עקרון הפעולה הבסיסי של מפרקי סלעים הידראוליים

1.3 עקרון הפעולה הבסיסי של מפרצי סלע הידראוליים

מפרץ סלע הידראולי הוא מכונה פוגעת הממירה אנרגיה הידראולית לאנרגיה מכנית. היא כוללת שני רכיבים נעים בסיסיים — פיסטון ו-spool שסתום הפצה — אשר מבצעים ביניהם בקרה הדדית באמצעות משוב: התנועה הלוך ושוב של ה-spool שסתום הפצה מביאה להחלפת הכיוון של הפיסטון, והפיסטון בתורו, בתחילת ובסוף כל מחזור, פותח או סוגר את צינור האביזר ההידראולי של השסתום, מה שמוביל להחלפת הכיוון של השסתום — ובכך נוצר מחזור חוזר ונשנה… עקרון הפעולה הבסיסי של מפרץ סלע הידראולי הוא: באמצעות בקרת המשוב בין הפיסטון ל-spool, הפיסטון מבצע תנועה לוך ושוב מהירה תחת כוח הידראולי (או הגז) ופוגע במקלעת כדי לבצע עבודה על הסביבה.

מפרצי סלע הידראוליים מגיעים במגוון סוגי צורות, אשר יתוארו בפירוט בפרקים הבאים. להלן, מפרץ הסלע ההידראולי עם תאי לחץ קבוע קדמית ותאי לחץ משתנה אחורית נלקח כדוגמה לתיאור עקרון פעולתו:

כמתואר באיור, כאשר תחילת המעבר החוזר מתחילה, שמן בלחץ גבוה נכנס לחדר הקדמי של הפיסטון דרך פתח השמן מס' 1 ופועלים בו זמנית על הקצה התחתון של ציר השסתום הכיווני, מה שמשאיר את הציר במצב יציב כפי שמוצג באיור (א). ברגע זה יש שמן בלחץ גבוה בחדר הקדמי של הפיסטון; החדר האחורי מחובר לזרם ההחזרה T דרך פתח השמן מס' 4. תחת פעולת לחץ השמן בחדר הקדמי, הפיסטון מאיץ במהלך המעבר החוזר ומצמיח את החנקן האגור בחדר החנקן (למעט סוגי ההידראוליקה הטהורה); המאגר אוגר שמן. כאשר המעבר החוזר של הפיסטון מגיע לפתח הבקרה מס' 2, שמן בלחץ גבוה מגיע לקצה העליון של ציר השסתום. בנקודה זו, שני הקצוות – העליון והתחתון – של הציר מחוברים לשמן בלחץ גבוה; מכיוון שבעיצוב שטח הפעולה האפקטיבי של הקצה העליון של הציר גדול משטח הפעולה האפקטיבי של הקצה התחתון, הציר עובר למצב המוצג באיור (ב) תחת פעולת השמן בלחץ הגבוה. ברגע זה, שני החדרים – הקדמי והאחורי של הפיסטון – מחוברים לשמן בלחץ גבוה; המאגר פולט שמן כדי להשלים את המערכת. תחת פעולת הכוח המורכב F_q, הפיסטון מאיץ במהלך המעבר המניע, פוגע במקלעת ופולט אנרגיית מכה. כאשר הפיסטון עובר את נקודת המכה, פתחי הבקרה 2 ו-3 מחוברים זה לזה ומחוברים לזרם השמן המוחזר T; לחץ השמן בקצה העליון של ציר השסתום יורד; תחת לחץ השמן בקצה התחתון, ציר השסתום חוזר במהירות למצב המוצג באיור (א). לאחר שחזר למצבו המקורי, הפיסטון מתחיל את המעבר החוזר, נכנס למחזור המכה הבא, וכך הלאה באופן מחזורי. בתהליך זה, הקשר ההדוק בין הפיסטון לציר השסתום מוצג באיור 1-2.

מתוך איור 1-1 ניתן לראות שבעת פעולת ההנעה, תוך התעלמות ממשקלו של הפיסטון ומממשכת החיכוך, כוח ההנעה F_q הפועל על הפיסטון כולל בעיקר את הלחץ ההידראולי ואת לחץ גז החנקן, כלומר: F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. כוח ההנעה F_q תלוי בהפרש השטח האפקטיבי בין המגופים הקדמי והאחורי, בלחץ השמן p ובלחץ החנקן במדרגה p_N. בהתבסס על היחסים השונים בין העבודה ההידראולית לעבודת הגז, ניתן להבחין בשלוש צורות פעולה: טהורה הידראולית, משולבת הידראולית-פנאומטית, ופועלת על-ידי פיצוץ חנקן.

טיהור הידראולי: p_N = 0. בצורת פעולה זו, למחצב ההידראולי אין מדרגת חנקן, והפיסטון מונע לחלוטין על-ידי הפרש הלחצים של השמן במגופים העליון והתחתון. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. צורת הפעולה הזו היא הצורה הראשונה שהופיעה בעת הופעת המחצבים ההידראוליים.

הידראולי-פנאומטי משולב: בצורה זו d₁ < d₂, ובמקביל מוספת תאי חנקן בזנבו של הפיסטון, כך שהחנקן מבצע עבודה, p_N > 0. הכוח F_q מורכב בעיקר משני חלקים: הפרש הלחץ השמן בין התאים הקדמי והאחורי, וכוח ההתפשטות-דחיסה של החנקן. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. צורה זו היא כיום הצורה הנפוצה ביותר של שובר סלעים הידראולי. בהתבסס על היחסים השונים בין כמות העבודה המושקעת על ידי השמן והגז בכוח הניעור הכולל, כלומר על יחס העבודה הגז-נוזל השונה, ניתן לייצר מוצרים עם ביצועים שונים.

חנקן-מتفجر: בצורה זו d₁ = d₂, p_N > 0. הכוח ההידראולי בתאי העליון והתחתון הוא אפס; עבודת הפיסטון במהלך דרגת הכוח מתבצעת לחלוטין על ידי לחץ הגז בתאי החנקן. F_q = π/4 · p_N · d₁². צורה זו היא הצורה העדכנית ביותר של שובר סלעים הידראולי.

לכל אחת מהשלושה צורות יש יתרונות וחסרונות, אך הביצועים הכוללים שלהן משתפרים מדור לדור. הסוג ההורקולי הטהור, כצורה המוקדמת ביותר של מוצר כאשר שברני סלעים הורקוליים הופיעו לראשונה, בעל מבנה פשוט ותפעול אמין ללא צורך בכוח דחיפה התחלתי, אך שיעור היעילות האנרגטית שלו נמוך והוא אינו מתאים לייצור מוצרים בגודל גדול. הסוג המשולב ההורקולי-אווירי מהווה התקדמות משמעותית על פני הסוג ההורקולי הטהור: על ידי הוספת תאי חנקן בקצה הפיסטון, הוא מנצל באופן יעיל את האנרגיה של תנועת ההחזרה ומשפר במידה רבה את כוח ההכאה; עם זאת, המבנה שלו מורכב ודרוש כוח דחיפה התחלתי כדי לפעול. שובר הסלעים ההורקולי-חנקני-פיצצי, מבחינה אנרגטית, לא דורש עבודה של שמן במהלך תנועת הכח, ולכן הוא חסכוני יותר באנרגיה; במקביל, הקטרים הקדמי והאחורי של הפיסטון בעלי קוטר זהה, מה שמאפשר לפתור באופן יעיל את הקושי הנובע מחוסר אספקת שמן רגעית מספקת במהלך תנועת הכח של הפיסטון. עם זאת, בשל הלחץ הגבוה מאוד להטענת החנקן ההתחלתית, כוח הדחיפה הנדרש גדול יותר.

1.4 המבנה הבסיסי וסיווג מפרצי סלע הידראוליים

1.4.1 המבנה הבסיסי של מפרצי סלע הידראוליים

למרות שמספר סוגי מפרצי הסלע ההידראוליים הוא רב, הם חולקים מאפיינים מבניים משותפים. הרכבו הבסיסי של מפרק סלע הידראולי כולל: גוף צילינדר, פיסטון, שסתום התפלגות, מאגר לחץ, תאי חנקן, יושבת קדש, קדש, ברגים בעלי חוזק גבוה, ומערכות איטום. למבנים השונים של מפרצי סלע הידראוליים יש הבדלים קלים, אך בכל מפרק סלע יש שני רכיבים נעים בסיסיים — פיסטון וקרדום שסתום. המבנה הבסיסי שלו מוצג באיור 1-3.

(1) מנגנון הפגיעה

לשבירת סלע הידראולית יש פיסטון יחסית ארוך ודק, שהוא הרכיב החשוב ביותר. על בסיס תיאורית העברת גלי מתח, כדי להעביר ביעילות מקסימלית את אנרגיית הפגיעה של הפיסטון, קוטר פיסטון הפגיעה הוא בדרך כלל שווה או קרוב לקוטר הקצה של זנבו של המקלע, מה שמבטיח מגע מלא בפני הפגיעה ומאפשר להשיג את המטרה של העברת אנרגיה ביעילות. הרווח ההתאמה בין פיסטון הפגיעה לגוף הצילינדר או כיפת התפירה הוא פרמטר טכני חשוב מאוד. אם הרווח גדול מדי, ייווצר דליפת פנימית גדולה מאוד, מה שיגרום לכוח הפגיעה להיות בלתי מספיק ואף יגרום לשבירת הסלע להפסיק לפעול באופן תקין; אם הרווח קטן מדי, תנועת הפיסטון עלולה להיות איטית או שעלול להתרחש נזק חיכוך (galling), ובמקביל עלות הייצור תעלה באופן חדה.

(2) מנגנון הפצה

מפרץ סלעים הידראולי כולל בדרך כלל שסתום הפצה שמחליף את כיוון זרימת השמן ההידראולי, ובאמצעותו הוא מבקר ומניע את התנועה הלוך ושוב של פיסטון המכה. לצורות המבנה של שסתום הפצה יש מגוון רב; באופן כללי ניתן לחלקן לשתי קטגוריות עיקריות: שסתומי ציר ושסתומי גלגלת. שסתומי הציר הם בדרך כלל קלים במשקלם, צורכים פחות שמן, קטנים יותר בקוטרם, ויש להם רווח התאמה קטן יותר ודליפת שמן קטנה יותר; עם זאת, לרוב יש להם מבנה מדרגי, יצרנות מבנית יחסית גרועה, ואובדן דроссל גדול יותר. שסתומי הגלגלת כבדים יותר, גדולים יותר בקוטרם, ורווח ההתאמה והדליפה שלהם גם כן גדולים יותר; עם זאת, היכולת לייצר אותם היא טובה, הגרדיאנט של שטח הפתיחה גדול, ואובני הדроссל קטנים. רווח ההתאמה בין ציר השסתום לגוף השסתום או גלגלת השסתום הוא פרמטר טכני חשוב נוסף בייצור מפרצי סלעים הידראוליים; רווחים גדולים מדי או קטנים מדי יגרמו לשסתום לא לפעול כראוי.

(3) מנגנון ליציבות הלחץ באגירת האנרגיה

לרוב מפרצי הסלע ההידראוליים יש אחד או יותר מאצומים, אשר ממלאים את התפקיד של אגירת אנרגיה ויציבות הלחץ. מפרק סלע הידראולי מבצע עבודה חיצונית רק במהלך דחיפה כוחנית; תנועת החזרה היא הכנה לדחיפה כוחנית. כאשר הפיסטון חוזר, שמן הידראולי נכנס לאצום בלחץ גבוה מהלחץ של תאי המטען, ומאוחסן כאנרגיה פוטנציאלית של השמן באצום. האנרגיה משוחררת במהלך הדחיפה הכחית של הפיסטון, ומעבירה את רוב אנרגיית תנועת החזרה לאנרגיית מכה. בדרך זו, האצום ממלא את התפקיד של שיפור יעילות העבודה של המערכת, וכן מקטין את הליקויים בלחץ והפulsציות בשטף הנגרמים על ידי החלפת הסpool של שסתום ההתפלגות.

(4) מנגנון הפעלה

המְחַתֵּל הוא הרכיב המניע של שובר הסלעים ההידראולי, המבצע עבודה חיצונית ופועלת ישירות על האובייקט המעובד; זהו חלק נצרך שדורש עמידות טובה לבלאי, קשה מבחוץ ועוצמתי מבפנים, עם קשיחות משתנה באופן הדרגתי מהחוצה פנימה. כדי להתאים את המְחַתֵּלים לתנאי עבודה ולאובייקטים מגוונים, הם מצויים בצורות מחודד, מרובע, מגלגלה וראש שטוח.

(5) מנגנון מניעת ירי ריק

מכיוון שמעקף סלעים הידראולי פועל עם אנרגיית מכה גדולה, אם יאפשרו לפיסטון לפגוע ישירות בגוף הצילינדר הוא יפגע קשות בגוף המעקף — מה שיגרום לירי ריק. מבנה מניעת הירי הריק כולל הוספת תאי בופר הידראולי בחלק הקדמי של גוף הצילינדר. כאשר החצוץ לא נוגע בסלע ומזדחל קדימה, הפיסטון המכה נכנס לתא הבופר, דוחס את השמן שבתוכו וסופג את אנרגיית המכה, ובכך מספק הגנה מובלת על גוף המכונה. במקביל, פתח הכניסה לשמן לתא הקדמי נסגר, כך שתחת פעולת הכובד ופעולת החנקן בחלק האחורי הפיסטון לא יוכל לנוע אחורה; רק כאשר החצוץ יחזור ונגע בסלע וידחוף לאחור בכוח רב יותר של הזרוע, הפיסטון המכה ידחה את עצמו מתא הבופר והשמן בעל הלחץ הגבוה יוכל להיכנס לתא הקדמי, ובכך ימשיך הפעולה הרגילה. כפי שמוצג באיור 1-4, לאחר שמעקף הסלעים ההידראולי שבר את החפץ הנמצא תחת עיבוד, הפיסטון יכול לירות ריק פעם או פעמיים לכל היותר לפני שיעצור. הפעיל צריך לבחור מחדש את נקודת המכה, לדחוק את החצוץ בצמוד לסלע, להפעיל לחץ, וכך החצוץ ידחה את הפיסטון מהפתח התחתון של תא השמן, וניתן יהיה להתחיל לעבוד שוב.

(6) מנגנונים אחרים

מנגנונים אחרים של שובר סלעים הידראולי כוללים: מסגרת חיבור, מנגנון דämpינג רטט, מערכת איטום, מערכת שמייה אוטומטית וכו'.

1.4.2 סיווג שוברי סלעים הידראוליים

קיימים סוגים רבים של שוברי סלעים הידראוליים ומספר רב של שיטות לסיווגם. שיטות הסיווג העיקריות הן כדלקמן:

(1) סיווג לפי שיטת הפעלה

שוברי סלעים הידראוליים מסווגים לפי שיטת הפעלה לשבורים המותקנים על נושא (carrier-mounted) ולשבורים ידניים (handheld). השבורים הידניים הם שבורים קטנים, הנקראים גם קיסמים הידראוליים; המסה שלהם בדרך כלל נמוכה מ-30 ק"ג, הם מופעלים ביד, מונעים על ידי תחנת משאבה הידראולית מיוחדת, ויוכלו להחליף באופן רחב פעולות של קיסמים פנאומטיים. השבורים המותקנים על נושא הם שבורים בינוניים וגדולים, המותקנים ישירות על הזרוע של מדחפים הידראוליים, טרקטורים עליונים (loaders) ומכונות הידראוליות אחרות המהוות נושא, תוך שימוש במערכת ההספק, המערכת ההידראולית ומערכת תנועת הזרוע של מכונת הנושא לביצוע הפעולות.

(2) סיווג לפי מדיום העבודה

מפרצי סלע הידראוליים מוסווגים לפי התווך העובד לשלושה סוגים עיקריים: טיפוס הידראולי טהור, טיפוס הידראולי-פנאומטי משולב וטיפוס המופעל על ידי פיצוץ חנקן. הטיפוס ההידראולי הטהור מסתמך לחלוטין על לחץ שמן הידראולי כדי להניע את הפיסטון לעבודה; הטיפוס ההידראולי-פנאומטי המשולב מסתמך הן על שמן הידראולי והן על חנקן דחוס בחלק האחורי כדי להניע את הפיסטון לעבודה; הטיפוס המופעל על ידי פיצוץ חנקן מסתמך לחלוטין על ההתפשטות הרגעית של החנקן במגירת החנקן האחורה כדי לדחוף את הפיסטון לבצע עבודה.

(3) סיווג לפי שיטת ההחזרה

שוברי סלעים הידראוליים מסווגים לפי שיטת משוב למשוב מהלך ומשוב לחץ. ההבדל טמון באופן שבו אות המשוב נאסף לצורך קומוטציה של שסתום החלוקה. שוברי סלעים הידראוליים בעלי משוב מהלך מסתמכים על פתיחה וסגירה של חורי משוב שמן בלחץ גבוה על ידי הבוכנה במהלך המהלך כדי לשלוט בקומוטציה של שסתום החלוקה; ניתן לקבוע את מיקומי חורי המשוב באופן קשיח בלבד, ומוגבלים על ידי תנאים מבניים, ניתן להגדיר לכל היותר 3 חורי משוב; לכן שוברי סלעים הידראוליים בעלי משוב מהלך אינם יכולים להשיג כוונון ללא שלבים של תדירות הפגיעה. שוברי סלעים הידראוליים בעלי משוב לחץ מסתמכים על לחץ מערכת האיסוף או לחץ תא החנקן בזנב הבוכנה כדי לשלוט בקומוטציה של שסתום החלוקה; כאשר הבוכנה נכנסת לתא החנקן, לחץ תא החנקן משתנה ברציפות, וכאשר חיישן הלחץ המותקן בתא מזהה לחץ מוגדר מראש, השסתום עובר קומוטציה באמצעות בקרת מיקרו-מחשב; מכיוון שניתן לקבוע את לחץ הקומוטציה באופן שרירותי, שוברי סלעים הידראוליים בעלי משוב לחץ יכולים להשיג כוונון ללא שלבים.

(4) סיווג לפי שיטת ההתפלגות

בהתבסס על צורת שסתום ההתפלגות, ניתן לסווג אותם לשתי קטגוריות עיקריות: שסתום תלת-דרכי עם החזרת שמן בצד אחד, ושסתום ארבע-דרכי עם החזרת שמן משני הצדדים. לצורות הבניה של החזרת שמן בצד אחד יש את היתרונות של מסלולי שמן פשוטים ושליטה קלה; בפועל הן בשימוש יחסית נרחב. החזרת שמן בצד אחד יכולה להתחלק לסוגי החזרת שמן מחדר הקדמי ומחדר האחורי; מבין אלו, לצורות החזרת שמן מחדר הקדמי יש את החסרונות של התנגדות גבוהה לספיגה והחזרת שמן, ולכן הצורה הנפוצה ביותר כיום היא זו שבה לחץ קבוע במחדר הקדמי והחזרת שמן מתבצעת מהחדר האחורי. החזרת שמן משני הצדדים דרך שסתום ארבע-דרכי נקראת גם סוג דו-פעלי; מאפיינה היא היעדר חדר לחץ קבוע, כאשר הלחצים בחדר הקדמי והאחורי מתחלפים בין גבוה ונמוך; אולם בשל מסלולי השמן המורכבים בצורת הבניה של החזרת שמן משני הצדדים, השימוש בה הוא נדיר.

(5) סיווג לפי תבנית שסתום הפצה

לפי תבנית שסתום הפצה, ניתן לסווג אותם לשני סוגי שסתומים: פנימי וחיצוני. סוג השסתום הפנימי מתחלק עוד יותר לסוג ציר (spool) ולסוג גלגלת (sleeve). שסתומי הפצה פנימיים מאוחדים עם גוף הגליל כיחידה אחת, ובכך הם בעלי מבנה מרוכז; שסתומי הפצה חיצוניים נמצאים בנפרד מחוץ לגוף הגליל, ובכך הם בעלי מבנה פשוט ומאפשרים תחזוקה והחלפה נוחות.

בנוסף, על פי רמת הרעש ניתן לסווגם לסוגים נמוכי רעש וסטנדרטיים; ועל פי צורת המארז החיצוני ניתן לסווגם למקטעים שבירים משולשים, מגדליים וסגורים, וכדומה. שיטות הסיווג השונות מסוכמות בתרשים 1-5.