Analyse av hvordan en hydraulisk bergbryter fungerer

2.2 Analyse av hvordan en hydraulisk bergbryter fungerer

En hydraulisk bergbryter har mange strukturelle former. Utgangspunktet er virkningsprinsippet, og forfatterne abstraherer og oppsummerer de mest grunnleggende og kritiske idéene til en hydraulisk bergbryter, og reduserer dem til tre grunnleggende driftsmodi: ren hydraulisk, hydraulisk-luftkombinert og nitrogeneksplosiv.

2.2.1 Rent hydraulisk virkningsprinsipp

Det rene hydrauliske virkningsprinsippet har tre utføringsformer: konstant trykk i frontkammeret / variabelt trykk i bakre kammer (forkortet «prinsipp for konstant trykk i frontkammeret»), konstant trykk i bakre kammer / variabelt trykk i frontkammeret (forkortet «prinsipp for konstant trykk i bakre kammer») og variabelt trykk i både front- og bakre kammer (forkortet «prinsipp for variabelt trykk»).

(1) Prinsipp for konstant trykk i frontkammeret

Dette var det virkningsprinsippet som først ble brukt ved starten av utviklingen av hydrauliske bergbrytere; alle senere tekniske fremskritt bygger på dette. Den hydrauliske bergbryteren med konstant trykk i frontkammeret er vist i figur 2-1.

Fra figur 2-1 består systemet av en sylinderkropp, et stempel, en styreventil og oljekanaler. Sylinderkroppen og stempelet utgör støtmechanismen. Stempelet beveger seg frem og tilbake inne i sylinderkroppen, drevet av hydraulisk olje, og avgir støtenergi til omgivelsene samt utøver en stor støtkraft på målet, noe som gir en hammer-effekt. Funksjonen til styreventilen er å reversere retningen på oljen som driver stempelet, og dermed oppnå periodisk svingende (oscillerende) bevegelse av stempelet.

Den hydrauliske bergbryteren vist i figur 2-1 har sitt stempel i støtpunktet; ventilstellet befinner seg i posisjonen der det nettopp har fullført omstilling fra kraftstrek til tilbakestrek. I dette øyeblikket strømmer høytrykksolje inn i sylindrens konstante høytrykkskammer (kammer en ) gjennom ventilens konstante høytrykksport og driver stempelet på tilbakestrek (mot høyre). Oljen i stempelets variabeltrykkskammer (kammer b ) returneres til tanken gjennom port 4 og ventilenes justerbare trykk-/returoljeport. Når stempelet beveger seg tilbake inntil dets forreste skulder passerer port 2 på sylinderekroppen, ledes høytrykksolje inn i trykkventilens port 5, noe som fører til at ventilen veksler (mot venstre). Ettersom ventilenes konstante høytrykkskammer nå er forbundet med det mellomliggende justerbare trykkkammeret, strømmer høytrykksolje inn i stempelets bakre kammer b gjennom port 4. Begge sider av stempelet er nå utsatt for høytrykksolje, men fordi trykkbelastede areal på bakre kammer b er større enn det på forreste kammer en pistonen begynner å bremse inn på tilbakestøten, farten synker til null, og den starter kraftstøten (mot venstre). Når den sentrale senkningen i pistonen kobler sammen portene 2 og 3, har pistonen nettopp nådd støtpunktet og fullført én syklus; samtidig kobles trykkventilport 5 til returoljelinjen, slik at spolen flyttes mot høyre og returnerer til posisjonen vist i figur 2-1, noe som fullfører én hel syklus og forbereder systemet på pistonens neste tilbakestøt. På denne måten oppnår pistonen kontinuerlig støt og avgir kontinuerlig støtenergi. Luftkammer c i dette driftsprinsippet ventileres til atmosfæren.

(2) Prinsipp for konstant trykk i bakre kammer

Det bør påpekes at dette driftsprinsippet bare kan realiseres under betingelsen at trykkbelastet areal i frontkammeret til pistonen en er større enn det i bakre kammer b , dvs. at frontkammerdiameteren til pistonen er mindre enn bakre kammerdiameteren ( d ₁ > d ₂).

Figur 2-2 viser skjematisk fremstilling av en hydraulisk bergbryter med konstant trykk i bakre kammer og variabelt trykk i fremre kammer.

I forhold til figur 2-1 er den eneste forskjellen at port 1 på sylinderekroppen er tilkoblet ventilenes kammer med variabelt trykk i stedet for kammeret med konstant trykk (høyt trykk); port 4 er tilkoblet ventilenes kammer med konstant trykk direkte; alle andre oljeledninger er de samme. Figur 2-2 viser øyeblikket rett etter at kraftstøtet til stempelet har avsluttet og ventilen allerede har vekslet – systemet befinner seg akkurat i det øyeblikket da tilbakestøtet begynner.

Arbeidskarakteristikken til dette prinsippet er at den hydrauliske bergbryteren ikke slipper ut olje under tilbakestøtet, men slipper ut olje under kraftstøtet; og trykkarealet i fremre kammer en er større enn det i bakre kammer b fordi kraftstøtets utladningstid er kort og strømmen stor, er de hydrauliske trykktapene ved dette prinsippet større enn ved frontkammerets konstanttrykksprinsipp. I dag bruker de fleste hydrauliske steinbrytere ikke dette prinsippet.

(3) Front- og bak-kammer med variabelt trykk

Front- og bak-kammerets prinsipp med variabelt trykk er vist i figur 2-3. Fra dette skjemaet er det lett å se at denne typen hydraulisk støtutstyr har en kompleks struktur med mange kanaler, noe som øker produksjonskostnadene. Derfor brukes det ikke i hydrauliske steinbrytere i dag; det brukes fortsatt på noen merker av hydrauliske steinbor.

Figur 2-3 viser posisjonen ved slutten av kraftstøtet til stempelet og begynnelsen av tilbakestøtet. Når tilbakestøtet begynner, strømmer olje under høyt trykk fra ventilenes mellomkammer inn i frontkammeret til stempelet en via venstre kammer og sylindereport 1, og presser stempelet mot høyre. Oljen i bak-kammeret b blir utløst i oljetanken gjennom sylinderport 5 og ventilens høyre kammer. Under tilbakestøtet, når stempelens venstre skulder passerer port 2 på sylinderekroppen, presser høytrykksolje gjennom port 7 ventilspolen til å bytte til høyre; ventilspolen bytter øyeblikkelig tilførsels- og utløpsoljebanene til sylinderekroppen — sylinderport 5 går til høytrykk, og sylinderport 1 går til tankretur — slik at stempelet begynner å bremse, farten synker raskt til null, og det bytter til kraftstøtakselerasjon. Når stempelets kraftstøt når støtpunktet, kobler stempelets sentrale senkning sammen sylinderporter 2 og 3, porter 4 og 5 kobles sammen, ventilspolens venstre side kobles via port 7 til porter 2 og 3 for oljeretur, og ventilspolens høyre side port 6 kobles via porter 4 og 5, ventilens høyre side og mellomkammeret, til høytrykk, noe som får spolen til å bytte til venstre, endrer sylinderns tilførsels- og utløpsoljebaner og fullfører én arbeidsperiode for stempelet. Stempel og spole i den hydrauliske støttennen returnerer til tilstanden vist i figur 2-3 — starten på tilbakestøtet. På denne måten gir den hydrauliske bergbryteren, gjennom stempelets kontinuerlige svingebevegelse, kontinuerlig utvendig støtenergi og utfører effektivt støtarbeid.

Alle tre ren-hydrauliske virkningsprinsippene som er beskrevet ovenfor, brukes for tiden i hydrauliske bergborer, hydrauliske bergsprekker og andre hydrauliske støttemekanismer, men hydrauliske bergsprekker bruker fremdeles vanligare det kombinerte hydraulisk-pneumatiske virkningsprinsippet.

2.2.2 Kombinert hydraulisk-pneumatisk virkningsprinsipp

Fra analysen av det ren-hydrauliske virkningsprinsippet kan vi se at all støttenrgi i en ren-hydraulisk støttemekanisme leveres av hydraulikken. Imidlertid viste det seg, etter hvert som bruken av ren-hydrauliske bergsprekker økte og forskningen ble mer avansert, at hydrauliske tap var ganske store, noe som begrenset ytterligere effektivitetsforbedringer. Oljen som strømmer gjennom kanalene i sylinderkroppen må gnides mot rørveggene, og de hydrauliske tapene som skyldes knekk, endringer i diameter og endringer i strømningsretning er betydelige; jo større strømmen er, jo større er tapene, og dette er spesielt alvorlig under kraftstøtet.

For tiden brukes hovedsakelig den hydraulisk-pneumatiske kombinerte virkningsprinsippen for hydrauliske bergbrytere som krever stor støttenrgi og lav frekvens, samt for hydrauliske påldrivere.

For å forbedre effektiviteten fant man, etter omfattende forskning, en enkel og effektiv metode: å bruke gass og olje sammen for å levere støttenrgien til den hydrauliske bergbryteren. Dette reduserer strømningsbehovet under kraftstøtet — noe som reduserer hydrauliske tap og forbedrer driftseffektiviteten — og dermed oppstår den hydraulisk-pneumatiske kombinerte hydrauliske bergbryteren.

Konstruksjonsprinsippet for den hydraulisk-pneumatiske kombinerte hydrauliske bergbryteren er veldig enkelt: bare fyll luftkammeret c i de tre renhydrauliske prinsippene nevnt ovenfor med nitrogen ved et gitt trykk. Siden nitrogen nå er til stede, komprimeres nitrogenet når stempelet utfører tilbakestøtet, og energi lagres; når kraftstøtet skjer, frigjøres denne energien sammen med oljen for å drive stempelet, noe som oppnår kinetisk energi ved treffpunktet og omformer den til treffenergi. Tydeligvis reduserer rollen til nitrogen nødvendigvis mengden olje som brukes under kraftstøtet, noe som reduserer oljeforbruket og dermed oppnår lavere hydrauliske tap og høyere virkningsgrad.

Sammenlignet med en renhydraulisk bergbryter er det effektive trykkbelastede arealet i stempelets bakrom b i en hydraulisk-pneumatisk kombinert hydraulisk bergbryter er redusert. Denne reduksjonen av effektiv trykkbærende areal betyr lavere oljeforbruk under kraftslaget og lavere hydrauliske tap — dette er den viktigste grunnen til at hydraulisk-pneumatiske kombinerte hydrauliske bergbrytere har utviklet seg raskt de siste årene. Hydraulisk-pneumatiske kombinerte hydrauliske bergbrytere bruker nesten alle frontkammerets konstanttrykk-arbeidsprinsipp; dette er også et viktig trekk ved den hydraulisk-pneumatiske kombinerte typen.

2.2.3 Nitrogeneksplosiv arbeidsprinsipp

Arbeidsprinsippet for en nitrogeneksplosiv hydraulisk bergbryter er ikke grunnleggende annerledes enn det for en hydraulisk-pneumatisk kombinert hydraulisk bergbryter; strukturparametrene for stempelet er bare ulike. Den viktigste forskjellen er at diameteren på front- og bakstempel er like, dvs. d ₂ = d ₁, og all støttningsenergi leveres av nitrogen.

Like store stempeldiametre foran og bak er hovedegenskapen til den nitrogendrevne hydrauliske bergbryteren. Under kraftstøtet forbruker ikke bakrommet olje, og all slageenergi kan leveres av nitrogen. Selvfølgelig leveres nitrogenets lagrede energi av hydraulikken under tilbakestøtet og omformes til kinetisk energi under kraftstøtet. Derfor er det i siste instans fortsatt hydraulisk energi som omformes – men gjennom komprimering og energilagring i gassmediumet frigjøres den lagrede nitrogenenergien under kraftstøtet og omformes til stempelens mekaniske energi.

Det bør påpekes at bare frontkammerets konstanttrykkprinsipp kan anvendes på nitrogeneksplosivt hydraulisk bergbryter; verken bakre kammerets konstanttrykkprinsipp eller front- og bakrekammerets variabeltrykkprinsipp kan anvendes på en nitrogenbasert hydraulisk bergbryter. Årsaken er tydelig så snart man forstår stempelens egenskaper som d ₂ = d ₁.