A hidraulikus kőtörő működésének elemzése

2.2 A hidraulikus kőtörő működésének elemzése

A hidraulikus kőtörő számos szerkezeti formában létezik. A működési elvből kiindulva a szerzők absztrahálják és összefoglalják a hidraulikus kőtörő legalapvetőbb, legfontosabb gondolatait, és három alapvető működési módba redukálják őket: tisztán hidraulikus, hidraulikus–neumás kombinált és nitrogénrobbanásos.

2.2.1 Tisztán hidraulikus működési elv

A tisztán hidraulikus működési elv három megvalósítási formája létezik: előtér állandó nyomású / hátul tér változó nyomású (rövidítve: „előtér állandó nyomású elv”), hátul tér állandó nyomású / előtér változó nyomású (rövidítve: „hátul tér állandó nyomású elv”) és előtér–hátul tér változó nyomású (rövidítve: „változó nyomású elv”).

(1) Előtér állandó nyomású elv

Ez volt a hidraulikus kőtörők fejlesztésének kezdetén elsőként alkalmazott működési elv; minden későbbi technikai fejlesztés erre épült. Az előtér állandó nyomású hidraulikus kőtörőt a 2-1. ábra mutatja.

A 2-1. ábrából kitűnik, hogy a rendszer egy hengerpalástból, egy dugattyúból, egy vezérlő szelepből és olajvezetékekből áll. A hengerpalást és a dugattyú alkotja az ütő mechanizmust. A dugattyú a hidraulikus olaj által hajtva mozog előre-hátra a hengerpalást belsejében, külsőleg ütőenergiát szolgáltatva, és nagy ütőerőt fejt ki a célponton, így kalapács hatást eredményezve. A vezérlő szelep feladata az olaj áramlási irányának megfordítása a dugattyú hajtásához, ezzel biztosítva a dugattyú periodikus ingamozgását.

A 2-1. ábrán látható hidraulikus kőtörőnél a dugattyú az ütési ponton helyezkedik el; a szeleptömb éppen befejezte a munkaütemről a visszatérő ütemre történő átkapcsolást. Ebben a pillanatban a magasnyomású olaj a szelep állandó magasnyomású portján keresztül jut be a henger állandó magasnyomású kamrájába (kamra a ) és hajtja a dugattyút a visszatérő ütem során (jobbra). Az olaj a dugattyú változó nyomású kamrájában (kamra b ) visszatér a tartályba a 4-es porton keresztül és a szelep változó nyomású / visszatöltő olajportján keresztül. Amikor a dugattyú visszafelé mozog, amíg elülső válla át nem halad a henger testén lévő 2-es porton, a nagynyomású olaj a tolószelep 5-ös portjába irányul, ami a szelep átkapcsolását (balra) eredményezi. Mivel a szelep állandó nagynyomású kamrája most az köztes változó nyomású kamrához kapcsolódik, a nagynyomású olaj a dugattyú hátsó kamrájába jut b a 4-es porton keresztül. A dugattyú mindkét oldala most nagynyomású olaj alatt áll, de mivel a hátsó kamra nyomás alatti felülete b nagyobb, mint az elülső kamraé a a dugattyú lassulni kezd a visszatérő ütés során, sebessége nullára csökken, és megkezdi az ütőütközést (balra). Amikor a dugattyú középső mélyedése összeköti a 2-es és a 3-as portokat, a dugattyú éppen elérte az ütési pontot, ezzel egy ciklus befejeződött; ugyanakkor a tolózár 5-ös portja összekapcsolódik a visszatérő olajvezetékkel, így a csúszkazár jobbra kapcsol, visszatérve a 2–1. ábrán látható helyzetbe, ezzel egy teljes ciklus befejeződik, és felkészül a dugattyú következő visszatérő ütésére. Így a dugattyú folyamatos ütést ér el, folyamatosan kibocsátva az ütési energiát. Légkamra c ez a működési elv a légkamrában a levegőt a környezeti levegőbe engedi.

(2) Hátsó kamra állandó nyomású elve

Meg kell jegyezni, hogy ezt a működési elvet csak akkor lehet megvalósítani, ha a dugattyú elülső kamrájának nyomás alá kerülő felülete a nagyobb, mint a hátsó kamra nyomás alá kerülő felülete b , azaz a dugattyú elülső kamrájának átmérője kisebb, mint a hátsó kamra átmérője ( m ₁ > m ₂).

A 2-2. ábra egy hátsó kamrás állandó nyomású / elülső kamrás változó nyomású hidraulikus kőtörő sémáját mutatja.

A 2-1. ábrához képest az egyetlen különbség az, hogy a henger testén lévő 1-es csatlakozó a változó nyomású (nem az állandó nyomású, azaz magasnyomású) kamrához csatlakozik; a 4-es csatlakozó közvetlenül az állandó nyomású kamrához kapcsolódik; minden más olajvezeték azonos. A 2-2. ábra azt a pillanatot mutatja, amikor a dugattyú teljesítményütközése éppen befejeződött, és a szelep már átkapcsolt – a rendszer abban a pillanatban van, amikor a visszatérő ütés kezdődik.

Ennek az elvnek a működési jellemzője, hogy a hidraulikus kőtörő a visszatérő ütés során nem enged ki olajat, de a teljesítményütközés alatt kibocsátja; továbbá az elülső kamra nyomás alá helyezett felülete a nagyobb, mint a hátsó kamra nyomás alá kerülő felülete b mivel a munkaütem leengedési ideje rövid, és a térfogatáram nagy, ennek az elvnek a hidraulikus nyomásveszteségei nagyobbak, mint a frontkamrás állandó nyomású elv esetében. Jelenleg a legtöbb hidraulikus kőtörő nem alkalmazza ezt az elvet.

(3) Elő- és hátsó kamrás változó nyomású elv

Az elő- és hátsó kamrás változó nyomású elv a 2–3. ábrán látható. Ebből a vázlatból könnyen megállapítható, hogy ez a típusú hidraulikus ütőberendezés bonyolult szerkezettel rendelkezik, sok átjáróval, ami növeli a gyártási költségeket. Ezért jelenleg nem használják hidraulikus kőtörőkben; egyes hidraulikus kőfúró márkák még mindig alkalmazzák.

A 2–3. ábra a dugattyú munkaütemének végállását, illetve a visszatérő ütem kezdetét mutatja. Amikor a visszatérő ütem megkezdődik, a szelep középső kamrájából származó magas nyomású olaj a bal oldali kamrán és a henger 1-es portján keresztül jut be a dugattyú előkamrájába a és tolja a dugattyút jobbra. A hátsó kamrában lévő olaj b a henger 5-ös portján és a szelep jobb oldali kamráján keresztül ürül ki az olajtartályba. A visszatérő ütés során, amikor a dugattyú bal oldali válla áthalad a henger testén lévő 2-es porton, a magas nyomású olaj a 7-es porton keresztül tolja el a szelepszárnyat jobbra; a szelepszárny pillanatszerűen átkapcsolja a henger testének ellátó és lefolyó olajútjait – a henger 5-ös portja magas nyomásra kapcsol, míg a henger 1-es portja a tartályba történő visszatérésre – így a dugattyú lassulni kezd, sebessége gyorsan nullára csökken, majd átkapcsol a teljesítményütközés gyorsítására. Amikor a dugattyú teljesítményütközése eléri az ütési pontot, a dugattyú középső mélyedése összeköti a henger 2-es és 3-as portjait, a 4-es és 5-ös portok is összekapcsolódnak, a szelepszárny bal oldala a 7-es porton keresztül a 2-es és 3-as portokkal kapcsolódik visszatérő olajhoz, míg a szelepszárny jobb oldali 6-os portja a 4-es és 5-ös portokon, a szelep jobb oldali és köztes kamráján keresztül magas nyomásra kapcsol, ami miatt a szárny balra kapcsol, megváltoztatva ezzel a henger ellátó és lefolyó olajútjait, és befejezve egy teljes munkacyklust a dugattyú számára. A hidraulikus ütőberendezés dugattyúja és szárnya visszatér a 2–3. ábrán látható állapotba – a visszatérő ütés kezdete. Így a hidraulikus kőtörő a dugattyú folyamatos ingadozó mozgásával folyamatosan külső hatásra adja le az ütési energiát, hatékonyan elvégezve az ütési munkát.

A fent leírt mindhárom tisztán hidraulikus működési elv jelenleg is alkalmazásban van hidraulikus szikafúrókban, hidraulikus szikatörőkben és egyéb hidraulikus ütőberendezéseken, de a hidraulikus szikatörők továbbra is gyakrabban használják a hidraulikus-pneumatikus kombinált működési elvet.

2.2.2 Hidraulikus-pneumatikus kombinált működési elv

A tisztán hidraulikus működési elv elemzéséből kitűnik, hogy egy tisztán hidraulikus ütőberendezés teljes ütőenergiáját a hidraulika szolgáltatja. Azonban ahogy a tisztán hidraulikus szikatörők alkalmazása növekedett, és a kutatások előrehaladtak, kiderült, hogy a hidraulikai veszteségek meglehetősen nagyok, ami korlátozta a hatékonyság további javítását. A henger testén belüli csatornákon átfolyó olajnak dörzsölnie kell a csőfalakat, és a kanyarok, az átmérőváltozások, valamint az áramlási irány megváltozása miatt keletkező hidraulikai veszteségek jelentősek; minél nagyobb az áramlási sebesség, annál nagyobbak a veszteségek, és ez különösen súlyos a munkaütem során.

Jelenleg a hidraulikus-pneumatikus kombinált működési elv elsősorban nagy ütőenergiát és alacsony frekvenciát igénylő hidraulikus kőtörőkhöz és hidraulikus cölöpverőkhöz használatos.

Az hatékonyság javítása érdekében, miután kiterjedt kutatásokat végeztek, az emberek egy egyszerű és hatékony módszert találtak: a gáz és az olaj együttes alkalmazását a hidraulikus kőtörő ütőenergiájának biztosítására. Ez csökkenti a teljesítményszakasz során szükséges folyadékáramlást – csökkentve ezzel a hidraulikus veszteségeket és javítva a munkavégzés hatékonyságát – így jött létre a hidraulikus-pneumatikus kombinált hidraulikus kőtörő.

A hidraulikus-pneumatikus kombinált hidraulikus kőtörő szerkezeti elve nagyon egyszerű: csak a levegőkamrát kell feltölteni. c a fent említett három tiszta hidraulikai elv szerint, amelyekben a nitrogén meghatározott nyomáson jelen van. Mivel a nitrogén jelen van, amikor a dugattyú visszatérő ütést végez, a nitrogén összenyomódik, és energiát tárol; amikor a munkaütközés bekövetkezik, ez az energia együtt szabadul fel az olajjal, hogy meghajtsa a dugattyút, így kinetikus energiát ér el az ütéspontra, és ezt ütésenergiává alakítja át. Nyilvánvaló, hogy a nitrogén szerepe szükségszerűen csökkenti az olaj mennyiségét a munkaütközés során, csökkentve ezzel az olajfogyasztást, és így alacsonyabb hidraulikai veszteséget és magasabb hatásfokot ér el.

Egy tiszta hidraulikus kőtörőhöz képest a dugattyú hátsó kamrájának hatékony nyomás alatti felülete b hidraulikus-pneumatikus kombinált hidraulikus kőtörőben csökken. Ez a hatékony nyomás alá kerülő felület csökkenése kevesebb olajfogyasztást eredményez az üzemelési ütés során, valamint alacsonyabb hidraulikus veszteségeket – ez az oka annak, hogy a hidraulikus-pneumatikus kombinált hidraulikus kőtörők az utóbbi években gyorsan fejlődtek. A hidraulikus-pneumatikus kombinált hidraulikus kőtörők majdnem mindegyike a frontkamra állandó nyomású működési elvet alkalmazza; ez a hidraulikus-pneumatikus kombinált típus egyik kulcsjellemzője is.

2.2.3 Nitrogén-robbanásos működési elv

A nitrogén-robbanásos hidraulikus kőtörő működési elve nem különbözik lényegesen a hidraulikus-pneumatikus kombinált hidraulikus kőtörő működési elvétől; a dugattyú szerkezeti paraméterei egyszerűen eltérnek. A kulcskülönbség az, hogy a front- és hátsó dugattyúátmérők megegyeznek, azaz m ₂ = m ₁, és az összes ütőenergiát a nitrogén szolgáltatja.

Az egyenlő elülső és hátsó dugattyúátmérők a nitrogénrobbanásos hidraulikus kőtörő fő jellemzője. A munkaütem során a hátsó kamra nem fogyaszt olajat, és az ütési energia teljes egészében a nitrogénből származik. Természetesen a nitrogén tárolt energiáját a visszatérő ütem során a hidraulika szolgáltatja, és ezt az energiát a munkaütem során mozgási energiává alakítják át. Ezért végül is továbbra is hidraulikus energia alakul át – de gáz közeg összenyomásán és energiatároláson keresztül a tárolt nitrogénenergia a munkaütem során szabadul fel, és mechanikai energiává alakul a dugattyú számára.

Meg kell említeni, hogy csak az elülső kamra állandó nyomású elve alkalmazható a nitrogénrobbanásos hidraulikus kőtörőnél; sem az hátsó kamra állandó nyomású elve, sem az elülső és hátsó kamra változó nyomású elve nem alkalmazható nitrogéntípusú hidraulikus kőtörőnél. Az ok egyértelmű, ha megértjük a dugattyú jellemzőjét, amely m ₂ = m ₁.