Þeóretískur grunnur fyrir hönnunarbereikninga

2.3 Þeóretískur grunnur fyrir hönnunarbereikninga

2.3.1 Greining á hreyfingu pistils

Hönnun hydraulískra bergbrotavélanna felur í sér útreikning á byggingarstærðum sem fullnægja árangurskröfunum sem settar eru fram í hönnunarskilyrðunum. Undir þessum byggingarstærðum getur hydraulíska bergbrotavélin náð nauðsynlegri áhrifanergíu og áhrifatíðni.

Það verður að áhersla á að hydraulíska bergbrotavélin gefur út áhrifanergíu og áhrifatíðni með því að pistillinn fer fram og til baka innan fasts skotfjarls. S inni í sílindurhlutanum. Yfir þessa fastar ferðar lengd fer pistillinn í samfelldum hringferð: hrökkunaraðferðarhrökkun → hrökkunaraðferðarhægging (bremsla) → hraði hrökkunaraðferðarinnar lækkar niður í núll → aflaðferðarhrökkun → nálgast áhrifspunktinn við hámarks hraða v _k → rekst á endann á skífuskaftinu (gefur út áhrifanergíu) → stöðvast, byrjar næstu hringferð. Þessi fastar ferðar lengd S kallast pistillferðin; hún er mikilvæg grundvöllur fyrir ákvörðun á víddum sílindurhlutans.

Pistillinn fer fram og til baka inni í sílindurhlutanum. Byrjandi í áhrifspunktinum hrökkar hann á hrökkunaraðferðinni til að ná hámarks hraða hrökkunaraðferðarinnar v _mo , svo byrjar hann að hægja á vegum viftuskiptis; hraðinn lækkar fljótt frá v _mo að núll — pistillinn stöðvast í efri dæðupunktinum. Hreyfingin sem pistillinn fer er kölluð endurhreyfingin. Á þessum tímapunkti, vegna þess að klappinn er enn í upprunalegu staða sinni, byrjar pistillinn að hröðast á aflhreyfingunni þar til hann rekst á áhrifapunktinn. Þegar pistillinn snertir skífustaurinn hefur hraðinn hans náð hámarki — sem kallað er hámarksáhrifshraði pistilsins v _k . Hreyfingin sem pistillinn fer frá efri dæðupunktinum til þess að rekast á skífustaurinn er kölluð aflhreyfingin. Auðvitað verða endurhreyfingin og aflhreyfingin að vera jafn langar.

Til að rannsaka hönnunarlýsingu hydraulískra bergbrotara meira í djúpðina er gagnlegt að skilja fyrst hraða pistilsins, ýmsar rýmdarykkjur og flæðisdreifingu og breytingar á þeim á meðan tækið er í notkun. Lýsing á ástæðum fyrir breytingum á starfsþáttum hydraulískra bergbrotara á meðan þau eru í notkun og áttin sem breytingarnar fara í er sýnd á mynd 2-4.

p ₀er forskortunarþrýstingur rafmagnsakkúmulatorsins; Q er flæðið sem pípupan veitir hydraulíska bergbrotaranum; Q ₁er aðdráttarstraumurinn (+) og losunarstraumurinn (−) fyrir safnara; Q ₂er aðdráttarstraumurinn (+) og losunarstraumurinn (−) fyrir framanstofu pistonsins, með Q = Q ₁ + Q ₂. Q ₃er aðdráttarstraumurinn (+) og losunarstraumurinn (−) fyrir aftanstofu pistonsins; p er kerfisþrýstingurinn.

Mynd 2-4 sýnir pistonið í byrjun tilbúinnar skrefs. Pumpustraumurinn Q fer inn í kerfið; hluti ( Q ₂) fer inn í framanstofu pistonsins og ýtir á tilbúið skref, en aftanstofan losar olíu í olíuskipið ( Q ₃); hinum hluta ( Q ₁) fer inn í safnarann og þýtur stikvæðan gas, svo kerfisþrýstingurinn p byrjar við forþrýsting þrýstilofts í safnaranum p ₀og hækkar samfellt þegar Q ₁straumurinn rennur inn. Hreyfing á hydraulískum bergbrotavélinum, byggð á vinnaástandi pistons, er almennt skipt í þrjá þætti, sem lýst er hér fyrir neðan:

(1) Piston afturferðs hröðun

Pistonninn hefst afturferð frá áhrifspunktinum. Á meðan pípupanin heldur áfram að injektera vötnun, hækkar kerfisþrýstingurinn p ↑ → pistons hraði v ↑ → Q ₂↑ → Q ₁↓ → Q ₃↑, og olía heldur áfram að renna út í olíusafnið. Vegna þess að pistons hraði v ↑ → Q ₂↑ → Q ₁↓, þar til Q ₁= 0. Einkenni þessa tímabils eru v ↑ og p ↑. Hvenær? Q ₁= 0, breytingartími birtist: þrýstingur p ekki lengur aukast, en stönguhraða heldur áfram að aukast (því að drifkrafturinn fyrir snúningshraða stöngunnar er enn til staðar). Eftir þessa breytingu, vegna þess að v ↑, flæði dælu Q getur ekki lengur fullnægt straumkrafti fyrir stöng hreyfingu, þ.e. Q ₂ > Q ég er ađ fara. Til að fullnægja straumskrá stúflaskammersins á framan þarf rafmagnstækið nú að losa olíu til að bæta við skortum á pumpunni. Miðað við meginregluna um flæðisjafnvægi, Q ₂ = Q + Q ₁- Á þessum tímapunkti Q ₁er straumurinn sem rennur út úr rafhlöðunni og inn í framhúsið fyrir stungu, þar til v ↑ til v = v _mo , klappinn skiptir og pistillinn fer í endurkomuslækkunarfásu.

(2) Pistillinn – endurkomuslækkunarfási

Á endurkomufásunni hefur fremri ákvarðaður hluti pistilsins farið framhjá endursendingarholunni, því miður skiptir klappinn og snýr kraftarstefnunni á pistlinnum; drífikrafturinn er beindur á pistilinn í öfugri stefnu og pistillinn byrjar að hægja niður þar til v = 0. Endurkomufásin er nú lokið; pistillinn hefur náð efsta dæðipunktinum og ferðast fulla fásuna S , tilbúinn fyrir að ræsa aflfásina.

(3) Pistillinn – aflfási

Þegar hraði pistilsins lækkar til v = 0, snýst krafturinn á pistlinnum og hraði pistilsins v snýst líka, frá '+' yfir í '−'. Pistillinn byrjar síðan að hröðast á aflfásunni undir öfugum krafti. Í upphafi hröðunar á aflfásunni byrjar hraði pistilsins í v = 0, þar sem olíuskeyti pistilsins Q ₃= 0; allt útgangsrás pípunnar Q rennur í safnaraðilinn, Q ₁ = Q , Q ₂= 0. Þegar hraði aflstigsins v ↑ → Q ₃↑ → Q ₁↓ → Q ₂(−)↑. Hér á að taka eftir því að vegna minni flatarmáls framsíðu rýmisins A ₂en aftursíðu rýmisins A ₁, þá verður, á grunni jafnvægisreglunnar fyrir rás, að vera Q ₃ = Q ₂ + Q − Q ₁, með v ↑ og Q ₁↓, þar til Q ₁= 0. Þetta þýðir v ↑; í þessum stadi er allt útgangsrás pípunnar Q fullkomlega innhvetjað í aftursíðu rými pistonsins, þ.e.a.s. Q ₃ = Q , Q ₁= 0, en hraði pistonsins v hefur enn ekki náð hámarks hraða v _k . Pistillinn heldur áfram að hröðast; pípufæðingin Q getur ekki lengur uppfyllt óskirnar, svo akkúmulatorkassinn byrjar að auka fæðinguna, þ.e. Q ₃ = Q + Q ₁(−), þar til pistillinn rekst á bakhluta ílgunnar við hámarks hraða v _k . Í augnablikinu þegar árekstur á sér stað verður hraði pistilsins skyndilega v = 0, og pistillinn gefur út árekstraun V útvarps, og klárar þannig einn vinnumálhring.

Þegar inntak/úttak flæðisins í akkúmulatorkassinum Q ₁breytist, breytist líka kerfisþrýstingurinn p þegar akkúmulatorkassinn er að hlaða Q ₁= '+', kerfisþrýstingur p ↑; þegar þrýstiloftsgeysirinn losar olíu út í umhverfið, Q ₁= '−', kerfisþrýstingur p ↓. Með öðrum orðum fer vinna hydraulískrar bergbrotavélar alltaf fram með breytingum á kerfisþrýstingi. Þegar mest olía hefur verið fyllt í þrýstiloftsgeysirinn er kerfisþrýstingurinn hæstur. Þegar pistillinn hefur náð áhrifspunktinum hefur þrýstiloftsgeysirinn losað mest olíu — þetta er augnablik hæsta minnkunar kerfisþrýstingsins. Því miður fer kerfisstarfþrýstingur hydraulískrar bergbrotavélar frá því að hún ræsir til þess að hún nái jafnvægisstarfi alltaf fram og til baka milli hámarksþrýstings p og lágmarksþrýstings p _mikilust og er algjörlega ómögulegt að hann sé fastur og óbreytanlegur. p _min mynd 2-5 sýnir breytingar á öllum kerfisstærðum þegar hydraulísk bergbrotavél er í starfi.

Mynd 2-5 Breyting á kerfisstillingum í gangi hydraulískrar bergbrotavélar [Lýsing: skuggað = að hlaða safnara; tvöfaldlega skuggað = að tæma safnara; hvítt = olíuáþörf pistils]

Vinnaferlið sem lýst er hér að ofan sýnir að breytingarnar á vinnumálstillingum eru frekar flóknar — það er ólínulegt kerfi. Þetta veldur miklum erfiðleikum við nákvæma kenningarannsókn og rannsóknir. Í raun er þetta ein af helstu ásökunum fyrir því að kenningarannsóknir á hydraulískum bergbrotavélum hafa verið á eftir vöruþróun.

2.3.2 Núverandi stöðu kenningarannsókna

Rannsakendur um allan heim hafa almennt tekið tvo mismunandi tæknilega nálganir við kenningarannsóknir á hydraulískum áhrifavélum (hydraulískum bergbrotavélum): rannsókn byggð á línulegri kerfiskenningu og rannsókn byggð á ólínulegri kerfiskenningu.

1) Rannsókn sem byggist á línulegri kerfjaskilgreiningu gerir ráð fyrir því að krafturinn á pistli sé fastur, að hraði pistilsins hækki línulega með jöfnu hraða og að ákveðin áhrifavaldandi þættir séu hunsaðir; á þessari grundvelli er byggt línulegt stærðfræðilíkan fyrir kenningarannsókn. Þessi rannsóknaraðferð er augljóslega einföld og getur leyst einhverjar raunverulegar vandamál, en hún er ekki mjög nákvæm og hefur nokkuð miklar villa.

2) Rannsókn sem byggist á ólínulegri kerfjaskilgreiningu notar hárraða ólínulegar diffrófunarlíkani til að lýsa hreyfimynstur hydraulískra bergbrotavélja og lýsir meira nákvæmt hreyfifræði og kraftafræði pistils hydraulískrar bergbrotavélar. Þessi ólínulega rannsókn er nákvæmari en línuleg rannsókn, en hún byggist samt á sumum forsendum. Þó að hún geti nákvæmara sýnt fram á sumar eiginleika hydraulískra áhrifa, er henni erfitt að leysa, ekki auðvelt að túlka og hún gefur aðeins tölulegar lausnir með tölvureikningum, sem gerir hana óþægilega í notkun.

Auk þessa tveggja nálgananna hafa höfundarnir, eftir mörg ár af fræðilegri rannsókn, sett fram Efrilíkansbreytulíkan fyrir hydraulíska bergbrotna (hydraulískar áhrifstefnur). Með notkun efrilíkansbreytulíkunnar er hægt að finna greinilegar lausnir fyrir hydraulískar bergbrotna, sem geta dýpt út innri mynstur hreyfingar hydraulískra bergbrotna og veita fræðilegan grunn fyrir teknískar nýjungar hjá notendum.

Rannsóknaraðferðin fyrir hydraulíska bergbrotavélar með frumhugmyndarhugtökum í hönnun: við þetta er tekið tillit til ólínuleika í starfsfærum hydraulískrar bergbrotavélar, en með jafngildri kraftaumbreytingu er ólínulega kerfið línuleikað, svo að það sé hægt að rannsaka það með aðferðum fyrir línuleg kerfi og ná að greinilegum lausnum. Starfsfærur og byggingarfærur hydraulískra bergbrotavéla sem fást með þessari aðferð eru mjög nákvæmar og útreikningarnir einfaldir. Frumhugmyndarhugtök í hönnun hydraulískra bergbrotavéla verða fjallað um sérstaklega í síðari kaflum.