Hydrauliisen kallionmurtaimen toimintaperiaatteen analyysi

2.2 Hydrauliisen kallionmurtaimen toimintaperiaatteen analyysi

Hydrauliisella kallionmurtaimella on monia rakenteellisia muotoja. Lähtien toimintaperiaatteesta kirjoittajat abstrahoivat ja tiivistävät kallionmurtaimen perustavanlaatuisimmat ja tärkeimmät ajatukset ja redusoivat ne kolmeen perustyötilaan: puhtaasti hydrauliiseen, hydrauliis-pneumaattiseen yhdistelmään ja typpi-rikastettuun räjäytysperiaatteeseen.

2.2.1 Puhtaasti hydrauliinen toimintaperiaate

Puhtaasti hydraulinen toimintaperiaate on kolmessa toteutusmuodossa: etukammion vakion paineen ja takakammion muuttuvan paineen yhdistelmä (lyhennetty 'etukammion vakion paineen periaate'), takakammion vakion paineen ja etukammion muuttuvan paineen yhdistelmä (lyhennetty 'takakammion vakion paineen periaate') sekä etu- ja takakammion muuttuvan paineen yhdistelmä (lyhennetty 'muuttuvan paineen periaate').

(1) Etukammion vakion paineen periaate

Tämä oli toimintaperiaate, jota käytettiin ensimmäisenä hydraulisten kallionmurtojen kehityksen alussa; kaikki myöhempät tekniset edistysaskeleet perustuvat siihen. Etukammion vakion paineen hydraulinen kallionmurto on esitetty kuvassa 2-1.

Kuvasta 2-1 nähdään, että järjestelmä koostuu sylinterikunnasta, männästä, ohjausventtiilistä ja öljykanavista. Sylinterikunta ja mäntä muodostavat iskumekanismin. Mäntä liikkuu edestakaisin sylinterikunnan sisällä hydraulinen öljyn voimalla, tuottaen ulospäin iskuenergiaa ja kohdistamalla suurta iskukuormaa kohdeobjektiin, mikä aiheuttaa vasaran vaikutuksen. Ohjausventtiilin tehtävä on kääntää männän liikuttavaa öljyä, jolloin saavutetaan männän jaksollinen edestakainen liike.

Kuvassa 2-1 esitetty hydraulinen kallionmurtoon tarkoitettu iskuri on asennettu siten, että sen mäntä on iskupisteessä; venttiilin liukusauva on asemassa, jossa se on juuri suorittanut vaihdon työiskusta paluuiskuun. Tässä tilanteessa korkeapaineinen öljy virtaa venttiilin vakio-korkeapaineiseen porttiin kautta sylinterin vakio-korkeapaineiseen kammioon (kammio a ) ja liikuttaa männää paluuiskulla (oikealle). Öljy männän muuttuvan paineen kammiossa (kammio b ) palautetaan säiliöön portin 4 ja ventiilin muuttuvapaineiseen / paluuöljyporttiin. Kun työntöpiston liike kääntyy takaisin niin pitkälle, että sen etupäätä vastaava kaulus ohittaa sylinterikunnan portin 2, korkeapaineinen öljy ohjataan työntöventtiilin porttiin 5, mikä aiheuttaa venttiilin kytkentämuutoksen (vasemmalle). Koska venttiilin vakio-korkeapaineinen kammio yhdistyy nyt keskitasoisesti muuttuvapaineiseen kammioon, korkeapaineinen öljy pääsee työntöpiston takaosan kammioon b portin 4 kautta. Nyt molemmat työntöpiston puolet ovat korkeapaineisen öljyn alaisia, mutta koska takaosan painealue on suurempi kuin etuosan painealue b on suurempi kuin etuosan painealue a piston alkaa jarruttaa paluuliikkeessä, sen nopeus laskee nollaan ja se aloittaa työntöliikkeen (vasemmalle). Kun pisteen keskellä oleva syvennös yhdistää portit 2 ja 3, piston on juuri saavuttanut iskupisteen, mikä täyttää yhden kierroksen; samalla työntöventtiilin portti 5 yhdistyy paluunesteliitäntään, jolloin liukusäleikkö siirtyy oikealle ja palaa kuvaan 2-1 esitettyyn asentoon, täyttäen yhden täyden kierroksen ja valmistautuen pisteen seuraavaan paluuliikkeeseen. Tällä tavoin piston saavuttaa jatkuvan iskun ja tuottaa jatkuvasti iskuenergiaa. Ilmakammio c tässä toimintaperiaatteessa ventiliöidään ilmakehään.

(2) Takakammion vakupaineperiaate

On huomattava, että tätä toimintaperiaatetta voidaan toteuttaa ainoastaan sillä edellytyksellä, että pisteen etukammion painealue a on suurempi kuin takakammion painealue b , ts. pisteen etukammion halkaisija on pienempi kuin takakammion halkaisija ( w ₁ > w ₂).

Kuva 2-2 esittää takakammion vakionpaineisen / etukammion muuttuvanpaineisen hydraulisen kallionmurtaimen kaaviota.

Vertailussa kuvaan 2-1 ainoa ero on se, että sylinterin rungon portti 1 on kytketty venttiilin muuttuvanpaineiseen kammioon sen sijaan, että se olisi kytketty vakionpaineiseen (korkeapaineiseen) kammioon; portti 4 on kytketty suoraan venttiilin vakionpaineiseen kammioon; kaikki muut öljykanavat ovat samanlaisia. Kuva 2-2 esittää hetkeä, jolloin pisteen voimakäyttöliike on juuri päättynyt ja venttiili on jo vaihtunut – järjestelmä on siinä tilanteessa, jossa paluuliike alkaa.

Tämän periaatteen työominaisuus on se, että hydraulinen kallionmurtaimen ei tyhjennä öljyä paluuliikkeen aikana, mutta se tyhjentää öljyä voimakäyttöliikkeen aikana; ja etukammion painealue a on suurempi kuin takakammion painealue b koska voimaviestin purkautumisaika on lyhyt ja virtaus suuri, tämän periaatteen aiheuttamat hydrauliset painehäviöt ovat suuremmat kuin etukammion vakio­paineperiaatteen aiheuttamat häviöt. Tällä hetkellä useimmat hydrauliset kallionmurtojärjestelmät eivät käytä tätä periaatetta.

(3) Etu- ja takakammion muuttuvan paineen periaate

Etujä ja takakammion muuttuvan paineen periaate on esitetty kuvassa 2–3. Tästä kaaviosta nähdään helposti, että tämän tyyppisellä hydraulisella iskulaiteella on monimutkainen rakenne, jossa on paljon kulkureittejä, mikä lisää valmistuskustannuksia. Siksi sitä ei tällä hetkellä käytetä hydraulisissa kallionmurtojärjestelmissä; sitä käytetään kuitenkin edelleen joissakin merkeissä olevissa hydraulisissa kallionporakoneissa.

Kuva 2–3 esittää pistoolin voimaviestin asentoa voimaviestin lopussa ja paluuliikkeen alussa. Kun paluuliike alkaa, korkeapaineista öljyä venttiilin keskikammiossa pääsee pistoolin etukammioon a vasemman kammion ja sylinterin portin 1 kautta, työntäen pistoolia oikealle. Takakammiossa oleva öljy b tyhjennetään öltankkiin sylinterin portin 5 ja venttiilin oikean kammion kautta. Paluuliikkeen aikana, kun pistoni vasen olkapää kulkee sylinterikunnan portin 2 kohdalla, korkeapaineinen öljy portin 7 kautta työntää venttiilin liukusätkiä oikealle; liukusätki vaihtaa hetkellisesti sylinterikunnan syöttö- ja tyhjennysöljypolut – sylinterin portti 5 menee korkeapaineiseksi ja sylinterin portti 1 menee takaisin öltankkiin – jolloin pistoni alkaa hidastua, sen nopeus laskee nopeasti nollaan ja se siirtyy voimaliikkeen kiihdytystilaan. Kun pistoni voimaliike saavuttaa iskupisteen, pistoni keskiosan syvennys yhdistää sylinterin portit 2 ja 3, portit 4 ja 5 yhdistetään toisiinsa, venttiilin liukusätkin vasen puoli yhdistyy portin 7 kautta portteihin 2 ja 3 paluuöljyn ohjaamiseksi, ja venttiilin liukusätkin oikean puolen portti 6 yhdistyy porttien 4 ja 5, venttiilin oikean puolen ja keskikammion kautta korkeapaineiseen, mikä aiheuttaa liukusätkin siirtymisen vasemmalle, muuttaen sylinterin syöttö- ja tyhjennysöljypolut ja täydentäen yhden pistoni työkierroksen. Hydrauliikan iskulaiteen pistoni ja liukusätki palautuvat tilaan, joka on esitetty kuvassa 2-3 – paluuliikkeen alku. Tällä tavoin hydrauliikka-iskunpuristin tuottaa pistoni jatkuvan edestakaisen liikkeen avulla jatkuvasti iskunenergiaa ulospäin ja suorittaa tehokkaasti iskutyötä.

Kaikki edellä kuvatut kolme puhtaasti hydraulista toimintaperiaatetta käytetään tällä hetkellä hydraulisissa kallionporakoneissa, hydraulisissa kallionmurtoissa ja muissa hydraulisissa iskumekanismeissa, mutta hydraulisia kallionmurtoja käytetään edelleen yleisemmin hydrauli-pneumaattista yhdistettyä toimintaperiaatetta.

2.2.2 Hydrauli-pneumaattinen yhdistetty toimintaperiaate

Puhtaasti hydraulisen toimintaperiaatteen analyysistä voidaan havaita, että kaikki puhtaasti hydraulisen iskumechanismin iskuenergia saadaan hydraulisesta järjestelmästä. Kuitenkin, kun puhtaasti hydraulisten kallionmurtojen käyttö lisääntyi ja tutkimus edistyi, havaittiin, että hydraulihäviöt olivat melko suuria, mikä rajoitti tehokkuuden lisäparantamista. Öljyn virtaaminen sylinterikunnan sisäisissä kanavissa aiheuttaa kitkaa putken seinämiä vasten, ja taipumien, halkaisijan muutosten ja virtaussuunnan muutosten aiheuttamat hydraulihäviöt ovat merkittäviä; mitä suurempi virtaus, sitä suuremmat häviöt, ja tämä on erityisen vakavaa voimaviestin aikana.

Tällä hetkellä hydraulis-pneumaattinen yhdistelmätoimintaperiaate käytetään pääasiassa suurta iskunenergiaa ja alhaista taajuutta vaativiin hydraulisiin kallionmurtoihin ja hydraulisiin paalukoneisiin.

Tehokkuuden parantamiseksi laajojen tutkimusten jälkeen ihmiset löysivät yksinkertaisen ja tehokkaan menetelmän: hydraulisen kallionmurron iskunenergian toimittamiseen käytetään yhdessä kaasua ja öljyä. Tämä vähentää virtausta voimaviestin aikana – mikä vähentää hydraulisia tappioita ja parantaa työtehokkuutta – ja siten syntyy hydraulis-pneumaattinen yhdistelmähydraulinen kallionmurto.

Hydraulis-pneumaattisen yhdistelmähydraulisen kallionmurron rakenteellinen periaate on erinomaisen yksinkertainen: riittää, että ilmakammio täytetään c kolmessa yllä mainitussa puhtaassa hydraulisessa periaatteessa typpikaasun kanssa tiettyyn paineeseen. Koska typpikaasu on nyt läsnä, typpikaasu puristuu takaisinliikkeen aikana ja energia varastoidaan; kun teholiike tapahtuu, tämä energia vapautuu yhdessä öljyn kanssa ohjaakseen pistonsi, saavuttaakseen liike-energiaa iskupisteessä ja muuntaakseen sen iskuenergiaksi. Selvästi typpikaasun rooli vähentää välttämättä öljyn käyttöä teholiikkeen aikana, mikä vähentää öljyn kulutusta ja siten saavuttaa pienempiä hydraulisia tappioita ja korkeampaa hyötysuhdetta.

Vertailussa puhtaaseen hydrauliseen kallionmurtoon pistonsi takakammion tehollinen painealue b hydrauliikka-pneumaattisessa yhdistetyssä kallionmurtojärjestelmässä vähenee. Tämän tehollisen painetta kantavan pinnan pienentyminen tarkoittaa vähemmän öljyn kulutusta voimaviestivaiheessa ja alhaisempia hydrauliikkahäviöitä – tämä on keskeinen syy, miksi hydrauliikka-pneumaattiset yhdistetyt kallionmurtojärjestelmät ovat kehittyneet nopeasti viime vuosina. Hydrauliikka-pneumaattiset yhdistetyt kallionmurtojärjestelmät käyttävät lähes kaikki eteensä sijaitsevan kammion vakion paineen toimintaperiaatetta; tämä on myös yhdistetyn hydrauliikka-pneumaattisen tyypin keskeinen ominaisuus.

2.2.3 Typpikaasu-räjäytysperiaate

Typpikaasu-räjäytysperiaatteen mukaisen hydrauliikkakallionmurtojärjestelmän toimintaperiaate ei ole perustavanlaatuisesti erilainen kuin hydrauliikka-pneumaattisen yhdistetyn hydrauliikkakallionmurtojärjestelmän toimintaperiaate; ainoat rakenteelliset erot liittyvät pistoolin parametreihin. Keskeinen ero on se, että etu- ja takapiston halkaisijat ovat yhtä suuret, ts. w ₂ = w ₁, ja kaikki iskunenergia saadaan typpikaasusta.

Yhtä suuret etu- ja takapiston halkaisijat ovat typpikaasulla toimivan hydraulisen kallionmurton kärkipiirteitä. Voimaviestin aikana takakammio ei kuluta öljyä, ja kaikki iskun energia voidaan tarjota typpikaasulla. Tietysti typpikaasun varastoitu energia saadaan hydraulisesta järjestelmästä palautusvaiheen aikana ja muunnetaan voimaviestin liike-energiaksi. Lopullisessa analyysissä kyseessä on siis edelleen hydraulisen energian muuntaminen – mutta kaasumaisen väliaineen puristuksen ja energian varastoinnin kautta varastoitua typpikaasun energiaa vapautetaan voimaviestin aikana ja muunnetaan pisteen mekaaniseksi energiaksi.

On huomattava, että typpiä käyttävään hydrauliseen kallionmurtoon voidaan soveltaa ainoastaan etukammion vakupaineperiaatetta; ei takakammion vakupaineperiaatetta eikä etu- ja takakammion muuttuvapaineperiaatetta voida soveltaa typpipohjaiseen hydrauliseen kallionmurtoon. Syy on selvä, kun ymmärtää pisteen ominaisuuden, joka w ₂ = w ₁.