Principio di funzionamento fondamentale dei frantumatori idraulici per roccia

1.3 Principio di funzionamento base dei frantumatori idraulici per roccia

Un frantumatore idraulico per roccia è una macchina ad impatto che converte l'energia idraulica in energia meccanica. Essa comprende due componenti mobili fondamentali — un pistone e una spina della valvola di distribuzione — che si controllano reciprocamente: il moto alternato della spina della valvola regola la commutazione del pistone, mentre quest’ultimo, all’inizio e alla fine di ogni corsa, apre o chiude il canale oleodinamico di comando della valvola, realizzando così la commutazione della valvola — e il ciclo prosegue in questo modo… Il principio di funzionamento fondamentale di un frantumatore idraulico per roccia è il seguente: grazie a questo controllo a retroazione tra pistone e spina, il pistone compie rapidamente un moto alternato sotto l’azione della forza idraulica (o pneumatica) e colpisce lo scalpello per svolgere lavoro all’esterno.

I frantumatori idraulici per roccia sono disponibili in molti tipi e forme, descritti in dettaglio nei capitoli successivi. Di seguito, come esempio, viene illustrato il principio di funzionamento del frantumatore idraulico per roccia con camera anteriore a pressione costante e camera posteriore a pressione variabile.

Come mostrato nello schema, quando inizia la corsa di ritorno, l'olio ad alta pressione entra nella camera anteriore del pistone attraverso il foro di ingresso olio 1 e agisce contemporaneamente sull'estremità inferiore dello stantuffo della valvola direzionale, mantenendolo stabilmente nello stato rappresentato nello schema (a). In questo momento, la camera anteriore del pistone è piena di olio ad alta pressione; la camera posteriore è collegata al ritorno T tramite il foro di uscita olio 4. Spinto dalla pressione dell'olio nella camera anteriore, il pistone accelera durante la corsa di ritorno e comprime l'azoto immagazzinato nella camera per l'azoto (tranne nei modelli puramente idraulici); l'accumulatore immagazzina olio. Quando la corsa di ritorno del pistone raggiunge il foro di controllo 2, l'olio ad alta pressione raggiunge l'estremità superiore dello stantuffo della valvola. A questo punto, sia l'estremità superiore che quella inferiore dello stantuffo sono collegate all'olio ad alta pressione; poiché, nel progetto, l'area efficace dell'estremità superiore dello stantuffo è maggiore dell'area efficace dell'estremità inferiore, lo stantuffo commuta nello stato rappresentato nello schema (b) sotto l'azione dell'olio ad alta pressione. In questo momento, sia la camera anteriore che quella posteriore del pistone sono collegate all'olio ad alta pressione; l'accumulatore scarica olio per integrare il sistema. Sotto l'azione della forza composta F_q, il pistone accelera durante la corsa di lavoro, colpisce lo scalpello ed eroga energia d'impatto. Quando il pistone oltrepassa il punto d'impatto, i fori di controllo 2 e 3 vengono collegati tra loro e connessi all'olio di ritorno T; la pressione dell'olio all'estremità superiore dello stantuffo della valvola diminuisce; sotto l'azione della pressione dell'olio all'estremità inferiore, lo stantuffo della valvola commuta rapidamente nuovamente nello stato rappresentato nello schema (a). Ritornato allo stato iniziale, il pistone avvia una nuova corsa di ritorno, entrando così nel ciclo successivo di colpi, e così via in modo ciclico. In questo processo, la relazione di collegamento tra pistone e stantuffo della valvola è illustrata nella Fig. 1-2.

Dalla Fig. 1-1 si può osservare che, durante la fase di lavoro, trascurando il peso del pistone e la resistenza dovuta all’attrito, la forza F_q che aziona il pistone e ne determina l’urto è costituita principalmente dalla pressione idraulica e dalla pressione del gas azoto, ovvero F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. La forza motrice F_q dipende dalla differenza tra le aree efficaci delle camere anteriore e posteriore, dalla pressione dell’olio p e dalla pressione della camera di azoto p_N. Sulla base dei diversi rapporti tra il lavoro svolto dall’olio e quello svolto dal gas, si possono distinguere tre modalità operative: puramente idraulica, idraulico-pneumatica combinata ed esplosiva ad azoto.

Puramente idraulica: p_N = 0. In questa modalità, lo scalpello idraulico non dispone di una camera di azoto e il pistone è azionato interamente dalla differenza di pressione dell’olio tra la camera superiore e quella inferiore. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Questa modalità rappresenta la forma più antica, risalente ai primi sviluppi degli scalpelli idraulici.

Combinato idraulico-pneumatico: in questa configurazione d₁ < d₂ e, contemporaneamente, viene aggiunta una camera di azoto nella parte posteriore del pistone, introducendo azoto per svolgere lavoro, con p_N > 0. La forza F_q è costituita principalmente da due componenti: la differenza di pressione dell’olio tra la camera anteriore e quella posteriore, e la forza derivante dalla compressione-ed espansione dell’azoto. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Questa configurazione rappresenta attualmente la forma più diffusa di frantumatore idraulico per roccia. In base alle diverse proporzioni di lavoro svolto rispettivamente dall’olio e dal gas nella forza motrice totale, ossia a diversi rapporti tra lavoro del gas e lavoro del liquido, è possibile realizzare prodotti con prestazioni differenti.

Esplosivo ad azoto: in questa configurazione d₁ = d₂ e p_N > 0. La forza idraulica nelle camere superiore e inferiore è nulla; il lavoro del pistone durante la fase di potenza è interamente generato dalla pressione del gas nella camera di azoto. F_q = π/4 · p_N · d₁². Questa configurazione rappresenta la forma più recente di frantumatore idraulico per roccia.

Tutte e tre le tipologie presentano vantaggi e svantaggi, ma le loro prestazioni complessive migliorano da una generazione alla successiva. Il tipo puramente idraulico, essendo la prima forma realizzata quando sono apparsi per la prima volta i frantumatori idraulici per roccia, ha una struttura semplice e un funzionamento affidabile, senza necessità di una forza di spinta iniziale; tuttavia presenta un basso tasso di utilizzo dell’energia ed è poco adatto alla produzione di prodotti di grandi dimensioni. Il tipo combinato idraulico-pneumatico rappresenta un importante passo avanti rispetto al tipo puramente idraulico: aggiungendo una camera di azoto nella parte posteriore del pistone, consente di sfruttare efficacemente l’energia della corsa di ritorno, migliorando notevolmente la forza d’urto; tuttavia la struttura è più complessa e richiede una forza di spinta iniziale per entrare in funzione. Il frantumatore idraulico per roccia a esplosione con azoto, dal punto di vista energetico, non richiede lavoro dell’olio durante la corsa di potenza, risultando quindi più efficiente dal punto di vista energetico; inoltre i diametri delle camere anteriore e posteriore del pistone sono uguali, il che consente di risolvere efficacemente il problema della insufficiente portata istantanea di olio durante la corsa di potenza del pistone. Tuttavia, a causa dell’elevata pressione iniziale di carica dell’azoto, la forza di spinta richiesta risulta maggiore.

1.4 Struttura di base e classificazione dei frantumatori idraulici per roccia

1.4.1 Struttura di base dei frantumatori idraulici per roccia

Sebbene i frantumatori idraulici per roccia siano disponibili in molte varianti, condividono caratteristiche strutturali comuni. La composizione di base di un frantumatore idraulico per roccia comprende: corpo cilindrico, pistone, valvola di distribuzione, accumulatore, camera di azoto, sede dell’incudine, incudine, bulloni ad alta resistenza e sistemi di tenuta. I diversi tipi di frantumatori idraulici per roccia presentano lievi differenze strutturali, ma ogni frantumatore contiene due componenti mobili fondamentali: il pistone e lo spool della valvola. La sua struttura di base è illustrata nella Fig. 1-3.

(1) Meccanismo d’urto

Un demolitore idraulico per roccia ha un pistone relativamente lungo e slanciato, che costituisce il componente più importante. In base alla teoria della trasmissione delle onde di sollecitazione, per trasmettere al massimo l’energia d’urto del pistone, il diametro del pistone d’urto è generalmente sostanzialmente uguale o molto vicino al diametro dell’estremità della coda dello scalpello, garantendo così un contatto completo sulla superficie d’urto e raggiungendo l’obiettivo di una trasmissione efficiente dell’energia. Il gioco di accoppiamento tra il pistone d’urto e il corpo del cilindro o la guaina di rivestimento è un parametro tecnico estremamente importante. Se il gioco è eccessivamente ampio, si genera una notevole perdita interna, con conseguente riduzione della forza d’urto e, in casi estremi, impossibilità per il demolitore di funzionare correttamente; se invece il gioco è troppo ridotto, il movimento del pistone può risultare lento o possono verificarsi fenomeni di grippaggio, con un contemporaneo aumento significativo dei costi di produzione.

(2) Meccanismo di distribuzione

Un demolitore idraulico per roccia è generalmente dotato di una valvola distributrice che ne modifica la direzione del flusso dell’olio idraulico, attraverso la quale controlla e aziona il moto alternato del pistone d’urto. Le forme strutturali delle valvole distributrici sono molteplici; in generale, esse possono essere suddivise in due grandi categorie: valvole a spina e valvole a manicotto. Le valvole a spina sono generalmente leggere, consumano meno olio, hanno un diametro minore e presentano un gioco di accoppiamento e una perdita più ridotti; tuttavia, nella maggior parte dei casi presentano una struttura a gradini, una lavorabilità strutturale relativamente scadente e perdite di strozzamento più elevate. Le valvole a manicotto sono più pesanti, hanno un diametro maggiore e anche il gioco di accoppiamento e le perdite sono relativamente più elevati; tuttavia, la loro lavorabilità strutturale è buona, il gradiente dell’area di apertura è ampio e le perdite di strozzamento sono contenute. Il gioco di accoppiamento tra la spina della valvola e il corpo valvola o il manicotto valvola costituisce un altro importante parametro tecnico nella produzione dei demolitori idraulici per roccia; giochi troppo ampi o troppo ristretti compromettono entrambi il corretto funzionamento della valvola.

(3) Meccanismo di stabilizzazione della pressione dell’accumulatore

La maggior parte dei frantumatori idraulici per roccia è dotata di uno o più accumulatori, i quali svolgono il ruolo di accumulo di energia e di stabilizzazione della pressione. Un frantumatore idraulico per roccia compie lavoro esterno soltanto durante la fase di potenza; la fase di ritorno costituisce invece una preparazione alla fase di potenza. Quando il pistone torna indietro, l’olio idraulico entra nell’accumulatore a una pressione superiore a quella della camera di carica, immagazzinando così energia potenziale nell’olio contenuto nell’accumulatore. Tale energia viene rilasciata durante la fase di potenza del pistone, convertendo gran parte dell’energia della fase di ritorno in energia d’urto. In questo modo l’accumulatore contribuisce al miglioramento dell’efficienza operativa del sistema, riducendo contemporaneamente gli urti di pressione e le pulsazioni di flusso causati dallo spostamento dello stantuffo della valvola distributrice.

(4) Meccanismo di azionamento

Lo scalpello è il componente di azionamento del rompighiaccio idraulico che svolge lavoro esterno, agendo direttamente sull’oggetto di lavoro; si tratta di un componente soggetto a usura, che richiede un’elevata resistenza all’abrasione, duro all’esterno e tenace all’interno, con una durezza che varia gradualmente dall’esterno verso l’interno. Per adattarsi alle diverse condizioni operative e agli oggetti di lavoro, gli scalpelli sono disponibili nelle forme a punta, quadrata, a paletta e a testa piatta.

(5) Meccanismo di prevenzione degli spari a vuoto

Poiché un demolitore idraulico per roccia dispone di una notevole energia d'impatto, se al pistone è consentito colpire direttamente il corpo del cilindro, ciò danneggerebbe gravemente il corpo del demolitore, causando uno 'sparo a vuoto'. La struttura di prevenzione dello 'sparo a vuoto' consiste nell’aggiungere una camera idraulica di ammortizzazione nella parte anteriore del corpo del cilindro. Quando la punta non è ancora a contatto con la roccia e si muove in avanti, il pistone d’impatto entra nella camera di ammortizzazione, comprimendo l’olio al suo interno e assorbendo così l’energia d’impatto, realizzando una protezione ammortizzata del corpo della macchina. Contemporaneamente, l’ingresso dell’olio nella camera anteriore viene chiuso, in modo che, sotto l’azione della forza di gravità e dell’azoto presente nella parte posteriore, il pistone non possa ritrarsi; soltanto quando la punta rientra nuovamente in contatto con la roccia e viene spinta indietro con una pressione maggiore esercitata dall’operatore, il pistone d’impatto fuoriesce dalla camera di ammortizzazione e l’olio ad alta pressione può quindi entrare nella camera anteriore, consentendo così il proseguimento del funzionamento normale. Come illustrato nella Fig. 1-4, dopo che il demolitore idraulico per roccia ha completato la frantumazione dell’oggetto da trattare, il pistone può effettuare al massimo uno o due 'spari a vuoto' prima di arrestarsi. L’operatore deve quindi selezionare nuovamente il punto d’impatto, premere saldamente la punta contro la roccia, applicare pressione e far sì che la punta spinga il pistone lontano dall’ingresso dell’olio nella camera inferiore, per poter riprendere il lavoro.

(6) Altri meccanismi

Altri meccanismi del frantumatore idraulico per roccia comprendono: telaio di collegamento, sistema di smorzamento delle vibrazioni, sistema di tenuta, sistema di lubrificazione automatica, ecc.

1.4.2 Classificazione dei frantumatori idraulici per roccia

Esistono numerosi tipi di frantumatori idraulici per roccia e altrettanti metodi di classificazione. I principali metodi di classificazione sono i seguenti:

(1) Classificazione in base al metodo di funzionamento

I frantumatori idraulici per roccia vengono classificati, in base al metodo di funzionamento, in versioni montate su macchina portatrice e versioni portatili. Le versioni portatili sono frantumatori di piccole dimensioni, denominati anche scalpelli idraulici; la massa è generalmente inferiore a 30 kg, vengono azionati manualmente e alimentati da una stazione idraulica dedicata, sostituendo ampiamente le operazioni con scalpelli pneumatici. Le versioni montate su macchina portatrice sono frantumatori di medie e grandi dimensioni, installati direttamente sul braccio di escavatori idraulici, caricatori e altre macchine idrauliche portatrici, sfruttando il sistema di alimentazione, il sistema idraulico e il sistema di movimento del braccio della macchina portatrice per eseguire le operazioni.

(2) Classificazione in base al mezzo di lavoro

Gli spezzarocce idraulici sono classificati, in base al mezzo di lavoro, in tre principali categorie: puramente idraulici, idraulico-pneumatici combinati ed esplosivi a azoto. I tipi puramente idraulici si basano interamente sulla pressione dell’olio idraulico per far funzionare il pistone; i tipi idraulico-pneumatici combinati utilizzano contemporaneamente l’olio idraulico e l’azoto compresso nella parte posteriore per far funzionare il pistone; i tipi esplosivi a azoto si basano interamente sull’espansione istantanea dell’azoto nella camera posteriore di azoto per spingere il pistone a compiere lavoro.

(3) Classificazione in base al metodo di retroazione

Gli spezzoni idraulici per roccia sono classificati, in base al metodo di retroazione, in retroazione per corsa e retroazione per pressione. La differenza risiede nel modo in cui viene raccolto il segnale di retroazione per la commutazione della valvola distributrice. Negli spezzoni idraulici per roccia con retroazione per corsa, la commutazione della valvola distributrice è controllata dall’apertura e dalla chiusura, da parte del pistone, dei fori di retroazione dell’olio ad alta pressione lungo la sua corsa; le posizioni di tali fori possono essere fissate solo in modo rigido e, a causa dei vincoli strutturali, è possibile realizzare al massimo tre fori di retroazione; pertanto, gli spezzoni idraulici per roccia con retroazione per corsa non consentono la regolazione continua della frequenza di impatto. Negli spezzoni idraulici per roccia con retroazione per pressione, la commutazione della valvola distributrice è controllata rilevando la pressione del sistema o quella della camera a azoto situata nella parte posteriore del pistone; quando il pistone entra nella camera a azoto, la pressione all’interno di quest’ultima varia continuamente e, non appena il sensore di pressione installato nella camera rileva un valore preimpostato, la valvola commuta mediante controllo microcomputerizzato; poiché la pressione di commutazione può essere impostata liberamente, gli spezzoni idraulici per roccia con retroazione per pressione consentono la regolazione continua.

(4) Classificazione in base al metodo di distribuzione

In base alla forma della valvola di distribuzione, possono essere classificate in due grandi categorie: valvola a tre vie con ritorno dell'olio su una sola faccia e valvola a quattro vie con ritorno dell'olio su entrambe le facce. Le strutture con ritorno dell'olio su una sola faccia presentano il vantaggio di canali oleodinamici semplici e di facile controllo; nella pratica sono relativamente diffuse. Il ritorno dell'olio su una sola faccia può essere suddiviso in tipo con ritorno dell'olio dalla camera anteriore e tipo con ritorno dell'olio dalla camera posteriore; tra questi, la versione con ritorno dell'olio dalla camera anteriore presenta lo svantaggio di una resistenza elevata all'aspirazione e al ritorno dell'olio, pertanto la forma attualmente più diffusa è quella con pressione costante nella camera anteriore e ritorno dell'olio dalla camera posteriore. Il ritorno dell'olio su entrambe le facce mediante valvola a quattro vie è denominato anche tipo a doppio effetto; la sua caratteristica principale è l'assenza di una camera a pressione costante, con le pressioni nelle camere anteriore e posteriore che alternano condizioni di alta e bassa pressione; tuttavia, a causa della complessità dei canali oleodinamici nella struttura con ritorno dell'olio su entrambe le facce, tale soluzione risulta poco comune.

(5) Classificazione in base alla disposizione della valvola di distribuzione

In base alla disposizione della valvola di distribuzione, queste possono essere classificate in due tipi: a montaggio interno e a montaggio esterno. Il tipo a montaggio interno può essere ulteriormente suddiviso in tipo a cursore e tipo a manicotto. Le valvole di distribuzione a montaggio interno sono integrate nel corpo del cilindro in un unico componente, con struttura compatta; le valvole di distribuzione a montaggio esterno sono invece indipendenti rispetto al corpo del cilindro, con struttura semplice e manutenzione e sostituzione agevoli.

Inoltre, in base al livello di rumore possono essere classificate in tipi a basso rumore e tipi standard; in base alla forma dell'involucro esterno possono essere classificate in frantumatori triangolari, a torre e chiusi, ecc. I vari metodi di classificazione sono riassunti nella Fig. 1-5.