پارامترهای فنی پایه

۲.۱ پارامترهای فنی پایه

۲.۱.۱ پارامترهای شکست‌دهنده سنگ هیدرولیکی

(۱) پارامترهای عملکردی

W و فرکانس ضربه f پارامترهای عملکردی هستند که شکست‌دهنده سنگ هیدرولیکی را توصیف می‌کنند. W ظرفیت کاری شکست‌دهنده را تعریف می‌کند؛ f نرخ کاری آن را تعریف می‌کند.

توان خروجی یک شکست‌دهنده سنگ هیدرولیکی را می‌توان به صورت زیر بیان کرد:

ن = W × f                                           (2.1)

از آنجا که دو پارامتر توصیف‌کننده عملکرد — انرژی ضربه و فرکانس ضربه — به‌صورت متقابل با هم مرتبط هستند، در طراحی یک شکست‌دهنده سنگ هیدرولیکی نسبت W به f باید به دقت متعادل شود. در شرایط حداقل ظرفیت نصب‌شده، باید حداکثر بازده کاری حاصل گردد. برای شکستن‌کننده سنگ هیدرولیکی، انرژی ضربه‌ای بزرگی W مورد نیاز است و فرکانس ضربه f باید به‌طور مناسب کاهش یابد تا نیاز به نیروی ضربه‌ای بالا و اثر شکستن خوب برآورده شود. برای مته سنگ‌شکن هیدرولیکی، اگرچه این نیز یک مکانیسم ضربه‌ای هیدرولیکی است، اما انرژی ضربه‌ای کوچکی W مورد نیاز دارد و فرکانس ضربه f باید تا حد امکان بالا باشد تا نیاز به حفاری با سرعت بالا برآورده شود.

(۲) پارامترهای کاری

حداکثر سرعت ضربه‌ای پیستون ولت _م ، دبی کاری Q ، فشار کاری p و نیروی هل دادن بهینه F _ت پارامترهای کاری شکست‌دهنده هیدرولیکی سنگ هستند.

● حداکثر سرعت ضربه‌ای پیستون ولت _م : این سرعت تماس لحظه‌ای است که پیستون به انتهای چکش (تیغه) برخورد می‌کند. انرژی جنبشی متناظر با پیستون به‌عنوان انرژی ضربه‌ای چکش هیدرولیکی تعریف می‌شود W . زمانی که انرژی جنبشی پیستون به‌طور کامل به هدف منتقل شود، انرژی ضربه‌ای چکش هیدرولیکی برابر است با:

W = ½ mV ²_م                                            (2.2)

جایی که: م — جرم پیستون.

بر اساس معادله (۲٫۲)، هرچه سرعت ضربه‌ای پیستون بیشتر باشد، انرژی ضربه‌ای نیز بیشتر خواهد بود.

با این حال، افزایش ولت _م توسط دو عامل محدود می‌شود:

۱) محدودیت‌های خواص مواد پیستون و چکش (تیغه). سرعت انتهایی ضربه ولت _م با استرس تماس مرتبط است σ ؛ هرچه بالاتر باشد σ ، هر چه بیشتر بر عمر کار پیستون و دارک تاثیر می گذارد. تحت فشار قابل قبول تماس σ ، انتخاب معمول این است ولت _م = 9 تا 12 متر در ثانیه با پیشرفت علم مواد، ارزش ولت _م می تواند بیشتر افزایش یابد.

2) محدوده فرکانس مکانیسم ضربه از آنجا که ساختار پیستون و محرک محدود هستند، با محرک ثابت پیستون، شتاب به مورد نیاز ولت _م زمان خیلی کمی میبره. واضحه که بزرگتر ولت _م ، زمان شتاب مورد نیاز هرچه کوتاه تر باشد.

فرکانس پایین به این معنی است که زمان چرخه پیستون و زمان ضربه هر دو طولانی هستند، در حالی که یک فرکانس بالا ولت _م لزوما منجر به کوتاه شدن زمان ضربه و چرخه یعنی فرکانس برخورد بالا می شود که نمی تواند نیازهای طراحی فرکانس پایین را برآورده کند.

● جریان کار Q : جریان تحویل داده شده به شکسته سنگ هیدرولیک توسط پمپ هیدرولیک در طول کار؛ این یک متغیر مستقل است. پارامترهای رفتار و عملکرد شکافی هیدرولیکی، همگی به طور نزدیک با جریان کار مرتبط هستند و تابع جریان کار هستند؛ آنها با تغییر جریان کار تغییر می کنند.

● فشار کاری p : فشار مورد نیاز سیستم هیدرولیک در هنگام کار شکافی هیدرولیک فشار سیستم مورد نیاز برای دستیابی به پارامترهای عملکرد آن. فشار کاری p یک متغیر وابسته است؛ به عنوان جریان ورودی تغییر می کند Q و پارامترهای ساختاری تغییر می کنند. در طول عملیات، زمانی که تمام پارامترهای دیگر ثابت باقی می مانند، فشار p نمیتونه به طور فعال تغییر کنه فشار کاری p و جریان ورودی Q برآورده کردن اصل اساسی فناوری هیدرولیک: فشار سیستم توسط بار خارجی تعیین می‌شود. بر اساس این اصل، طراحی شکستن‌دهنده سنگ هیدرولیک به معنای استفاده از پارامترهای ساختاری و دبی کاری برای اطمینان از دستیابی به فشار کاری سیستم است. p بدست آمده است.

● نیروی هل‌دهنده F _ت هنگامی که شکن هیدرولیکی سنگ در حال کار است، شتاب پیستون در حین ضربهٔ قدرت‌دهنده باعث ایجاد عقب‌نشینی بدنهٔ دستگاه می‌شود؛ این امر منجر به از دست رفتن تماس چلیپا با هدف و جلوگیری از عملکرد طبیعی ضربه می‌گردد. برای غلبه بر این عقب‌نشینی، باید نیرویی در راستای محور بدنهٔ شکن اعمال شود که «نیروی فشار» نامیده می‌شود. این نیروی فشار باید به اندازه‌ای کافی بزرگ باشد تا چلیپا را به‌طور محکم در تماس با شیء مورد ضربه نگه دارد. نیروی فشار باید بهینه باشد. به عبارت دیگر، مسئلهٔ نیروی فشار بهینه وجود دارد که ارتباط تنگاتنگی با ردهٔ اندازهٔ ماشین حامل دارد. اگر ماشین حامل بسیار کوچک باشد، نیروی فشاری که می‌تواند تأمین کند، ناکافی خواهد بود؛ و اگر بسیار بزرگ باشد، هرچند نیاز به نیروی فشار برآورده می‌شود، اما هزینهٔ سرمایه‌گذاری برای ماشین حامل افزایش یافته و این امر نیز نامطلوب است. در طراحی شکن‌های هیدرولیکی سنگ، دستیابی به انرژی ضربهٔ بالا با نیروی فشار کم، همواره هدفی بهینه‌سازی بوده است. این امر امکان تطبیق یک شکن هیدرولیکی سنگ با انرژی ضربهٔ بالا را با یک ماشین حامل کوچک‌تر فراهم می‌کند و ترکیبی کارآمد ایجاد نموده و هزینه‌های عملیاتی را کاهش می‌دهد.

(۳) پارامترهای ساختاری

سه قطر پیستون د ₁, د ₂، و د ₃، جرم کاری م ، و طول حرکت کاری اس پارامترهای ساختاری یک شکست‌دهنده سنگ هیدرولیکی هستند. این پارامترهای ساختاری، پارامترهای عملکردی آن را تعیین می‌کنند. طراحی یک شکست‌دهنده سنگ هیدرولیکی در اصل تعیین پارامترهای ساختاری است د ₁, د ₂, د ₃, م ، و اس که تضمین می‌کنند پارامترهای عملکردی مورد نیاز به دست آیند. پس از ثابت شدن پارامترهای ساختاری، تمامی پارامترهای عملکردی و پارامترهای کاری با دبی ورودی تغییر می‌کنند و توابعی از دبی ورودی هستند.

۲٫۱٫۲ فشار روغن کاری و فشار نامی

(فشار نامی در سراسر این بخش با نماد p _H نشان داده می‌شود)

هنگامی که شکست‌دهنده سنگ هیدرولیکی در حال کار است، فشار روغن هیدرولیکی پیستون را به حرکت درمی‌آورد و الگوی حرکت پیستون توسط الگوی تغییر این نیروی محرک روغن تعیین می‌شود — این موضوع به عنوان سینماتیک و دینامیک پیستون شناخته می‌شود.

با در نظر گرفتن جرم پیستون م ، شتاب آمپر ، و نیروی اینرسی پیستون F _K ، قانون دوم نیوتن به صورت زیر بیان می‌شود:

F _K = ما                                              (2.3)

نیروی محرک F برابر است با F _K از نظر بزرگی برابر اما در جهت مخالف است. نیروی محرک F که بر پیستون وارد می‌شود، توسط فشار روغن p در محفظه تولید می‌شود و می‌توان آن را به صورت زیر بیان کرد:

p = F _K / آمپر = ما / آمپر = ( م / آمپر ) · d ولت / d ت             (2.4)

جایی که: م — جرم پیستون، مقدار ثابت؛

 آمپر — سطح مؤثر فشار بر روی پیستون، مقدار ثابت؛

 ولت — سرعت پیستون؛ دبی لحظه‌ای q حرکت پیستون محرک از رابطهٔ زیر پیروی می‌کند:

AV = q                                               (2.5)

از وقتي ولت و q در معادلهٔ (۲٫۵) توابعی از زمان هستند؛ با مشتق‌گیری ولت و q نسبت به زمان داریم:

آمپر د ولت / d ت = d q / d ت                                  (2.6)

جای‌گذاری معادلهٔ (۲٫۶) در معادلهٔ (۲٫۴) نتیجه می‌دهد:

p = ( م / آمپر ²) · d q / d ت                              (2.7)

در معادله (۲٫۷)، م / آمپر ²یک ثابت است؛ d q / d ت نرخ تغییر جریان سیستم را نشان می‌دهد.

با توجه به معادلات (۲٫۳) تا (۲٫۷)، فشار سیستم بر اساس تغییر جریان ورودی به محفظه روغن تعیین می‌شود. به عبارت دیگر، تغییر در جریان روغن هیدرولیک باعث ایجاد شتاب پیستون و نیروی اینرسی می‌شود که در نتیجه فشار محفظه روغن را ایجاد می‌کند. p .

فشار روغن سیستم p مستقیماً متناسب با جرم پیستون م و نرخ تغییر جریان d q /dت است و معکوس مربع مساحت سطح پیستون که فشار را تحمل می‌کند. آمپر برای کاهش فشار روغن سیستم p افزایش مساحت سطح پیستون که فشار را تحمل می‌کند آمپر روشی مؤثرترین است، اما همچنین باعث افزایش ابعاد بدنه ماشین می‌شود؛ بنابراین در طراحی باید هر دو عامل در نظر گرفته شوند.

فشار روغن سیستم p تابعی از دبی است و یک متغیر وابسته محسوب می‌شود؛ بنابراین در حین کار نمی‌توان آن را به‌صورت فعال تغییر داد، بلکه تنها با تغییر دبی ورودی، مقدار آن تغییر می‌کند. از آنجا که جریان روغن واردشده به محفظه روغن در کارکرد شکست‌دهنده هیدرولیکی سنگ تابعی از زمان است، فشار روغن p نیز با گذشت زمان تغییر می‌کند و مقدار ثابتی ندارد. فشار روغنی که در برگه اطلاعات فنی محصول ذکر شده است — که نویسندگان آن را «فشار روغن اسمی» می‌نامند — با نماد p _H نشان داده می‌شود. در این فشار، پارامترهای عملکردی شکست‌دهنده هیدرولیکی سنگ به مقادیر اسمی خود می‌رسند. p _H یک پارامتر مجازی است — یعنی در واقع وجود ندارد — اما در طراحی و استفاده از شکست‌دهنده هیدرولیکی سنگ اهمیت بسزایی دارد. در طراحی، p _H به‌عنوان پایه‌ای برای محاسبهٔ پارامترهای عملکردی، پارامترهای کاری و پارامترهای ساختاری و همچنین انتخاب اجزای سیستم هیدرولیکی استفاده می‌شود. در محل نصب، این پارامتر به یک مرجع مهم برای اپراتور جهت قضاوت دربارهٔ وضعیت عادی یا غیرعادی بودن کار سیستم تبدیل می‌شود. p _H در فصل‌های بعدی به‌طور بیشتری مورد بحث قرار خواهد گرفت.