A hidraulikus kőtörők alapvető működési elve

1.3 A hidraulikus kőtörők alapvető működési elve

Egy hidraulikus kőtörő egy ütőgép, amely a hidraulikus energiát mechanikai energiává alakítja. Két alapvető mozgó alkatrészből áll – egy dugattyúból és egy elosztószelep-tolattyúból –, amelyek kölcsönösen szabályozzák egymást: a tolattyú ingadozó mozgása vezérli a dugattyú kapcsolását, míg a dugattyú maga, minden ütés kezdetén és végén megnyitja vagy lezárja a tolattyú vezérlőolaj-áramkörét, ezzel megvalósítva a tolattyú kapcsolását – így ciklikusan működnek… Egy hidraulikus kőtörő alapvető működési elve a következő: ezen dugattyú–tolattyú visszacsatolásos szabályozás révén a dugattyú gyorsan ingadozik a hidraulikus (vagy gázos) erő hatására, és ütést mér a kifogóra, hogy külső munkát végezzen.

A hidraulikus kőtörők számos típusban és formában léteznek, amelyeket a későbbi fejezetekben részletesen ismertetünk. Az alábbiakban egy példaként bemutatjuk a frontkamrás állandó nyomású, hátsókamrás változó nyomású hidraulikus kőtörő működési elvét:

Az ábrán látható módon, amikor a visszatérő ütés megkezdődik, a nagynyomású olaj az 1-es olajcsatlakozón keresztül jut be a dugattyú elülső kamrájába, és egyidejűleg hat a vezérelt szelep tolattyújának alsó végére, így a tolattyú stabilan a (a) ábrán látható állapotban marad. Ekkor a dugattyú elülső kamrájában nagynyomású olaj van; a hátsó kamra a 4-es olajcsatlakozón keresztül kapcsolódik a visszatérő (T) olajhoz. Az elülső kamrában lévő olajnyomás hatására a dugattyú gyorsulva végzi a visszatérő ütést, és összenyomja a nitrogénkamrában tárolt nitrogént (kivéve a tisztán hidraulikus típusokat); az akkumulátor olajat tárol. Amikor a dugattyú visszatérő ütése eléri a 2-es vezérlőnyílást, a nagynyomású olaj eléri a tolattyú felső végét. Ekkor a tolattyú felső és alsó végét is nagynyomású olaj éri; mivel a tervezés során a tolattyú felső végének hatékony felülete nagyobb, mint az alsó végének hatékony felülete, a tolattyú a nagynyomású olaj hatására átkapcsol a (b) ábra állapotába. Ekkor a dugattyú elülső és hátsó kamrája is nagynyomású olajhoz kapcsolódik; az akkumulátor olajat bocsát ki a rendszer kiegészítésére. A F_q eredő erő hatására a dugattyú gyorsulva végzi a munkaütést, üt a kalapácsfejbe, és ütőenergiát ad le. Amikor a dugattyú áthalad az ütési ponton, a 2-es és 3-as vezérlőnyílások összekapcsolódnak és a visszatérő olajhoz (T) csatlakoznak; a tolattyú felső végén lévő olajnyomás csökken; az alsó végén lévő olajnyomás hatására a tolattyú gyorsan visszakapcsol a (a) ábra állapotába. Így visszatér az eredeti állapotba, és a dugattyú újra megkezdi a visszatérő ütést, majd a következő ütési ciklus kezdődik, és így tovább, ciklikusan. Ebben a folyamatban a dugattyú és a tolattyú közötti kapcsolatot az 1-2. ábra mutatja.

1–1. ábrából látható, hogy a munkaütem során – figyelmen kívül hagyva a dugattyú súlyát és a súrlódási ellenállást – az F_q erő, amely a dugattyú ütőmunkáját hajtja, főként a hidraulikus nyomásból és a nitrogéngáz nyomásából tevődik össze, azaz F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Az F_q hajtóerő függ a front- és hátsó kamra hatékony felületkülönbségétől, az olajnyomástól (p) és a nitrogénkamra nyomásától (p_N). Az olajmunka és a gázmunka különböző aránya alapján három működési forma alakulhat ki: tisztán hidraulikus, hidraulikus-pneumatikus kombinált, illetve nitrogénrobbanásos.

Tisztán hidraulikus: p_N = 0. Ebben a formában a hidraulikus kőtörő nem rendelkezik nitrogénkamrával, és a dugattyút teljes mértékben a felső–alsó kamrák közötti olajnyomás-különbség hajtja. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Ez a forma a hidraulikus kőtörők megjelenésekor jelent meg először.

Hidraulikus-pneumatikus kombináció: Ebben a formában d₁ < d₂, és egyidejűleg nitrogénkamrát adnak hozzá a dugattyú farán, amelyben a nitrogén végez munkát, p_N > 0. Az F_q erő főként két részből áll: az elülső és hátsó kamrák közötti olajnyomás-különbségből, valamint a nitrogén összenyomási–tágulási erőből. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Ez a forma jelenleg a leggyakoribb hidraulikus kőtörő típus. A teljes hajtóerőn belüli olaj- és gáz által végzett munka arányától – azaz a különböző gáz-folyadék munkaaránytól – függően különböző teljesítményű termékek alakíthatók ki.

Nitrogénrobbanásos: Ebben a formában d₁ = d₂, p_N > 0. A felső és alsó kamrában ható hidraulikus erő nulla; a dugattyú munkája a teljes munkafázis során kizárólag a nitrogénkamra gáznymomása által hajtott. F_q = π/4 · p_N · d₁². Ez a forma a legújabb típusú hidraulikus kőtörő.

Mindhárom típusnak megvannak a maga előnyei és hátrányai, de teljesítményük általánosságban egy generációról a következőre javul. A tisztán hidraulikus típus, amely a hidraulikus kőtörők első megjelenésekor jelent meg, egyszerű szerkezettel és megbízható működéssel rendelkezik, és nem igényel kezdő tolóerőt, de alacsony az energiakihasználás hatékonysága, valamint nem alkalmas nagyméretű termékek gyártására. A hidraulikus–pneumatikus kombinált típus jelentős áttörést jelent a tisztán hidraulikus típushoz képest: a dugattyú farokrészébe beépített nitrogénkamra segítségével hatékonyan kihasználja a visszatérő ütés energiáját, és jelentősen növeli az ütőerőt; ugyanakkor a szerkezet összetettebb, és működéséhez kezdő tolóerő szükséges. A nitrogénrobbanásos hidraulikus kőtörő energetikai szempontból nem igényel olajmunkát a hajtóütközés során, így energiatakarékosabb; emellett a dugattyú elülső és hátsó kamrájának átmérője azonos, ami hatékonyan oldja meg a dugattyú hajtóütközése során fellépő pillanatnyi olajellátási hiány problémáját. Azonban a magas kezdő nitrogénfeltöltési nyomás miatt nagyobb tolóerő szükséges.

1.4 A hidraulikus kőtörők alapvető szerkezete és osztályozása

1.4.1 A hidraulikus kőtörők alapvető szerkezete

Bár a hidraulikus kőtörők számos változatban léteznek, közös szerkezeti jellemzőik vannak. Egy hidraulikus kőtörő alapvető felépítése a következőkből áll: hengerház, dugattyú, elosztószelep, akkumulátor, nitrogénkamra, csákánytartó, csákány, nagy szilárdságú csavarok és tömítési rendszerek. A különböző típusú hidraulikus kőtörők szerkezetükben kissé eltérnek egymástól, de minden kőtörő tartalmaz két alapvető mozgó alkatrészt – a dugattyút és a szelephuzart. Alapvető szerkezetüket az 1–3. ábra mutatja.

(1) Ütómű

Egy hidraulikus kőtörő viszonylag hosszú és karcsú dugattyúval rendelkezik, amely a legfontosabb alkatrész. A feszültséghullám-terjedés elméletének megfelelően ahhoz, hogy a dugattyú ütőenergiája maximálisan átvitelre kerüljön, a becsapódó dugattyú átmérője általában alapvetően megegyezik vagy közel van a csavarvég végátmérőjéhez, így biztosítva a teljes érintkezést az ütőfelületen és elérve az energia hatékony átvitelét. A becsapódó dugattyú és a henger test vagy bélés hüvely közötti illesztési hézag egy nagyon fontos műszaki paraméter. Ha a hézag túl nagy, akkor nagyon jelentős belső szivárgás keletkezik, ami gyengíti az ütőerőt, sőt akár a kőtörő normál működésének megszűnését is okozhatja; ha a hézag túl kicsi, a dugattyú mozgása lassulhat vagy megakadhat, egyidejűleg drasztikusan emelkedik a gyártási költség.

(2) Elosztó mechanizmus

Egy hidraulikus kőtörő általában elosztószeleppel rendelkezik, amely megváltoztatja a hidraulikaolaj áramlásának irányát, és ezen keresztül szabályozza és hajtja az ütőpiston ingadozó mozgását. Az elosztószelepek szerkezeti formái számosfélék; általában két fő kategóriába sorolhatók: csúszószelepek és hüvely-szelepek. A csúszószelepek általában könnyűek, alacsony olajfogyasztásúak, kisebb átmérőjűek, és kisebb illesztési hézaguk, valamint szivárgásuk van, de legtöbbször lépcsőzetes szerkezetűek, viszonylag rosszabb a szerkezeti megmunkálhatóságuk, és nagyobb a szabályozóveszteségük. A hüvely-szelepek nehezebbek, nagyobb átmérőjűek, és az illesztési hézaguk, valamint szivárgásuk is viszonylag nagyobb; azonban szerkezeti megmunkálhatóságuk jó, a nyitófelület-gradiensük nagy, és szabályozóveszteségük kicsi. A szelepcsap és a szelepház vagy szelephüvely közötti illesztési hézag egy másik fontos műszaki paraméter a hidraulikus kőtörők gyártásában; túl nagy vagy túl kicsi hézag is akadályozza a szelep normál működését.

(3) Akkumulátoros nyomáskiegyenlítő mechanizmus

A legtöbb hidraulikus kőtörő egy vagy több akkumulátort tartalmaz, amelyek energiatároló és nyomáskiegyenlítő funkciót látnak el. Egy hidraulikus kőtörő csak a munkaütem során fejt ki külső munkát; a visszatérő ütem a munkaütem előkészítése. Amikor a dugattyú visszatér, a hidraulikaolaj nagyobb nyomáson jut be az akkumulátorba, mint a töltőkamra nyomása, és az olaj potenciális energiaként tárolódik az akkumulátorban. Az energiát a dugattyú munkaüteme során bocsátják fel, amellyel a visszatérő ütem energiájának nagy részét ütőenergiává alakítják át. Így az akkumulátor hozzájárul a rendszer hatásfokának javításához, valamint csökkenti a elosztószelep tolattyújának kapcsolásából eredő nyomáslengéseket és folyamatszabályozási ingadozásokat.

(4) Működtető mechanizmus

A csákány a hidraulikus kőtörő működtető eleme, amely külső munkát végez, és közvetlenül a munkatárgyra hat; ez egy kopásállóságot igénylő kopó alkatrész, amely külsőleg kemény, belsőleg rugalmas, és keménysége fokozatosan változik kifelé haladva.

(5) Üres lövés megelőzésére szolgáló mechanizmus

Mivel a hidraulikus kőtörő nagy ütőenergiával rendelkezik, ha a dugattyú közvetlenül a henger testének üt, súlyosan károsíthatja a kőtörő testét – így keletkezik az üres ütés. Az üres ütés megelőzésére szolgáló szerkezet egy hidraulikus lengéscsillapító kamra beépítését jelenti a henger test elejére. Amikor a csákány még nem érintkezik a kővel, és előrefelé mozog, az ütődugattyú belép a csillapító kamrába, összenyomva a benne lévő olajat, és így elnyeli az ütőenergiát, ezzel puhított védelmet biztosítva a gép testének. Ugyanakkor a kamra elülső részének olajbevezető nyílása lezárul, így a gravitáció és a henger hátsó részében lévő nitrogén hatására a dugattyú nem tud visszahúzódni; csak akkor, amikor a csákány újra érintkezik a kővel, és nagyobb karerővel tolja vissza a dugattyút, tud az ütődugattyú kilépni a csillapító kamrából, és a nagynyomású olaj beléphet az elülső kamrába, így folytatódhat a normál működés. Az 1–4. ábrán látható módon, miután a hidraulikus kőtörő áttörte a törés alá eső tárgyat, a dugattyú legfeljebb 1–2-szer üresen üthet, majd megáll. A kezelőnek újra ki kell választania az ütési pontot, szorosan rá kell nyomnia a csákányra, nyomást kell gyakorolnia, így a csákány eltolja a dugattyút a alsó kamra olajbevezető nyílásától, és a munka újra megkezdhető.

(6) Egyéb mechanizmusok

A hidraulikus kőtörők egyéb mechanizmusai közé tartozik a kapcsolókeret, a rezgéscsillapító mechanizmus, a tömítőrendszer, az automatikus kenőrendszer stb.

1.4.2 A hidraulikus kőtörők besorolása

Számos típusú hidraulikus kőtörő létezik, és számos besorolási módszer is elérhető. A fő besorolási módszerek a következők:

(1) Működtetési mód szerinti besorolás

A hidraulikus kőtörőket működtetési mód szerint hordozóra szerelhető és kézi típusú kőtörőkre osztják. A kézi típusú kőtörők kis méretű kőtörők, amelyeket hidraulikus csákányoknak is neveznek; tömegük általában 30 kg alatt van, kézzel működtetik őket, külön hidraulikus pumpaállomásról kapnak energiát, és széles körben helyettesíthetik a nehezen kezelhető levegővel működő csákányokat. A hordozóra szerelhető típusok közepes és nagy méretű kőtörők, amelyeket közvetlenül hidraulikus rakodógépek, töltőgépek és egyéb hidraulikus hordozó gépek karjára szerelnek fel, és a hordozó gép teljesítményrendszerét, hidraulikus rendszerét és karmozgatási rendszerét használják a műveletek végrehajtásához.

(2) Besorolás a működési közeg szerint

A hidraulikus kőtörőket a működési közeg szerint három fő kategóriába sorolják: tisztán hidraulikus, hidraulikus–neumás kombinált és nitrogénrobbanásos típusok. A tisztán hidraulikus típusok teljes mértékben a hidraulikus olajnyomásra támaszkodnak a dugattyú működtetéséhez; a hidraulikus–neumás kombinált típusok a hidraulikus olajra és a hátsó részben lévő összenyomott nitrogénre egyaránt támaszkodnak a dugattyú működtetéséhez; a nitrogénrobbanásos típusok teljes mértékben a hátsó nitrogénkamrában lévő nitrogén pillanatnyi kitágulására támaszkodnak a dugattyú munkavégzésének kiváltásához.

(3) Besorolás a visszacsatolási módszer szerint

A hidraulikus kőtörőket visszacsatolási módszerük szerint lökethossz-visszacsatolásos és nyomás-visszacsatolásos típusokra osztják. A különbség a visszacsatolási jel gyűjtésének módjában rejlik a vezérelt szelep átkapcsolásához. A lökethossz-visszacsatolásos hidraulikus kőtörők a dugattyú lökethossza során a magasnyomású olaj visszacsatolási furatainak megnyitásával és lezárásával szabályozzák a vezérelt szelep átkapcsolását; a visszacsatolási furatok helyzete csak mereven állítható be, és szerkezeti korlátok miatt legfeljebb három visszacsatolási furat helyezhető el; ezért a lökethossz-visszacsatolásos hidraulikus kőtörők nem képesek fokozatmentes ütésfrekvencia-beállításra. A nyomás-visszacsatolásos hidraulikus kőtörők a rendszer nyomásának vagy a nitrogénkamra nyomásának gyűjtésére támaszkodnak a dugattyú farokrészénél a vezérelt szelep átkapcsolásának szabályozásához; amikor a dugattyú belép a nitrogénkamrába, a nitrogénkamra nyomása folyamatosan változik, és amikor a kamrában elhelyezett nyomásszabályozó érzékelő egy előre beállított nyomást észlel, a szelep mikroszámítógép-vezérléssel kapcsol át; mivel az átkapcsolási nyomás tetszőlegesen beállítható, a nyomás-visszacsatolásos hidraulikus kőtörők fokozatmentes beállításra képesek.

(4) Besorolás az elosztási módszer szerint

Az elosztószelep típusa alapján háromirányú szelepes egyszeres felületű visszatérő olaj- és négyirányú szelepes kétszeres felületű visszatérő olaj-ként két fő kategóriába sorolhatók. Az egyszeres felületű visszatérő olaj szerkezeti formáinak előnye a leegyszerűsített olajvezeték-rendszer és az egyszerű vezérlés; gyakorlati alkalmazásuk viszonylag gyakori. Az egyszeres felületű visszatérő olaj két típusra osztható: elülső kamrás visszatérő olaj és hátsó kamrás visszatérő olaj. Ezek közül az elülső kamrás visszatérő olaj formának hátránya a nagy szívó- és visszatérő olaj-ellenállás, ezért jelenleg a leggyakoribb forma az elülső kamrás állandó nyomású, hátsó kamrás visszatérő olajos változat. A négyirányú szelepes kétszeres felületű visszatérő olajt más néven kettős hatású típusnak is nevezik; jellemzője, hogy nincs benne állandó nyomású kamra, és az elülső illetve hátsó kamrák nyomása felváltva magas és alacsony; azonban a kétszeres felületű visszatérő olaj szerkezeti formájának bonyolult olajvezeték-rendszere miatt ritkán alkalmazzák.

(5) Besorolás az elosztószelep elrendezése alapján

Az elosztószelep elrendezése alapján két típusba sorolhatók: belső felszerelésű és külső felszerelésű. A belső felszerelésű típus további részekre osztható csúszógyűrűs és hüvelyes típusra. A belső felszerelésű elosztószelepek a henger testébe vannak integrálva, így kompakt szerkezetet alkotnak; a külső felszerelésű elosztószelepek a henger testén kívül helyezkednek el, egyszerű szerkezetűek, és karbantartásuk, cseréjük kényelmes.

Ezen felül zajszintük alapján alacsony zajszintű és szabványos típusokra, valamint külső burkolatuk formája alapján háromszög alakú, torony alakú és zárt kőtörőkre oszthatók. A különböző besorolási módszerek összefoglalása a 1–5. ábrán látható.