Parámetros técnicos básicos

2.1 Parámetros técnicos básicos

2.1.1 Parámetros de un rompedor hidráulico de rocas

(1) Parámetros de rendimiento

W y frecuencia de impacto f son los parámetros de rendimiento que describen un rompedor hidráulico de rocas. W define la capacidad de trabajo del rompedor; f define su tasa de trabajo.

La potencia de salida de un rompedor hidráulico de rocas puede expresarse como:

Norte = W × f                                           (2.1)

Dado que los dos parámetros que describen el rendimiento — energía de impacto y frecuencia de impacto — están acoplados entre sí, al diseñar un rompedor hidráulico de rocas la relación de W a f debe equilibrarse cuidadosamente. En condiciones de capacidad instalada mínima, se debe lograr la máxima eficiencia de funcionamiento. Para un rompedor hidráulico de rocas, se requiere una gran energía de impacto W y la frecuencia de impacto f debe reducirse adecuadamente, para satisfacer la necesidad de una alta fuerza de impacto y un buen efecto de fracturación. Para una perforadora hidráulica de rocas, aunque también es un mecanismo hidráulico de impacto, requiere una baja energía de impacto W y la frecuencia de impacto más alta posible f para satisfacer la necesidad de perforación a alta velocidad.

(2) Parámetros de funcionamiento

Velocidad máxima de impacto del pistón v _m , caudal de funcionamiento ¿Qué es? , presión de funcionamiento p , y fuerza de avance óptima F _T son los parámetros de funcionamiento de un rompedor hidráulico de rocas.

● Velocidad máxima de impacto del émbolo v _m : esta es la velocidad de contacto instantánea cuando el émbolo golpea el extremo posterior de la cincel. La energía cinética correspondiente del émbolo se define como la energía de impacto del martillo hidráulico W . Cuando la energía cinética del émbolo se transfiere completamente al objetivo, la energía de impacto del martillo hidráulico es:

W = ½ mV ²_m                                            (2.2)

donde: m — masa del émbolo.

Según la ecuación (2.2), cuanto mayor sea la velocidad de impacto del émbolo, mayor será la energía de impacto.

Sin embargo, el aumento de v _m está limitado por dos factores:

1) Límites debidos a las propiedades materiales del émbolo y del cincel. Velocidad final de impacto v _m está relacionado con la tensión de contacto σ ; cuanto mayor sea σ , más afecta a la vida útil del pistón y la cincel. Bajo la tensión de contacto admisible σ , la selección típica es v _m = 9 a 12 m/s. A medida que avanza la ciencia de materiales, el valor de v _m puede aumentarse aún más.

2) Límite de frecuencia del mecanismo de impacto. Debido a que la estructura y la carrera del pistón están limitadas, con una carrera fija del pistón, el tiempo necesario para acelerar hasta la v _m requerida es muy breve. Obviamente, cuanto mayor sea v _m , menor será el tiempo de aceleración requerido.

Una frecuencia baja significa que tanto el tiempo de ciclo como el tiempo de carrera del pistón son largos, mientras que una alta v _m necesariamente conduce a una carrera y un tiempo de ciclo más cortos, es decir, una alta frecuencia de impacto, lo que no permite cumplir con los requisitos de diseño de baja frecuencia.

● Flujo de trabajo ¿Qué es? : el caudal suministrado al rompedor hidráulico de rocas por la bomba hidráulica durante su funcionamiento; es una variable independiente. El comportamiento y los parámetros de rendimiento del rompedor hidráulico de rocas están todos estrechamente relacionados con el flujo de trabajo y son funciones de este; varían conforme cambia el flujo de trabajo.

● Presión de trabajo p : la presión que requiere el sistema hidráulico cuando el rompedor hidráulico de rocas está en funcionamiento: la presión del sistema necesaria para alcanzar sus parámetros de rendimiento. La presión de trabajo p es una variable dependiente; varía conforme cambian el caudal de entrada ¿Qué es? y los parámetros estructurales. Durante el funcionamiento, cuando todos los demás parámetros permanecen fijos, la presión p no puede modificarse activamente. La presión de trabajo p y el caudal de entrada ¿Qué es? satisfacer el principio básico de la tecnología hidráulica: la presión del sistema está determinada por la carga externa. Basándose en este principio, el diseño de un rompedor hidráulico implica utilizar parámetros estructurales y caudal de trabajo para garantizar que la presión de trabajo del sistema p se logre.

● Fuerza de empuje F _T cuando el rompedor hidráulico de rocas opera, la aceleración del pistón durante la carrera de potencia provoca el retroceso del cuerpo de la máquina, lo que hace que la punta pierda contacto con el objetivo y evita que el impacto funcione normalmente. Para contrarrestar este retroceso, debe aplicarse una fuerza a lo largo del eje del cuerpo del rompedor — denominada fuerza de empuje. Esta fuerza de empuje debe ser suficientemente grande para mantener la punta en contacto firme con el objeto que se está golpeando. Además, dicha fuerza debe ser óptima. En otras palabras, existe un problema de fuerza de empuje óptima, estrechamente relacionado con la clase de tamaño de la máquina portadora. Si la máquina portadora es demasiado pequeña, la fuerza de empuje que puede suministrar resulta insuficiente; si es demasiado grande, aunque se satisfaga el requisito de fuerza de empuje, aumenta el costo de inversión de la máquina portadora, lo cual también es indeseable. En el diseño de rompedores hidráulicos de rocas, lograr una alta energía de impacto con una fuerza de empuje reducida ha constituido siempre un objetivo de optimización. Esto permite acoplar un rompedor hidráulico de rocas de alta energía de impacto con una máquina portadora más pequeña, formando así una combinación de trabajo eficiente y reduciendo los costos operativos.

(3) Parámetros estructurales

Los tres diámetros del pistón d ₁, d ₂, y d ₃, masa de trabajo m , y carrera de trabajo S son los parámetros estructurales de un rompedor hidráulico de rocas. Los parámetros estructurales determinan sus parámetros de rendimiento. Diseñar un rompedor hidráulico de rocas consiste esencialmente en determinar los parámetros estructurales d ₁, d ₂, d ₃, m , y S que garanticen el logro de los parámetros de rendimiento requeridos. Una vez fijados los parámetros estructurales, todos los parámetros de rendimiento y los parámetros de funcionamiento varían con el caudal de entrada y son funciones del caudal de entrada.

2.1.2 Presión de aceite de funcionamiento y presión nominal

(La presión nominal se indica mediante p _H a lo largo de esta sección)

Cuando el rompedor hidráulico de rocas opera, la presión del aceite hidráulico impulsa el pistón para que se mueva, y el patrón de movimiento del pistón está determinado por el patrón de variación de esta fuerza impulsora de aceite: esto constituye la cinemática y la dinámica del pistón.

Teniendo en cuenta la masa del pistón m , la aceleración a , y la fuerza de inercia del pistón F _K , la segunda ley de Newton establece:

F _K = el número de                                              (2.3)

La fuerza motriz F es igual en magnitud pero opuesta en dirección. F _K la fuerza motriz F que actúa sobre el pistón es generada por la presión del aceite p en la cámara, y puede expresarse como:

p = F _K / A = el número de / A = ( m / A ) · d v / d t             (2.4)

donde: m — masa del pistón, constante;

 A — área de contacto del pistón con la presión, constante;

 v — velocidad del pistón; el caudal instantáneo ¿Qué es? que impulsa el movimiento del pistón satisface:

Av = ¿Qué es?                                               (2.5)

Desde v y ¿Qué es? en la ecuación (2.5) son funciones del tiempo; derivarlas v y ¿Qué es? respecto al tiempo da:

A d v / d t = D ¿Qué es? / d t                                  (2.6)

Al sustituir la ecuación (2.6) en la ecuación (2.4) se obtiene:

p = ( m / A ²) · d ¿Qué es? / d t                              (2.7)

En la ecuación (2.7), m / A ²es una constante; d ¿Qué es? / d t representa la tasa de cambio del caudal del sistema.

A partir de las ecuaciones (2.3) – (2.7), la presión del sistema se establece sobre la base del caudal de entrada variable a la cámara de aceite. En otras palabras, el cambio en el caudal de aceite hidráulico genera la aceleración del pistón y la fuerza de inercia, lo que a su vez forma la presión en la cámara de aceite p .

Presión de aceite del sistema p es proporcional a la masa del pistón m y a la tasa de cambio del caudal d ¿Qué es? /dt , e inversamente proporcional al cuadrado del área de superficie del pistón sometida a presión A . Para reducir la presión del aceite del sistema p , aumentar el área de superficie del pistón sometida a presión A es el método más eficaz, pero también incrementa el tamaño del cuerpo de la máquina, por lo que ambos factores deben considerarse en el diseño.

Presión de aceite del sistema p es una función del caudal y constituye una variable dependiente; no puede modificarse activamente durante el funcionamiento, sino únicamente variar como consecuencia del cambio en el caudal de entrada. Dado que el caudal de aceite que entra en la cámara de aceite es una función del tiempo cuando funciona el rompedor hidráulico de rocas, la presión del aceite p también varía con el tiempo y no tiene un valor constante. La presión de aceite indicada en la hoja de datos del producto, que los autores denominan presión nominal de aceite, se representa mediante p _H . A esta presión, los parámetros de rendimiento del rompedor hidráulico alcanzan sus valores nominales. p _H es un parámetro virtual —no existe realmente—, pero resulta extremadamente importante en el diseño y la utilización de un rompedor hidráulico. En el diseño, p _H se utiliza como base para calcular los parámetros de rendimiento, los parámetros de funcionamiento y los parámetros estructurales, así como para seleccionar los componentes del sistema hidráulico. En el campo, se convierte en una referencia importante para que el operario evalúe si el sistema funciona correctamente o no. El parámetro p _H se analizará con mayor detalle en capítulos posteriores.