Analisis Cara Kerja Pemecah Batu Hidrolik

2.2 Analisis Cara Kerja Pemecah Batu Hidrolik

Pemecah batu hidrolik memiliki banyak bentuk struktural. Berdasarkan prinsip kerjanya, penulis mengabstraksi dan merangkum gagasan paling mendasar dan paling kritis mengenai pemecah batu hidrolik, serta menyederhanakannya menjadi tiga mode kerja dasar: murni hidrolik, kombinasi hidrolik-pneumatik, dan ledakan nitrogen.

2.2.1 Prinsip Kerja Murni Hidrolik

Prinsip kerja hidrolik murni memiliki tiga bentuk penerapan: tekanan konstan di ruang depan / tekanan variabel di ruang belakang (disingkat 'prinsip tekanan konstan di ruang depan'), tekanan konstan di ruang belakang / tekanan variabel di ruang depan (disingkat 'prinsip tekanan konstan di ruang belakang'), dan tekanan variabel di ruang depan dan belakang (disingkat 'prinsip tekanan variabel').

(1) Prinsip tekanan konstan di ruang depan

Ini adalah prinsip kerja yang pertama kali diadopsi pada awal pengembangan pemecah batu hidrolik; semua kemajuan teknis selanjutnya dibangun berdasarkan prinsip ini. Pemecah batu hidrolik dengan prinsip tekanan konstan di ruang depan ditunjukkan pada Gambar 2-1.

Dari Gambar 2-1, sistem terdiri atas badan silinder, piston, katup pengendali, dan saluran oli. Badan silinder dan piston membentuk mekanisme tumbukan. Piston bergerak maju-mundur di dalam badan silinder yang digerakkan oleh oli hidrolik, menghasilkan energi tumbukan ke luar dan menerapkan gaya tumbukan besar pada sasaran, sehingga menghasilkan efek palu.

Pemecah batu hidrolik yang ditunjukkan pada Gambar 2-1 memiliki piston pada titik tumbukan; spool katup berada pada posisi di mana ia baru saja menyelesaikan pergantian dari langkah kerja ke langkah kembali. Pada saat ini, oli bertekanan tinggi memasuki ruang tekanan tinggi konstan silinder (ruang a ) melalui port tekanan tinggi konstan katup, menggerakkan piston pada langkah kembali (ke kanan). Oli di ruang tekanan variabel piston (ruang b ) dikembalikan ke tangki melalui port 4 dan port minyak balik/tekanan-variabel katup. Ketika piston bergerak kembali hingga bahu depannya melewati port 2 pada badan silinder, minyak bertekanan tinggi diarahkan ke port katup dorong 5, sehingga menyebabkan katup beralih (ke kiri). Karena ruang tekanan-tinggi konstan katup kini terhubung ke ruang tekanan-variabel menengah, minyak bertekanan tinggi memasuki ruang belakang piston b melalui port 4. Kedua sisi piston kini berada di bawah tekanan minyak bertekanan tinggi, tetapi karena luas permukaan yang menahan tekanan pada ruang belakang b lebih besar daripada luas permukaan yang menahan tekanan pada ruang depan a , piston mulai melambat pada langkah kembali, kecepatannya turun menjadi nol, dan memulai langkah kerja (ke kiri). Ketika rongga tengah piston menghubungkan port 2 dan 3, piston baru saja mencapai titik tumbukan, menyelesaikan satu siklus; secara bersamaan, port katup dorong 5 terhubung ke saluran oli kembali, sehingga spool beralih ke kanan, kembali ke posisi yang ditunjukkan pada Gambar 2-1, menyelesaikan satu siklus penuh dan bersiap untuk langkah kembali piston berikutnya. Dengan cara ini, piston mencapai tumbukan berkelanjutan serta menghasilkan energi tumbukan secara terus-menerus. Ruang udara c dalam prinsip kerja ini dibuang ke atmosfer.

(2) Prinsip tekanan konstan ruang belakang

Perlu ditekankan bahwa prinsip kerja ini hanya dapat diwujudkan apabila luas permukaan piston yang menahan tekanan pada ruang depan a lebih besar daripada luas permukaan ruang belakang b , yaitu diameter ruang depan piston lebih kecil daripada diameter ruang belakang ( p ₁ > p ₂).

Gambar 2-2 menunjukkan skema pemecah batu hidrolik ruang belakang bertekanan konstan / ruang depan bertekanan variabel.

Dibandingkan dengan Gambar 2-1, satu-satunya perbedaan adalah bahwa port 1 pada badan silinder dihubungkan ke ruang bertekanan variabel katup, bukan ke ruang bertekanan konstan (tekanan tinggi); port 4 terhubung langsung ke ruang bertekanan konstan katup; semua saluran oli lainnya tetap sama. Gambar 2-2 menunjukkan momen saat langkah kerja piston baru saja berakhir dan katup telah beralih — sistem berada tepat pada saat langkah balik dimulai.

Karakteristik kerja prinsip ini adalah bahwa pemecah batu hidrolik tidak mengalirkan oli selama langkah balik, tetapi mengalirkan oli selama langkah kerja; serta luas area penahan tekanan pada ruang depan a lebih besar daripada luas permukaan ruang belakang b karena waktu pelepasan langkah kerja pendek dan alirannya besar, kehilangan tekanan hidrolik pada prinsip ini lebih besar dibandingkan prinsip tekanan konstan ruang depan. Saat ini, sebagian besar pemecah batu hidrolik tidak menggunakan prinsip ini.

(3) Prinsip tekanan variabel ruang depan-dan-belakang

Prinsip tekanan variabel ruang depan-dan-belakang ditunjukkan pada Gambar 2-3. Dari skema ini mudah dilihat bahwa perangkat dampak hidrolik jenis ini memiliki struktur yang kompleks dengan banyak saluran, sehingga meningkatkan biaya produksi. Oleh karena itu, prinsip ini tidak digunakan pada pemecah batu hidrolik saat ini; namun masih digunakan pada beberapa merek bor batu hidrolik.

Gambar 2-3 menunjukkan posisi pada akhir langkah kerja piston dan awal langkah kembali. Ketika langkah kembali dimulai, minyak bertekanan tinggi dari ruang tengah katup memasuki ruang depan piston a melalui ruang kiri dan port silinder 1, mendorong piston ke arah kanan. Minyak di ruang belakang b dibuang ke dalam tangki oli melalui port silinder 5 dan ruang kanan katup. Selama langkah kembali, ketika bahu kiri piston melewati port 2 pada badan silinder, oli bertekanan tinggi melalui port 7 mendorong spool katup untuk beralih ke kanan; spool katup secara instan mengganti jalur pasokan dan pembuangan oli pada badan silinder — port silinder 5 menjadi bertekanan tinggi dan port silinder 1 terhubung ke saluran kembali ke tangki — sehingga piston mulai melambat, kecepatannya cepat turun hingga nol, lalu beralih ke akselerasi langkah kerja. Ketika langkah kerja piston mencapai titik tumbukan, cekungan pusat piston menghubungkan port silinder 2 dan 3, port 4 dan 5 terhubung, sisi kiri spool katup terhubung melalui port 7 dengan port 2 dan 3 untuk mengalirkan oli kembali, dan port sisi kanan spool katup (port 6) terhubung melalui port 4 dan 5, sisi kanan katup serta ruang tengah, ke tekanan tinggi, sehingga spool beralih ke kiri, mengubah jalur pasokan dan pembuangan oli pada silinder, dan menyelesaikan satu siklus kerja piston. Piston dan spool perangkat tumbuk hidrolik kembali ke kondisi seperti ditunjukkan pada Gambar 2-3 — awal langkah kembali. Dengan cara ini, pemecah batu hidrolik, melalui gerak bolak-balik piston yang terus-menerus, secara kontinu mengeluarkan energi tumbuk ke luar, sehingga secara efektif menyelesaikan pekerjaan tumbuk.

Ketiga prinsip kerja hidrolik murni yang dijelaskan di atas saat ini digunakan dalam bor batu hidrolik, pemecah batu hidrolik, dan mekanisme tumbukan hidrolik lainnya, namun pemecah batu hidrolik masih lebih sering menggunakan prinsip kerja gabungan hidrolik-pneumatik.

2.2.2 Prinsip Kerja Gabungan Hidrolik-Pneumatik

Dari analisis prinsip kerja hidrolik murni, kita dapat melihat bahwa seluruh energi tumbukan pada mekanisme tumbukan hidrolik murni disuplai oleh sistem hidrolik. Namun, seiring meningkatnya penggunaan pemecah batu hidrolik murni dan kemajuan penelitian, diketahui bahwa kehilangan hidrolik cukup besar, sehingga membatasi peningkatan efisiensi lebih lanjut. Minyak yang mengalir melalui saluran-saluran di dalam badan silinder harus bergesekan dengan dinding tabung, dan kehilangan hidrolik akibat belokan, perubahan diameter, serta perubahan arah aliran cukup signifikan; semakin besar laju aliran, semakin besar pula kehilangannya, terutama selama langkah kerja (power stroke).

Saat ini, prinsip kerja gabungan hidrolik-pneumatik terutama digunakan pada pemecah batu hidrolik yang memerlukan energi benturan besar dan frekuensi rendah, serta pada penumbuk tiang hidrolik.

Untuk meningkatkan efisiensi, setelah penelitian mendalam, orang menemukan metode sederhana dan efektif: menggunakan gas dan minyak secara bersamaan untuk menyuplai energi benturan pada pemecah batu hidrolik. Hal ini mengurangi aliran yang dibutuhkan selama langkah kerja — sehingga mengurangi kehilangan hidrolik dan meningkatkan efisiensi kerja — oleh karena itu muncul pemecah batu hidrolik gabungan hidrolik-pneumatik.

Prinsip struktural pemecah batu hidrolik gabungan hidrolik-pneumatik sangat sederhana: cukup mengisi ruang udara c dalam tiga prinsip hidrolik murni yang disebutkan di atas dengan nitrogen pada tekanan tertentu. Karena nitrogen kini hadir, ketika piston melakukan langkah balik, nitrogen dikompresi dan energi tersimpan; ketika langkah kerja terjadi, energi ini dilepaskan bersama minyak untuk menggerakkan piston, menghasilkan energi kinetik di titik benturan, serta mengubahnya menjadi energi benturan. Jelaslah bahwa peran nitrogen secara tak terelakkan mengurangi jumlah minyak yang digunakan selama langkah kerja, sehingga mengurangi konsumsi minyak dan akibatnya mencapai kehilangan hidrolik yang lebih rendah serta efisiensi yang lebih tinggi.

Dibandingkan dengan pemecah batu hidrolik murni, luas efektif permukaan piston pada ruang belakang piston b pada pemecah batu hidrolik-pneumatik gabungan, area efektif penahan tekanan berkurang. Pengurangan area penahan tekanan efektif ini berarti konsumsi minyak yang lebih rendah selama langkah kerja dan kehilangan hidrolik yang lebih kecil—ini merupakan alasan utama mengapa pemecah batu hidrolik-pneumatik gabungan berkembang pesat dalam beberapa tahun terakhir. Hampir semua pemecah batu hidrolik-pneumatik gabungan menggunakan prinsip kerja tekanan-konstan pada ruang depan; ini juga merupakan ciri khas utama tipe hidrolik-pneumatik gabungan.

2.2.3 Prinsip Kerja Nitrogen-Eksplosif

Prinsip kerja pemecah batu hidrolik nitrogen-eksplosif secara mendasar tidak berbeda dengan prinsip kerja pemecah batu hidrolik-pneumatik gabungan; yang berbeda hanyalah parameter struktural pistonnya. Perbedaan utamanya adalah diameter piston bagian depan dan belakang sama, yaitu p ₂ = p ₁, dan seluruh energi benturan disuplai oleh nitrogen.

Diameter piston depan dan belakang yang sama merupakan fitur utama dari pemecah batu hidrolik berbahan bakar nitrogen. Selama langkah kerja, ruang belakang tidak mengonsumsi minyak hidrolik, sehingga seluruh energi benturan dapat disuplai oleh nitrogen. Tentu saja, energi tersimpan dalam nitrogen tersebut diisi ulang melalui tenaga hidrolik selama langkah pengembalian dan dikonversi menjadi energi kinetik pada langkah kerja. Oleh karena itu, pada analisis akhirnya, energi yang dikonversi tetap merupakan energi hidrolik—namun melalui proses kompresi media gas dan penyimpanan energi, energi nitrogen yang tersimpan dilepaskan selama langkah kerja dan dikonversi menjadi energi mekanis piston.

Perlu ditekankan bahwa hanya prinsip tekanan-konstan ruang depan yang dapat diterapkan pada pemecah batu hidrolik berbahan peledak nitrogen; baik prinsip tekanan-konstan ruang belakang maupun prinsip tekanan-variabel ruang depan-dan-belakang tidak dapat diterapkan pada pemecah batu hidrolik tipe nitrogen. Alasannya menjadi jelas begitu Anda memahami karakteristik piston yang p ₂ = p ₁.