פרמטרים טכניים בסיסיים

2.1 פרמטרים טכניים בסיסיים

2.1.1 פרמטרים של שובר סלעים הידראולי

(1) פרמטרי ביצוע

ר ותדירות מכה פ הם פרמטרי הביצוע המגדירים שובר סלעים הידראולי. ר מגדיר את קיבולת העבודה של השובר; פ מגדיר את קצב העבודה שלו.

הספק הפלט של שובר סלעים הידראולי ניתן להבעה כ:

נ = ר × פ                                           (2.1)

מכיוון שהשניים הפרמטרים המגדירים את הביצוע — אנרגיית מכה ותדירות מכה — קשורים זה לזה, בעת תכנון שובר סלעים הידראולי יש לקבוע את היחס בין ר ל פ חייב להיות מאוזן בקפידה. בתנאי של קיבולת מותקנת מינימלית, יש להשיג את היעילות המרבית בעבודה. למחצב סלעים הידראולי דרושת אנרגיית מכה גדולה ר ואת תדירות המכה פ יש לקצר באופן מתון, כדי לענות על הצורך בכוח מכה גבוה ואפקט שבירת אופטימלי. למכונה הידראולית לחפור סלע, אף שהיא גם כן מנגנון מכה הידראולי, דרושת אנרגיית מכה קטנה ר וכמו כן תדירות מכה גבוהה ככל האפשר פ , כדי לענות על הצורך בחפירה מהירה.

(2) פרמטרי עבודה

מהירות המכה המקסימלית של הפיסטון v _מ , זרם העבודה ק , הלחץ העבדתי פ , וכוח הדחיפה האופטימלי פ _ת הם פרמטרי הפעולה של שובר סלעים הידראולי.

● מהירות מכת המטוטלת המרבית v _מ : זו מהירות ההתקשרות הרגעית כאשר המטוטלת פוגעת בקצה האחורי של הסכין. האנרגיה הקינטית המתאימה של המטוטלת מוגדרת כאנרגיית המכה של הפטיש ההידראולי ר . כאשר האנרגיה הקינטית של המטוטלת עוברת לחלוטין ליעד, אנרגיית המכה של הפטיש ההידראולי היא:

ר = ½ מיליוולט ²_מ                                            (2.2)

כאשר:‏ מ — מסת המטוטלת.

מהמשוואה (2.2) נובע כי ככל שמהירות מכת המטוטלת גבוהה יותר, כך גם אנרגיית המכה גבוהה יותר.

עם זאת, הגידול ב- v _מ מוגבל על ידי שני גורמים:

1) מגבלות תכונות החומר של המטוטלת והסכין. מהירות הקצה של המכה v _מ קשור למתח מגע σ ; ככל ש- σ גבוה יותר, כך הוא משפיע יותר על משך החיים של הפיסטון והקלף. תחת מתח המגע המותר σ , הבחירה הטיפוסית היא v _מ = 9 עד 12 מטר/שניה. עם התקדמות מדעי החומרים, ערך של v _מ ניתן להגביר עוד יותר.

2) הגבלת התדר של מנגנון ההכאה. מאחר שהמבנה וההילוך של הפיסטון מוגבלים, ובהינתן הילוך פיסטון קבוע, הפעלת המהירות ל- v _מ הנדרשת דורשת זמן קצר מאוד. ברור שככל ש- v _מ גדול יותר, כך זמן ההאצה הנדרש קצר יותר.

תדר נמוך פירושו שזמן המחזור של הפיסטון וזמן ההילוך שלו ארוכים שניהם, בעוד שתדר גבוה v _מ מוביל בהכרח לקצרת מחזור וזמן מחזור — כלומר, תדר פגיעה גבוה — אשר אינו יכול לספק את דרישות העיצוב בתדר נמוך.

● זרם עבודה ק : הזרם המסופק למפרק סלעים הידראולי על ידי pomp הידראולית במהלך הפעולה; זהו משתנה בלתי תלוי. התנהגות ופרמטרי ביצוע של מפרק הסלעים הידראולי קשורים באופן הדוק לזרם העבודה והינם פונקציות של זרם העבודה; הם משתנים בהתאם לשינוי בזרם העבודה.

● לחץ עבודה פ : הלחץ שהמערכת ההידראולית דורשת כאשר מפרק הסלעים הידראולי נמצא בפעולה — הלחץ המערכת הנדרש כדי להשיג את פרמטרי הביצוע שלו. לחץ עבודה פ הוא משתנה תלוי; הוא משתנה בהתאם לשינוי בזרם הקלט ק ובפרמטרים המבניים. במהלך הפעולה, כאשר כל הפרמטרים האחרים נשארים קבועים, הלחץ פ אינו ניתן לשינוי פעיל. לחץ עבודה פ וזרם הקלט ק לעמוד בעקרון הבסיסי של טכנולוגיית הידראוליקה: לחץ המערכת נקבע על ידי המטען החיצוני. על סמך עיקרון זה, תכנון מפרק סלעים הידראולי פירושו שימוש בפרמטרים המבניים ובזרימת העבודה כדי להבטיח שהלחץ העבדתי של המערכת פ יתקבל.

● כוח דחיפה פ _ת כאשר מקשה סלעים הידראולית פועלת, התאוצה של הפיסטון במחזור הכוח גורמת לגוף המכונה לנוע לאחור, מה שגורם לחרטום לאבד את המגע עם היעד ומונע מההדף לפעול כראוי. כדי להתגבר על התנודת האחורית הזו, יש להפעיל כוח לאורך ציר גוף המקשה — הנקרא 'כוח דחיפה'. כוח הדחיפה חייב להיות גדול מספיק כדי לשמור על חרטום במגע איתן עם החפץ הנפגע. כוח הדחיפה חייב להיות אופטימלי. כלומר, קיימת בעיה של כוח דחיפה אופטימלי, אשר קשורה באופן הדוק למחלקת הגודל של מכונת הנשיאה. אם מכונת הנשיאה קטנה מדי, הכוח שהיא יכולה לספק אינו מספיק; ואם היא גדולה מדי, אף על פי שדרישת כוח הדחיפה מושגת, עלות ההשקעה במכונה גדלה, מה שגרם גם הוא לתוצאה בלתי רצויה. בעיצוב מקשות סלעים הידראוליות, השגת אנרגיית ההלם הגבוהה ביותר בעזרת כוח דחיפה קטן תמיד הייתה יעד אופטימיזציה. זה מאפשר לשלב מקשה סלעים הידראולית בעלת אנרגיית הלם גבוהה עם מכונת נשיאה קטנה יותר, ליצור שילוב עבודה יעיל ולצמצם את עלויות הפעלה.

(3) פרמטרים מבניים

שלושת קטריה של הפיסטונים g ₁, g ₂, ו g ₃, מסה פעילה מ , ומחזור פעיל ש הם הפרמטרים המבניים של שובר סלעים הידראולי. הפרמטרים המבניים קובעים את פרמטרי הביצועים שלו. תכנון שובר סלעים הידראולי הוא ביסודו קביעת הפרמטרים המבניים g ₁, g ₂, g ₃, מ , ו ש אשר יבטיחו שהשגת פרמטרי הביצועים הנדרשים. לאחר שנקבעו הפרמטרים המבניים, כל פרמטרי הביצועים ופרמטרי הפעולה משתנים בהתאם לזרימה הקלטית והם פונקציות של הזרימה הקלטית.

2.1.2 לחץ שמן עבודה ולוחץ נומינלי

(הלחץ הנומינלי מסומן פ _ה בכל הקטע הזה)

כששובר הסלעים ההידראולי פועל, לחץ השמן ההידראולי מפעיל את הפיסטון לתנועה, ותבנית התנועה של הפיסטון נקבעת על-פי תבנית השינוי בכוח ההנעה של השמן — זהו הקינמטיקה והדינמיקה של הפיסטון.

בהתחשב במסת המבנה מ , תאוצה א , וכוח ההתמד של המבנה פ _ק , החוק השני של ניוטון נותן:

פ _ק = mA                                              (2.3)

כוח הפעולה פ שווה פ _ק בגודל אך הפוך בכיוון. כוח הפעולה פ הפועל על המבנה נוצר על ידי לחץ השמן פ בחדר, וניתן לבטאו כ:

פ = פ _ק / א = mA / א = ( מ / א ) · d v / d ת             (2.4)

כאשר:‏ מ — מסת המבנה, קבועה;

 א — שטח הפנים של המבנה הנושא הלחץ, קבוע;

 v — מהירות המבנה; הזרימה הרגעית ק שמניעה את תנועת המבנה מקיימת:

AV = ק                                               (2.5)

מאז v ו ק במשוואה (2.5) הן פונקציות של הזמן, גזירה v ו ק לפי הזמן נותנת:

א g v / d ת = d ק / d ת                                  (2.6)

הצבת המשוואה (2.6) במשוואה (2.4) נותנת:

פ = ( מ / א ²) · d ק / d ת                              (2.7)

במשוואה (2.7), מ / א ²הוא קבוע; d ק / d ת מייצג את קצב השינוי של זרימת המערכת.

מהמשוואות (2.3)–(2.7), נוצרת לחץ המערכת על סמך שינוי זרימת הקלט לתא השמן. במילים אחרות, השינוי בזרימת השמן ההידראולית יוצר תאוצה של הפיסטון וכוח התמד, אשר בתורו יוצר את לחץ תא השמן פ .

לחץ שמן המערכת פ יִשְׁתַּנֶּה באופן פרופורציונלי למסת הפיסטון מ ולקצב השינוי של הזרימה d ק /dת , והפוך-פרופורציונלי לריבוע שטח הפנים של הפיסטון המתחזק את הלחץ א . כדי להפחית את לחץ שמן המערכת פ , יש להגדיל את שטח הפנים של הפיסטון המתחזק את הלחץ א היא השיטה היעילה ביותר, אך היא גם מגדילה את גודל גוף המכונה, ולכן יש לקחת בחשבון את שני הגורמים הללו בעיצוב.

לחץ שמן המערכת פ היא פונקציה של הזרימה והינה משתנה תלוי; לא ניתן לשנות אותה באופן פעיל במהלך הפעלה, אלא רק כשתتغير הזרימה הקלט. מכיוון שהשמן הזורם לתא השמן הוא פונקציה של הזמן בעת פעולת המפרק ההידראולי, הלחץ של השמן פ משתנה אף הוא עם הזמן ואינו מקבל ערך קבוע. הלחץ של השמן שמתועד בגליון נתוני המוצר, אשר המחברים מכנים אותו 'הלחץ המדורג של השמן', מסומן פ _ה . בלחץ זה, פרמטרי הביצוע של המפרק ההידראולי מגיעים לערכיהם המדורגים. פ _ה הינו פרמטר וירטואלי — הוא אינו קיים בפועל — אך הוא חשוב ביותר בעיצוב ובשימוש במפרק ההידראולי. בעיצוב, פ _ה משמש כבסיס לחישוב פרמטרי הביצוע, פרמטרי הפעולה ופרמטרי המבנה, ובבחירת רכיבי מערכת ההידראוליקה. בשטח הוא הופך למקור חשוב להתייחסות של הפעיל כדי לקבוע האם המערכת פועלת באופן תקין או לא. הפרמטר פ _ה יידון בהרחבה בפרקים הבאים.