές διαμέτρου και αλλαγές κατεύθυνσης ροής είναι σημαντικές· όσο μεγαλύτερη είναι η παροχή, τόσο μεγαλύτερες είναι οι απώλειες, και αυτό είναι ιδιαίτερα έντονο κατά τη φάση ενεργοποίησης.

Σήμερα, η συνδυασμένη υδραυλική-πνευματική αρχή λειτουργίας χρησιμοποιείται κυρίως για υδραυλικά σπαστήρια πετρωμάτων που απαιτούν μεγάλη ενέργεια κρούσης και χαμηλή συχνότητα, καθώς και για υδραυλικούς οδηγούς πασσάλων.

Για τη βελτίωση της απόδοσης, μετά από εκτενή έρευνα, οι άνθρωποι ανακάλυψαν μια απλή και αποτελεσματική μέθοδο: τη χρήση αερίου και λαδιού σε συνδυασμό για την παροχή της ενέργειας κρούσης στο υδραυλικό σπαστήριο πετρωμάτων. Αυτό μειώνει την παροχή κατά τη φάση ενεργοποίησης — μειώνοντας τις υδραυλικές απώλειες και βελτιώνοντας την απόδοση λειτουργίας — και γι’ αυτό το λόγο προκύπτει το συνδυασμένο υδραυλικό-πνευματικό υδραυλικό σπαστήριο πετρωμάτων.

Η δομική αρχή του συνδυασμένου υδραυλικού-πνευματικού υδραυλικού σπαστήριου πετρωμάτων είναι πολύ απλή: αρκεί να φορτωθεί η θαλάμης αέρα c στις τρεις καθαρά υδραυλικές αρχές που αναφέρθηκαν παραπάνω με άζωτο σε συγκεκριμένη πίεση. Επειδή το άζωτο είναι πλέον παρόν, όταν το έμβολο εκτελεί την επιστροφική κίνηση, το άζωτο συμπιέζεται και ενέργεια αποθηκεύεται· όταν συμβαίνει η κίνηση ισχύος, αυτή η ενέργεια απελευθερώνεται μαζί με το λάδι για να κινήσει το έμβολο, επιτυγχάνοντας κινητική ενέργεια στο σημείο κρούσης και μετατρέποντάς την σε ενέργεια κρούσης. Προφανώς, ο ρόλος του αζώτου μειώνει αναγκαστικά την ποσότητα λαδιού που χρησιμοποιείται κατά την κίνηση ισχύος, μειώνοντας κατ’ αυτόν τον τρόπο την κατανάλωση λαδιού και επιτυγχάνοντας συνεπώς χαμηλότερες υδραυλικές απώλειες και υψηλότερη απόδοση.

Σε σύγκριση με έναν καθαρά υδραυλικό σπαστήρα βράχων, το αποτελεσματικό εμβαδόν επιφάνειας πίεσης της πίσω θαλάμου του εμβόλου β σε ένα υδραυλικό-πνευματικό συνδυασμένο υδραυλικό σπαστήρα πετρωμάτων μειώνεται. Αυτή η μείωση της αποτελεσματικής επιφάνειας αντοχής σε πίεση σημαίνει μικρότερη κατανάλωση λαδιού κατά την ενεργό διαδρομή και χαμηλότερες υδραυλικές απώλειες — αυτός είναι ο βασικός λόγος για τον οποίο οι υδραυλικοί-πνευματικοί συνδυασμένοι υδραυλικοί σπαστήρες πετρωμάτων έχουν αναπτυχθεί ταχύτατα τα τελευταία χρόνια. Οι υδραυλικοί-πνευματικοί συνδυασμένοι υδραυλικοί σπαστήρες πετρωμάτων χρησιμοποιούν σχεδόν όλοι την αρχή λειτουργίας σταθερής πίεσης στην εμπρόσθια θάλαμο· αυτή είναι επίσης μία βασική χαρακτηριστική ιδιότητα του υδραυλικού-πνευματικού συνδυασμένου τύπου.

2.2.3 Αρχή λειτουργίας με άζωτο-έκρηξη

Η αρχή λειτουργίας ενός υδραυλικού σπαστήρα πετρωμάτων με άζωτο-έκρηξη δεν διαφέρει ουσιαστικά από αυτήν ενός υδραυλικού-πνευματικού συνδυασμένου υδραυλικού σπαστήρα πετρωμάτων· διαφέρουν απλώς οι δομικές παράμετροι του εμβόλου. Η βασική διαφορά είναι ότι οι διάμετροι του εμπρόσθιου και οπισθίου εμβόλου είναι ίσες, δηλαδή δ ₂ = δ ₁, και όλη η ενέργεια κρούσης προέρχεται από το άζωτο.

Η ίση διάμετρος των εμβόλων στο μπροστινό και στο πίσω μέρος αποτελεί το κύριο χαρακτηριστικό του υδραυλικού σπαστήρα βράχων με έκρηξη αζώτου. Κατά την ενεργό φάση, η πίσω θάλαμος δεν καταναλώνει λάδι, ενώ όλη η ενέργεια κρούσης παρέχεται από το άζωτο. Φυσικά, η αποθηκευμένη ενέργεια του αζώτου παρέχεται από το υδραυλικό σύστημα κατά τη φάση επαναφοράς και μετατρέπεται σε κινητική ενέργεια κατά την ενεργό φάση. Ως εκ τούτου, στην τελική ανάλυση, είναι ακόμη η υδραυλική ενέργεια που μετατρέπεται — ωστόσο, μέσω συμπίεσης και αποθήκευσης ενέργειας στο αέριο μέσο, η αποθηκευμένη ενέργεια του αζώτου απελευθερώνεται κατά την ενεργό φάση και μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια του εμβόλου.

Πρέπει να τονιστεί ότι μόνο η αρχή της σταθερής πίεσης στην εμπρόσθια θάλαμο μπορεί να εφαρμοστεί στο υδραυλικό σπαστήρα βράχων με άζωτο-έκρηξη· ούτε η αρχή της σταθερής πίεσης στον οπίσθιο θάλαμο ούτε η αρχή της μεταβλητής πίεσης στους εμπρόσθιο και οπίσθιο θάλαμο μπορούν να εφαρμοστούν σε υδραυλικό σπαστήρα βράχων τύπου αζώτου. Ο λόγος είναι σαφής μόλις κατανοήσει κανείς το χαρακτηριστικό του εμβόλου που δ ₂ = δ ₁.