Prinsip Asas Operasi Penghancur Batu Hidraulik

1.3 Prinsip Asas Operasi Penghancur Batu Hidraulik

Pemecah batu hidraulik ialah sebuah jentera impak yang menukar tenaga hidraulik kepada tenaga mekanikal. Ia mengandungi dua komponen bergerak asas — satu omboh dan satu spul injap pengagihan — yang saling mengawal balik antara satu sama lain: gerakan ulang-alik spul injap mengawal penukaran arah omboh, manakala omboh pula, pada permulaan dan akhir setiap langkahnya, membuka atau menutup laluan minyak kawalan injap, seterusnya mewujudkan penukaran arah injap — proses ini berulang secara kitaran … Prinsip kerja asas pemecah batu hidraulik ialah: melalui kawalan balik omboh–spul ini, omboh bergerak ulang-alik dengan pantas di bawah daya hidraulik (atau gas) dan memukul tatal untuk melakukan kerja ke luar.

Pemecah batu hidraulik terdapat dalam pelbagai jenis dan bentuk, yang akan diterangkan secara terperinci dalam bab-bab seterusnya. Di bawah ini, contoh pemecah batu hidraulik dengan tekanan malar di ruang hadapan dan tekanan berubah-ubah di ruang belakang digunakan untuk menerangkan prinsip kerjanya:

Seperti yang ditunjukkan dalam rajah, apabila lejang pulang bermula, minyak bertekanan tinggi memasuki ruang hadapan omboh melalui pelabuhan minyak 1 dan serentak bertindak pada hujung bawah spul injap arah, mengekalkan spul dalam keadaan stabil seperti yang ditunjukkan dalam rajah (a). Pada masa ini, ruang hadapan omboh mengandungi minyak bertekanan tinggi; manakala ruang belakang dihubungkan ke saluran pulang T melalui pelabuhan minyak 4. Dipacu oleh tekanan minyak dalam ruang hadapan, omboh memecut semasa lejang pulang dan memampatkan nitrogen yang disimpan dalam ruang nitrogen (kecuali jenis hidraulik tulen); akumulator menyimpan minyak. Apabila lejang pulang omboh mencapai pelabuhan kawalan 2, minyak bertekanan tinggi sampai ke hujung atas spul injap. Pada ketika ini, kedua-dua hujung atas dan bawah spul dihubungkan kepada minyak bertekanan tinggi; kerana dalam rekabentuk, luas berkesan hujung atas spul adalah lebih besar daripada luas berkesan hujung bawahnya, maka spul berpindah ke keadaan seperti dalam rajah (b) di bawah tindakan minyak bertekanan tinggi. Pada ketika ini, kedua-dua ruang hadapan dan belakang omboh dihubungkan kepada minyak bertekanan tinggi; akumulator melepaskan minyak untuk menambah bekalan sistem. Di bawah tindakan daya gabungan F_q, omboh memecut semasa lejang kuasa, menghentam pahat, dan menghasilkan tenaga impak. Apabila omboh melalui titik impak, pelabuhan kawalan 2 dan 3 dihubungkan dan disambungkan ke saluran minyak pulang T; tekanan minyak di hujung atas spul injap turun; di bawah tekanan minyak di hujung bawah, spul injap dengan cepat berpindah kembali ke keadaan seperti dalam rajah (a). Dengan kembali ke keadaan asal, omboh memulakan lejang pulang, memasuki kitaran ketukan seterusnya, dan seterusnya secara berkitar. Dalam proses ini, hubungan perkaitan antara omboh dan spul injap ditunjukkan dalam Rajah 1-2.

Daripada Rajah 1-1, dapat dilihat bahawa semasa lejang kuasa, dengan mengabaikan graviti omboh dan rintangan geseran, daya F_q yang memacu kerja impak omboh terutamanya terdiri daripada tekanan hidraulik dan tekanan gas nitrogen, iaitu F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Daya pemacu F_q berkaitan dengan perbezaan luas berkesan ruang hadapan-belakang, tekanan minyak p, dan tekanan ruang nitrogen p_N. Berdasarkan nisbah yang berbeza antara kerja minyak dengan kerja gas, tiga bentuk operasi boleh terbentuk: hidraulik tulen, gabungan hidraulik-pneumatik, dan letupan nitrogen.

Hidraulik tulen: p_N = 0. Dalam bentuk ini, penghancur batu hidraulik tidak mempunyai ruang nitrogen dan omboh dipacu sepenuhnya oleh perbezaan tekanan minyak dalam ruang atas-bawah. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Bentuk ini merupakan bentuk awal apabila penghancur batu hidraulik pertama kali muncul.

Hidraulik-pneumatik bergabung: Dalam bentuk ini, d₁ < d₂, dan serentaknya sebuah ruang nitrogen ditambahkan di bahagian belakang piston, dengan memasukkan nitrogen untuk melakukan kerja, p_N > 0. F_q terutamanya terdiri daripada dua komponen: beza tekanan minyak antara ruang hadapan-belakang dan daya mampatan-pengembangan nitrogen. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Bentuk ini kini merupakan bentuk penghancur batu hidraulik yang paling lazim. Berdasarkan nisbah berbeza antara kerja minyak dan gas dalam jumlah daya pendorong keseluruhan—iaitu nisbah kerja gas kepada cecair yang berbeza—produk dengan prestasi berbeza dapat dihasilkan.

Letupan nitrogen: Dalam bentuk ini, d₁ = d₂, p_N > 0. Daya hidraulik ruang atas-bawah adalah sifar; kerja piston semasa lejang kuasa sepenuhnya dipacu oleh tekanan gas dalam ruang nitrogen. F_q = π/4 · p_N · d₁². Bentuk ini merupakan bentuk terkini penghancur batu hidraulik.

Ketiga-tiga bentuk ini mempunyai kelebihan dan kekurangan masing-masing, tetapi prestasi keseluruhan mereka meningkat daripada satu generasi ke generasi berikutnya. Jenis hidraulik tulen, sebagai produk bentuk awal ketika pemecah batu hidraulik pertama kali muncul, mempunyai struktur yang ringkas dan operasi yang boleh dipercayai tanpa memerlukan daya tolakan awal, tetapi kadar penggunaan tenaga rendah dan tidak sesuai untuk pembuatan produk bersaiz besar. Jenis gabungan hidraulik-pneumatik merupakan lompatan besar berbanding jenis hidraulik tulen: dengan menambahkan ruang nitrogen di bahagian belakang omboh, ia dapat memanfaatkan tenaga semasa langkah balik secara berkesan serta meningkatkan daya impak secara ketara; namun strukturnya kompleks dan memerlukan daya tolakan awal untuk beroperasi. Pemecah batu hidraulik jenis letupan nitrogen, dari sudut pandangan tenaga, tidak memerlukan kerja minyak semasa langkah kuasa dan oleh itu lebih jimat tenaga; serentak itu, diameter ruang di bahagian hadapan dan belakang omboh adalah sama, yang dapat menyelesaikan secara berkesan masalah bekalan minyak seketika yang tidak mencukupi semasa langkah kuasa omboh. Namun, disebabkan tekanan pengecasan nitrogen awal yang tinggi, daya tolakan yang diperlukan juga lebih besar.

1.4 Struktur Asas dan Pengelasan Penghancur Batu Hidraulik

1.4.1 Struktur Asas Penghancur Batu Hidraulik

Walaupun penghancur batu hidraulik tersedia dalam pelbagai jenis, semuanya berkongsi ciri-ciri struktural yang sama. Komposisi asas penghancur batu hidraulik merangkumi: badan silinder, omboh, injap agihan, akumulator, ruang nitrogen, tapak pahat, pahat, bolt berkekuatan tinggi, dan sistem pengedap. Jenis-jenis penghancur batu hidraulik yang berbeza mempunyai sedikit perbezaan dari segi struktur, tetapi setiap penghancur batu mengandungi 2 komponen bergerak asas — iaitu omboh dan spul injap. Struktur asasnya ditunjukkan dalam Rajah 1-3.

(1) Mekanisme Impak

Pemecah batu hidraulik mempunyai omboh yang relatif panjang dan langsing, iaitu komponen yang paling penting. Berdasarkan teori penghantaran gelombang tegasan, untuk menghantar tenaga hentaman omboh secara maksimum, diameter omboh hentaman biasanya hampir sama dengan atau mendekati diameter hujung ekor pahat, memastikan sentuhan penuh pada permukaan hentaman dan mencapai tujuan penghantaran tenaga secara cekap. Kelonggaran pasangan antara omboh hentaman dengan badan silinder atau sarung liner merupakan parameter teknikal yang sangat penting. Jika kelonggaran terlalu besar, akan terhasil kebocoran dalaman yang sangat besar, menyebabkan daya hentaman tidak mencukupi dan malah boleh menyebabkan pemecah batu gagal beroperasi secara normal; jika kelonggaran terlalu kecil, pergerakan omboh mungkin menjadi perlahan atau berlaku kerosakan akibat geseran (galling), sekaligus menyebabkan kos pembuatan meningkat secara ketara.

(2) Mekanisme Pengagihan

Pemecah batu hidraulik secara umum mempunyai injap pengagihan yang mengubah arah aliran minyak hidraulik, melalui mana ia mengawal dan memacu gerakan ulang-alik piston impak. Bentuk struktur injap pengagihan pelbagai; secara umumnya boleh dibahagikan kepada dua kategori utama: injap spool dan injap lengan (sleeve). Injap spool biasanya ringan, penggunaan minyaknya rendah, diameter lebih kecil, serta jarak toleransi (mating clearance) dan kebocoran lebih kecil; namun kebanyakan mempunyai struktur berbentuk anak tangga, keterhasilan pemesinan strukturnya agak lemah, dan kehilangan pengecilan (throttling losses) lebih besar. Injap lengan (sleeve) lebih berat, diameter lebih besar, dan jarak toleransi serta kebocorannya juga relatif lebih besar; tetapi keterhasilan pemesinan strukturnya baik, kecerunan luas bukaan besar, dan kehilangan pengecilan kecil. Jarak toleransi antara spool injap dan badan injap atau lengan injap merupakan parameter teknikal penting lain dalam pembuatan pemecah batu hidraulik; jarak toleransi yang terlalu besar atau terlalu kecil akan menyebabkan injap tidak dapat berfungsi secara normal.

(3) Mekanisme Penstabil Tekanan Akumulator

Kebanyakan penghancur batu hidraulik mempunyai satu atau lebih akumulator, yang berfungsi sebagai penyimpan tenaga dan penstabil tekanan. Penghancur batu hidraulik hanya melakukan kerja luaran semasa lelaran kuasa; lelaran balik merupakan persiapan untuk lelaran kuasa. Apabila omboh bergerak balik, minyak hidraulik memasuki akumulator pada tekanan yang melebihi tekanan ruang pengisian, dan disimpan sebagai tenaga keupayaan minyak di dalam akumulator. Tenaga ini dilepaskan semasa lelaran kuasa omboh, mengubah sebahagian besar tenaga lelaran balik kepada tenaga hentaman. Dengan cara ini, akumulator berfungsi meningkatkan kecekapan operasi sistem, sekaligus mengurangkan kejutan tekanan dan denyutan aliran yang disebabkan oleh peralihan spul injap pengagihan.

(4) Mekanisme Penggerak

Pahat adalah komponen penggerak pemecah batu hidraulik yang melakukan kerja luar, bertindak secara langsung pada objek kerja; ia merupakan komponen yang mengalami haus dan memerlukan rintangan abrasi yang baik, keras di bahagian luar dan liat di bahagian dalam, dengan kekerasan yang berubah secara beransur-ansur dari luar ke dalam. Untuk menyesuaikan diri dengan pelbagai keadaan kerja dan objek kerja, pahat tersedia dalam bentuk runcing, segi empat, sekop, dan kepala rata.

(5) Mekanisme Pencegahan Tembakan Kosong

Kerana pemecah batu hidraulik mempunyai tenaga hentaman yang besar, jika omboh dibenarkan menampar terus badan silinder, ia akan merosakkan teruk badan pemecah batu — menyebabkan tembakan kosong. Struktur pencegahan tembakan kosong terdiri daripada penambahan ruang penampan hidraulik di bahagian hadapan badan silinder. Apabila tatal belum bersentuhan dengan batu dan bergerak ke hadapan, omboh hentaman memasuki ruang penampan, memampatkan minyak di dalamnya serta menyerap tenaga hentaman, seterusnya memberikan perlindungan bantut kepada badan jentera. Pada masa yang sama, saluran masuk minyak ke ruang hadapan ditutup, sehingga di bawah daya graviti dan tindakan nitrogen di bahagian belakang, omboh tidak dapat berundur; hanya apabila tatal kembali bersentuhan dengan batu dan menolak ke belakang dengan tekanan lengan yang lebih besar, omboh hentaman akan menolak keluar dari ruang penampan dan minyak bertekanan tinggi boleh memasuki ruang hadapan, seterusnya membolehkan operasi normal berterusan. Seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 1-4, selepas pemecah batu hidraulik berjaya memecahkan objek yang dipecahkan, omboh boleh menghasilkan tembakan kosong paling banyak 1 hingga 2 kali sebelum berhenti. Operator perlu memilih semula titik hentaman, menekan tatal dengan ketat, memberikan tekanan, dan tatal akan menolak omboh menjauhi saluran masuk minyak ruang bawah, seterusnya kerja boleh dimulakan semula.

(6) Mekanisme Lain

Mekanisme lain bagi pemecah batu hidraulik termasuk: rangka penyambung, mekanisme peredam getaran, sistem pengedap, sistem pelinciran automatik, dan sebagainya.

1.4.2 Pengelasan Pemecah Batu Hidraulik

Terdapat banyak jenis pemecah batu hidraulik dan pelbagai kaedah pengelasan. Kaedah pengelasan utama adalah seperti berikut:

(1) Pengelasan mengikut kaedah operasi

Pemecah batu hidraulik dikelaskan mengikut kaedah operasi kepada jenis yang dipasang pada jentera pengangkut (carrier-mounted) dan jenis pegangan tangan (handheld). Jenis pegangan tangan merupakan pemecah batu kecil, juga dikenali sebagai pahat hidraulik; jisimnya biasanya di bawah 30 kg, dioperasikan secara manual, dan dikuasakan oleh stesen pam hidraulik khusus, serta boleh menggantikan operasi pahat udara termampat secara meluas. Jenis yang dipasang pada jentera pengangkut merupakan pemecah batu bersaiz sederhana dan besar, dipasang terus pada lengan (boom) ekskavator hidraulik, jentera pengangkat (loader), dan jentera pengangkut hidraulik lain, dengan menggunakan sistem kuasa, sistem hidraulik, dan sistem pergerakan lengan jentera pengangkut tersebut untuk menjalankan operasi.

(2) Pengelasan mengikut medium kerja

Pemecah batu hidraulik dikelaskan mengikut medium kerja kepada tiga kategori utama: jenis hidraulik tulen, jenis gabungan hidraulik-pneumatik, dan jenis letupan nitrogen. Jenis hidraulik tulen bergantung sepenuhnya pada tekanan minyak hidraulik untuk memacu omboh beroperasi; jenis gabungan hidraulik-pneumatik bergantung pada minyak hidraulik dan nitrogen termampat di bahagian belakang secara serentak untuk memacu omboh beroperasi; manakala jenis letupan nitrogen bergantung sepenuhnya pada pengembangan segera nitrogen dalam ruang nitrogen bahagian belakang untuk menolak omboh melakukan kerja.

(3) Pengelasan mengikut kaedah suapan balik

Pemecah batu hidraulik diklasifikasikan mengikut kaedah suap balik kepada suap balik langkah dan suap balik tekanan. Perbezaannya terletak pada cara isyarat suap balik dikumpulkan untuk penukaran injap pengagihan. Pemecah batu hidraulik berjenis suap balik langkah bergantung pada pembukaan dan penutupan lubang suap balik minyak bertekanan tinggi oleh omboh sepanjang langkahnya untuk mengawal penukaran injap pengagihan; kedudukan lubang suap balik hanya boleh ditetapkan secara kaku, dan disebabkan oleh had keadaan struktur, maksimum hanya tiga lubang suap balik yang boleh dipasang; oleh itu, pemecah batu hidraulik berjenis suap balik langkah tidak mampu mencapai pelarasan tanpa langkah terhadap frekuensi hentaman. Pemecah batu hidraulik berjenis suap balik tekanan bergantung pada pengumpulan tekanan sistem atau tekanan ruang nitrogen di bahagian belakang omboh untuk mengawal penukaran injap pengagihan; apabila omboh memasuki ruang nitrogen, tekanan ruang nitrogen berubah secara berterusan, dan apabila sensor tekanan yang dipasang di dalam ruang tersebut mengesan tekanan yang telah ditetapkan, injap akan menukar arah melalui kawalan komputer mikro; memandangkan tekanan penukaran boleh ditetapkan secara bebas, pemecah batu hidraulik berjenis suap balik tekanan mampu mencapai pelarasan tanpa langkah.

(4) Pengelasan mengikut kaedah pengedaran

Berdasarkan bentuk injap pengedaran, injap ini boleh dikelaskan kepada dua kategori utama: injap tiga hala dengan saluran minyak balik satu muka dan injap empat hala dengan saluran minyak balik dua muka. Bentuk struktur saluran minyak balik satu muka mempunyai kelebihan seperti laluan minyak yang ringkas dan kawalan yang mudah; dalam amalan, bentuk ini relatif lebih biasa digunakan. Saluran minyak balik satu muka boleh dibahagikan kepada dua jenis: saluran minyak balik ruang hadapan dan saluran minyak balik ruang belakang; daripada kedua-duanya, bentuk saluran minyak balik ruang hadapan mempunyai kekurangan seperti rintangan isapan dan rintangan minyak balik yang besar, maka bentuk yang paling biasa digunakan pada masa kini ialah bentuk tekanan tetap di ruang hadapan dan saluran minyak balik di ruang belakang. Injap empat hala dengan saluran minyak balik dua muka juga dikenali sebagai jenis dwi-tindakan; ciri utamanya ialah tiada ruang tekanan tetap, dengan tekanan di ruang hadapan dan ruang belakang berubah secara bergilir antara tinggi dan rendah; namun disebabkan laluan minyak yang kompleks dalam bentuk struktur saluran minyak balik dua muka, bentuk ini jarang digunakan.

(5) Pengelasan mengikut susun atur injap pengagihan

Berdasarkan susun atur injap pengagihan, injap ini boleh dikelaskan kepada dua jenis, iaitu jenis pemasangan dalaman dan jenis pemasangan luaran. Jenis pemasangan dalaman boleh dibahagikan lagi kepada jenis spool dan jenis selongsong. Injap pengagihan jenis pemasangan dalaman diintegrasikan bersama badan silinder dalam satu unit, dengan struktur yang padat; manakala injap pengagihan jenis pemasangan luaran berada secara bebas di luar badan silinder, dengan struktur yang ringkas serta penyelenggaraan dan penggantian yang mudah.

Selain itu, berdasarkan aras bunyi, injap ini boleh dikelaskan kepada jenis berbunyi rendah dan jenis piawai; berdasarkan bentuk kulit luar, injap ini boleh dikelaskan kepada pelbagai jenis penghancur batu seperti bentuk segi tiga, bentuk menara, dan bentuk tertutup, dan sebagainya. Pelbagai kaedah pengelasan ini diringkaskan dalam Rajah 1-5.