Principio básico de funcionamiento de los rompedores hidráulicos de roca

1.3 Principio básico de funcionamiento de los rompedores hidráulicos de roca

Un rompedor hidráulico de rocas es una máquina de impacto que convierte la energía hidráulica en energía mecánica. Contiene dos componentes móviles básicos: un pistón y un émbolo de válvula distribuidora, los cuales se controlan mutuamente mediante retroalimentación: el movimiento alternativo del émbolo de la válvula controla la conmutación del pistón, y este, a su vez, al inicio y al final de cada carrera, abre o cierra el conducto de aceite de control de la válvula, logrando así la conmutación de la válvula — repitiéndose este ciclo… El principio básico de funcionamiento de un rompedor hidráulico de rocas es el siguiente: mediante este control de retroalimentación entre pistón y émbolo, el pistón realiza un movimiento alternativo rápido bajo la acción de la fuerza hidráulica (o neumática) e impacta contra la punta para realizar trabajo sobre el exterior.

Los rompedores hidráulicos de rocas existen en muchos tipos y formas, los cuales se describirán detalladamente en capítulos posteriores. A continuación, se toma como ejemplo el rompedor hidráulico de rocas con cámara frontal de presión constante y cámara trasera de presión variable para describir su principio de funcionamiento:

Como se muestra en el diagrama, cuando comienza la carrera de retorno, el aceite a alta presión entra en la cámara frontal del pistón a través del orificio de aceite 1 y actúa simultáneamente sobre el extremo inferior del émbolo de la válvula direccional, manteniéndolo estable en el estado mostrado en el diagrama (a). En este momento, la cámara frontal del pistón contiene aceite a alta presión; la cámara trasera está conectada al retorno T mediante el orificio de aceite 4. Impulsado por la presión del aceite en la cámara frontal, el pistón acelera durante la carrera de retorno y comprime el nitrógeno almacenado en la cámara de nitrógeno (excepto en el tipo puramente hidráulico); el acumulador almacena aceite. Cuando la carrera de retorno del pistón alcanza el orificio de control 2, el aceite a alta presión llega al extremo superior del émbolo de la válvula. En este instante, tanto el extremo superior como el inferior del émbolo están conectados al aceite a alta presión; debido a que, según el diseño, el área efectiva del extremo superior del émbolo es mayor que el área efectiva del extremo inferior, el émbolo cambia al estado mostrado en el diagrama (b) bajo la acción del aceite a alta presión. En este momento, tanto la cámara frontal como la trasera del pistón están conectadas al aceite a alta presión; el acumulador descarga aceite para suplir al sistema. Bajo la acción de la fuerza compuesta F_q, el pistón acelera durante la carrera de trabajo, golpea la escopla y transmite energía de impacto. Cuando el pistón pasa el punto de impacto, los orificios de control 2 y 3 quedan conectados y vinculados al aceite de retorno T; la presión del aceite en el extremo superior del émbolo de la válvula disminuye; bajo la presión del aceite en el extremo inferior, el émbolo de la válvula cambia rápidamente de nuevo al estado mostrado en el diagrama (a). Al regresar al estado original, el pistón inicia una nueva carrera de retorno, entrando así en el siguiente ciclo de golpeo, y así sucesivamente, de forma cíclica. En este proceso, la relación de acoplamiento entre el pistón y el émbolo de la válvula se muestra en la Fig. 1-2.

De la Fig. 1-1 se deduce que, durante la carrera de potencia y despreciando el peso del pistón y la resistencia por fricción, la fuerza F_q que impulsa al pistón y realiza trabajo incluye principalmente la presión hidráulica y la presión del gas nitrógeno, es decir: F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. La fuerza impulsora F_q depende de la diferencia entre las áreas efectivas de las cámaras delantera y trasera, de la presión del aceite p y de la presión en la cámara de nitrógeno p_N. En función de las distintas proporciones entre el trabajo hidráulico y el trabajo gaseoso, pueden distinguirse tres modos de funcionamiento: puramente hidráulico, combinado hidráulico-neumático y explosivo por nitrógeno.

Puramente hidráulico: p_N = 0. En este modo, la rompedora hidráulica no dispone de cámara de nitrógeno y el pistón es impulsado íntegramente por la diferencia de presión del aceite entre las cámaras superior e inferior: F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Este modo constituye la forma más temprana de funcionamiento de las rompedoras hidráulicas, aparecida con su introducción inicial.

Hidráulico-neumático combinado: En esta forma, d₁ < d₂, y simultáneamente se añade una cámara de nitrógeno en la parte trasera del pistón, introduciendo nitrógeno para realizar trabajo, p_N > 0. F_q está compuesta principalmente por dos partes: la diferencia de presión del aceite entre las cámaras delantera y trasera, y la fuerza de compresión-expansión del nitrógeno. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Esta forma es actualmente la más común de martillo hidráulico para roca. Según las distintas proporciones de trabajo realizado por el aceite y el gas en la fuerza motriz total, es decir, según distintas relaciones de trabajo gas-líquido, se pueden obtener productos con diferentes prestaciones.

Explosivo de nitrógeno: En esta forma, d₁ = d₂ y p_N > 0. La fuerza hidráulica en las cámaras superior e inferior es nula; el trabajo del pistón durante la carrera de potencia está impulsado completamente por la presión del gas en la cámara de nitrógeno. F_q = π/4 · p_N · d₁². Esta forma constituye la versión más reciente de martillo hidráulico para roca.

Las tres formas tienen sus ventajas y desventajas, pero su rendimiento general mejora de una generación a la siguiente. El tipo puramente hidráulico, como la primera forma de producto cuando aparecieron por primera vez los rompedores hidráulicos de roca, presenta una estructura sencilla y un funcionamiento fiable, sin requerir fuerza de empuje inicial, aunque tiene una baja tasa de aprovechamiento energético y no es adecuado para la fabricación de productos de gran tamaño. El tipo combinado hidráulico-neumático representa un avance significativo respecto al tipo puramente hidráulico: al añadir una cámara de nitrógeno en la parte trasera del pistón, aprovecha eficazmente la energía del ciclo de retorno y mejora notablemente la fuerza de impacto; sin embargo, su estructura es más compleja y requiere una fuerza de empuje inicial para funcionar. El rompedor hidráulico de roca con explosión de nitrógeno, desde el punto de vista energético, no necesita trabajo hidráulico durante la carrera de potencia y, por tanto, resulta más eficiente energéticamente; además, los diámetros de las cámaras delantera y trasera del pistón son iguales, lo que permite resolver eficazmente la dificultad derivada del suministro insuficiente de aceite de forma instantánea durante la carrera de potencia del pistón. No obstante, debido a la elevada presión inicial de carga de nitrógeno, la fuerza de empuje requerida es mayor.

1.4 Estructura básica y clasificación de los rompepiedras hidráulicos

1.4.1 Estructura básica de los rompepiedras hidráulicos

Aunque los rompepiedras hidráulicos presentan numerosas variantes, comparten características estructurales comunes. La composición básica de un rompepiedras hidráulico incluye: cuerpo del cilindro, pistón, válvula distribuidora, acumulador, cámara de nitrógeno, asiento de la punta, punta, pernos de alta resistencia y sistemas de sellado. Los distintos tipos de rompepiedras hidráulicos difieren ligeramente en su estructura, pero todo rompepiedras contiene dos componentes móviles básicos: el pistón y el vástago de la válvula. Su estructura básica se muestra en la figura 1-3.

(1) Mecanismo de impacto

Un rompedor hidráulico de rocas tiene un pistón relativamente largo y esbelto, que es el componente más importante. Basándose en la teoría de transmisión de ondas de tensión, para transmitir de forma óptima la energía de impacto del pistón, el diámetro del pistón de impacto suele ser básicamente igual o muy cercano al diámetro del extremo de la cola de la escopla, garantizando así un contacto completo en la cara de impacto y logrando así una transmisión eficiente de la energía. El juego de ajuste entre el pistón de impacto y el cuerpo del cilindro o el manguito forrado es un parámetro técnico muy importante. Si el juego es demasiado grande, se producirá una fuga interna muy elevada, lo que provocará una fuerza de impacto insuficiente e incluso hará que el rompedor de rocas no funcione correctamente; si el juego es demasiado pequeño, el movimiento del pistón puede volverse lento o pueden producirse grietas por adherencia, aumentando simultáneamente los costes de fabricación de forma considerable.

(2) Mecanismo de distribución

Un rompedor hidráulico de rocas generalmente dispone de una válvula distribuidora que cambia la dirección del flujo de aceite hidráulico, mediante la cual controla y acciona el movimiento alternativo del pistón de impacto. Las formas estructurales de las válvulas distribuidoras son diversas; en términos generales, se pueden dividir en dos grandes categorías: válvulas de corredera y válvulas de camisa. Las válvulas de corredera suelen ser ligeras, consumen menos aceite, tienen un diámetro menor y presentan una holgura de acoplamiento y una fuga más reducidas; sin embargo, mayoritariamente poseen una estructura escalonada, una maquinabilidad estructural relativamente deficiente y mayores pérdidas por estrangulamiento. Por su parte, las válvulas de camisa son más pesadas, tienen un diámetro mayor y también presentan una holgura de acoplamiento y una fuga relativamente mayores; no obstante, su maquinabilidad estructural es buena, el gradiente del área de apertura es elevado y las pérdidas por estrangulamiento son pequeñas. La holgura de acoplamiento entre la corredera y el cuerpo o la camisa de la válvula constituye otro parámetro técnico importante en la fabricación de rompedores hidráulicos de rocas; tanto una holgura excesivamente grande como una demasiado pequeña impedirán el funcionamiento normal de la válvula.

(3) Mecanismo estabilizador de la presión del acumulador

La mayoría de los rompedores hidráulicos de roca disponen de uno o varios acumuladores, que cumplen las funciones de almacenamiento de energía y estabilización de la presión. Un rompedor hidráulico de roca solo realiza trabajo externo durante la carrera de potencia; la carrera de retorno constituye una fase de preparación para la carrera de potencia. Cuando el pistón retorna, el aceite hidráulico entra en el acumulador a una presión superior a la presión de la cámara de carga y se almacena como energía potencial del aceite en dicho acumulador. Esta energía se libera durante la carrera de potencia del pistón, convirtiendo gran parte de la energía de la carrera de retorno en energía de impacto. De este modo, el acumulador mejora la eficiencia de funcionamiento del sistema y, al mismo tiempo, reduce los golpes de presión y las pulsaciones de caudal provocadas por el conmutador de la válvula distribuidora.

(4) Mecanismo de accionamiento

La punta es el componente accionador del rompedor hidráulico de rocas que realiza trabajo externo, actuando directamente sobre el objeto de trabajo; se trata de una pieza de desgaste que requiere buena resistencia a la abrasión, dura en su exterior y tenaz en su interior, con una dureza que varía gradualmente desde el exterior hacia el interior. Para adaptarse a diversas condiciones de trabajo y a distintos objetos de trabajo, las puntas están disponibles en versiones cónica, cuadrada, de pala y plana.

(5) Mecanismo de prevención de disparos en vacío

Dado que un rompedor hidráulico de rocas posee una gran energía de impacto, si se permite que el pistón golpee directamente el cuerpo del cilindro, se dañará gravemente el cuerpo del rompedor — provocando disparos en vacío. La estructura de prevención de disparos en vacío consiste en añadir una cámara hidráulica amortiguadora en la parte frontal del cuerpo del cilindro. Cuando la punta no ha entrado en contacto con la roca y avanza, el pistón de impacto penetra en la cámara amortiguadora, comprimiendo el aceite contenido en su interior y absorbiendo así la energía de impacto, logrando una protección amortiguada del cuerpo de la máquina. Al mismo tiempo, la entrada de aceite de la cámara frontal queda cerrada, de modo que, bajo la acción de la gravedad y del nitrógeno presente en la parte trasera, el pistón no puede retroceder; únicamente cuando la punta vuelve a entrar en contacto con la roca y empuja hacia atrás con una mayor presión ejercida por el brazo, el pistón de impacto expulsa el aceite de la cámara amortiguadora y el aceite a alta presión puede entonces ingresar a la cámara frontal, reanudando así el funcionamiento normal. Tal como se muestra en la figura 1-4, tras haber fracturado el rompedor hidráulico de rocas el objeto a romper, el pistón puede efectuar como máximo uno o dos disparos en vacío antes de detenerse. El operario debe volver a seleccionar el punto de impacto, presionar firmemente la punta contra la superficie, aplicar presión y, de este modo, la punta empujará al pistón alejándolo de la entrada de aceite de la cámara inferior, pudiendo reiniciarse así el trabajo.

(6) Otros mecanismos

Otros mecanismos del rompedor hidráulico de rocas incluyen: bastidor de conexión, mecanismo de amortiguación de vibraciones, sistema de sellado, sistema de lubricación automática, etc.

1.4.2 Clasificación de los rompedores hidráulicos de rocas

Existen muchos tipos de rompedores hidráulicos de rocas y diversos métodos de clasificación. Los principales métodos de clasificación son los siguientes:

(1) Clasificación según el método de operación

Los rompedores hidráulicos de rocas se clasifican, según el método de operación, en montados sobre vehículo y portátiles. Los tipos portátiles son rompedores pequeños, también denominados cinceles hidráulicos; su masa es generalmente inferior a 30 kg, se operan manualmente y se alimentan mediante una estación de bomba hidráulica especializada, pudiendo sustituir ampliamente las operaciones con cinceles neumáticos. Los tipos montados sobre vehículo son rompedores de tamaño mediano y grande, instalados directamente sobre la pluma de excavadoras hidráulicas, cargadoras y otras máquinas hidráulicas portadoras, utilizando el sistema de potencia, el sistema hidráulico y el sistema de movimiento de la pluma de la máquina portadora para realizar las operaciones.

(2) Clasificación según el medio de trabajo

Los rompedores hidráulicos de roca se clasifican, según el medio de trabajo, en tres grandes categorías: puramente hidráulicos, combinados hidráulico-neumáticos y de explosión con nitrógeno. Los tipos puramente hidráulicos dependen exclusivamente de la presión del aceite hidráulico para impulsar el pistón; los tipos combinados hidráulico-neumáticos utilizan simultáneamente el aceite hidráulico y el nitrógeno comprimido en la parte trasera para impulsar el pistón; y los tipos de explosión con nitrógeno dependen exclusivamente de la expansión instantánea del nitrógeno en la cámara trasera de nitrógeno para empujar el pistón y hacerlo funcionar.

(3) Clasificación según el método de retroalimentación

Los rompedores hidráulicos de roca se clasifican, según el método de retroalimentación, en retroalimentación por carrera y retroalimentación por presión. La diferencia radica en la forma en que se recoge la señal de retroalimentación para la conmutación de la válvula distribuidora. Los rompedores hidráulicos de roca con retroalimentación por carrera se basan en la apertura y cierre, por el pistón, de los orificios de retroalimentación de aceite a alta presión durante su carrera para controlar la conmutación de la válvula distribuidora; las posiciones de dichos orificios solo pueden fijarse de forma rígida y, debido a limitaciones estructurales, como máximo se pueden colocar tres orificios de retroalimentación; por lo tanto, los rompedores hidráulicos de roca con retroalimentación por carrera no pueden lograr un ajuste continuo (sin escalones) de la frecuencia de impacto. Los rompedores hidráulicos de roca con retroalimentación por presión se basan en la recogida de la presión del sistema o de la presión de la cámara de nitrógeno en la parte trasera del pistón para controlar la conmutación de la válvula distribuidora; al entrar el pistón en la cámara de nitrógeno, la presión en dicha cámara varía continuamente, y cuando el sensor de presión instalado en la cámara detecta una presión preestablecida, la válvula conmuta mediante control microinformático; dado que la presión de conmutación puede establecerse arbitrariamente, los rompedores hidráulicos de roca con retroalimentación por presión pueden lograr un ajuste continuo (sin escalones).

(4) Clasificación según el método de distribución

Según la forma de la válvula de distribución, se clasifican en dos grandes categorías: válvula de tres vías con retorno de aceite de una sola cara y válvula de cuatro vías con retorno de aceite de doble cara. Las estructuras con retorno de aceite de una sola cara presentan las ventajas de tener conductos de aceite sencillos y un control fácil; en la práctica, son relativamente comunes. El retorno de aceite de una sola cara se divide en retorno de aceite desde la cámara delantera y retorno de aceite desde la cámara trasera; de estas, las formas con retorno de aceite desde la cámara delantera presentan el inconveniente de una alta resistencia a la succión y al retorno de aceite, por lo que actualmente la forma más común es la de presión constante en la cámara delantera y retorno de aceite desde la cámara trasera. El retorno de aceite de doble cara mediante válvula de cuatro vías también se denomina tipo de doble efecto; su característica principal es la ausencia de una cámara de presión constante, alternando las presiones altas y bajas entre la cámara delantera y la trasera; sin embargo, debido a la complejidad de los conductos de aceite en la estructura de retorno de aceite de doble cara, este tipo es poco común.

(5) Clasificación según la disposición de la válvula de distribución

Según la disposición de la válvula de distribución, se clasifican en dos tipos: montaje interno y montaje externo. El tipo de montaje interno puede subdividirse, a su vez, en tipo émbolo y tipo camisa. Las válvulas de distribución de montaje interno están integradas en un solo cuerpo con el cilindro, lo que les confiere una estructura compacta; las válvulas de distribución de montaje externo son independientes del cuerpo del cilindro y presentan una estructura sencilla, así como un mantenimiento y reemplazo más fáciles.

Además, según el nivel de ruido, se clasifican en tipos de bajo ruido y tipos estándar; según la forma de la carcasa exterior, se clasifican en rompedores de roca triangulares, en forma de torre y cerrados, entre otros. Los distintos métodos de clasificación se resumen en la figura 1-5.