Βασικοί τεχνικοί παράμετροι

2.1 Βασικές Τεχνικές Παράμετροι

2.1.1 Παράμετροι Υδραυλικού Σπαστήρα Βράχων

(1) Παράμετροι απόδοσης

W και συχνότητα κρούσης κ είναι οι παράμετροι απόδοσης που περιγράφουν έναν υδραυλικό σπαστήρα βράχων. W ορίζει την εργασιακή ικανότητα του σπαστήρα· κ ορίζει τον ρυθμό λειτουργίας του.

Η ισχύς εξόδου ενός υδραυλικού σπαστήρα βράχων μπορεί να εκφραστεί ως:

Ν = W × κ                                           (2.1)

Επειδή οι δύο παράμετροι που περιγράφουν την απόδοση — ενέργεια κρούσης και συχνότητα κρούσης — είναι αμοιβαίως συζευγμένες, κατά τον σχεδιασμό ενός υδραυλικού σπαστήρα βράχων το πηλίκο τους W μέχρι κ πρέπει να εξισορροπούνται προσεκτικά. Υπό τη συνθήκη ελάχιστης εγκατεστημένης ισχύος, πρέπει να επιτυγχάνεται η μέγιστη λειτουργική απόδοση. Για ένα υδραυλικό σπαστήρα βράχων, απαιτείται μεγάλη ενέργεια κρούσης W και η συχνότητα κρούσης κ πρέπει να μειωθεί κατάλληλα, για να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις υψηλής δύναμης κρούσης και καλού αποτελέσματος σπάσιματος. Για ένα υδραυλικό τρυπάνι βράχων, παρόλο που είναι επίσης ένα υδραυλικό μηχανισμός κρούσης, απαιτείται μικρή ενέργεια κρούσης W και όσο το δυνατόν υψηλότερη συχνότητα κρούσης κ , για να ικανοποιηθούν οι απαιτήσεις ταχύτερης διάτρησης.

(2) Λειτουργικές παράμετροι

Μέγιστη ταχύτητα κρούσης του εμβόλου v _m , λειτουργική παροχή Q , λειτουργική πίεση p , και βέλτιστη δύναμη ώθησης Κ _Τ είναι οι λειτουργικές παράμετροι ενός υδραυλικού σπαστήρα βράχων.

● Μέγιστη ταχύτητα κρούσης εμβόλου v _m : αυτή είναι η στιγμιαία ταχύτητα επαφής όταν το έμβολο χτυπά το πίσω άκρο του δράπανου. Η αντίστοιχη κινητική ενέργεια του εμβόλου ορίζεται ως ενέργεια κρούσης του υδραυλικού σφυριού W . Όταν η κινητική ενέργεια του εμβόλου μεταφέρεται πλήρως στο στόχο, η ενέργεια κρούσης του υδραυλικού σφυριού είναι:

W = ½ mV ²_m                                            (2.2)

όπου: m — μάζα εμβόλου.

Από την εξίσωση (2.2), όσο υψηλότερη είναι η ταχύτητα κρούσης του εμβόλου, τόσο υψηλότερη είναι και η ενέργεια κρούσης.

Ωστόσο, η αύξηση της v _m περιορίζεται από δύο παράγοντες:

1) Τα όρια των ιδιοτήτων των υλικών του εμβόλου και του δράπανου. Ταχύτητα τελικής κρούσης v _m σχετίζεται με την επαφόμενη τάση σ ; όσο υψηλότερη σ , τόσο περισσότερο επηρεάζει τη διάρκεια ζωής του εμβόλου και του δρύπτη. Υπό την επιτρεπόμενη επαφόμενη τάση σ , η τυπική επιλογή είναι v _m = 9 έως 12 m/s. Καθώς η επιστήμη των υλικών προχωρά, η τιμή του v _m μπορεί να αυξηθεί περαιτέρω.

2) Όριο συχνότητας του μηχανισμού κρούσης. Επειδή η δομή και το διάστημα του εμβόλου είναι περιορισμένα, με σταθερό διάστημα εμβόλου, ο χρόνος που απαιτείται για την επιτάχυνση στην απαιτούμενη v _m είναι πολύ μικρός. Προφανώς, όσο μεγαλύτερο v _m , τόσο μικρότερος είναι ο απαιτούμενος χρόνος επιτάχυνσης.

Μια χαμηλή συχνότητα σημαίνει ότι ο χρόνος κύκλου και ο χρόνος διαδρομής του εμβόλου είναι και οι δύο μεγάλοι, ενώ μια υψηλή v _m οδηγεί αναπόφευκτα σε μικρότερο διαδρομή και χρόνο κύκλου — δηλαδή σε υψηλή συχνότητα κρούσης — η οποία δεν μπορεί να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις σχεδιασμού χαμηλής συχνότητας.

● Ροή λειτουργίας Q : η ροή που παρέχεται στο υδραυλικό σπαστήρα βράχων από την υδραυλική αντλία κατά τη λειτουργία· είναι μια ανεξάρτητη μεταβλητή. Όλες οι παράμετροι συμπεριφοράς και απόδοσης του υδραυλικού σπαστήρα βράχων σχετίζονται στενά με τη ροή λειτουργίας και αποτελούν συναρτήσεις της ροής λειτουργίας· μεταβάλλονται καθώς μεταβάλλεται η ροή λειτουργίας.

● Λειτουργική πίεση p : η πίεση που απαιτεί το υδραυλικό σύστημα κατά τη λειτουργία του υδραυλικού σπαστήρα βράχων — δηλαδή η πίεση του συστήματος που απαιτείται για την επίτευξη των παραμέτρων απόδοσης. Η λειτουργική πίεση p είναι μια εξαρτημένη μεταβλητή· μεταβάλλεται καθώς μεταβάλλονται η εισερχόμενη ροή Q και οι δομικές παράμετροι. Κατά τη λειτουργία, όταν όλες οι άλλες παράμετροι παραμένουν σταθερές, η πίεση p δεν μπορεί να αλλάξει ενεργά. Η λειτουργική πίεση p και η εισερχόμενη ροή Q ικανοποιεί τη βασική αρχή της υδραυλικής τεχνολογίας: η πίεση του συστήματος καθορίζεται από το εξωτερικό φορτίο. Βάσει αυτής της αρχής, ο σχεδιασμός υδραυλικού σπαστήρα βράχων σημαίνει τη χρήση δομικών παραμέτρων και ροής λειτουργίας για να διασφαλιστεί ότι η εργασιακή πίεση του συστήματος p επιτυγχάνεται.

● Δύναμη ώθησης Κ _Τ όταν λειτουργεί ο υδραυλικός σπαστήρας βράχων, η επιτάχυνση του εμβόλου κατά την ενεργό φάση προκαλεί ανάκρουση του κυρίως σώματος της μηχανής, γεγονός που οδηγεί στην απώλεια επαφής της μύτης με τον στόχο και εμποδίζει την κανονική λειτουργία της κρούσης. Για να αντιμετωπιστεί αυτή η ανάκρουση, πρέπει να εφαρμοστεί μία δύναμη κατά μήκος του άξονα του σώματος του σπαστήρα — η οποία ονομάζεται δύναμη ώθησης. Η δύναμη ώθησης πρέπει να είναι επαρκώς μεγάλη ώστε να διατηρεί τη μύτη σε σταθερή επαφή με το αντικείμενο που κρούεται. Η δύναμη ώθησης πρέπει να είναι βέλτιστη. Με άλλα λόγια, υπάρχει το πρόβλημα της βέλτιστης δύναμης ώθησης, το οποίο συνδέεται στενά με την κατηγορία μεγέθους της μηχανής-φορέα. Εάν η μηχανή-φορέας είναι υπερβολικά μικρή, η δύναμη ώθησης που μπορεί να παρέχει είναι ανεπαρκής· εάν είναι υπερβολικά μεγάλη, παρόλο που ικανοποιείται η απαίτηση για δύναμη ώθησης, αυξάνεται το κόστος επένδυσης της μηχανής-φορέα, γεγονός που είναι επίσης ανεπιθύμητο. Στον σχεδιασμό υδραυλικών σπαστήρων βράχων, η επίτευξη υψηλής ενέργειας κρούσης με μικρή δύναμη ώθησης έχει αποτελέσει πάντα ένα στόχο βελτιστοποίησης. Αυτό καθιστά δυνατή την αντιστοίχιση ενός υδραυλικού σπαστήρα βράχων υψηλής ενέργειας κρούσης με μικρότερη μηχανή-φορέα, δημιουργώντας μία αποτελεσματική συνδυασμένη λύση εργασίας και μειώνοντας το κόστος λειτουργίας.

(3) Δομικές παράμετροι

Οι τρεις διάμετροι εμβόλου δ ₁, δ ₂, και δ ₃, εργαζόμενη μάζα m , και εργαζόμενο διάστημα S είναι οι δομικές παράμετροι ενός υδραυλικού σπαστήρα βράχων. Οι δομικές παράμετροι καθορίζουν τις παραμέτρους απόδοσης. Η σχεδίαση ενός υδραυλικού σπαστήρα βράχων αντιστοιχεί ουσιαστικά στον καθορισμό των δομικών παραμέτρων δ ₁, δ ₂, δ ₃, m , και S που θα διασφαλίζουν την επίτευξη των απαιτούμενων παραμέτρων απόδοσης. Μόλις οι δομικές παράμετροι καθοριστούν, όλες οι παράμετροι απόδοσης και λειτουργίας μεταβάλλονται με την εισερχόμενη παροχή και αποτελούν συναρτήσεις της εισερχόμενης παροχής.

2.1.2 Πίεση λειτουργικού λαδιού και ονομαστική πίεση

(Η ονομαστική πίεση συμβολίζεται p _H σε όλη την παρούσα ενότητα)

Κατά τη λειτουργία του υδραυλικού σπαστήρα βράχων, η υδραυλική πίεση του λαδιού κινεί το έμβολο, ενώ το πρότυπο κίνησης του εμβόλου καθορίζεται από το πρότυπο μεταβολής αυτής της υδραυλικής δυνάμεως κίνησης — αυτό αποτελεί την κινηματική και δυναμική του εμβόλου.

Λαμβάνοντας υπόψη τη μάζα του εμβόλου m , την επιτάχυνση α , και τη δύναμη αδράνειας του εμβόλου Κ _Κ , ο δεύτερος νόμος του Νεύτωνα δίνει:

Κ _Κ = μαμά                                              (2.3)

Η κινητήρια δύναμη Κ ισούται Κ _Κ κατά μέτρο, αλλά έχει αντίθετη κατεύθυνση. Η κινητήρια δύναμη Κ που ασκείται στο έμβολο παράγεται από την πίεση του λαδιού p στη θάλαμο και μπορεί να εκφραστεί ως:

p = Κ _Κ / Α = μαμά / Α = ( m / Α ) · d v / d τ             (2.4)

όπου: m — μάζα εμβόλου, σταθερή·

 Α — επιφάνεια επαφής του εμβόλου με την πίεση, σταθερή·

 v — ταχύτητα εμβόλου· η στιγμιαία ροή q που κινεί το έμβολο ικανοποιεί:

AV = q                                               (2.5)

Από τότε που v και q στην Εξ. (2.5) είναι συναρτήσεις του χρόνου· η παραγώγιση v και q ως προς το χρόνο δίνει:

Α δ v / d τ = d q / d τ                                  (2.6)

Η αντικατάσταση της Εξ. (2.6) στην Εξ. (2.4) δίνει:

p = ( m / Α ²) · d q / d τ                              (2.7)

Στην Εξ. (2.7), m / Α ²είναι μια σταθερά· d q / d τ αντιπροσωπεύει το ρυθμό μεταβολής της ροής του συστήματος.

Από τις Εξ. (2.3) – (2.7), η πίεση του συστήματος καθορίζεται με βάση τη μεταβαλλόμενη εισερχόμενη ροή στην κοιλότητα λαδιού. Με άλλα λόγια, η μεταβολή της ροής του υδραυλικού λαδιού προκαλεί επιτάχυνση του εμβόλου και δύναμη αδράνειας, η οποία με τη σειρά της δημιουργεί την πίεση στην κοιλότητα λαδιού p .

Πίεση λαδιού συστήματος p είναι ανάλογη της μάζας του εμβόλου m και του ρυθμού μεταβολής της ροής d q /dτ , και αντιστρόφως ανάλογη του τετραγώνου της επιφάνειας του εμβόλου που αντέχει την πίεση Α . Για τη μείωση της πίεσης του λαδιού του συστήματος p , η αύξηση της επιφάνειας του εμβόλου που αντέχει την πίεση Α είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος, αλλά προκαλεί επίσης αύξηση των διαστάσεων του κυρίως σώματος της μηχανής, γι’ αυτό και πρέπει να ληφθούν υπόψη και οι δύο παράγοντες κατά το σχεδιασμό.

Πίεση λαδιού συστήματος p είναι συνάρτηση της παροχής και αποτελεί μια εξαρτημένη μεταβλητή· δεν μπορεί να αλλάξει ενεργά κατά τη λειτουργία, αλλά μόνο όταν μεταβάλλεται η εισερχόμενη παροχή. Επειδή η ροή του λαδιού προς την εσωτερική κοιλότητα λαδιού είναι συνάρτηση του χρόνου κατά τη λειτουργία του υδραυλικού σπαστήρα βράχων, η πίεση του λαδιού p μεταβάλλεται επίσης με τον χρόνο και δεν έχει σταθερή τιμή. Η πίεση λαδιού που αναφέρεται στο φύλλο τεχνικών δεδομένων ενός προϊόντος, την οποία οι συγγραφείς ονομάζουν «ονομαστική πίεση λαδιού», συμβολίζεται p _H σε αυτήν την πίεση, οι παράμετροι απόδοσης του υδραυλικού σπαστήρα βράχων φθάνουν στις ονομαστικές τους τιμές. p _H είναι μια εικονική παράμετρος — δεν υπάρχει πραγματικά — αλλά είναι εξαιρετικά σημαντική στο σχεδιασμό και τη χρήση ενός υδραυλικού σπαστήρα βράχων. Στο στάδιο του σχεδιασμού, p _H χρησιμοποιείται ως βάση για τον υπολογισμό των παραμέτρων απόδοσης, των λειτουργικών παραμέτρων και των δομικών παραμέτρων, καθώς και για την επιλογή των συστατικών του υδραυλικού συστήματος. Στο πεδίο, αποτελεί σημαντικό αναφορικό σημείο για τον χειριστή, προκειμένου να κρίνει εάν το σύστημα λειτουργεί κανονικά ή όχι. Η παράμετρος p _H θα συζητηθεί λεπτομερέστερα σε επόμενα κεφάλαια.