Korkeapaineakkumulaattorin suunnitteluteoria

3.3.1 Korkeapaineakkumulaattorin rooli

Teoriassa jokaisen hydraulisen kallionmurton tarvitsee muuttuvapaineista akkumulaattoria — erityisesti suurta korkeapaineakkumulaattoria.

Korkeapaineakkumulaattori, joka on asennettu hydraulisen kallionmurton järjestelmän sisääntuloon, täyttää kolme tehtävää:

(1) Tasapainottaa järjestelmän tarjonnan ja öljyn kulutuksen ylijäämää ja puutetta. Kun pumppu syöttää enemmän öljyä kuin järjestelmä kuluttaa, korkeapaineinen akkumulaattori ottaa ylijäämän vastaan ja toimii öljyn varastointilaitteena. Kun pumppu syöttää vähemmän öljyä kuin järjestelmä kuluttaa, akkumulaattori purkaa öljyä täydentääkseen puutteen ja toimii öljyn purkulaiteena. Korkeapaineinen akkumulaattori tasapainottaa järjestelmän virtausylijäämää ja -puutetta ja on tärkeä komponentti järjestelmän vakauden varmistamiseksi.

(2) Absorboi järjestelmän painevaihteluita ja vähentää pieniä painepiikkejä, suojaten putkistoja ja hydraulisia komponentteja sekä lisäten niiden käyttöikää.

(3) Hydraulisten iskumekanismien suunnittelussa abstraktin muuttuvateorian avulla akkumulaattori auttaa ekvivalenttisen voiman saavuttamisessa. Niin kauan kuin akkumulaattori on suunniteltu oikein, voidaan saada tarkka ekvivalenttinen voima, mikä varmistaa, että järjestelmä saavuttaa vaaditun kinematiikan ja dynamiikan.

Koska korkeapaineinen akkumulaattori täyttää tärkeän roolin hydraulisessa kallionmurtojärjestelmässä — ja erityisesti sen erityisroolia varmistaa, että järjestelmä saavuttaa vaaditut kinemaattiset ja dynaamiset ominaisuudet — oikean korkeapaineisen akkumulaattorin suunnitteluteorian ja -menetelmän kehittäminen on erinomaisen tärkeää.

3.3.2 Akkumulaattorin tehollinen purkutilavuus

Tehollinen purkutilavuus on tärkeä akkumulaattorin suorituskykyparametri ja myös akkumulaattorin suunnittelulaskelmien perusta. Kun hydraulinen kallionmurto laite toimii vakiotilassa, akkumulaattorin yhdessä syklossä varastoima ja purkama maksimimäärä öljyä on nimeltään tehollinen purkutilavuus, jota merkitään Δ:lla V .

Tehollinen purkutilavuus Δ V liittyy kinemaattisiin ominaisuuksiin. Kun pumppuvirtaus on vakio ja hydraulisen kallionmurto laitteen rakenne sekä kinemaattiset ominaisuudet ovat vakioita, iskun energia L _H , taajuus f _H ja tehollinen purkutilavuus Δ V ovat kaikki välttämättä kiinteitä. Siksi akkumulaattorin suunnittelussa tehollinen purkutilavuus tunnetaan jo etukäteen. Δ:n laskeminen V esitellään myöhemmissä luvuissa.

3.3.3 Tehollisen tilavuuden (lataustilavuuden) Vₐ laskeminen akkumulaattorille

Akkumulaattorin tehollisen tilavuuden laskennan perusta V _a on sen todellinen tehollinen purkutilavuus Δ V . Kun Δ V toimii akkumulaattorin sisällä, se aiheuttaa välttämättä järjestelmän öljypaineen muuttumisen, ja vastaavan voiman F _g on säilytettävä. Siksi on tutkittava akkumulaattorin suunnittelulaskentamenetelmä, joka täyttää edellä mainitut vaatimukset. Akkumulaattorin käytön aikainen paine(voima)–tilavuus-kaavio esitetään kuvassa 3-2.

Vaikka hydraulisen kallionmurton käsittelytaajuus ei ole erityisen korkea, typpikaasun puristus- ja laajenemisprosessi sen sisällä on kuitenkin melko nopea, eikä aikaa lämmönvaihtoon ympäristön kanssa ole riittävästi; sitä voidaan siksi käsitellä adiabaattisena prosessina. Kaasun tilayhtälöstä:

p ₁V ^k ₁ = p ₂V ^k ₂ = p _a V ^k _a                                                              (3.12)

mistä: p _a — latauspaine, eli suljetun kaasun paine;

       V _a — lataustilavuus, eli akkumulaattorin tilavuus, kun männän asento on iskupisteessä (yleensä suurin käyttötilavuus); V _amax );

       p ₂— suurin käyttöpaine;

       V ₂— tilavuus, joka vastaa p ₂(yleensä pienin käyttötilavuus); V _{2 min} );

       p ₁— pienin käyttöpaine;

       V ₁— tilavuus, joka vastaa p ₁, V ₁ < V _a .

Yhtälössä (3.12), k = 1,4 on adiabaattinen eksponentti. Selvästi:

δ V = V ₁ − V ₂                                                                      (3.13)

Yhtälöstä (3.12):

V ₁ = V _a (p _a / p ₁)^1/K                                                                 (3.14)

V ₂ = V ₁ (p ₁ / p ₂)^1/K                                                                 (3.15)

Sijoittamalla yhtälöön (3.13) saadaan:

δ V = V _a (p _a / p ₁)^1/K [1 − 1 / ( p ₂ / p ₁)^1/K ] (3.16)

Yhtälössä (3.16) olkoon p _a / p ₁ = a = 0,8–1; ja kaasun työpaineen suhde γ = p ₂ / p ₁, tyypillisesti γ = 1,2–1,45, valitaan hydraulisen kallionmurton työominaisuuksien perusteella. Kun a = 1, pisteen pienin työpaine vastaa täyttöpainetta ( p _a = p ₁); tässä tilassa V ₁ = V _a . Jotta akkumulaattorin kalvo ei koskettaisi pohjaa hydraulisen kallionmurron pienimmällä työpaineella — mikä lyhentäisi käyttöikää — a tulee asettaa alle 1.

Valinnassa on kaksi näkökohtaa γ : kun γ on suuri, akkumulaattori toimii adiabaattisessa tilassa, jolloin lämpötila nousee voimakkaasti, mikä voi aiheuttaa akkumulaattorikalvon ennenaikaista rappeutumista tai jopa polttoutumista; mutta γ :n kasvattaminen voi tehokkaasti vähentää akkumulaattorin hyödyllistä tilavuutta V _a , mikä on erinomaista akkumulaattorin rakenteellisen kokonaisuuden pienentämiseksi. Suunnittelijan on arvioitava etu- ja haittapuolia ja tehtävä päätös sovellusehdoista riippuen; siksi:

δ V = V _a a ^1/K (1 − 1 / γ ^1/K ) (3.17)

Yhtälöstä (3.17) voidaan määrittää akkumulaattorin hyödyllinen tilavuus:

V _a = Δ Vγ ^1/K \/ [ a ^1/K (γ ^1/K − 1)] (3.18)

Yhtälö (3.18) osoittaa, että tehokkaasta purkutilavuudesta Δ V , voidaan määrittää vastaava lataustilavuus, jotta suunnitellut kinemaattiset ominaisuudet ja Δ V saavutetaan. Käytännössä tehokas purkutilavuus Δ V on öljymäärä, jonka akku toimittaa männään voimansiirron aikana kompensoimaan pumpun riittämätöntä tuottoa.

Tehokkaan purkutilavuuden Δ V suunnittelulaskelmaa varten katso kohta 7.5. Optimaalisen suunnittelun vaatimusten täyttämiseksi eri suunnittelutavoitteiden mukaan tehokkaan purkutilavuuden Δ V laskenta muuttuu valitun α _u (katso kohdat 7.2.5 ja 7.27a).

3.3.4 Minimityöpaineen p₁ ja täyttöpaineen pₐ laskeminen

Tässä vaiheessa, vaikka V _a on löydetty ja sitä voidaan käyttää akkumulaattorin rakenteellisten parametrien suunnittelussa, akkumulaattorin suunnittelulaskenta ei ole vielä valmis. Tärkein kysymys on, miten öljypainetta on säädelttävä, jotta saavutetaan vastaava voima; ja vastaavan voiman saavuttaminen takaa suunnitellun kinematiikan, mikä puolestaan takaa Δ V :n. Toisin sanoen Δ V ja F _g .

On huomattava, että kun V _a on kiinteä arvo, p ₁, p ₂, ja p _a voi olla useita eri yhdistelmiä, joilla saavutetaan useita vastaavia voimia, useita dynaamisia ominaisuuksia ja useita kinemaattisia ominaisuuksia – eli useita eri Δ V arvoja. Seuraavana tehtävänä on, kun annettu V _a on kiinteä, löytää yhdistelmä p ₁, p ₂, ja p _a joka voi saavuttaa vaaditun vastaavan voiman F _g ja Δ V koska kun p _a muuttuu, L _H , f _H , Δ V , p ₁, ja p ₂muuttuvat kaikki vastaavasti. Toisin sanoen on oltava varauspaine p _a joka takaa vastaavan paineen saavuttamisen p _g tietysti perusta p _a is p ₁ja p ₂:n eli vastaavan paineen löytämiselle p _g kun näiden parametrien väliset suhteet tunnetaan, voidaan määrittää menetelmä p ₁, p ₂, ja p _a vastaavasta paineesta p _g voidaan tutkia.

Kuva 3-2 esittää p –V korkeapaineakkumulaattorin toimintakaaviossa. Tämän kaavion perusteella ja yhdistettynä vastaavan voiman periaatteeseen — muuttuvan voiman tekemä työ on yhtä suuri kuin vastaavan voiman tekemä työ — saamme:

p _g δ V = ∫ _V₂ ^V₁ p w V                                                                  (3.19)

Yhtälössä (3.19):

p = C / V ^k

Sijoitetaan yhtälöön (3.19) ja integroidaan:

p _g δ V = C ∫_V₂ ^V₁ w V / V ^k = 1 / (1 − k ) ( p ₁V ^k ₁V ^1−k ₁ − p ₂V ^k ₂V ^1−k ₂) (3.20)

Siten:

p _g δ V = 1 / (1 − k ) ( p ₁V ₁ − p ₂V ₂) (3.21)

Poistaminen V ₁ja V ₂sijoittamalla ja sijoittamalla yhtälö (3.17) saadaan:

p _g = p ₁\/ ( k − 1) · ( γ − γ ^1/K ) / ( γ ^1/K − 1) (3.22)

Järjestämällä uudelleen:

p ₁ = p _g (k − 1) ( γ ^1/K − 1) / ( γ − γ ^1/K ) (3.23)

Yhtälössä (3.23) p _g on vastaava paine, joka kohdistuu pistoolin painetta kantavalle pinnalle. Ottaen huomioon järjestelmän painehäviöt sen tulisi ilmaista järjestelmän nimellispaineena p _g = p _H / K - Mitä? - Mitä? p ₁ja p ₂tällä tavoin saadut arvot ovat lähempänä todellisia arvoja. Siksi:

p ₁ = ( p _H / K )(k − 1)( γ ^1/K − 1) / ( γ − γ ^1/K ) (3.24)

p ₂ = γp ₁                                                                             (3.25)

p _a = - Ei, ei, ei. ₁                                                                             (3.26)

Yhtälössä (3.24) resistanssikerroin, joka ottaa huomioon järjestelmän painehäviöt, on K = 1,1–1,2.

Kun hydraulisen kallionmurton korkenpaineinen akkumulaattori toimii näillä parametreilla, varmistetaan vastaavan voiman liikevaikutuksen saavuttaminen, suunniteltujen kinemaattisten ominaisuuksien toteutuminen sekä vaaditun iskunenergian ja iskutaajuuden toimittaminen. Tällä tavoin monimutkainen laskentatehtävä yksinkertaistuu ja epälineaarinen tehtävä linearisoidaan.

Edellä mainitun perusteella hydrauliikkaan perustuva iskulaite (hydrauliikkaan kallionporakone ja hydrauliikkaan kallionmurto) – eli epälineaarinen järjestelmä – muunnetaan lineaariseksi järjestelmäksi. Teoreettisesta näkökulmasta pistoni voi liikkua iskun matkan verran S miten tahansa, kunhan sen liikettä voidaan säätää ja se saavuttaa iskukohdassa vaaditun maksiminopeuden v _m — kaikki tämä on mahdollista. Jokaista pisteen liikekuvioita vastaa vastaava voimavaihtelukuvio; nämä kaksi ovat syy-seuraussuhteessa toisiinsa. Toisin sanoen, riippumatta siitä, mikä liikekuviopisteen liike on, siihen on sovellettava vastaava voimavaihtelukuvio — voima on syy, liike on seuraus.

Tietysti, kun optimaalinen liikekuviopisteen liike on suunniteltu, voidaan myös määrittää vastaava voimavaihtelukuvio, mikä nostaa kaksi teoreettista tutkimusaihetta hydraulisten kallionmurtojen tutkimukseen: hydraulisen kallionmurron kinematiikka ja dynamiikka.