تحلیل نحوهٔ عملکرد شکست‌دهندهٔ هیدرولیکی سنگ

۲٫۲ تحلیل نحوهٔ عملکرد شکست‌دهندهٔ هیدرولیکی سنگ

شکست‌دهندهٔ هیدرولیکی سنگ اشکال ساختاری متنوعی دارد. با شروع از اصل کار، نویسندگان اصول بنیادی‌ترین و حیاتی‌ترین ایده‌های شکست‌دهندهٔ هیدرولیکی سنگ را استخراج و خلاصه‌سازی کرده‌اند و آن‌ها را به سه حالت اصلی کاری کاهش داده‌اند: کاملاً هیدرولیکی، ترکیبی هیدرولیکی-پنوماتیکی و نیتروژن-انفجاری.

۲٫۲٫۱ اصل کار کاملاً هیدرولیکی

اصل کار خالص هیدرولیکی سه شکل اجرا دارد: فشار ثابت در محفظه جلویی / فشار متغیر در محفظه عقبی (به‌اختصار «اصل فشار ثابت در محفظه جلویی»)، فشار ثابت در محفظه عقبی / فشار متغیر در محفظه جلویی (به‌اختصار «اصل فشار ثابت در محفظه عقبی») و فشار متغیر در محفظه‌های جلویی و عقبی (به‌اختصار «اصل فشار متغیر»).

(۱) اصل فشار ثابت در محفظه جلویی

این اصل کار اولین اصلی بود که در آغاز توسعه شکست‌دهنده‌های سنگ هیدرولیکی به‌کار گرفته شد؛ تمام پیشرفت‌های فنی بعدی بر پایه آن ساخته شده‌اند. شکست‌دهنده سنگ هیدرولیکی با اصل فشار ثابت در محفظه جلویی در شکل ۲-۱ نمایش داده شده است.

با توجه به شکل ۲-۱، این سیستم از بدنه سیلندر، پیستون، شیر کنترلی و مسیرهای روغن تشکیل شده است. بدنه سیلندر و پیستون مکانیزم ضربه‌زن را تشکیل می‌دهند. پیستون در داخل بدنه سیلندر به‌صورت جلو و عقب حرکت می‌کند و این حرکت توسط روغن هیدرولیک انجام می‌شود؛ در نتیجه انرژی ضربه به‌صورت خارجی منتقل می‌گردد و نیروی ضربه‌ای بزرگی بر هدف وارد می‌شود که اثر چکشی ایجاد می‌کند. عملکرد شیر کنترلی معکوس‌سازی جهت روغن محرک پیستون است تا حرکت دوره‌ای رفت‌وبرگشتی پیستون حاصل شود.

شکست‌دهنده سنگ هیدرولیکی نشان‌داده‌شده در شکل ۲-۱ دارای پیستونی است که در نقطه ضربه قرار دارد؛ و میله شیر (شیر سوئیچ) در موقعیتی قرار دارد که تازه از مرحله ضربه‌زنی به مرحله بازگشت تغییر وضعیت داده است. در این لحظه، روغن فشار بالا از طریق دریچه فشار بالای ثابت شیر وارد محفظه فشار بالای ثابت سیلندر (محفظه آمپر ) می‌شود و پیستون را در مرحله بازگشت (به سمت راست) به حرکت درمی‌آورد. روغن موجود در محفظه فشار متغیر پیستون (محفظه b از طریق پورت ۴ و پورت بازگشت روغن با فشار متغیر شیر، به مخزن بازمی‌گردد. هنگامی که پیستون به عقب حرکت می‌کند تا شانهٔ جلویی آن از پورت ۲ روی بدنهٔ سیلندر عبور کند، روغن با فشار بالا به پورت ۵ شیر هل‌دهنده هدایت می‌شود و باعث تغییر وضعیت شیر (به سمت چپ) می‌گردد. از آنجا که اکنون اتاقک ثابت با فشار بالای شیر به اتاقک میانی با فشار متغیر متصل شده است، روغن با فشار بالا وارد اتاقک عقبی پیستون می‌شود. b از طریق پورت ۴. اکنون روغن با فشار بالا در هر دو طرف پیستون وجود دارد، اما از آنجا که سطح مؤثر فشار در اتاقک عقبی b بیشتر از سطح مؤثر فشار در اتاقک جلویی است آمپر پیستون در حین حرکت بازگشتی شروع به کندشدن می‌کند، سرعت آن به صفر می‌رسد و سپس ضربه‌زنی (به سمت چپ) را آغاز می‌کند. هنگامی که فرورفتگی مرکزی پیستون پورت‌های ۲ و ۳ را به هم متصل می‌کند، پیستون دقیقاً به نقطه برخورد رسیده است و یک چرخه کامل را تکمیل کرده است؛ در همین زمان، پورت ۵ شیر هل‌دهنده به خط بازگشت روغن متصل می‌شود، بنابراین غلتک (اسپول) به سمت راست جابه‌جا شده و به موقعیت نشان‌داده‌شده در شکل ۲-۱ بازمی‌گردد و یک چرخه کامل دیگر را تکمیل کرده و برای حرکت بازگشتی بعدی پیستون آماده می‌شود. بدین ترتیب، پیستون ضربه‌زنی پیوسته‌ای انجام می‌دهد و به‌طور مداوم انرژی ضربه‌ای تولید می‌کند. اتاقک هوا c در این اصل کاری، به محیط تخلیه می‌شود.

(۲) اصل فشار ثابت اتاقک عقبی

لازم به ذکر است که این اصل کاری تنها در شرایطی قابل‌تحقق است که سطح مؤثر تحت فشار اتاقک جلویی پیستون آمپر از سطح مؤثر اتاقک عقبی بیشتر باشد b ، یعنی قطر اتاقک جلویی پیستون کوچک‌تر از قطر اتاقک عقبی است ( د ₁ > د ₂).

شکل ۲-۲ نمایش‌دهندهٔ شماتیک شکست‌دهندهٔ هیدرولیکی سنگ با فشار ثابت در اتاقک عقب و فشار متغیر در اتاقک جلو است.

در مقایسه با شکل ۲-۱، تنها تفاوت این است که پورت ۱ روی بدنهٔ سیلندر به اتاقک فشار متغیر شیر متصل شده است، نه به اتاقک فشار ثابت (فشار بالا)؛ پورت ۴ مستقیماً به اتاقک فشار ثابت شیر متصل می‌شود؛ سایر مسیرهای روغنی نیز مشابه هستند. شکل ۲-۲ لحظه‌ای را نشان می‌دهد که ضربهٔ قدرتی پیستون تازه به پایان رسیده و شیر قبلاً جابجا شده است — یعنی سیستم در لحظهٔ آغاز ضربهٔ بازگشتی قرار دارد.

ویژگی کاری این اصل این است که شکست‌دهندهٔ هیدرولیکی سنگ در طول ضربهٔ بازگشتی روغن تخلیه نمی‌کند، بلکه روغن را در طول ضربهٔ قدرتی تخلیه می‌کند؛ و سطح مؤثر تحمل فشار اتاقک جلو آمپر از سطح مؤثر اتاقک عقبی بیشتر باشد b از آنجا که زمان تخلیه‌ی ضربه‌ی نیرویی کوتاه است و دبی جریان بزرگ می‌باشد، افت فشار هیدرولیکی در این اصل بیشتر از اصل فشار ثابت حفره‌ی جلویی است. در حال حاضر، اکثر شکن‌های سنگ هیدرولیکی از این اصل استفاده نمی‌کنند.

(۳) اصل متغیرفشار حفره‌های جلویی و عقبی

اصل متغیرفشار حفره‌های جلویی و عقبی در شکل ۲-۳ نشان داده شده است. از این نمایش ساده می‌توان دریافت که این نوع دستگاه ضربه‌ی هیدرولیکی ساختاری پیچیده با تعداد زیادی مسیر جریان دارد که هزینه‌ی ساخت آن را افزایش می‌دهد. بنابراین، امروزه از این اصل در شکن‌های سنگ هیدرولیکی استفاده نمی‌شود؛ اما هنوز در برخی برندهای مته‌های سنگ‌شکن هیدرولیکی به کار می‌رود.

شکل ۲-۳ موقعیت پیستون را در انتهای ضربه‌ی نیرویی و آغاز ضربه‌ی بازگشتی نشان می‌دهد. هنگامی که ضربه‌ی بازگشتی آغاز می‌شود، روغن فشار بالا از حفره‌ی میانی شیر از طریق حفره‌ی سمت چپ و دریچه‌ی سیلندر شمارهٔ ۱ وارد حفره‌ی جلویی پیستون می‌شود و پیستون را به سمت راست هل می‌دهد. آمپر روغن موجود در حفره‌ی عقبی b از طریق سوراخ سیلندر شمارهٔ ۵ و اتاق سمت راست شیر، به مخزن روغن تخلیه می‌شود. در حین حرکت برگشتی، هنگامی که شانهٔ سمت چپ پیستون از سوراخ شمارهٔ ۲ روی بدنهٔ سیلندر عبور می‌کند، روغن فشار بالا از طریق سوراخ شمارهٔ ۷، سوپاپ سPOOL را به سمت راست هل داده و باعث جابجایی آن می‌شود؛ در این حالت سوپاپ سPOOL بلافاصله مسیرهای تأمین و تخلیهٔ روغن بدنهٔ سیلندر را عوض می‌کند — یعنی سوراخ سیلندر شمارهٔ ۵ تحت فشار بالا قرار گرفته و سوراخ سیلندر شمارهٔ ۱ به مخزن بازگردانده می‌شود — بنابراین پیستون شروع به کاهش سرعت می‌کند، سرعت آن به سرعت به صفر می‌رسد و سپس به حرکت شتاب‌دار نیرویی (Power-stroke) منتقل می‌شود. هنگامی که حرکت نیرویی پیستون به نقطهٔ ضربه می‌رسد، فرورفتگی مرکزی پیستون سوراخ‌های سیلندر شمارهٔ ۲ و ۳ را به هم متصل می‌کند، سوراخ‌های ۴ و ۵ نیز به هم متصل می‌شوند، سمت چپ سوپاپ سPOOL از طریق سوراخ شمارهٔ ۷ با سوراخ‌های ۲ و ۳ برای بازگرداندن روغن اتصال پیدا می‌کند و سوراخ سمت راست سوپاپ سPOOL (شمارهٔ ۶) از طریق سوراخ‌های ۴ و ۵، سمت راست شیر و اتاق میانی، به فشار بالا متصل می‌شود که این امر باعث جابجایی سوپاپ سPOOL به سمت چپ شده و مسیرهای تأمین و تخلیهٔ روغن سیلندر را تغییر می‌دهد و یک چرخهٔ کامل کاری پیستون را به پایان می‌رساند. پیستون و سوپاپ سPOOL دستگاه ضربه‌ای هیدرولیکی به وضعیت نشان‌داده‌شده در شکل ۲-۳ — یعنی آغاز حرکت برگشتی — بازمی‌گردند. به این ترتیب، شکست‌دهندهٔ سنگ هیدرولیکی از طریق حرکت دوره‌ای مداوم پیستون، انرژی ضربه را به‌صورت مداوم به بیرون انتقال می‌دهد و کار ضربه‌ای را به‌طور مؤثر انجام می‌دهد.

هر سه اصل کاری کاملاً هیدرولیکی که در بالا توضیح داده شد، در حال حاضر در مته‌های سنگ‌شکن هیدرولیکی، شکننده‌های سنگ هیدرولیکی و سایر مکانیزم‌های ضربه‌ای هیدرولیکی به کار می‌روند؛ با این حال، شکننده‌های سنگ هیدرولیکی همچنان اغلب از اصل کاری ترکیبی هیدرولیک-پنوماتیک استفاده می‌کنند.

۲.۲.۲ اصل کاری ترکیبی هیدرولیک-پنوماتیک

با تحلیل اصل کاری کاملاً هیدرولیکی، مشخص می‌شود که تمام انرژی ضربه‌ای یک مکانیزم ضربه‌ای کاملاً هیدرولیکی از طریق سیستم هیدرولیکی تأمین می‌شود. با این حال، با افزایش استفاده از شکننده‌های سنگ کاملاً هیدرولیکی و پیشرفت تحقیقات، مشخص شد که تلفات هیدرولیکی بسیار زیاد هستند و این امر بهبود بیشتر بازدهی را محدود می‌سازد. روغن در مسیرهای داخلی بدنه سیلندر باید با دیواره‌های لوله اصطکاک داشته باشد و تلفات هیدرولیکی ناشی از انحناءها، تغییرات قطر و تغییر جهت جریان قابل توجه‌اند؛ هرچه دبی جریان بیشتر باشد، تلفات نیز بیشتر خواهد بود و این امر به‌ویژه در فاز ضربه‌زنی (حرکت توان) بسیار شدید است.

در حال حاضر، اصل ترکیبی هیدرولیکی-پنوماتیکی عمدتاً برای شکستن‌دهنده‌های سنگ هیدرولیکی که نیازمند انرژی ضربه‌ای بزرگ و فرکانس پایین هستند، و همچنین برای دستگاه‌های درآوردن شمع هیدرولیکی استفاده می‌شود.

برای بهبود بازده، پس از تحقیقات گسترده، روشی ساده و مؤثر یافت شد: استفاده همزمان از گاز و روغن برای تأمین انرژی ضربه‌ای شکستن‌دهنده‌های سنگ هیدرولیکی. این روش جریان مورد نیاز در طول ضربهٔ کاری را کاهش می‌دهد — اتلاف هیدرولیکی را کم می‌کند و بازده عملیاتی را افزایش می‌دهد — بنابراین شکستن‌دهندهٔ سنگ هیدرولیکی ترکیبی هیدرولیکی-پنوماتیکی ایجاد می‌شود.

اصل ساختاری شکستن‌دهندهٔ سنگ هیدرولیکی ترکیبی هیدرولیکی-پنوماتیکی بسیار ساده است: تنها کافی است مخزن هوا را شارژ کنید. c در سه اصل خالص هیدرولیکی ذکرشده در بالا با نیتروژن در فشار مشخصی. از آنجا که اکنون نیتروژن وجود دارد، هنگام حرکت برگشتی پیستون، نیتروژن فشرده شده و انرژی ذخیره می‌شود؛ و هنگام حرکت توان‌بخش (پاور استروک)، این انرژی همراه با روغن آزاد می‌شود تا پیستون را به حرکت درآورد و انرژی جنبشی را در نقطه ضربه ایجاد کند و آن را به انرژی ضربه تبدیل کند. بدیهی است که نقش نیتروژن لزوماً مقدار روغن مصرفی در طول حرکت توان‌بخش را کاهش می‌دهد، که منجر به کاهش مصرف روغن، اتلاف هیدرولیکی کمتر و بازدهی بالاتر می‌شود.

در مقایسه با شکست‌دهنده سنگ صرفاً هیدرولیکی، مساحت مؤثر تحمل فشار در اتاقک عقب پیستون b در شکننده‌های سنگ هیدرولیکی ترکیبی هیدرولیک-پنوماتیک، سطح مؤثر باربر فشار کاهش می‌یابد. این کاهش در سطح مؤثر باربر فشار به معنای مصرف کمتر روغن در حین ضربهٔ قدرت و افت‌های هیدرولیکی پایین‌تر است — این مهم‌ترین دلیل رشد سریع شکننده‌های سنگ هیدرولیکی ترکیبی هیدرولیک-پنوماتیک در سال‌های اخیر است. تقریباً تمام شکننده‌های سنگ هیدرولیکی ترکیبی هیدرولیک-پنوماتیک از اصل کاری ثابت‌فشار در محفظهٔ جلویی استفاده می‌کنند؛ این ویژگی نیز یکی از ویژگی‌های کلیدی نوع ترکیبی هیدرولیک-پنوماتیک است.

۲.۲.۳ اصل کاری نیتروژن-انفجاری

اصل کاری شکنندهٔ سنگ هیدرولیکی نیتروژن-انفجاری از نظر اساسی با اصل کاری شکنندهٔ سنگ هیدرولیکی ترکیبی هیدرولیک-پنوماتیک تفاوتی ندارد؛ بلکه تنها پارامترهای ساختاری پیستون متفاوت است. تفاوت اصلی این است که قطر پیستون در محفظه‌های جلو و عقب برابر است، یعنی د ₂ = د ₁، و تمام انرژی ضربه از طریق نیتروژن تأمین می‌شود.

برخورداری از قطر یکسان پیستون‌های جلو و عقب، ویژگی اصلی شکن هیدرولیکی سنگ با سیستم انفجار نیتروژنی است. در طول ضربهٔ کاری، محفظهٔ عقب هیچ روغنی مصرف نمی‌کند و تمام انرژی ضربه از طریق نیتروژن تأمین می‌شود. البته انرژی ذخیره‌شده در نیتروژن در طول ضربهٔ بازگشتی توسط سیستم هیدرولیک تأمین می‌شود و به انرژی جنبشی ضربهٔ کاری تبدیل می‌گردد. بنابراین، در نهایت، همچنان انرژی هیدرولیک است که تبدیل می‌شود — اما از طریق فشرده‌سازی و ذخیره‌سازی انرژی در محیط گازی، انرژی نیتروژن ذخیره‌شده در طول ضربهٔ کاری آزاد می‌شود و به انرژی مکانیکی پیستون تبدیل می‌گردد.

باید توجه داشت که تنها اصل فشار ثابت در محفظه جلویی قابل اعمال بر روی شکست‌دهنده هیدرولیکی سنگ با انفجار نیتروژن است؛ در حالی که اصل فشار ثابت در محفظه عقبی و همچنین اصل فشار متغیر در محفظه‌های جلویی و عقبی، هر دو قابل اعمال بر روی شکست‌دهنده هیدرولیکی سنگ نوع نیتروژنی نیستند. دلیل این امر پس از درک ویژگی پیستون آشکار می‌شود که د ₂ = د ₁.