Paramètres techniques de base

2.1 Paramètres techniques de base

2.1.1 Paramètres d’un brise-roche hydraulique

(1) Paramètres de performance

Le et fréquence de chocs f sont les paramètres de performance qui caractérisent un brise-roche hydraulique. Le définit la capacité de travail du brise-roche ; f définit son taux de travail.

La puissance de sortie d’un brise-roche hydraulique peut s’exprimer par la formule suivante :

N = Le × f                                           (2.1)

Comme les deux paramètres qui caractérisent la performance — énergie de choc et fréquence de chocs — sont couplés entre eux, lors de la conception d’un brise-roche hydraulique, le rapport de Le à f doit être soigneusement équilibré. Dans la condition de capacité installée minimale, un rendement de fonctionnement maximal doit être atteint. Pour un brise-roche hydraulique, une énergie de choc élevée Le est requise et la fréquence de choc f doit être réduite de manière appropriée, afin de répondre aux besoins d’une force de choc élevée et d’un bon effet de fragmentation. Pour une perceuse rocheuse hydraulique, bien qu’il s’agisse également d’un mécanisme hydraulique à chocs, elle nécessite une faible énergie de choc Le et une fréquence de choc aussi élevée que possible f , afin de répondre aux besoins de forage à grande vitesse.

(2) Paramètres de fonctionnement

Vitesse maximale d’impact du piston v. Le groupe _m , débit de fonctionnement Q: Le numéro , pression de fonctionnement p , et force de poussée optimale F _T sont les paramètres de fonctionnement d’un brise-roche hydraulique.

● Vitesse maximale d’impact du piston v. Le groupe _m : il s’agit de la vitesse de contact instantanée lorsque le piston frappe l’extrémité arrière de la pointe. L’énergie cinétique correspondante du piston est définie comme l’énergie d’impact du marteau hydraulique Le . Lorsque l’énergie cinétique du piston est entièrement transférée à la cible, l’énergie d’impact du marteau hydraulique est la suivante :

Le = ½ mV ²_m                                            (2.2)

où : m — masse du piston.

D’après l’équation (2.2), plus la vitesse d’impact du piston est élevée, plus l’énergie d’impact est importante.

Toutefois, l’augmentation de v. Le groupe _m est limitée par deux facteurs :

1) Les propriétés matérielles du piston et de la pointe. Vitesse d’impact à l’extrémité v. Le groupe _m est lié à la contrainte de contact σ ; plus σ , plus cela affecte la durée de vie du piston et du burin. Sous la contrainte de contact admissible σ , la sélection typique est v. Le groupe _m = 9 à 12 m/s. À mesure que la science des matériaux progresse, la valeur de v. Le groupe _m peut être encore augmentée.

2) Limite de fréquence du mécanisme de percussion. En raison des limitations liées à la structure et à la course du piston, avec une course de piston fixe, l’accélération jusqu’à la vitesse requise v. Le groupe _m nécessite très peu de temps. Il est évident que plus v. Le groupe _m est élevé, plus le temps d’accélération requis est court.

Une fréquence faible signifie que le temps de cycle et le temps de course du piston sont tous deux longs, tandis qu’une fréquence élevée v. Le groupe _m conduit nécessairement à une course et un temps de cycle plus courts — c’est-à-dire à une fréquence de chocs élevée — qui ne permet pas de satisfaire aux exigences de conception à basse fréquence.

● Débit de fonctionnement Q: Le numéro : débit fourni au brise-roche hydraulique par la pompe hydraulique pendant le fonctionnement ; il s’agit d’une variable indépendante. Le comportement et les paramètres de performance du brise-roche hydraulique sont tous étroitement liés au débit de fonctionnement et en constituent des fonctions ; ils varient en fonction du débit de fonctionnement.

● Pression de fonctionnement p : pression requise par le système hydraulique lorsque le brise-roche hydraulique est en service — il s’agit de la pression du système nécessaire pour atteindre ses paramètres de performance. La pression de fonctionnement p est une variable dépendante ; elle varie en fonction du débit d’entrée Q: Le numéro et des paramètres structurels. Pendant le fonctionnement, lorsque tous les autres paramètres restent fixes, la pression p ne peut pas être modifiée activement. La pression de fonctionnement p et le débit d’entrée Q: Le numéro satisfaire le principe fondamental de la technologie hydraulique : la pression du système est déterminée par la charge externe. Selon ce principe, la conception d’un brise-roche hydraulique consiste à utiliser des paramètres structurels et un débit de fonctionnement afin de garantir que la pression de fonctionnement du système p soit atteinte.

● Force de poussée F _T lorsque le brise-roche hydraulique fonctionne, l’accélération du piston pendant la phase de puissance provoque un recul du corps de la machine, ce qui entraîne une perte de contact entre la pointe et la cible et empêche ainsi l’impact de fonctionner normalement. Pour contrer ce recul, une force doit être appliquée selon l’axe du corps du brise-roche — on l’appelle la force de poussée. Cette force de poussée doit être suffisamment élevée pour maintenir la pointe en contact ferme avec l’objet frappé. Elle doit être optimale. Autrement dit, il existe un problème d’optimisation de la force de poussée, étroitement lié à la classe de taille de la machine porteuse. Si celle-ci est trop petite, la force de poussée qu’elle peut fournir est insuffisante ; si elle est trop grande, bien que la demande en force de poussée soit satisfaite, le coût d’investissement de la machine porteuse augmente, ce qui est également indésirable. Dans la conception des brise-roches hydrauliques, atteindre une énergie de choc élevée avec une force de poussée réduite a toujours constitué un objectif d’optimisation. Cela permet d’associer un brise-roche hydraulique à haute énergie de choc à une machine porteuse plus petite, formant ainsi une combinaison de travail efficace et réduisant les coûts d’exploitation.

(3) Paramètres structurels

Les trois diamètres de piston d ₁, d ₂, et d ₃, masse en fonctionnement m , et course en fonctionnement S sont les paramètres structurels d’un brise-roche hydraulique. Les paramètres structurels déterminent ses paramètres de performance. Concevoir un brise-roche hydraulique revient essentiellement à déterminer les paramètres structurels d ₁, d ₂, d ₃, m , et S qui permettront d’atteindre les paramètres de performance requis. Une fois les paramètres structurels fixés, tous les paramètres de performance et les paramètres de fonctionnement varient avec le débit d’entrée et constituent des fonctions de ce débit d’entrée.

2.1.2 Pression d’huile de fonctionnement et pression nominale

(La pression nominale est désignée p _H dans toute cette section)

Lorsque le brise-roche hydraulique fonctionne, la pression de l’huile hydraulique entraîne le piston en mouvement, et le mode de ce mouvement est déterminé par la variation de cette force motrice hydraulique — il s’agit de la cinématique et de la dynamique du piston.

En tenant compte de la masse du piston m , de l'accélération a , et de la force d'inertie du piston F _K , la deuxième loi de Newton donne :

F _K = le nombre de                                              (2.3)

La force motrice F est égale en intensité F _K mais opposée en direction. La force motrice F agissant sur le piston est générée par la pression d'huile p dans la chambre et peut s'exprimer comme suit :

p = F _K / A = le nombre de / A = ( m / A ) · d v. Le groupe / d t             (2.4)

où : m — masse du piston, constante ;

 A — surface portante de pression du piston, constante ;

 v. Le groupe — vitesse du piston ; le débit instantané q: Le numéro qui entraîne le mouvement du piston satisfait à :

Av = q: Le numéro                                               (2.5)

Depuis v. Le groupe et q: Le numéro dans l’équation (2.5) sont des fonctions du temps ; leur dérivation v. Le groupe et q: Le numéro par rapport au temps donne :

A d v. Le groupe / d t = D q: Le numéro / d t                                  (2.6)

En substituant l’équation (2.6) dans l’équation (2.4), on obtient :

p = ( m / A ²) · d q: Le numéro / d t                              (2.7)

Dans l’équation (2.7), m / A ²est une constante ; d q: Le numéro / d t représente le taux de variation du débit du système.

D’après les équations (2.3) à (2.7), la pression du système est établie sur la base de la variation du débit d’entrée dans la chambre d’huile. Autrement dit, la variation du débit d’huile hydraulique génère une accélération du piston et une force d’inertie, qui, à leur tour, créent la pression dans la chambre d’huile p .

Pression d'huile du système p est proportionnelle à la masse du piston m et au taux de variation du débit d q: Le numéro /dt , et inversement proportionnelle au carré de la surface de la chambre du piston soumise à la pression A . Pour réduire la pression d’huile du système p , augmenter la surface de la chambre du piston soumise à la pression A constitue la méthode la plus efficace, mais elle augmente également l’encombrement de l’appareil ; aussi, ces deux facteurs doivent-ils être pris en compte lors de la conception.

Pression d'huile du système p est une fonction du débit et constitue une variable dépendante ; elle ne peut pas être modifiée activement pendant le fonctionnement, mais varie uniquement en fonction des variations du débit d’entrée. Comme le débit d’huile entrant dans la chambre d’huile est une fonction du temps lorsque le brise-roche hydraulique fonctionne, la pression d’huile p varie également avec le temps et n’a pas de valeur constante. La pression d’huile indiquée sur la fiche technique d’un produit, que les auteurs appellent pression nominale d’huile, est désignée par p _H . À cette pression, les paramètres de performance du brise-roche hydraulique atteignent leurs valeurs nominales. p _H est un paramètre virtuel — il n’existe pas réellement — mais il revêt une importance extrême dans la conception et l’utilisation d’un brise-roche hydraulique. En phase de conception, p _H sert de base au calcul des paramètres de performance, des paramètres de fonctionnement et des paramètres structurels, ainsi qu’à la sélection des composants du système hydraulique. Sur le terrain, il devient une référence essentielle pour l’opérateur afin d’évaluer si le système fonctionne normalement ou non. Le paramètre p _H sera abordé plus en détail dans les chapitres ultérieurs.