ניתוח של אופן פעולתו של שובר סלעים הידראולי

2.2 ניתוח של אופן פעולתו של שובר סלעים הידראולי

לשובר סלעים הידראולי יש צורות מבניות רבות. המתחילים מהעקרון הפועלי, המחברים מחלצים ומסכמים את הרעיונות הבסיסיים והחשובים ביותר של שובר סלעים הידראולי, ומפחיתים אותם לשלושה מצבי פעולה בסיסיים: טהור הידראולי, הידראולי-אווירי משולב, ופוצץ חנקני.

2.2.1 עיקרון הפעולה הטהור הידראולי

עקרון הפעולה ההידראולי הטהור כולל שלוש צורות יישום: לחץ קבוע במדור הקדמי / לחץ משתנה במדור האחורי (בקיצור 'עקרון הלחץ הקבוע במדור הקדמי'), לחץ קבוע במדור האחורי / לחץ משתנה במדור הקדמי (בקיצור 'עקרון הלחץ הקבוע במדור האחורי'), ולחץ משתנה במדורים הקדמי והאחורי (בקיצור 'עקרון הלחץ המשתנה').

(1) עקרון הלחץ הקבוע במדור הקדמי

זה היה עקרון הפעולה שאמץ לראשונה בהתחלה של פיתוח המנפצים ההידראוליים לסלעים; כל ההתקדמויות הטכנולוגיות הבאות נבנו עליו. המנפח ההידראולי לסלעים עם עקרון הלחץ הקבוע במדור הקדמי מוצג באיור 2-1.

מתוך תרשים 2-1, המערכת מורכבת מגוף צילינדר, מטוטלת, שסתום בקרה ומעברי שמן. גוף הצילינדר והמטוטלת מהווים את מנגנון ההכאה. המטוטלת זזה הלוך ושוב בתוך גוף הצילינדר על ידי שמן הידראולי, מייצרת אנרגיית הכאה לחוץ ומחזיקה כוח הכאה גדול במטרה, ויוצרת אפקט פטיש. תפקידו של שסתום הבקרה הוא להפוך את כיוון השמן המניע את המטוטלת, ובכך להשיג תנועה מחזורית הלוך ושוב של המטוטלת.

המפרק הסלעי ההידראולי המוצג בתרשים 2-1 נמצא עם המטוטלת שלו בנקודת ההכאה; חוטף השסתום נמצא במצב שבו הוא מסיים לרגע את המעבר מההליכה המניעה למסלול החזרה. ברגע זה, שמן בלחץ גבוה נכנס לתא הקבוע בלחץ גבוה של הצילינדר (תא א ) דרך פתח השסתום הקבוע בלחץ גבוה, ומניע את המטוטלת לאורך מסלול החזרה (לכיוון ימין). השמן בתא המשתנה בלחץ של המטוטלת (תא b מחזירים אותו למיכל דרך פתח 4 ופתח השסתום לזרימה חוזרת/לחץ משתנה. b כשהפיסטון נע לאחור עד שכתף הקצה שלו עוברת את פתח 2 בגוף הגליל, שמן בלחץ גבוה מופנה לפתח 5 של שסתום הדחיפה, מה שגורם לשסתום להשתנות (לכיוון שמאל). מאחר שהחדר בלחץ קבוע גבוה של השסתום מחובר כעת לחדר הביניים בלחץ משתנה, שמן בלחץ גבוה נכנס לחדר האחורי של הפיסטון b דרך פתח 4. שני הצדדים של הפיסטון מצויים כעת תחת שמן בלחץ גבוה, אך משום ששטח החיבור ללחץ של החדר האחורי גדול משטח החיבור ללחץ של החדר הקדמי א המגשף מתחיל להאטה במהלך המעבר החוזר, מהירותו יורדת לאפס, והוא מתחילה את מחזור הכוח (לכיוון שמאל). כאשר הקדח המרכזי של המגשף מקשר את פתחי 2 ו-3, המגשף הגיע בדיוק לנקודת ההשפעה, ובכך מסיים מחזור אחד; במקביל, פתח 5 של שסתום הדחיפה נקשר לקו השבתת השמן, ולכן הליבה עוברת ימינה, חוזרת למצב המוצג באיור 2-1, ומושלמת מחזור מלא אחד, תוך הכנה למחזור החזרה הבא של המגשף. בדרך זו, המגשף משיג השפעה רציפה ופולט באופן רציף אנרגיית השפעה. תאי אויר ג בתהליך העבודה הזה מתפיחים את התא לאטמוספירה.

(2) עיקרון הלחץ הקבוע בתא האחורי

יש לציין כי עיקרון העבודה הזה ניתן ליישום רק בתנאי ששטח הפנים הנושא הלחץ בתא הקדמי של המגשף א גדול משטח הפנים הנושא הלחץ בתא האחורי b , כלומר קוטר התא הקדמי של המגשף קטן מקוטר התא האחורי ( g ₁ > g ₂).

איור 2-2 מציג את הסכימה של שובר סלעים הידראולי עם מתחם אחורי בלחץ קבוע / מתחם קדמי בלחץ משתנה.

בהשוואה לאיור 2-1, ההבדל היחיד הוא שפתח 1 בגוף הצילינדר מחובר למתחם הלחץ המשתנה של השסתום במקום למתחם הלחץ הקבוע (הלחץ הגבוה); פתח 4 מחובר ישירות למתחם הלחץ הקבוע של השסתום; כל שאר מעברי השמן זהים. איור 2-2 מציג את הרגע שבו מסתיימת בדיוק תנועת הכוח של הפיסטון והשסתום כבר החליף מצב — המערכת נמצאת ברגע שבו תחילת תנועת החזרה.

התכונה העבודתית של עיקרון זה היא ששובר הסלעים ההידראולי אינו מפריק שמן במהלך תנועת החזרה, אך כן מפריק שמן במהלך תנועת הכוח; ושטח הלחיצה במתחם הקדמי א גדול משטח הפנים הנושא הלחץ בתא האחורי b מכיוון שזמן פליטת המכה הוא קצר והזרימה גדולה, אובדי הלחץ ההידראולי של עיקרון זה גדולים מאובדי הלחץ של עיקרון התא הקדמי בלחץ קבוע.

(3) עיקרון הלחץ המשתנה בתאים הקדמי והאחורי

עיקרון הלחץ המשתנה בתאים הקדמי והאחורי מוצג באיור 2-3. מהתרשים הזה קל לראות כי סוג זה של מכשיר הפעלה הידראולית בעל מבנה מורכב עם מסלולים רבים, מה שגובר על עלויות הייצור. לפיכך, אינו בשימוש במקטעי סלעים הידראוליים כיום; הוא עדיין בשימוש בחלק מהממותגים של מקטעי סלעים הידראוליים.

איור 2-3 מציג את המיקום בסוף תנועת הלחיצה של הפיסטון, ותחילת תנועת ההחזרה. כאשר תנועת ההחזרה מתחילה, שמן בלחץ גבוה מהחדר הביניים של השסתום נכנס לחדר הקדמי של הפיסטון א השמן בתא האחורי b מופק לתוך מיכל השמן דרך פתח הצילינדר 5 וחדר הימני של השסתום. במהלך המעבר החוזר, כאשר כתף השמאלי של הפיסטון עוברת על פתח 2 בגוף הצילינדר, שמן בלחץ גבוה דרך פתח 7 דוחף את ציר השסתום כדי להחליק אותו לימין; ציר השסתום משנה באופן מיידי את מסילות האספקה והפליטה של השמן בגוף הצילינדר — פתח הצילינדר 5 הופך ללחץ גבוה ופתח הצילינדר 1 הופך לפליטה למיכל — ולכן הפיסטון מתחיל להאט, מהירותו יורדת במהרה לאפס, והוא עובר להאצה של מחזור העבודה. כאשר מחזור העבודה של הפיסטון מגיע לנקודת ההשפעה, הקערה המרכזית של הפיסטון מקשרת בין פתחי הצילינדר 2 ו-3, פתחי 4 ו-5 מתאחדים, הצד השמאלי של ציר השסתום מחובר דרך פתח 7 לפתחים 2 ו-3 להחזרת השמן, והצד הימני של ציר השסתום (פתח 6) מחובר דרך פתחי 4 ו-5, הצד הימני של השסתום וחדר הביניים, ללחץ גבוה, מה שגורם לציר להחליק לשמאל, משנה את מסילות האספקה והפליטה של השמן בצילינדר ומגשים מחזור עבודה אחד של הפיסטון. הפיסטון והציר של מכשיר ההשפעה ההידראולי חוזרים למצב המוצג באיור 2-3 — תחילת המחזור החוזר. בדרך זו, שובר הסלע ההידראולי, באמצעות התנועה ההדדית הרציפה של הפיסטון, פולט באופן רציף אנרגיית השפעה לחוץ, ומושלם בעוצמה את עבודת ההשפעה.

כל שלושת עקרונות הפעולה ההידראוליים הטהורים המתוארים לעיל בשימוש כרגע במקדחות סלע הידראוליות, במפרקי סלע הידראוליים ובמנגנוני מכה הידראוליים אחרים, אך מפרקי הסלע ההידראוליים עדיין משתמשים יותר באופן נפוץ בעקרון הפעולה המשולב הידראולי-פנאומטי.

2.2.2 עקרון הפעולה המשולב הידראולי-פנאומטי

מהניתוח של עקרון הפעולה ההידראולי הטהור ניתן לראות שכל אנרגיית המכה של מנגנון מכה הידראולי טהור מסופקת על ידי מערכת הידראולית. עם זאת, ככל שמספר השימוש במפרקי סלע הידראוליים טהורים גדל והמחקר התקדם, התגלה שהאבדנים ההידראוליים היו גדולים למדי, מה שגרם להגבלה בשיפור היעילות הלאחרית. הנוזל ההידראולי הזורם דרך המעברים בגוף הצילינדר חייב לחיכוך בדפנות הצינור, והאבדנים ההידראוליים שנגרמים על ידי עקומים, שינויים בקוטר ושינויי כיוון הזרימה הם ניכרים; ככל שהזרימה גדולה יותר, כך גם האבדנים גדולים יותר, ובעיקר זה קשה במיוחד במהלך דחיפה.

בשלב זה, עקרון הפעולה המשולב של הידראוליקה ואויר נפוץ בעיקר במקטעי סלעים הידראוליים הדורשים אנרגיית מכה גדולה ותדירות נמוכה, ובמכונות הידראוליות להנחת עמודי יסוד.

כדי לשפר את היעילות, לאחר מחקר מקיף, נמצא שיטה פשוטה ויעילה: שימוש משולב באויר ושמן כדי לספק את אנרגיית המכה של מקטע הסלעים ההידראולי. זה מפחית את הזרימה הנדרשת במהלך דחיפה כוחנית — ומפחית אובדן הידראולי ומשפר את היעילות הפעולה — ולכן נקרא מקטע הסלעים ההידראולי המשולב הידראולית-אוירית.

עקרון הבנייה של מקטע הסלעים ההידראולי המשולב הידראולית-אוירית פשוט מאוד: יש רק למלא את תאי האויר. ג בשלושת עקרונות ההידראוליקה הטהורים שצוינו לעיל עם חנקן בלחץ מסוים. מכיוון שחנקן נמצא כעת במערכת, כאשר הפיסטון מבצע את תנועת ההחזרה, החנקן מתכווץ ואנרגיה נאגרת; כאשר מתרחשת תנועת הלחיצה, אנרגיה זו משוחררת יחד עם השמן כדי לספק כוח לדחיפה של הפיסטון, ובכך יוצרת אנרגיה קינטית בנקודת ההשפעה, אשר מומרת לאנרגיית הפעלה. ברור כי תפקידו של החנקן מקטין בהכרח את כמות השמן הנצרכת במהלך תנועת הלחיצה, ומפחית את צריכת השמן, ובכך מוביל להפסדים הידראוליים נמוכים יותר ויעילות גבוהה יותר.

בהשוואה לפיצוץ סלעים הידראולי טהור, שטח החתך האפקטיבי של החדר האחורי של הפיסטון b בשובר סלעים הידראולי-פנאומטי משולב, שטח החתך האפקטיבי של הלחץ מופחת. הפחתה זו בשטח החתך האפקטיבי המ Bearing לחץ פירושה צריכה נמוכה יותר של שמן במהלך דרגת ההפעלה והפסדים הידראוליים נמוכים יותר — זהו הסיבה המרכזית שבגינה שברי סלעים הידראוליים-פנאומטיים משולבים התפתחו במהרה בשנים האחרונות. כמעט כל שברי הסלעים הידראוליים-פנאומטיים המשולבים משתמשים בעקרון הפעולה של לחץ קבוע במדור הקדמי; זהו גם מאפיין מרכזי מסוג הידראולי-פנאומטי המשולב.

2.2.3 עקרון הפעולה של ניטרוגן-פיצוץ

עקרון הפעולה של שובר סלעים הידראולי ניטרוגן-פיצוץ אינו שונה מהותית מעקרון הפעולה של שובר סלעים הידראולי-פנאומטי משולב; הפרמטרים המבניים של הפיסטון פשוט שונים. ההבדל המרכזי הוא שהקטרים של הפיסטון הקדמי והאחורי שווים, כלומר, g ₂ = g ₁, וכל אנרגיית ההכאה מסופקת על ידי ניטרוגן.

קוטר זהה של הפיסטונים בצד הקדמי והאחורית הוא התכונה המרכזית של מפרק הסלעים ההידראולי הנותן פיצוץ חנקני. במהלך מחזור הכוח, המגזר האחורי אינו צורך שמן, וכל אנרגיית ההשפעה יכולה להימסר על ידי החנקן. כמובן, האנרגיה האגורה בחנקן מסופקת על ידי המערכת ההידראולית במהלך מחזור ההחזרה ומשתנה לאנרגיה קינטית במחזור הכוח. לפיכך, בסופו של דבר, זו עדיין אנרגיה הידראולית המוחלפת — אך באמצעות דחיסה של תווך גז ואגירת אנרגיה, האנרגיה החנקנית האגורה משוחררת במהלך מחזור הכוח ומשתנה לאנרגיה מכנית של הפיסטון.

יש לציין כי רק עקרון הלחץ הקבוע בתא הקדמי ניתן ליישם על מפסק סלעים הידראולי מסוג חנקן; לא ניתן ליישם את עקרון הלחץ הקבוע בתא האחורי ולא את עקרון הלחץ המשתנה בתא הקדמי-אחורי על מפסק סלעים הידראולי מסוג חנקן. הסיבה ברורה לאחר שמבינים את תכונת הבוכנה ש... g ₂ = g ₁.