Análisis del funcionamiento de un rompedor hidráulico de rocas

2.2 Análisis del funcionamiento de un rompedor hidráulico de rocas

Un rompedor hidráulico de rocas presenta muchas formas estructurales. Partiendo del principio de funcionamiento, los autores extraen y resumen las ideas más fundamentales y críticas de un rompedor hidráulico de rocas, y las reducen a tres modos básicos de funcionamiento: puramente hidráulico, combinado hidráulico-neumático y con explosión de nitrógeno.

2.2.1 Principio de funcionamiento puramente hidráulico

El principio de funcionamiento puramente hidráulico tiene tres formas de implementación: cámara delantera a presión constante / cámara trasera a presión variable (abreviado como «principio de presión constante en la cámara delantera»), cámara trasera a presión constante / cámara delantera a presión variable (abreviado como «principio de presión constante en la cámara trasera») y cámara delantera y trasera a presión variable (abreviado como «principio de presión variable»).

(1) Principio de presión constante en la cámara delantera

Este fue el principio de funcionamiento adoptado inicialmente al comienzo del desarrollo de los martillos rompedores hidráulicos; todos los avances técnicos posteriores se han basado en él. El martillo rompedor hidráulico con cámara delantera a presión constante se muestra en la figura 2-1.

Según la figura 2-1, el sistema consta de un cuerpo de cilindro, un pistón, una válvula de control y conductos de aceite. El cuerpo de cilindro y el pistón constituyen el mecanismo de impacto. El pistón se desplaza alternativamente dentro del cuerpo de cilindro impulsado por el aceite hidráulico, transmitiendo energía de impacto al exterior y ejerciendo una gran fuerza de impacto sobre el objetivo, generando un efecto martillo. La función de la válvula de control es invertir la dirección del aceite que impulsa el pistón, logrando así un movimiento alternativo periódico del pistón.

El rompedor hidráulico de roca mostrado en la figura 2-1 tiene su pistón en el punto de impacto; el vástago de la válvula se encuentra en la posición en la que acaba de completar el cambio desde la carrera de trabajo a la carrera de retorno. En este instante, el aceite a alta presión entra en la cámara de alta presión constante del cilindro (cámara a ) a través del orificio de alta presión constante de la válvula, impulsando al pistón durante la carrera de retorno (hacia la derecha). El aceite contenido en la cámara de presión variable del pistón (cámara b ) se devuelve al depósito a través del orificio 4 y el orificio de presión variable / retorno de aceite de la válvula. Cuando el pistón retrocede hasta que su hombro delantero pasa el orificio 2 del cuerpo del cilindro, el aceite a alta presión se dirige al orificio 5 de la válvula de empuje, lo que provoca el cambio de posición de la válvula (hacia la izquierda). Dado que ahora la cámara constante de alta presión de la válvula se conecta con la cámara intermedia de presión variable, el aceite a alta presión entra en la cámara trasera del pistón b a través del orificio 4. Ambos lados del pistón se encuentran ahora sometidos al aceite a alta presión, pero como el área de superficie sometida a presión de la cámara trasera b es mayor que la de la cámara delantera a , el pistón comienza a desacelerar en la carrera de retorno, su velocidad disminuye hasta cero y empieza la carrera de potencia (hacia la izquierda). Cuando el rebaje central del pistón conecta los orificios 2 y 3, el pistón acaba de alcanzar el punto de impacto, completando un ciclo; al mismo tiempo, el orificio 5 de la válvula de empuje se conecta con la tubería de retorno de aceite, por lo que el émbolo se desplaza hacia la derecha, volviendo a la posición mostrada en la figura 2-1, completando así un ciclo completo y preparándose para la siguiente carrera de retorno del pistón. De este modo, el pistón logra un impacto continuo, generando de forma continua energía de impacto. Cámara de aire do en este principio de funcionamiento se ventila a la atmósfera.

(2) Principio de presión constante en la cámara trasera

Debe señalarse que este principio de funcionamiento solo puede realizarse siempre que el área efectiva sometida a presión de la cámara frontal del pistón a sea mayor que la de la cámara trasera b , es decir, el diámetro de la cámara frontal del pistón sea menor que el diámetro de la cámara trasera ( d ₁ > d ₂).

La figura 2-2 muestra el esquema de un rompedor hidráulico de cámara trasera a presión constante / cámara delantera a presión variable.

En comparación con la figura 2-1, la única diferencia es que el orificio 1 del cuerpo del cilindro está conectado a la cámara de presión variable de la válvula en lugar de a la cámara de presión constante (de alta presión); el orificio 4 se conecta directamente a la cámara de presión constante de la válvula; todos los demás conductos de aceite son idénticos. La figura 2-2 muestra el instante en que el golpe de potencia del pistón acaba de finalizar y la válvula ya ha cambiado de posición: el sistema se encuentra precisamente en el momento en que comienza la carrera de retorno.

La característica de funcionamiento de este principio es que el rompedor hidráulico no descarga aceite durante la carrera de retorno, sino que lo descarga durante la carrera de potencia; y el área sometida a presión de la cámara delantera a sea mayor que la de la cámara trasera b debido a que el tiempo de descarga del golpe de potencia es corto y el caudal es elevado, las pérdidas de presión hidráulica de este principio son mayores que las del principio de presión constante en la cámara frontal. Actualmente, la mayoría de los rompedores hidráulicos no utilizan este principio.

(3) Principio de presión variable en cámaras frontal y trasera

El principio de presión variable en cámaras frontal y trasera se muestra en la figura 2-3. A partir de este esquema es fácil observar que este tipo de dispositivo hidráulico de impacto presenta una estructura compleja con numerosos conductos, lo que incrementa los costes de fabricación. Por tanto, no se utiliza actualmente en rompedores hidráulicos; sin embargo, sigue empleándose en algunas marcas de perforadoras hidráulicas.

La figura 2-3 muestra la posición al final de la carrera de potencia del pistón y al inicio de la carrera de retorno. Cuando comienza la carrera de retorno, el aceite a alta presión procedente de la cámara intermedia de la válvula entra en la cámara frontal del pistón a a través de la cámara izquierda y del orificio 1 del cilindro, empujando el pistón hacia la derecha. El aceite en la cámara trasera b se descarga en el depósito de aceite a través del orificio del cilindro 5 y la cámara derecha de la válvula. Durante la carrera de retorno, cuando el hombro izquierdo del pistón pasa el orificio 2 del cuerpo del cilindro, el aceite a alta presión que entra por el orificio 7 empuja el émbolo de la válvula para que cambie a la derecha; el émbolo de la válvula conmuta instantáneamente las vías de suministro y descarga de aceite del cuerpo del cilindro: el orificio 5 del cilindro pasa a alta presión y el orificio 1 del cilindro se conecta con el retorno al depósito, por lo que el pistón comienza a desacelerarse, su velocidad disminuye rápidamente hasta cero y pasa a la aceleración de la carrera de trabajo. Cuando la carrera de trabajo del pistón alcanza el punto de impacto, el rebaje central del pistón conecta los orificios 2 y 3 del cilindro, los orificios 4 y 5 quedan conectados, el lado izquierdo del émbolo de la válvula se conecta, mediante el orificio 7, con los orificios 2 y 3 para el retorno de aceite, y el orificio 6 del lado derecho del émbolo de la válvula se conecta, mediante los orificios 4 y 5, el lado derecho y la cámara intermedia de la válvula, a alta presión, lo que provoca que el émbolo cambie a la izquierda, modificando así las vías de suministro y descarga de aceite del cilindro y completando un ciclo de trabajo del pistón. El pistón y el émbolo de la válvula del dispositivo hidráulico de impacto regresan al estado mostrado en la figura 2-3: el inicio de la carrera de retorno. De este modo, el rompedor hidráulico de rocas, mediante el movimiento alternativo continuo del pistón, emite de forma continua energía de impacto al exterior, realizando eficazmente el trabajo de impacto.

Los tres principios de funcionamiento puramente hidráulicos descritos anteriormente se utilizan actualmente en perforadoras hidráulicas para roca, rompedores hidráulicos para roca y otros mecanismos hidráulicos de impacto, aunque los rompedores hidráulicos para roca siguen empleando con mayor frecuencia el principio de funcionamiento combinado hidráulico-neumático.

2.2.2 Principio de funcionamiento combinado hidráulico-neumático

A partir del análisis del principio de funcionamiento puramente hidráulico, podemos observar que toda la energía de impacto de un mecanismo de impacto puramente hidráulico es suministrada por el sistema hidráulico. Sin embargo, a medida que aumentó el uso de rompedores para roca puramente hidráulicos y avanzó la investigación, se descubrió que las pérdidas hidráulicas eran bastante elevadas, lo que limitaba una mayor mejora de la eficiencia. El aceite que circula por los conductos internos del cuerpo del cilindro debe rozar contra las paredes del tubo, y las pérdidas hidráulicas causadas por curvaturas, cambios de diámetro y cambios en la dirección del flujo son considerables; cuanto mayor sea el caudal, mayores serán las pérdidas, especialmente durante la carrera de potencia.

Actualmente, el principio de funcionamiento combinado hidráulico-neumático se utiliza principalmente en rompedores de roca hidráulicos que requieren una gran energía de impacto y baja frecuencia, así como en martillos pilotes hidráulicos.

Para mejorar la eficiencia, tras una amplia investigación, se descubrió un método sencillo y eficaz: utilizar conjuntamente gas y aceite para suministrar la energía de impacto del rompedor de roca hidráulico. Esto reduce el caudal necesario durante la carrera de potencia —lo que disminuye las pérdidas hidráulicas y mejora la eficiencia de funcionamiento—, de ahí que se denomine rompedor de roca hidráulico combinado hidráulico-neumático.

El principio estructural del rompedor de roca hidráulico combinado hidráulico-neumático es muy sencillo: basta con cargar la cámara de aire do en los tres principios hidráulicos puros mencionados anteriormente con nitrógeno a una presión determinada. Dado que ahora está presente nitrógeno, cuando el pistón realiza la carrera de retorno, este se comprime y se almacena energía; cuando ocurre la carrera de trabajo, esta energía se libera junto con el aceite para impulsar el pistón, logrando energía cinética en el punto de impacto y convirtiéndola en energía de impacto. Evidentemente, la función del nitrógeno reduce necesariamente la cantidad de aceite utilizada durante la carrera de trabajo, disminuyendo así el consumo de aceite y, por ende, logrando menores pérdidas hidráulicas y mayor eficiencia.

En comparación con un rompedor de roca puramente hidráulico, el área efectiva de presión del compartimento trasero del pistón b en un rompedor hidráulico de roca combinado hidráulico-neumático se reduce. Esta reducción del área efectiva de soporte de presión significa menor consumo de aceite durante la carrera de potencia y menores pérdidas hidráulicas; esta es la razón clave por la que los rompedores hidráulicos de roca combinados hidráulico-neumáticos han experimentado un desarrollo rápido en los últimos años. Casi todos los rompedores hidráulicos de roca combinados hidráulico-neumáticos utilizan el principio de funcionamiento de presión constante en la cámara frontal; este es también un rasgo clave del tipo combinado hidráulico-neumático.

2.2.3 Principio de funcionamiento con nitrógeno-explosivo

El principio de funcionamiento de un rompedor hidráulico de roca con nitrógeno-explosivo no difiere fundamentalmente del de un rompedor hidráulico de roca combinado hidráulico-neumático; simplemente difieren los parámetros estructurales del pistón. La diferencia clave radica en que los diámetros del pistón delantero y trasero son iguales, es decir, d ₂ = d ₁, y toda la energía de impacto es suministrada por nitrógeno.

El diámetro igual de los pistones delantero y trasero es la característica principal del rompedor hidráulico de roca con explosión de nitrógeno. Durante la carrera de potencia, la cámara trasera no consume aceite, y toda la energía de impacto puede suministrarse mediante nitrógeno. Por supuesto, la energía almacenada en el nitrógeno se suministra mediante el sistema hidráulico durante la carrera de retorno y se convierte en energía cinética de la carrera de potencia. Por lo tanto, en última instancia, sigue siendo energía hidráulica la que se convierte —pero mediante la compresión del medio gaseoso y el almacenamiento de energía, la energía almacenada del nitrógeno se libera durante la carrera de potencia y se convierte en energía mecánica del pistón.

Debe señalarse que únicamente puede aplicarse al rompedor hidráulico de roca con explosión de nitrógeno el principio de presión constante en la cámara delantera; ni el principio de presión constante en la cámara trasera ni el principio de presión variable en las cámaras delantera y trasera pueden aplicarse a un rompedor hidráulico de roca de tipo nitrógeno. La razón resulta clara una vez que se comprende la característica del pistón que d ₂ = d ₁.