Magasnyomású akkumulátor tervezési elmélete

3.3.1 A magasnyomású akkumulátor szerepe

Elméletileg minden hidraulikus kőtörőnek változó nyomású akkumulátorra van szüksége – különösen egy nagy méretű, magasnyomású akkumulátorra.

A hidraulikus kőtörő rendszer bemenetén felszerelt magasnyomású akkumulátor három célra szolgál:

(1) A rendszerben a szivattyú által szolgáltatott és a rendszer által fogyasztott olajmennyiség közötti többlet és hiány kiegyenlítésére. Amikor a szivattyú leadása nagyobb, mint a rendszer olajfogyasztása, a nagynyomású akkumulátor felveszi a többlet mennyiséget, és olajtárolóként működik. Amikor a szivattyú leadása kisebb, mint a rendszer olajfogyasztása, akkor olajat bocsát ki a hiány pótlására, és olajleadó eszközként működik. A nagynyomású akkumulátor tehát a rendszerben a térfogatáram-többlet és -hiány kiegyenlítését végzi, és fontos elem a stabil rendszerműködés biztosításához.

(2) A rendszer nyomásváltozásainak elnyelésére és a kis nyomáscsúcsok csökkentésére, ezzel védelmet nyújtva a vezetékeknek és a hidraulikus alkatrészeknek, valamint hosszabbítva élettartamukat.

(3) A hidraulikus ütő mechanizmusok tervezésében az absztrakt változóelmélet alkalmazásával segít az ekvivalens erő megvalósításában. Amennyiben az akkumulátort megfelelően tervezzük, pontosan meghatározható az ekvivalens erő, így biztosítható, hogy a rendszer elérje a szükséges kinematikai és dinamikai jellemzőket.

Mivel a nagynyomású akkumulátor kulcsszerepet játszik a hidraulikus kőtörő rendszerben – különösen speciális funkciója miatt, amely biztosítja, hogy a rendszer elérje a szükséges kinematikai és dinamikai jellemzőket – nagyon fontos a megfelelő nagynyomású akkumulátor tervezési elméletének és módszerének kidolgozása.

3.3.2 Az akkumulátor hatékony kiürítési térfogata

A hatékony kiürítési térfogat az akkumulátor egy fontos teljesítményparamétere, valamint az akkumulátor tervezési számításainak alapja. Amikor egy hidraulikus kőtörő állandósult üzemi állapotban működik, az akkumulátor egy ciklus alatt tárolt és kiürített maximális olajmennyiséget nevezzük hatékony kiürítési térfogatnak, amelyet Δ jelöl. V. .

A hatékony kiürítési térfogat Δ V. kapcsolatban áll a kinematikai jellemzőkkel. Amikor a szivattyú áramlási sebessége állandó, és a hidraulikus kőtörő szerkezete valamint kinematikája rögzített, az ütésenergia W _H , a frekvencia f _H és a hatékony kiürítési térfogat Δ V. mind szükségképpen rögzítettek. Így az akkumulátor tervezésekor a hatásos kisülési térfogatot már ismerjük. Hogyan számítsuk ki a Δ értéket V. a későbbi fejezetekben kerül bemutatásra.

3.3.3 Az akkumulátor hatásos térfogatának (töltési térfogatának) Vₐ kiszámítása

Az akkumulátor hatásos térfogatának kiszámításának alapja V. _a a valós hatásos kisülési térfogata, Δ V. . Amikor a Δ V. az akkumulátor belsejében működik, szükségképpen megváltoztatja a rendszer olajnyomását, és az ekvivalens erőt F _g fenntartani kell. Ezért tanulmányozni kell az akkumulátor tervezési számítási módszerét, amely kielégíti a fenti követelményeket. Az akkumulátor működés közbeni nyomás(erő)–térfogat diagramja a 3-2. ábrán látható.

Bár egy hidraulikus kőtörő munkagyakorisága nem túl magas, a benne lévő nitrogén összenyomása és kitágulása is meglehetősen gyors folyamat, amely során nincs elegendő idő a környezettel történő hőcserére; ezért adiabatikus folyamatként kezelhető. A gáztörvényből:

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

ahol: p _a — töltésnyomás, azaz a zárt gáz nyomása;

       V. _a — töltési térfogat, azaz az akkumulátor térfogata, amikor a dugattyú az ütközési pontban van (általában a maximális munkatérfogat); V. _amax );

       p ₂— maximális működési nyomás;

       V. ₂— a következőhöz tartozó térfogat: p ₂(általában a minimális munkatérfogat); V. _2perc );

       p ₁— minimális működési nyomás;

       V. ₁— a következőhöz tartozó térfogat: p ₁, V. ₁ < V. _a .

A (3.12) egyenletben: k = 1,4 az adiabatikus kitevő. Nyilvánvalóan:

δ V. = V. ₁ − V. ₂                                                                      (3.13)

A (3.12) egyenletből:

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

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

A behelyettesítés az (3.13) egyenletbe a következőt adja:

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

Az (3.16) egyenletben legyen p _a / p ₁ = a = 0,8–1; és a gáz működési nyomásaránya γ = p ₂ / p ₁, általában γ = 1,2–1,45, amelyet a hidraulikus kőtörő működési jellemzői alapján választanak meg. Amikor a = 1, a dugattyú minimális működési nyomása megegyezik a töltési nyomással ( p _a = p ₁); ebben az állapotban V. ₁ = V. _a . Annak elkerülése érdekében, hogy az akkumulátor membránja érintkezzen az alappal a hidraulikus kőtörő minimális működési nyomásánál – ami csökkentené a szolgáltatási élettartamot – a kevesebbnek kell lennie, mint 1.

Két szempontot kell figyelembe venni a kiválasztásnál γ : amikor γ nagy, mert az akkumulátor adiabatikus állapotban működik, így a hőmérséklet élesen emelkedik, ami korai kopást okozhat az akkumulátor membránján, sőt akár kiégetését is; γ növelése hatékonyan csökkenti az akkumulátor hatékony térfogatát V. _a , ami nagyon előnyös az akkumulátor szerkezeti méretének csökkentéséhez. A tervezőnek súlyoznia kell az előnyöket és hátrányokat, és az alkalmazási feltételek alapján döntést kell hoznia; ezért:

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

A (3.17) egyenletből meghatározható az akkumulátor hatékony térfogata:

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

Az (3.18) egyenlet azt mutatja, hogy az effektív kifolyási térfogatból Δ V. a megfelelő töltési térfogat meghatározható annak biztosítására, hogy a tervezett kinematika és Δ V. elérhető legyen. Gyakorlatban az effektív kifolyási térfogat Δ V. az a folyadék, amelyet az akkumulátor a dugattyúnak a munkaütem alatt szolgáltat, hogy pótolja a szivattyú elégtelen szállítását.

Az effektív kifolyási térfogat Δ V. tervezési számításához lásd a 7.5. fejezetet. Az optimális tervezés követelményeinek kielégítése érdekében különböző tervezési célok esetén az effektív kifolyási térfogat Δ V. számítása a kiválasztotttól függően változik α _u (lásd a 7.2.5. és 7.27a. szakaszokat).

3.3.4 A minimális működési nyomás p₁ és a töltőnyomás pₐ kiszámítása

Ezen a ponton, bár V. _a már meghatározásra került, és felhasználható az akkumulátor szerkezeti paramétereinek tervezésére, az akkumulátor tervezési számítása még nem fejeződött be. A legkritikusabb kérdés az olajnyomás szabályozása annak biztosítására, hogy az ekvivalens erő elérhető legyen; és csak az ekvivalens erő elérése esetén garantálható a tervezett kinematika, amely viszont garantálja a Δ V. értéket. Más szavakkal, Δ V. és F _g .

Meg kell jegyezni, hogy amikor V. _a rögzített érték, p ₁, p ₂, és p _a többféle kombináció is lehetséges, amelyek több ekvivalens erőt, több dinamikai viselkedést és több kinematikai viselkedést – azaz több Δ V. értéket – eredményeznek. A következő feladat az, hogy adott V. _a -nél meghatározzuk a kombinációt p ₁, p ₂, és p _a amely elérheti a szükséges ekvivalens erőt F _g és Δ V. mert amikor p _a megváltozik, W _H , f _H , Δ V. , p ₁, és p ₂mindegyik megfelelően módosul. Más szóval léteznie kell egy töltésnyomásnak p _a amely biztosítja az ekvivalens nyomás elérését p _g természetesen a p _a is p ₁és p ₂ meghatározásának alapja, azaz az ekvivalens nyomás p _g amint ezek között a paraméterek közötti összefüggések ismertté válnak, a p ₁, p ₂, és p _a az ekvivalens nyomásból p _g tanulmányozható.

A 3–2. ábra a p –V. működés közbeni nagynyomású akkumulátor diagramját mutatja. Ezen diagram alapján, valamint az ekvivalens erő elve kombinálásával – azaz a változó erő által végzett munka megegyezik az ekvivalens erő által végzett munkával – a következőt kapjuk:

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

A (3.19) egyenletben:

p = C / V. ^k

Behelyettesítve a (3.19) egyenletbe és integrálva:

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

Ezért:

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

Kitörés V. ₁és V. ₂behelyettesítéssel és az (3.17) egyenlet behelyettesítésével adódik:

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

Átrendezés után:

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

Az (3.23)-as egyenletben p _g a dugattyú nyomásra ható felületére ható ekvivalens nyomás. A rendszer nyomásveszteségeit figyelembe véve a rendszer névleges nyomásaként kell kifejezni p _g = p _H / K - Nem. A p ₁és p ₂így kapott érték közelebb lesz a tényleges értékekhez. Ezért:

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 = aP ₁                                                                             (3.26)

Az (3.24)-es egyenletben a rendszer nyomásveszteségeit figyelembe vevő ellenállási tényező K = 1,1–1,2.

Amikor egy hidraulikus kőtörő magasnyomású akkumulátora ezeken a paramétereken működik, az biztosítja az ekvivalens erőhatás-mozgáshatás elérését, a tervezett kinematika megvalósulását, valamint a szükséges ütőenergia és ütésfrekvencia szolgáltatását. Így egy összetett számítási feladat egyszerűsödik, és egy nemlineáris probléma lineárisításra kerül.

A fentiek alapján a hidraulikus ütőberendezés (hidraulikus kőfúró és hidraulikus kőtörő) — egy nemlineáris rendszer — átalakítható lineáris rendszerré. Elméleti szempontból a dugattyú bármilyen mozgásmintát követhet a lökethossz mentén, S amíg azt szabályozni lehet, és az ütközési ponton eléri a szükséges maximális sebességet v. _férfi — mindez megvalósítható. Minden dugattyúmozgás-mintázathoz megfelelő erőváltozás-mintázatnak kell tartoznia; a kettő ok-okozati kapcsolatban áll egymással. Más szavakkal: bármilyen mozgásmintázatot is végez a dugattyú, hozzá megfelelő erőváltozás-mintázatot kell alkalmazni — az erő az ok, a mozgás az okozat.

Természetesen az optimális mozgásmintázat tervezése után a hozzá tartozó erőváltozás-mintázat is meghatározható, így két elméleti témakört vet fel a hidraulikus kőtörők kutatása: a hidraulikus kőtörők kinematikája és dinamikája.