Hydraulisten kallionmurtojen perustyöperiaate

1.3 Hydraulisten kallionmurtojärjestelmien perustoimintaperiaate

Hydraulinen kallionmurtoon tarkoitettu iskukone on laite, joka muuntaa hydraulisen energian mekaaniseksi energiaksi. Se sisältää kaksi perusliikkuvaa komponenttia – pistoni ja jakoventtiilin liukusätkän – jotka ohjaavat toisiaan keskinäisesti takaisinkytkennällä: liukusätkän edistävä ja takaisin kulkeva liike ohjaa pistoni vaihtoa, ja pistoni puolestaan avaa tai sulkee venttiilin ohjausöljykanavan kunkin iskun alussa ja lopussa, mikä mahdollistaa venttiilin vaihdon – tämä toistuu jatkuvasti… Hydraulisen kallionmurtoon tarkoitetun iskukoneen perustyöperiaate on: tämän pistoni–liukusätkä-takaisinkytkennän avulla pistoni liikkuu nopeasti edestakaisin hydraulisen (tai kaasun) voiman vaikutuksesta ja iskee kovapintaiseen työkaluun (esim. kivinuppuun), jolla tehdään ulkoista työtä.

Hydraulisia kallionmurtoon tarkoitettuja iskukoneita on monia eri tyyppejä ja muotoja, joita käsitellään yksityiskohtaisemmin myöhemmissä luvuissa. Alla esimerkkinä käytetään etukammion vakio­paineista ja takakammion muuttuvapaineista hydraulista kallionmurtoon tarkoitettua iskukonetta sen työperiaatteen kuvaamiseen:

Kuvassa esitetyn mukaisesti, kun paluuliike alkaa, korkeapaineinen öljy virtaa sylinterin etupuolen kammioon öljyportin 1 kautta ja vaikuttaa samanaikaisesti ohjausventtiilin liukkaimen alapäähän, pitäen liukkaimen vakavana tilassa, joka on esitetty kuvassa (a). Tällöin sylinterin etupuolen kammiossa on korkeapaineista öljyä; takakammio on yhdistetty paluuporttiin T öljyportin 4 kautta. Etupuolen kammion öljypaineen vaikutuksesta sylinteri kiihtyy paluuliikkeessä ja puristaa typpikaasua, joka on varastoituna typpikammioon (paitsi puhtaasti hydraulisessa tyypissä); akkumulaattori varastoi öljyä. Kun sylinterin paluuliike saavuttaa ohjausportin 2, korkeapaineinen öljy pääsee liukkaimen yläpäähän. Tällöin liukkaimen sekä ylä- että alapää on yhdistetty korkeapaineiseen öljyyn; koska suunnittelussa liukkaimen yläpään tehollinen pinta-ala on suurempi kuin alapään tehollinen pinta-ala, liukkain siirtyy korkeapaineisen öljyn vaikutuksesta tilaan, joka on esitetty kuvassa (b). Tällöin sekä sylinterin etu- että takakammio on yhdistetty korkeapaineiseen öljyyn; akkumulaattori purkaa öljyä täydentääkseen järjestelmää. Yhdistetyn voiman F_q vaikutuksesta sylinteri kiihtyy teholiikkeessä, iskee vasarapäähän ja tuottaa iskunenergiaa. Kun sylinteri kulkee iskupisteen ohi, ohjausportit 2 ja 3 yhdistetään ja kytketään paluuputkeen T; liukkaimen yläpään öljypaine laskee; alapään öljypaineen vaikutuksesta venttiilin liukkain siirtyy nopeasti takaisin tilaan, joka on esitetty kuvassa (a). Palatessaan alkuperäiseen tilaansa sylinteri aloittaa paluuliikkeen, jolloin se siirtyy seuraavaan iskukierrokseen, ja niin edelleen toistuvasti. Tässä prosessissa sylinterin ja venttiilin liukkaimen välisen liitoksen suhde on esitetty kuvassa 1–2.

Kuviosta 1-1 nähdään, että voimakkaalla iskulla, kun jätetään huomiotta pisteen paino ja kitkavastus, pistettä liikuttava voima F_q, joka aiheuttaa iskutyön, koostuu pääasiassa hydraulipaineesta ja typpikaasun paineesta, eli F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Liikuttava voima F_q riippuu etu- ja takakammion tehollisten pinta-alojen erotuksesta, öljypaineesta p ja typpikaasukammion paineesta p_N. Erilaisista öljyn ja kaasun tekemien töiden suhteista voidaan muodostaa kolme toimintamuotoa: puhtaasti hydraulinen, hydrauliikka-pneumaattinen yhdistelmä sekä typpipohjainen räjähtävä toimintamuoto.

Puhtaasti hydraulinen: p_N = 0. Tässä toimintamuodossa hydraulinen kallionmurtoon käytettävä laite ei sisällä typpikaasukammioita, ja pistettä liikuttaa kokonaan ylä- ja alakammion öljypaineen ero. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Tämä toimintamuoto oli ensimmäinen, jolloin hydrauliset kallionmurtoon käytettävät laitteet ilmestyivät markkinoille.

Hydrauliikka-pneumaattinen yhdistelmä: Tässä muodossa d₁ < d₂, ja samalla lisätään typpikammiopisteen takaosaan, jolloin typpi tekee työtä, p_N > 0. F_q koostuu pääasiassa kahdesta osasta: etu- ja takakammion öljypaine-eron ja typpin puristumis-laajenemisvoiman. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Tämä muoto on tällä hetkellä yleisin hydrauliikkakivinmurtoimurin muoto. Erilaisilla öljyn ja kaasun osuuksilla kokonaismekaanisessa voimassa eli erilaisilla kaasu-neste-työsuhteilla voidaan muodostaa eri suorituskykyisiä tuotteita.

Typpiräjäytysmuoto: Tässä muodossa d₁ = d₂ ja p_N > 0. Ylä- ja alakammion hydrauliikkavoima on nolla; pisteen työ voimansiirron aikana perustuu kokonaan typpikammion kaasupaineeseen. F_q = π/4 · p_N · d₁². Tämä muoto on uusin hydrauliikkakivinmurtoimurin muoto.

Kaikilla kolmella muodolla on omat edut ja haitat, mutta niiden kokonaissuorituskyky paranee sukupolvesta toiseen. Puhtaasti hydraulinen tyyppi, joka oli varhaisin tuotemalli, kun hydrauliset kallionmurtojärjestelmät ensimmäisen kerran ilmestyivät markkinoille, on rakenteeltaan yksinkertainen ja luotettavasti toimiva, eikä siihen tarvita alkuvoimaa, mutta sen energian hyötyosuus on alhainen eikä sitä sovellu valmistaa suurikokoisille tuotteille. Hydraulisesti-pneumaattinen yhdistelmätyyppi on merkittävä läpimurto verrattuna puhtaasti hydrauliseen tyyppiin: työntöpiston takaosaan lisätty typen säiliö mahdollistaa paluuliikkeen energian tehokkaan hyödyntämisen ja parantaa iskutehoa huomattavasti; rakenteesta tulee kuitenkin monimutkaisempi ja alkuvoimaa tarvitaan toiminnan käynnistämiseen. Typpi-rukoushydraulinen kallionmurtojärjestelmä ei energian näkökulmasta vaadi öljyn työntövoimaa voimakkaalla iskuliikkeellä, mikä tekee siitä energiatehokkaamman; samalla pisteen etu- ja takakammion halkaisijat ovat yhtä suuret, mikä ratkaisee tehokkaasti ongelman, jossa hetkellinen öljyn saanti ei riitä pisteen voimakkaalla iskuliikkeellä. Kuitenkin korkean alustavan typen täyttöpaineen vuoksi vaadittava työntövoima on suurempi.

1.4 Perusrakenne ja luokittelu hydraulisille kallionmurtojärjestelmille

1.4.1 Hydraulisten kallionmurtojärjestelmien perusrakenne

Vaikka hydraulisia kallionmurtojärjestelmiä on saatavilla monia eri malleja, niillä on yhteisiä rakenteellisia ominaisuuksia. Hydraulisen kallionmurtojärjestelmän perusosat ovat: sylinterikotelo, pistoni, jakoventtiili, akkumulaattori, typpikammio, kirkkaimen kiinnitysosa, kirkkain, korkealujuusruuvit sekä tiivistysjärjestelmät. Eri tyyppisten hydraulisten kallionmurtojärjestelmien rakenne vaihtelee hieman, mutta jokaisessa kallionmurtojärjestelmässä on kaksi perusliikkuvaa komponenttia – pistoni ja venttiilin liukupalkki. Sen perusrakenne on esitetty kuvassa 1–3.

(1) Iskumekanismi

Hydrauliikkinen kallionmurtoon tarkoitettu iskukone on suhteellisen pitkä ja ohut, ja sen tärkein komponentti on iskupistoni. Jännitysaaltojen etenemisteorian perusteella iskupiston iskuenergian tehokkaan siirtämisen maksimoimiseksi iskupiston halkaisija on yleensä suunnilleen sama kuin kovakärjen tyven päätyhalkaisija tai lähellä sitä, mikä varmistaa täydellisen kosketuksen iskupinnalla ja saavuttaa tarkoituksen tehokkaasta energiansiirrosta. Iskupiston ja sylinterikunnan tai liner-kotelon välinen sovitusväli on erittäin tärkeä tekninen parametri. Jos väli on liian suuri, syntyy hyvin suurta sisäistä vuotamista, mikä johtaa riittämättömään iskuvoimaan ja jopa siihen, että kallionmurtoon tarkoitettu iskukone ei toimi normaalisti; jos väli on liian pieni, pistoniin liike voi hidastua tai syntyä kierteitä, mikä samalla nostaa valmistuskustannuksia merkittävästi.

(2) Jakomekanismi

Hydraulinen kallionmurtoon tarkoitettu iskukone on yleensä varustettu jakoventtiilillä, joka muuttaa hydrauliöljyn virtaussuuntaa ja jolla sitä kautta ohjataan ja ajetaan iskupisteen takaisin- ja eteenpäin liikettä. Jakoventtiilien rakenteellisia muotoja on monia; ne voidaan yleensä jakaa kaikkiin kahden pääluokan: liukusulkuventtiileihin ja putkisulkuventtiileihin. Liukusulkuventtiilit ovat yleensä kevyitä, kuluttavat vähän öljyä, ovat pienempiä halkaisijaltaan ja niissä on pienempi kohdistusväli sekä vuotoluokka, mutta niillä on useimmiten askelmaisesti muotoiltu rakenne, suhteellisen heikko rakenteellinen konepellattavuus ja suuremmat kuristustappiot. Putkisulkuventtiilit ovat painavampia, suurempia halkaisijaltaan ja niissä kohdistusväli sekä vuotoluokka ovat myös suurempia; niiden rakenteellinen konepellattavuus on kuitenkin hyvä, avausalan gradientti on suuri ja kuristustappiot pieniä. Venttiililiukusulun ja venttiilikunnan tai venttiiliputken välinen kohdistusväli on toinen tärkeä tekninen parametri hydraulisten kallionmurtoon tarkoitettujen iskukoneiden valmistuksessa; liian suuri tai liian pieni väli aiheuttaa molemmissa tapauksissa sen, että venttiili ei toimi normaalisti.

(3) Akkumulaattorin paineen vakauttava mekanismi

Useimmissa hydraulisissa kallionmurtoissa on yksi tai useampi akkumulaattori, joiden tehtävänä on varastoida energiaa ja vakauttaa painetta. Hydraulinen kallionmurto tekee työtä ulospäin vain voimaviestä; paluuliike on valmistelua voimaviestä varten. Kun työntekijä palaa, hydraulinen öljy virtaa akkumulaattoriin paineella, joka on suurempi kuin latauskammion paine, ja varastoidaan muodossa potentiaalienergiaa öljyssä akkumulaattorissa. Energia vapautetaan työntekijän voimaviestä aikana, jolloin suurin osa paluuliikkeen energiasta muuttuu iskunenergiaksi. Tällä tavoin akkumulaattori parantaa järjestelmän työtehokkuutta ja vähentää myös jakoventtiilin liukusäätimen vaihtamisen aiheuttamia painevärähtelyjä ja virtauspulssoja.

(4) Toimintamekanismi

Kuulakärki on hydraulisen kallionmurton järjestelmän toimintakomponentti, joka tekee ulkoista työtä ja vaikuttaa suoraan työkappaleeseen; se on kulumisosana, joka vaatii hyvää kulumisvastusta, on kovaa ulkopuolelta ja sitkeää sisältä, ja jonka kovuus muuttuu asteikollisesti ulkopuolelta sisälle päin. Eri työolosuhteiden ja työkappaleiden huomioon ottamiseksi kuulakärjet ovat saatavilla kärjellä, neliömuotoisina, lapalla ja tasapäisinä.

(5) Tyhjäammuntia estävä mekanismi

Koska hydraulinen kallionmurtoon tarkoitettu iskukoneella on suuri iskuenergia, suora pisteen isku sylinterikunnalle aiheuttaa vakavia vaurioita kallionmurtoon tarkoitetun koneen rungolle — mikä johtaa tyhjäiskuun. Tyhjäiskun estorakenne koostuu sylinterikunnan etuosan lisäämisestä hydraulisesta vaimennuskammiosta. Kun kärki ei ole kosketuksissa kiveen ja liikkuu eteenpäin, iskupistoni menee vaimennuskammioiden sisään, puristaa siellä olevaa öljyä ja absorboi iskuenergian, mikä mahdollistaa koneen rungon pehmeän suojauksen. Samanaikaisesti etukammioiden öljynottoaukko suljetaan, jotta painovoiman ja takaosan typen vaikutuksesta pistoni ei voi vetäytyä taaksepäin; vasta kun kärki koskettaa uudelleen kiveä ja työntää pistonia takaisin suuremmalla käsivarren painolla, iskupistoni työntää vaimennuskammiosta ulos ja korkeapaineinen öljy voi sen jälkeen tulla etukammioiden sisään, jolloin normaali toiminta jatkuu. Kuvassa 1–4 esitetyn mukaan, kun hydraulinen kallionmurtoon tarkoitettu iskukone on rikkonut läpi murrottavan kohteen, pistoni voi tehdä enintään 1–2 tyhjäiskua ennen pysähtymistä. Käyttäjän on valittava uudelleen iskukohta, painettava kärkeä tiukasti, lisättävä painetta ja kärjen on työnnettävä pistonia pois alakammioiden öljynottoaukosta, jolloin työ voi alkaa uudelleen.

(6) Muut mekanismit

Hydraulisen kallionmurton muut mekanismit ovat muun muassa yhdistävä kehikko, värähtelyn vaimennusmekanismi, tiivistysjärjestelmä ja automaattinen voitelujärjestelmä jne.

1.4.2 Hydraulisten kallionmurtojen luokittelu

Hydraulisia kallionmurtoja on monia eri tyyppejä ja niitä voidaan luokitella useilla eri tavoilla. Tärkeimmät luokittelutavat ovat seuraavat:

(1) Käyttötavan mukainen luokittelu

Hydrauliset kallionmurrot luokitellaan käyttötavan mukaan kantajakoneeseen asennettaviin ja käsikäyttöisiin. Käsikäyttöiset mallit ovat pieniä kallionmurtoja, joita kutsutaan myös hydraulisiksi kivinoukiksi; niiden massa on yleensä alle 30 kg, niitä käytetään käsin ja ne toimivat erityisellä hydraulisella pumpupisteellä, ja niillä voidaan laajasti korvata ilmapaineella toimivat kivinoukit. Kantajakoneeseen asennettavat mallit ovat keskikokoisia ja suuria kallionmurtoja, jotka asennetaan suoraan hydraulisten kaivinkoneiden, kuormausten ja muiden hydraulisten kantajakoneiden nostopuomiin ja joissa käytetään kantajakoneen voimajärjestelmää, hydraulijärjestelmää ja nostopuomin liikejärjestelmää toimintojen suorittamiseen.

(2) Luokittelu työväliaineen mukaan

Hydrauliikkakivinmurtojat luokitellaan työväliaineen mukaan kolmeen pääluokkaan: puhtaasti hydrauliikkaisiin, hydrauliikka-pneumaattisesti yhdistettyihin ja typpikaasuun perustuviin räjähtävän toimintaperiaatteen mukaisiin. Puhtaasti hydrauliikkaiset tyypit perustuvat kokonaan hydrauliikkaöljyn paineeseen, joka ajaa pistontyötä; hydrauliikka-pneumaattisesti yhdistetyt tyypit perustuvat sekä hydrauliikkaöljyn että takaosassa olevan puristetun typpikaasun yhteisvaikutukseen pistontyön aikaansaamiseksi; typpikaasuun perustuvat räjähtävän toimintaperiaatteen mukaiset tyypit perustuvat kokonaan takaosan typpikaasukammion typpikaasun hetkelliseen laajenemiseen, joka työntää pistonta tekemään työtä.

(3) Luokittelu takaisinkytkentämenetelmän mukaan

Hydrauliset kallionmurtoiskurit luokitellaan takaisinkytkentämenetelmän mukaan iskunpituuden takaisinkytkentään ja paineen takaisinkytkentään. Erotus liittyy siihen, miten takaisinkytkentäsignaali kerätään jakoventtiilin vaihtoon. Iskunpituuden takaisinkytkentää käyttävät hydrauliset kallionmurtoiskurit perustuvat pistoniin, joka avaa ja sulkee korkeapaineisen öljyn takaisinkytkentäreiät iskunpituudella ohjatakseen jakoventtiilin vaihtoa; takaisinkytkentäreikien sijainnit voidaan asettaa vain jäykästi, ja rakenteellisten ehtojen rajoittamina takaisinkytkentäreikä voidaan asettaa enintään kolme; siksi iskunpituuden takaisinkytkentää käyttävät hydrauliset kallionmurtoiskurit eivät voi saavuttaa iskutaajuuden vaihtamatonta säätöä. Paineen takaisinkytkentää käyttävät hydrauliset kallionmurtoiskurit perustuvat järjestelmän paineen tai typpikammiopaineen keräämiseen pistoniin, joka sijaitsee typpikammiossa, ohjatakseen jakoventtiilin vaihtoa; kun pistoni siirtyy typpikammioon, typpikammiopaine muuttuu jatkuvasti, ja kun kammiosta asennettu painesensori havaitsee esiasetetun painearvon, venttiili vaihtaa mikrotietokoneen ohjauksella; koska vaihtopaine voidaan asettaa mielivaltaisesti, paineen takaisinkytkentää käyttävät hydrauliset kallionmurtoiskurit voivat saavuttaa vaihtamattoman säädön.

(4) Luokittelu jakelumenetelmän mukaan

Jakantiventtiilin muodon perusteella ne voidaan luokitella kaikkiin kolmitieventtiilin yksipuoliseen paluuöljyyn ja nelitieventtiilin kaksipuoliseen paluuöljyyn kuuluviksi kahdeksi pääluokaksi. Yksipuolisen paluuöljyn rakenteellisilla muodoilla on etuna yksinkertaiset öljykanavat ja helppo säätö; käytännössä niitä käytetään suhteellisen yleisesti. Yksipuolinen paluuöljy voidaan jakaa etusäiliön paluuöljyyn ja takasäiliön paluuöljyyn; näistä etusäiliön paluuöljymuodoilla on haittana suuri imu- ja paluuöljyn vastus, joten nykyisin yleisin muoto on etusäiliön vakupaineinen ja takasäiliön paluuöljy -muoto. Nelitieventtiilin kaksipuolinen paluuöljy tunnetaan myös kaksitoimisena tyypinä; sen ominaisuus on vakupainesäiliön puuttuminen ja etu- ja takasäiliöiden paineiden vaihtelu korkeasta matalaan vuorotellen; kaksipuolisen paluuöljyn rakenteellisten muotojen monimutkaisten öljykanavien vuoksi tätä muotoa käytetään kuitenkin harvoin.

(5) Luokittelu jakoventtiilin asettelun mukaan

Jakoventtiilin asettelun perusteella ne voidaan luokitella sisäisiksi ja ulkoisiksi. Sisäiset jakoventtiilit voidaan edelleen jakaa liukusarjan ja holkkityypin mukaan. Sisäiset jakoventtiilit ovat integroituja sylinterin kappaleeseen yhtenä kokonaisuutena, mikä mahdollistaa tiukemman rakenteen; ulkoiset jakoventtiilit sijaitsevat erillisinä sylinterin kappaleen ulkopuolella, mikä tekee niistä yksinkertaisemman rakenteen sekä helpommin huollettavat ja vaihdettavat.

Lisäksi melutaso perusteella ne voidaan luokitella alhaisen melutason ja standardimallisten mukaan; ulkoisen kotelomuodon perusteella ne voidaan luokitella kolmiomaisiksi, tornimaisiksi ja suljetuiksi kivinmurtajiksi jne. Eri luokittelumenetelmät on yhteenvetoitu kuvassa 1–5.