Analisi del funzionamento di un demolitore idraulico per roccia

2.2 Analisi del funzionamento di un demolitore idraulico per roccia

Un demolitore idraulico per roccia presenta numerose configurazioni strutturali. Partendo dal principio di funzionamento, gli autori astraggono e sintetizzano le idee più fondamentali e critiche relative a un demolitore idraulico per roccia, riducendole a tre modalità operative di base: puramente idraulica, idraulico-pneumatica combinata e a esplosione con azoto.

2.2.1 Principio di funzionamento puramente idraulico

Il principio di funzionamento puramente idraulico presenta tre forme di implementazione: pressione costante nella camera anteriore / pressione variabile nella camera posteriore (abbreviato 'principio a pressione costante nella camera anteriore'), pressione costante nella camera posteriore / pressione variabile nella camera anteriore (abbreviato 'principio a pressione costante nella camera posteriore') e pressione variabile sia nella camera anteriore che in quella posteriore (abbreviato 'principio a pressione variabile').

(1) Principio a pressione costante nella camera anteriore

Questo era il principio di funzionamento adottato inizialmente all'inizio dello sviluppo dei frantumatori idraulici per roccia; tutti i successivi progressi tecnici si sono basati su di esso. Il frantumatore idraulico per roccia a pressione costante nella camera anteriore è illustrato nella Fig. 2-1.

Dalla Fig. 2-1, il sistema è costituito da un corpo cilindrico, un pistone, una valvola di controllo e dei condotti oleodinamici. Il corpo cilindrico e il pistone costituiscono il meccanismo d’urto. Il pistone si muove avanti e indietro all’interno del corpo cilindrico, azionato dall’olio idraulico, trasmettendo all’esterno l’energia d’urto ed esercitando una grande forza d’urto sul bersaglio, producendo così un effetto martello. La funzione della valvola di controllo è invertire la direzione dell’olio che aziona il pistone, consentendo così il moto alternato periodico del pistone.

Il frantumatore idraulico per roccia mostrato nella Fig. 2-1 ha il suo pistone nel punto d’urto; la spina della valvola si trova nella posizione in cui ha appena completato la commutazione dalla fase di lavoro a quella di ritorno. In questo istante, l’olio ad alta pressione entra nella camera ad alta pressione costante del cilindro (camera a ) attraverso il porto ad alta pressione costante della valvola, azionando il pistone nella fase di ritorno (verso destra). L’olio presente nella camera a pressione variabile del pistone (camera b ) viene restituito al serbatoio attraverso il foro 4 e il foro variabile di pressione/ritorno olio della valvola. Quando il pistone si muove indietro fino a quando la sua spalla anteriore supera il foro 2 sul corpo del cilindro, l'olio ad alta pressione viene indirizzato nel foro 5 della valvola di spinta, provocandone l'innesto (verso sinistra). Poiché la camera costante ad alta pressione della valvola è ora collegata alla camera intermedia a pressione variabile, l'olio ad alta pressione entra nella camera posteriore del pistone b attraverso il foro 4. Entrambe le facce del pistone sono ora sottoposte all'olio ad alta pressione, ma poiché l'area soggetta alla pressione nella camera posteriore b è maggiore di quella nella camera anteriore a , il pistone inizia a decelerare nella corsa di ritorno, la sua velocità scende a zero e inizia la corsa di lavoro (verso sinistra). Quando la cavità centrale del pistone collega le porte 2 e 3, il pistone ha appena raggiunto il punto d’urto, completando un ciclo; contemporaneamente, la porta 5 della valvola di spinta si collega alla linea di ritorno dell’olio, facendo così spostare lo spool verso destra, riportandolo nella posizione mostrata nella Fig. 2-1, completando così un intero ciclo e preparandosi per la successiva corsa di ritorno del pistone. In questo modo, il pistone realizza un impatto continuo, erogando costantemente energia d’urto. Camera d’aria c in questo principio di funzionamento è scaricata all’atmosfera.

(2) Principio di pressione costante nella camera posteriore

Va sottolineato che questo principio di funzionamento può essere realizzato soltanto a condizione che l’area di superficie soggetta alla pressione nella camera anteriore del pistone a sia maggiore di quella della camera posteriore b , ossia che il diametro della camera anteriore del pistone sia minore del diametro della camera posteriore ( p ₁ > p ₂).

La Fig. 2-2 mostra lo schema di un frantumatore idraulico per roccia con camera posteriore a pressione costante / camera anteriore a pressione variabile.

Rispetto alla Fig. 2-1, l’unica differenza è che il raccordo 1 sul corpo del cilindro è collegato alla camera a pressione variabile della valvola anziché alla camera a pressione costante (ad alta pressione); il raccordo 4 è collegato direttamente alla camera a pressione costante della valvola; tutti gli altri passaggi dell’olio sono identici. La Fig. 2-2 rappresenta il momento in cui la corsa di potenza del pistone è appena terminata e la valvola ha già commutato — il sistema si trova nell’istante in cui inizia la corsa di ritorno.

Il carattere funzionale di questo principio è che il frantumatore idraulico per roccia non scarica olio durante la corsa di ritorno, ma lo scarica durante la corsa di potenza; e l’area soggetta a pressione della camera anteriore a sia maggiore di quella della camera posteriore b poiché la durata della fase di lavoro (power stroke) è breve e la portata è elevata, le perdite di pressione idraulica di questo principio sono maggiori rispetto a quelle del principio a pressione costante nella camera anteriore.

(3) Principio a pressione variabile nelle camere anteriore e posteriore

Il principio a pressione variabile nelle camere anteriore e posteriore è illustrato nella Fig. 2-3. Da questo schema risulta facilmente comprensibile che questo tipo di dispositivo idraulico ad impatto presenta una struttura complessa, con numerosi canali, il che comporta un aumento dei costi di produzione. Pertanto, tale principio non è attualmente utilizzato nei frantumatori idraulici per roccia; tuttavia, è ancora impiegato in alcuni marchi di perforatrici idrauliche per roccia.

La Fig. 2-3 mostra la posizione alla fine della corsa di lavoro (power stroke) del pistone e all’inizio della corsa di ritorno. Quando inizia la corsa di ritorno, l’olio ad alta pressione proveniente dalla camera intermedia della valvola entra nella camera anteriore del pistone a attraverso la camera sinistra e il foro 1 del cilindro, spingendo il pistone verso destra. L’olio presente nella camera posteriore b viene scaricato nel serbatoio dell'olio attraverso il foro del cilindro 5 e la camera destra della valvola. Durante la corsa di ritorno, quando la spalla sinistra del pistone supera il foro 2 sul corpo del cilindro, l'olio ad alta pressione proveniente dal foro 7 spinge lo stantuffo della valvola a commutare verso destra; lo stantuffo della valvola commuta istantaneamente i circuiti di alimentazione e scarico dell'olio del corpo del cilindro — il foro 5 del cilindro passa ad alta pressione e il foro 1 del cilindro va in scarico verso il serbatoio — pertanto il pistone inizia a decelerare, la sua velocità scende rapidamente a zero e successivamente passa all'accelerazione della corsa di lavoro. Quando la corsa di lavoro del pistone raggiunge il punto d'impatto, la cavità centrale del pistone collega i fori 2 e 3 del cilindro, i fori 4 e 5 si collegano tra loro, il lato sinistro dello stantuffo della valvola si collega, tramite il foro 7, ai fori 2 e 3 per lo scarico dell'olio, mentre il foro 6 sul lato destro dello stantuffo della valvola si collega, tramite i fori 4 e 5, il lato destro della valvola e la camera intermedia, all'alta pressione, provocando la commutazione dello stantuffo verso sinistra, modificando così i circuiti di alimentazione e scarico dell'olio del cilindro e completando un ciclo di lavoro del pistone. Il pistone e lo stantuffo della valvola del dispositivo idraulico ad impatto ritornano nello stato illustrato nella Fig. 2-3 — l'inizio della corsa di ritorno. In questo modo, il rompighiaccio idraulico, mediante il continuo moto alternato del pistone, eroga continuamente energia d'impatto all'esterno, completando efficacemente il lavoro d'impatto.

Tutti e tre i principi di funzionamento puramente idraulici descritti sopra sono attualmente utilizzati nei perforatori idraulici per roccia, nelle frantumatrici idrauliche per roccia e in altri meccanismi idraulici ad impatto, ma le frantumatrici idrauliche per roccia impiegano ancora più comunemente il principio di funzionamento combinato idraulico-pneumatico.

2.2.2 Principio di funzionamento combinato idraulico-pneumatico

Dall’analisi del principio di funzionamento puramente idraulico possiamo osservare che tutta l’energia d’urto di un meccanismo ad impatto puramente idraulico è fornita dal sistema idraulico. Tuttavia, con l’aumento dell’impiego delle frantumatrici per roccia puramente idrauliche e con i progressi della ricerca, si è scoperto che le perdite idrauliche erano piuttosto elevate, limitando ulteriori miglioramenti dell’efficienza. L’olio che scorre attraverso i condotti interni del corpo cilindro deve strisciare contro le pareti dei tubi e le perdite idrauliche causate da curve, variazioni di diametro e cambiamenti di direzione del flusso sono notevoli; maggiore è la portata, maggiori sono le perdite, e ciò risulta particolarmente grave durante la fase di lavoro.

Al momento, il principio di funzionamento combinato idraulico-pneumatico è utilizzato principalmente per gli spaccastrati idraulici che richiedono un’elevata energia d’urto e una bassa frequenza, nonché per le battipali idrauliche.

Per migliorare l’efficienza, dopo approfondite ricerche, si è individuato un metodo semplice ed efficace: utilizzare contemporaneamente gas e olio per fornire l’energia d’urto dello spaccastrati idraulico. Ciò riduce la portata richiesta durante la fase di lavoro — diminuendo le perdite idrauliche e migliorando l’efficienza operativa — da cui deriva lo spaccastrati idraulico combinato idraulico-pneumatico.

Il principio strutturale dello spaccastrati idraulico combinato idraulico-pneumatico è molto semplice: basta caricare la camera d’aria c nei tre principi puramente idraulici menzionati sopra, con azoto a una determinata pressione. Poiché l'azoto è ora presente, quando il pistone compie la corsa di ritorno, l'azoto viene compresso e l'energia viene immagazzinata; durante la corsa di lavoro, questa energia viene rilasciata insieme all'olio per azionare il pistone, generando energia cinetica nel punto d'impatto e convertendola in energia d'impatto. È evidente che il ruolo dell'azoto riduce necessariamente la quantità di olio utilizzata durante la corsa di lavoro, riducendo così il consumo di olio e conseguentemente ottenendo minori perdite idrauliche e maggiore efficienza.

Rispetto a un frantumatore roccia puramente idraulico, l'area efficace di superficie di spinta della camera posteriore del pistone b in un frantumatore idraulico a roccia combinato idraulico-pneumatico è ridotta. Questa riduzione della superficie effettiva di supporto della pressione comporta un minor consumo di olio durante la corsa di potenza e minori perdite idrauliche: questa è la ragione fondamentale per cui i frantumatori idraulici a roccia combinati idraulico-pneumatici si sono sviluppati rapidamente negli ultimi anni. Quasi tutti i frantumatori idraulici a roccia combinati idraulico-pneumatici adottano il principio di funzionamento a pressione costante nella camera anteriore; questo rappresenta altresì una caratteristica fondamentale del tipo idraulico-pneumatico.

2.2.3 Principio di funzionamento a esplosione con azoto

Il principio di funzionamento di un frantumatore idraulico a roccia a esplosione con azoto non differisce sostanzialmente da quello di un frantumatore idraulico a roccia combinato idraulico-pneumatico; differiscono semplicemente i parametri strutturali del pistone. La differenza fondamentale consiste nel fatto che i diametri del pistone anteriore e posteriore sono uguali, cioè p ₂ = p ₁, e tutta l’energia d’urto è fornita dall’azoto.

Il diametro uguale dei pistoni anteriore e posteriore è la caratteristica principale del frantumatore idraulico per roccia a esplosione azotata. Durante la corsa di lavoro, la camera posteriore non consuma olio e tutta l'energia d'impatto può essere fornita dall'azoto. Naturalmente, l'energia immagazzinata dall'azoto viene fornita dall'impianto idraulico durante la corsa di ritorno e convertita in energia cinetica per la corsa di lavoro. Pertanto, in ultima analisi, è comunque l'energia idraulica a essere convertita — ma, grazie alla compressione e all'immagazzinamento dell'energia tramite il mezzo gassoso, l'energia dell'azoto accumulata viene rilasciata durante la corsa di lavoro e convertita in energia meccanica del pistone.

Va sottolineato che solo il principio a pressione costante della camera anteriore può essere applicato allo scalpello idraulico esplosivo a azoto; né il principio a pressione costante della camera posteriore né il principio a pressione variabile delle camere anteriore e posteriore possono essere applicati a uno scalpello idraulico di tipo azoto. Il motivo è chiaro non appena si comprende la caratteristica del pistone che p ₂ = p ₁.