Basiswerkwijze van hydraulische rotsbreekmachines

1.3 Basiswerkwijze van hydraulische rotsbreekmachines

Een hydraulische rotsbreekmachine is een slagmachine die hydraulische energie omzet in mechanische energie. Deze bevat twee basisbewegende onderdelen — een zuiger en een verdeelklepschijf — die elkaar wederzijds regelen via feedback: de heen-en-weergaande beweging van de klepschijf regelt de commutatie van de zuiger, terwijl de zuiger op zijn beurt aan het begin en einde van elke slag het besturingsolieleidingssysteem van de klep opent of sluit, waardoor de klepcommutatie wordt gerealiseerd — en zo een cyclus vormt … De basiswerkwijze van een hydraulische rotsbreekmachine is als volgt: via deze feedbackregeling tussen zuiger en klepschijf voert de zuiger onder invloed van hydraulische (of gas)druk een snelle heen-en-weergaande beweging uit en slaat hij tegen de beitel om arbeid op het buitenste object te verrichten.

Hydraulische rotsbreekmachines zijn verkrijgbaar in vele soorten en vormen, die in latere hoofdstukken uitgebreid worden beschreven. Hieronder wordt als voorbeeld de hydraulische rotsbreekmachine met een constante druk in de voorste kamer en een variabele druk in de achterste kamer gebruikt om het werkingprincipe te beschrijven:

Zoals in het diagram is aangegeven, stroomt bij aanvang van de terugslag hoogdrukolie via oliepoort 1 naar de voorste cilinderruimte van de zuiger en werkt tegelijkertijd op het onderste uiteinde van de stuurschuif van de richtingsklep, waardoor de schuif stabiel in de toestand blijft die in diagram (a) is weergegeven. Op dit moment bevindt zich hoogdrukolie in de voorste cilinderruimte van de zuiger; de achterste ruimte is via oliepoort 4 verbonden met de retourleiding T. Gedreven door de oliedruk in de voorste ruimte versnelt de zuiger tijdens de terugslag en comprimeert de in de stikstofkamer opgeslagen stikstof (behalve bij zuiver hydraulische uitvoeringen); de accumulator slaat olie op. Wanneer de terugslag van de zuiger de regelopening 2 bereikt, komt de hoogdrukolie het bovenste uiteinde van de stuurschuif bereiken. Op dit moment zijn zowel het bovenste als het onderste uiteinde van de schuif met hoogdrukolie verbonden; omdat in het ontwerp het effectieve oppervlak aan de bovenzijde van de schuif groter is dan het effectieve oppervlak aan de onderzijde, schakelt de schuif onder invloed van de hoogdrukolie over naar de toestand van diagram (b). Op dit moment zijn zowel de voorste als de achterste cilinderruimte van de zuiger met hoogdrukolie verbonden; de accumulator levert olie af om het systeem aan te vullen. Onder invloed van de samengestelde kracht F_q versnelt de zuiger tijdens de werkslag, raakt de beitel en levert slagenergie af. Wanneer de zuiger het slagpunt passeert, worden de regelopeningen 2 en 3 met elkaar verbonden en met de retourolie T; de oliedruk aan de bovenzijde van de stuurschuif daalt; onder invloed van de oliedruk aan de onderzijde keert de klepschuif snel terug naar de toestand van diagram (a). Bij terugkeer naar de oorspronkelijke toestand begint de zuiger de terugslag, waarmee de volgende slagcyclus wordt ingeleid, enzovoort cyclisch. In dit proces is de koppeling tussen zuiger en stuurschuif weergegeven in figuur 1-2.

Uit fig. 1-1 blijkt dat tijdens de arbeidsslag, met uitzondering van de zwaartekracht op de zuiger en de wrijvingsweerstand, de kracht F_q die de zuiger aandrijft en werk verricht hoofdzakelijk bestaat uit de hydraulische druk en de stikstofgasdruk, d.w.z. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. De aandrijfkracht F_q is afhankelijk van het verschil in effectief oppervlak tussen de voorste en achterste kamer, de oliedruk p en de stikstofkamerdruk p_N. Op basis van de verschillende verhoudingen tussen het hydraulische en het gaswerk kunnen drie werkvormen ontstaan: zuiver hydraulisch, hydraulisch-pneumatisch gecombineerd en stikstof-explosief.

Zuiver hydraulisch: p_N = 0. In deze vorm heeft de hydraulische rotsbreekhamer geen stikstofkamer en wordt de zuiger volledig aangedreven door het drukverschil van de olie in de bovenste en onderste kamer. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Deze vorm is de oudste vorm die zich voordoe bij de eerste verschijning van hydraulische rotsbreekhamers.

Hydraulisch-pneumatisch gecombineerd: Bij deze vorm is d₁ < d₂, en tegelijkertijd wordt er een stikstofkamer toegevoegd aan de zuigerstaart, waarbij stikstof wordt ingevoerd om arbeid te verrichten, p_N > 0. F_q bestaat voornamelijk uit twee delen: het drukverschil van de olie tussen de voor- en achterkamer, en de kracht door compressie en expansie van de stikstof. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Deze vorm is momenteel de meest gebruikte vorm van hydraulische rotsslaghamers. Op basis van de verschillende aandeel van olie- en gasarbeid in de totale aandrijfkracht, dat wil zeggen verschillende gas-vloeistof-arbeidverhoudingen, kunnen producten met verschillende prestaties worden ontwikkeld.

Stikstof-explosief: Bij deze vorm is d₁ = d₂ en p_N > 0. De hydraulische kracht in de boven- en onderkamer is nul; de arbeid die de zuiger tijdens de arbeidsstroke verricht, wordt volledig aangedreven door de gasdruk in de stikstofkamer. F_q = π/4 · p_N · d₁². Deze vorm is de nieuwste vorm van hydraulische rotsslaghamers.

Alle drie de vormen hebben hun voordelen en nadelen, maar hun algehele prestaties verbeteren van de ene generatie naar de volgende. Het zuiver hydraulische type, als de vroegste vorm van product toen hydraulische rotsbreekmachines voor het eerst verschenen, heeft een eenvoudige constructie en betrouwbare werking en vereist geen initiële duwkracht, maar heeft een lage energieopbrengst en is niet geschikt voor de productie van grote modellen. Het hydraulisch-pneumatische gecombineerde type vormt een belangrijke doorbraak ten opzichte van het zuiver hydraulische type: door een stikstofkamer aan de achterzijde van de zuiger toe te voegen, wordt de energie van de terugslag effectief benut en wordt de slagkracht aanzienlijk verbeterd; de constructie is echter complex en er is een initiële duwkracht nodig om te kunnen functioneren. De stikstof-explosieve hydraulische rotsbreekmachine vereist, vanuit een energieperspectief gezien, geen oliewerk tijdens de arbeidsslag en is daarom energiezuiniger; tegelijkertijd zijn de diameters van de voor- en achterkamer van de zuiger gelijk, wat effectief het probleem oplost van onvoldoende directe olievoorziening tijdens de arbeidsslag van de zuiger. Vanwege de hoge initiële stikstofvuldruk is echter een grotere duwkracht vereist.

1.4 Basisstructuur en classificatie van hydraulische rotsbreekmachines

1.4.1 Basisstructuur van hydraulische rotsbreekmachines

Hoewel hydraulische rotsbreekmachines in vele uitvoeringen bestaan, delen ze gemeenschappelijke structurele kenmerken. De basisopbouw van een hydraulische rotsbreekmachine omvat: cilinderlichaam, zuiger, verdeelklep, accumulator, stikstofkamer, beitelhouder, beitel, hoogwaardige bouten en afdichtsystemen. Verschillende typen hydraulische rotsbreekmachines verschillen licht in structuur, maar elke rotsbreekmachine bevat 2 basisbewegende onderdelen — de zuiger en de klepschijf. De basisstructuur is weergegeven in fig. 1-3.

(1) Slagmechanisme

Een hydraulische rotsbreekmachine heeft een relatief lang en slank zuiger, wat het belangrijkste onderdeel is. Op basis van de theorie van de spanningsgolftransmissie moet de diameter van de slagzuiger in het algemeen vrijwel gelijk zijn aan of dicht bij de einddiameter van de beitelstaart om de slagenergie van de zuiger maximaal over te brengen. Dit zorgt voor volledig contact op het slagvlak en bereikt het doel van een efficiënte energieoverdracht. De speling tussen de slagzuiger en het cilinderlichaam of de voeringbus is een zeer belangrijke technische parameter. Indien de speling te groot is, ontstaat er zeer veel interne lekkage, waardoor de slagkracht onvoldoende wordt en de rotsbreekmachine zelfs niet meer normaal kan functioneren; indien de speling te klein is, kan de beweging van de zuiger traag worden of kan klemmen optreden, terwijl de productiekosten tegelijkertijd sterk stijgen.

(2) Verdelingsmechanisme

Een hydraulische rotsbreekmachine heeft over het algemeen een verdeelklep die de richting van de stroming van hydraulische olie verandert, waardoor deze de heen-en-weergaande beweging van de slagpistool aanstuurt en regelt. Er bestaan vele constructievormen van verdeelkleppen; deze kunnen over het algemeen worden ingedeeld in twee hoofdcategorieën: zuigerkleppen en mantelkleppen. Zuigerkleppen zijn over het algemeen licht van gewicht, verbruiken weinig olie, hebben een kleinere diameter en een kleinere speling en lekkage tussen de onderdelen, maar hebben meestal een trapvormige structuur, een relatief slechte bewerkbaarheid van de constructie en grotere vernauwingsverliezen. Mantelkleppen zijn zwaarder, hebben een grotere diameter en de speling en lekkage tussen de onderdelen zijn ook relatief groter; hun constructie is echter goed bewerkbaar, de gradiënt van het openingsoppervlak is groot en de vernauwingsverliezen zijn klein. De speling tussen de klepzuiher en het klephuis of de klepmantel is een andere belangrijke technische parameter bij de productie van hydraulische rotsbreekmachines; zowel te grote als te kleine spelingen zullen ervoor zorgen dat de klep niet normaal functioneert.

(3) Accumulator drukstabilisatiemechanisme

De meeste hydraulische rotshamers zijn uitgerust met één of meer accumulatoren, die fungeren als energieopslag- en drukstabilisatiecomponent. Een hydraulische rotshammer verricht alleen extern werk tijdens de arbeidsslagen; de terugslag is een voorbereiding op de arbeidsslagen. Wanneer de zuiger terugkeert, stroomt hydraulische olie onder een hogere druk dan de laaddrukkamer in de accumulator en wordt daar opgeslagen als potentiële energie van de olie in de accumulator. Deze energie wordt vrijgegeven tijdens de arbeidsslagen van de zuiger, waardoor het grootste deel van de energie van de terugslag wordt omgezet in slagenergie. Op deze manier verbetert de accumulator de werkefficiëntie van het systeem en vermindert tegelijkertijd drukstoten en stromingspulsaties veroorzaakt door het omschakelen van de verdeelklepschuif.

(4) Aandrijfmechanisme

De beitel is het activerende onderdeel van de hydraulische rotsbreekmachine dat extern werk verricht en direct inwerkt op het werkobject; het is een slijtagedeel dat een goede slijtvastheid vereist, hard aan de buitenkant en taai aan de binnenkant, met een hardheid die geleidelijk verandert van buiten naar binnen. Om zich aan te passen aan diverse werkomstandigheden en werkobjecten zijn beitels verkrijgbaar in puntvormige, vierkante, schopvormige en platkopvormige uitvoeringen.

(5) Mechanisme ter voorkoming van blanco-ontsteking

Omdat een hydraulische rotsbreekhamer een grote slagenergie heeft, zou het directe inslaan van de zuiger op het cilinderlichaam het lichaam van de rotsbreekhamer ernstig beschadigen — wat leidt tot blanco-ontsteking. De constructie ter voorkoming van blanco-ontsteking bestaat uit het aanbrengen van een hydraulische dempingskamer aan de voorzijde van het cilinderlichaam. Wanneer de beitel nog niet in contact staat met de rots en naar voren beweegt, komt de slagzuiger in de dempingskamer terecht, waardoor de olie erin wordt samengeperst en de slagenergie wordt opgenomen, wat een gedempte bescherming van het machine-lichaam realiseert. Tegelijkertijd wordt de olie-inlaat van de voorste kamer gesloten, zodat de zuiger onder invloed van de zwaartekracht en de stikstofdruk aan de achterzijde niet kan terugkeren; pas wanneer de beitel opnieuw contact maakt met de rots en met grotere armkracht naar achteren duwt, wordt de slagzuiger uit de dempingskamer geduwd en kan de hogedrukolie vervolgens de voorste kamer binnendringen, waardoor de normale werking kan worden hervat. Zoals weergegeven in figuur 1-4, kan de hydraulische rotsbreekhamer na het doorbreken van het te breken object hoogstens één tot twee keer blanco-ontsteken voordat deze stopt. De operator dient het slagpunt opnieuw te selecteren, de beitel stevig aan te drukken, druk toe te passen en de beitel duwt de zuiger weg van de olie-inlaat van de onderste kamer, waarna het werk opnieuw kan beginnen.

(6) Andere mechanismen

Andere mechanismen van de hydraulische rotsbreekmachine omvatten: verbindingsframe, trillingsdempingsmechanisme, afdichtsysteem, automatisch smeringssysteem, enz.

1.4.2 Classificatie van hydraulische rotsbreekmachines

Er bestaan vele soorten hydraulische rotsbreekmachines en talloze classificatiemethoden. De belangrijkste classificatiemethoden zijn de volgende:

(1) Classificatie op basis van de bedieningsmethode

Hydraulische rotsbreekmachines worden op basis van de bedieningsmethode ingedeeld in draagbare en handbediende modellen. Handbediende modellen zijn kleine rotsbreekmachines, ook wel hydraulische beitels genoemd; het gewicht ligt over het algemeen onder de 30 kg, ze worden met de hand bediend en worden aangedreven door een speciale hydraulische pompstation, waardoor ze pneumatische beitelbewerkingen op grote schaal kunnen vervangen. Draagbare modellen zijn middelgrote en grote rotsbreekmachines die direct op de arm van hydraulische graafmachines, laadmachines en andere hydraulische draagmachines zijn gemonteerd en waarbij gebruik wordt gemaakt van het krachtsysteem, het hydraulische systeem en het arm-bewegingssysteem van de draagmachine om bewerkingen uit te voeren.

(2) Classificatie op basis van het werkmedium

Hydraulische rotsbreekmachines worden op basis van het werkmedium ingedeeld in zuiver hydraulische, hydraulisch-pneumatische gecombineerde en stikstof-explosieve categorieën. Zuiver hydraulische typen werken volledig op basis van de druk van hydraulische olie om de zuiger in beweging te brengen; hydraulisch-pneumatische gecombineerde typen gebruiken zowel hydraulische olie als in de achterste sectie geperst stikstof tegelijkertijd om de zuiger in beweging te brengen; stikstof-explosieve typen werken volledig op basis van de plotselinge expansie van stikstof in de achterste stikstofkamer om de zuiger tot arbeid te dwingen.

(3) Classificatie op basis van de feedbackmethode

Hydraulische rotsbreekmachines worden op basis van de feedbackmethode ingedeeld in slagfeedback en drukfeedback. Het verschil ligt in de manier waarop het feedbacksignaal wordt verzameld voor de commutatie van de verdeelklep. Hydraulische rotsbreekmachines met slagfeedback maken gebruik van het openen en sluiten door de zuiger van de hoogdruk-oliefeedbackgaten tijdens de slag om de commutatie van de verdeelklep te regelen; de posities van de feedbackgaten kunnen slechts star worden ingesteld, en vanwege structurele beperkingen kunnen er maximaal drie feedbackgaten worden aangebracht; daarom kunnen hydraulische rotsbreekmachines met slagfeedback geen traploze aanpassing van de slagfrequentie realiseren. Hydraulische rotsbreekmachines met drukfeedback vertrouwen op het meten van de systeemdruk of de stikstofkamerdruk aan de achterzijde van de zuiger om de commutatie van de verdeelklep te regelen; terwijl de zuiger de stikstofkamer binnengaat, verandert de druk in de stikstofkamer voortdurend, en zodra de druksensor die in de kamer is geïnstalleerd een vooraf ingestelde druk detecteert, vindt de klepcommutatie plaats via microcomputerbesturing; aangezien de commutatiedruk willekeurig kan worden ingesteld, kunnen hydraulische rotsbreekmachines met drukfeedback traploze aanpassing realiseren.

(4) Classificatie op basis van de distributiemethode

Op basis van de vorm van de verdeelklep kunnen ze worden ingedeeld in twee hoofdcategorieën: een 3-wegklep met enkelzijdige olieafvoer en een 4-wegklep met dubbelzijdige olieafvoer. De constructievormen met enkelzijdige olieafvoer hebben als voordelen eenvoudige oliekanalen en gemakkelijke besturing; in de praktijk worden ze relatief vaak toegepast. Enkelzijdige olieafvoer kan worden onderverdeeld in voorruimte-olieafvoer en achterruimte-olieafvoer; van deze twee heeft de voorruimte-olieafvoervorm het nadeel van een grote zuig- en olieafvoerweerstand, waardoor de meest gebruikte vorm momenteel de voorruimte-constante-druk-, achterruimte-olieafvoervorm is. De 4-wegklep met dubbelzijdige olieafvoer wordt ook wel het dubbelwerkende type genoemd; kenmerkend is dat er geen constante-drukruimte aanwezig is en dat de druk in de voor- en achterruimte afwisselend hoog en laag is; vanwege de complexe oliekanalen van de constructievorm met dubbelzijdige olieafvoer komt deze echter zelden voor.

(5) Classificatie op basis van de lay-out van de verdeelklep

Op basis van de lay-out van de verdeelklep kunnen ze worden ingedeeld in twee typen: inbouw- en uitbouwtypen. Het inbouwtype kan verder worden onderverdeeld in spiltype en manteltype. Inbouwverdeelkleppen zijn geïntegreerd met het cilinderlichaam in één geheel, met een compacte constructie; uitbouwverdeelkleppen zijn onafhankelijk van het cilinderlichaam en bevinden zich daarbuiten, met een eenvoudige constructie en gemakkelijk onderhoud en vervanging.

Daarnaast kunnen ze op basis van het geluidsniveau worden ingedeeld in lage-geluidssterkte- en standaardtypen; op basis van de vorm van de externe behuizing kunnen ze worden ingedeeld in driehoekige, torenvormige en afgesloten rotssloopmachines, enzovoort. De verschillende classificatiemethoden zijn samengevat in figuur 1-5.