Grunntekniske parametere

2.1 Grunnleggende tekniske parametere

2.1.1 Parametere for en hydraulisk bergbryter

(1) Ytelsesparametere

W og støtfrekvens f er ytelsesparameterne som beskriver en hydraulisk bergbryter. W definerer arbeidskapasiteten til bergbryteren; f definerer dens arbeidsfrekvens.

Utgangseffekten til en hydraulisk bergbryter kan uttrykkes som:

N = W × f                                           (2.1)

Fordi de to parameterne som beskriver ytelsen — støtenergi og støtfrekvens — er gjensidig koblet, må forholdet mellom dem tas i betraktning ved utforming av en hydraulisk bergbryter. W til f må nøye balanseres. Under betingelsen med minimum installert kapasitet bør maksimal driftseffektivitet oppnås. For en hydraulisk steinbryter kreves stor slagenergi W og slagfrekvensen f bør reduseres på passende måte for å oppfylle behovet for høy slagkraft og god bryteeffekt. For en hydraulisk steinbor, selv om det også er en hydraulisk slagmekanisme, kreves liten slagenergi W og så høy slagfrekvens f som mulig for å oppfylle behovet for hurtig boring.

(2) Driftsparametre

Maksimal stempelslaghastighet v _m , driftsstrøm Q: , driftstrykk p og optimal trykkraft F _T er de driftsmessige parametrene for en hydraulisk bergbryter.

● Maksimal støtfart for stempelet v _m : dette er den øyeblikkelige kontaktfarten når stempelet treffer bakenden av meisselen. Den tilsvarende kinetiske energien til stempelet defineres som støttenrgien til hydraulisk hammer W . Når den kinetiske energien til stempelet overføres fullstendig til målet, er støttenrgien til hydraulisk hammer:

W = ½ mV ²_m                                            (2.2)

hvor: m — stempelets masse.

Fra likning (2.2) følger det at jo høyere støtfarten til stempelet er, jo høyere er støttenrgien.

Økningen av v _m er imidlertid begrenset av to faktorer:

1) Materialegenskapsgrenser for stempelet og meisselen. Sluttstøtfart v _m er relatert til kontaktspenning σ ; jo høyere σ , desto mer påvirker det stempel- og meisselens levetid. Under den tillatte kontaktspenningen σ , er den typiske valget v _m = 9 til 12 m/s. Ettersom materialvitenskapen utvikler seg, kan verdien av v _m ytterligere økes.

2) Frekvensgrense for støtmechanismen. Ettersom stempelets konstruksjon og slaglengde er begrensede, tar det meget lite tid å akselerere til den nødvendige v _m med en fast slaglengde. Åpenbart: jo større v _m , desto kortere er den nødvendige akselerasjonstiden.

En lav frekvens betyr at stempelets syklustid og slagtid begge er lange, mens en høy v _m medfører nødvendigvis en kortere slaglengde og sykeltid — dvs. høy slagfrekvens — som ikke oppfyller kravene til lavfrekvent design.

● Arbeidsstrøm Q: : strømmen som hydraulispumpen leverer til hydraulisk bergbryter under drift; det er en uavhengig variabel. Atferd og ytelsesparametere for den hydrauliske bergbryteren er alle nært knyttet til arbeidsstrømmen og er funksjoner av arbeidsstrømmen; de endres når arbeidsstrømmen endres.

● Arbeidstrykk p : trykket som det hydrauliske systemet krever når den hydrauliske bergbryteren er i drift — systemtrykket som kreves for å oppnå dens ytelsesparametere. Arbeidstrykk p er en avhengig variabel; det endres når inngangsstrømmen Q: og konstruksjonsparametrene endres. Under drift, når alle andre parametre forblir faste, kan trykket p ikke endres aktivt. Arbeidstrykk p og inngangsstrøm Q: oppfylle det grunnleggende prinsippet for hydraulisk teknologi: systemtrykket bestemmes av den ytre belastningen. Basert på dette prinsippet betyr utforming av hydraulisk bergbryter å bruke strukturelle parametere og arbeidsstrøm for å sikre at systemets arbeidstrykk p oppnås.

● Trykkraft F _T når hydraulisk bergbryter er i drift, fører akselerasjonen av stempelet under kraftstøtet til at maskinkroppen rykker tilbake, noe som får meisselen til å miste kontakt med målet og hindrar støtet i å virke normalt. For å overvinne denne tilbakerullinga må det påføres en kraft langs aksen til bryterkroppen — kalt trykkraft. Trykkraften må være stor nok til å holde meisselen i fast kontakt med det objektet som treffes. Trykkraften må være optimal. Med andre ord finnes det et problem med å finne den optimale trykkraften, som er nært knyttet til størrelsesklassen til bæremaskinen. Hvis bæremaskinen er for liten, er den trykkraft den kan levere utilstrekkelig; hvis den er for stor, oppnås selvfølgelig kravet til trykkraft, men investeringskostnadene for bæremaskinen øker, noe som også er uønsket. I utformingen av hydrauliske bergbrytere har det alltid vært et optimeringsmål å oppnå høy støtenergi med en liten trykkraft. Dette gjør det mulig å kombinere en hydraulisk bergbryter med høy støtenergi med en mindre bæremaskin, noe som danner en effektiv arbeidskombinasjon og reduserer driftskostnadene.

(3) Strukturelle parametere

De tre pistondiameterne d ₁, d ₂, og d ₃, arbeidsmasse m , og arbeidsstrok S er de strukturelle parameterne for en hydraulisk bergbryter. De strukturelle parameterne bestemmer dens ytelsesparametere. Å utforme en hydraulisk bergbryter handler i praksis om å fastsette de strukturelle parameterne d ₁, d ₂, d ₃, m , og S som sikrer at de nødvendige ytelsesparameterne oppnås. Når de strukturelle parameterne først er fastlagt, endres alle ytelsesparametere og driftsparametere med inngående væskestrøm og er funksjoner av inngående væskestrøm.

2.1.2 Driftsoljetrykk og nominelt trykk

(Nominelt trykk betegnes p _H i hele dette avsnittet)

Når den hydrauliske bergbryteren er i drift, driver hydraulisk oljetrykk pistonen i bevegelse, og bevegelsesmønsteret til pistonen bestemmes av hvordan denne drivkraften fra oljen endrer seg — dette er pistons kinematikk og dynamikk.

Med tanke på stempelmassen m , akselerasjonen en , og stempelens treghetskraft F _K , gir Newtons andre lov:

F _K = mA                                              (2.3)

Den drivende kraften F er lik F _K i størrelse, men motsatt rettet. Den drivende kraften F som virker på stempelet genereres av oljetrykket p i kammeret og kan uttrykkes som:

p = F _K / En = mA / En = ( m / En ) · d v / d t             (2.4)

hvor: m — stempelets masse, konstant;

 En — stempelets trykkbærende areal, konstant;

 v — stempelets hastighet; den øyeblikkelige strømmen q: som driver stempelets bevegelse, tilfredsstiller:

AV = q:                                               (2.5)

Siden v og q: i likning (2.5) er funksjoner av tid; derivering v og q: med hensyn på tid gir:

En d v / d t = d q: / d t                                  (2.6)

Ved å sette inn likning (2.6) i likning (2.4) får vi:

p = ( m / En ²) · d q: / d t                              (2.7)

I likning (2.7), m / En ²er en konstant; d q: / d t representerer endringshastigheten til systemstrømmen.

Fra likningene (2.3)–(2.7) etableres systemtrykket på grunnlag av den varierende inngangsstrømmen til oljekammeret. Med andre ord bygger endringen i hydraulisk oljestrøm opp stempelakselerasjon og treghetskrefter, som igjen danner trykket i oljekammeret p .

Oljetrykk i systemet p er proporsjonalt med stempelets masse m og endringshastigheten til strømmen d q: /dt , og omvendt proporsjonalt med kvadratet av stempelets trykkbærende areal En . For å redusere systemoljetrykket p , er økning av stempelets trykkbærende areal En den mest effektive metoden, men det gjør også maskinkroppen større, så begge faktorene må tas i betraktning ved utforming.

Oljetrykk i systemet p er en funksjon av strømningshastigheten og er en avhengig variabel; den kan ikke endres aktivt under drift, bare endre seg når inngående strømningshastighet endres. Siden oljen som strømmer inn i oljekammeret er en funksjon av tiden når hydraulisk bergbryter er i drift, varierer oljetrykket p også med tiden og har ingen konstant verdi. Oljetrykket oppgitt på et produktdatasark, som forfatterne kaller det nominelle oljetrykket, betegnes p _H . Ved dette trykket oppnår ytelsesparameterne til den hydrauliske bergbryteren sine nominelle verdier. p _H er en teoretisk parameter – den eksisterer faktisk ikke – men den er ekstremt viktig ved utforming og bruk av en hydraulisk bergbryter. Ved utforming brukes p _H som grunnlag for beregning av ytelsesparametre, driftsparametre og konstruksjonsparametre, samt for valg av komponenter til det hydrauliske systemet. I feltarbeid blir den en viktig referanse for operatøren ved vurdering av om systemet fungerer normalt eller ikke. Parameteren p _H vil bli diskutert nærmere i senere kapitler.