Parametri tecnici di base

2.1 Parametri tecnici di base

2.1.1 Parametri di un frantumatore idraulico per roccia

(1) Parametri prestazionali

W e frequenza d’urto f sono i parametri prestazionali che descrivono un frantumatore idraulico per roccia. W definisce la capacità di lavoro del frantumatore; f definisce la sua velocità di lavoro.

La potenza in uscita di un frantumatore idraulico per roccia può essere espressa come:

N = W × f                                           (2.1)

Poiché i due parametri che descrivono le prestazioni — energia d’urto e frequenza d’urto — sono mutualmente accoppiati, nella progettazione di un frantumatore idraulico per roccia il rapporto tra W a f deve essere attentamente bilanciato. Nelle condizioni di capacità installata minima, si deve ottenere la massima efficienza operativa. Per un frantumatore idraulico per roccia, è richiesta un’elevata energia d’urto W e la frequenza d’urto f deve essere opportunamente ridotta, per soddisfare la necessità di una forza d’urto elevata e di un buon effetto frantumante. Per un perforatore idraulico per roccia, sebbene anch’esso sia un meccanismo idraulico ad urto, richiede un’energia d’urto ridotta W e una frequenza d’urto il più alta possibile f , per soddisfare la necessità di perforazione ad alta velocità.

(2) Parametri operativi

Velocità massima d’urto del pistone v _m , portata operativa Q , pressione operativa p , e forza di spinta ottimale F _T sono i parametri di funzionamento di un demolitore idraulico per roccia.

● Velocità massima d'impatto del pistone v _m : si tratta della velocità di contatto istantanea con cui il pistone colpisce la parte posteriore dello scalpello. L'energia cinetica corrispondente del pistone è definita come energia d'impatto del martello idraulico W . Quando l'energia cinetica del pistone viene completamente trasferita al bersaglio, l'energia d'impatto del martello idraulico risulta essere:

W = ½ mV ²_m                                            (2.2)

dove: m — massa del pistone.

Dall'equazione (2.2) risulta che maggiore è la velocità d'impatto del pistone, maggiore è l'energia d'impatto.

Tuttavia, l'aumento di v _m è limitato da due fattori:

1) Limiti legati alle proprietà dei materiali del pistone e dello scalpello. Velocità finale d'impatto v _m è correlato allo sforzo di contatto σ ; maggiore è σ , maggiore è l’impatto sulla durata utile del pistone e dello scalpello. Nell’ambito dello sforzo di contatto ammissibile σ , la scelta tipica è v _m = 9–12 m/s. Con i progressi delle scienze dei materiali, il valore di v _m può essere ulteriormente aumentato.

2) Limite di frequenza del meccanismo d’urto. Poiché la struttura e la corsa del pistone sono limitate, con una corsa fissa del pistone, il tempo necessario per accelerare fino alla velocità richiesta v _m è estremamente breve. È evidente che, più elevato è v _m , minore è il tempo di accelerazione richiesto.

Una bassa frequenza significa che sia il tempo di ciclo sia il tempo di corsa del pistone sono lunghi, mentre un’alta v _m comporta necessariamente una corsa e un tempo di ciclo più brevi — ovvero un’elevata frequenza d’urto — che non soddisfano i requisiti di progettazione a bassa frequenza.

● Flusso di lavoro Q : il flusso erogato dalla pompa idraulica al frantumatore idraulico durante il funzionamento; è una variabile indipendente. Il comportamento e i parametri prestazionali del frantumatore idraulico sono tutti strettamente correlati al flusso di lavoro e ne costituiscono funzioni; variano al variare del flusso di lavoro.

● Pressione di lavoro p : la pressione richiesta dal sistema idraulico quando il frantumatore idraulico è in funzione — ovvero la pressione di sistema necessaria per raggiungere i suoi parametri prestazionali. La pressione di lavoro p è una variabile dipendente; varia al variare del flusso in ingresso Q e dei parametri strutturali. Durante il funzionamento, quando tutti gli altri parametri rimangono costanti, la pressione p non può essere modificata attivamente. La pressione di lavoro p e il flusso in ingresso Q soddisfare il principio fondamentale della tecnologia idraulica: la pressione del sistema è determinata dal carico esterno. In base a questo principio, la progettazione di un demolitore idraulico consiste nell’usare parametri strutturali e portata di lavoro per garantire che la pressione di esercizio del sistema p venga raggiunta.

● Forza di spinta F _T quando il demolitore idraulico per roccia è in funzione, l'accelerazione del pistone durante la fase di lavoro provoca il rinculo del corpo della macchina, causando la perdita di contatto tra la punta e l'oggetto da frantumare e impedendo così un impatto normale. Per contrastare tale rinculo, è necessario applicare una forza lungo l'asse del corpo del demolitore, detta forza di spinta. Tale forza di spinta deve essere sufficientemente elevata da mantenere la punta in contatto stabile con l'oggetto colpito. La forza di spinta deve essere ottimale: in altri termini, sussiste un problema di forza di spinta ottimale, strettamente correlato alla classe dimensionale della macchina portatrice. Se quest’ultima è troppo piccola, la forza di spinta che riesce a fornire risulta insufficiente; se invece è troppo grande, benché il requisito di forza di spinta venga soddisfatto, aumenta il costo d’investimento della macchina portatrice, il che è ugualmente indesiderabile. Nella progettazione dei demolitori idraulici per roccia, raggiungere un’elevata energia d’urto con una forza di spinta ridotta è sempre stato un obiettivo di ottimizzazione. Ciò consente di abbinare un demolitore idraulico per roccia ad alta energia d’urto a una macchina portatrice più piccola, realizzando una combinazione operativa efficiente e riducendo i costi di esercizio.

(3) Parametri strutturali

I tre diametri del pistone p ₁, p ₂, e p ₃, massa operativa m , e corsa operativa S sono i parametri strutturali di un demolitore idraulico. I parametri strutturali ne determinano i parametri prestazionali. Progettare un demolitore idraulico equivale essenzialmente a definire i parametri strutturali p ₁, p ₂, p ₃, m , e S che garantiscono il raggiungimento dei parametri prestazionali richiesti. Una volta fissati i parametri strutturali, tutti i parametri prestazionali e i parametri operativi variano in funzione della portata in ingresso e sono funzioni della portata in ingresso.

2.1.2 Pressione dell’olio operativo e pressione nominale

(La pressione nominale è indicata con p _H in tutta questa sezione)

Quando il demolitore idraulico è in funzione, la pressione dell’olio idraulico spinge il pistone in movimento e il profilo del moto del pistone è determinato dal profilo della variazione di questa forza motrice oleosa — si tratta della cinematica e della dinamica del pistone.

Considerando la massa del pistone m , l'accelerazione a , e la forza d'inerzia del pistone F _K , la seconda legge di Newton fornisce:

F _K = mA                                              (2.3)

La forza motrice F è uguale in modulo ma opposta in direzione. F _K la forza motrice F agente sul pistone è generata dalla pressione dell'olio p nella camera e può essere espressa come:

p = F _K / A = mA / A = ( m / A ) · d v / d t             (2.4)

dove: m — massa del pistone, costante;

 A — area di superficie del pistone soggetta alla pressione, costante;

 v — velocità del pistone; la portata istantanea q che determina il moto del pistone soddisfa:

AV = q                                               (2.5)

Da quando v e q nelle Eq. (2.5) sono funzioni del tempo; derivando v e q rispetto al tempo si ottiene:

A p v / d t = D q / d t                                  (2.6)

Sostituendo l’Eq. (2.6) nell’Eq. (2.4) si ottiene:

p = ( m / A ²) · d q / d t                              (2.7)

Nell’Eq. (2.7), m / A ²è una costante; d q / d t rappresenta il tasso di variazione della portata del sistema.

Dalle equazioni (2.3) – (2.7), la pressione del sistema viene stabilita in base alla variazione della portata in ingresso nella camera oleodinamica. In altre parole, la variazione della portata dell’olio idraulico genera l’accelerazione del pistone e la forza d’inerzia, che a loro volta determinano la pressione nella camera oleodinamica p .

Pressione dell'olio del sistema p è proporzionale alla massa del pistone m e al tasso di variazione della portata d q /dt , ed è inversamente proporzionale al quadrato dell’area di superficie del pistone soggetta alla pressione A . Per ridurre la pressione dell’olio nel sistema p , aumentare l’area di superficie del pistone soggetta alla pressione A è il metodo più efficace, ma comporta anche un aumento delle dimensioni complessive della macchina; pertanto, entrambi i fattori devono essere considerati nella fase di progettazione.

Pressione dell'olio del sistema p è una funzione della portata ed è una variabile dipendente; non può essere modificata attivamente durante il funzionamento, ma varia esclusivamente in funzione della variazione della portata in ingresso. Poiché la portata d’olio che entra nella camera oleodinamica è una funzione del tempo durante il funzionamento del frantumatore idraulico, anche la pressione dell’olio p varia anche nel tempo e non ha un valore costante. La pressione dell'olio indicata sul foglio dati del prodotto, che gli autori definiscono pressione nominale dell'olio, è indicata con p _H . A questa pressione, i parametri prestazionali del frantumatore idraulico raggiungono i loro valori nominali. p _H è un parametro virtuale — non esiste effettivamente — ma riveste un'importanza fondamentale nella progettazione e nell'utilizzo di un frantumatore idraulico. Nella fase di progettazione, p _H viene utilizzato come base per il calcolo dei parametri prestazionali, dei parametri di funzionamento e dei parametri strutturali, nonché per la selezione dei componenti del sistema idraulico. Sul campo, diventa un importante riferimento per l'operatore al fine di valutare se il sistema sta funzionando correttamente oppure no. Il parametro p _H sarà trattato più approfonditamente nei capitoli successivi.