Grunnleggende virkningsprinsipp for hydrauliske steinbrytere

1.3 Grunnleggende virkningsprinsipp for hydrauliske bergbrytere

En hydraulisk bergbryter er en påvirkningsmaskin som omformer hydraulisk energi til mekanisk energi. Den inneholder to grunnleggende bevegelige komponenter – en stempel og en fordelingsventilspole – som gjensidig styrer hverandre via tilbakemelding: den svingende bevegelsen til ventilsolen styrer stempelomstyringen, mens stempelet på sin side ved starten og slutten av hver slaglengde åpner eller lukker kontrolloljekanalen til ventilen, noe som realiserer ventileomstyring – og slik fortsetter syklusen … Det grunnleggende virkemåten til en hydraulisk bergbryter er: gjennom denne stempel-spol-tilbakemeldingsstyringen beveger stempelet seg raskt frem og tilbake under hydraulisk (eller gass-)kraft og slår mot meisselen for å utføre arbeid på utsiden.

Hydrauliske bergbrytere forekommer i mange typer og former, som beskrives detaljert i senere kapitler. Nedenfor brukes en hydraulisk bergbryter med konstant trykk i frontkammeret og variabelt trykk i bakre kammer som eksempel for å beskrive dens virkemåte:

Som vist på figuren, når tilbakestøtten begynner, strømmer olje under høyt trykk inn i kolvenes forrom gjennom oljeport 1 og virker samtidig på undersiden av rettningsventilens spole, slik at spolen holdes stabil i den tilstanden som er vist på figur (a). I dette øyeblikket inneholder kolvens forrom olje under høyt trykk; bakrommet er forbundet med retur-T gjennom oljeport 4. Drevet av oljetrykket i forrommet akselererer kolven under tilbakestøtten og komprimerer nitrogenen lagret i nitrogenkammeret (unntatt ved ren hydraulisk type); akkumulatoren lagrer olje. Når kolvens tilbakestøt når styringsport 2, når olje under høyt trykk øverst på ventilsplolen. Ved dette tidspunktet er både øverste og nederste ende av spolen forbundet med olje under høyt trykk; på grunn av at den effektive arealet på spolens øverste ende i konstruksjonen er større enn det effektive arealet på den nederste enden, skifter spolen til tilstanden vist på figur (b) under virkningen av oljen under høyt trykk. I dette øyeblikket er både kolvens for- og bakrom forbundet med olje under høyt trykk; akkumulatoren slipper ut olje for å supplere systemet. Under virkningen av den sammensatte kraften F_q akselererer kolven under kraftstøtten, treffer meisselen og avgir slagenergi. Når kolven passerer slagpunktet, kobles styringsportene 2 og 3 sammen og til retur-olje-T; oljetrykket på spolens øverste ende faller; under oljetrykket på den nederste enden skifter ventilsplolen raskt tilbake til tilstanden vist på figur (a). Ved å returnere til utgangstilstanden starter kolven tilbakestøtten, og neste slagcyklus begynner – og så videre, syklisk. I denne prosessen vises sammenhengen mellom kolven og ventilsplolen i figur 1-2.

Fra figur 1-1 fremgår det at kraften F_q som driver støtten under kraftslaget – uten å ta hensyn til støttens tyngdekraft og friksjonsmotstand – består hovedsakelig av hydraulisk trykk og nitrogen-gastrykk, dvs. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Den drivende kraften F_q er avhengig av differansen mellom effektive arealer i front- og bakrommet, oljetrykket p og trykket i nitrogenkammeret p_N. Basert på de ulike forholdene mellom arbeid utført av oljen og arbeid utført av gassen kan tre driftsformer dannes: ren hydraulisk, hydraulisk-pneumatisk kombinert og nitrogeneksplosiv.

Ren hydraulisk: p_N = 0. I denne formen har den hydrauliske bergbryteren ingen nitrogenkammer, og støtten drives fullstendig av trykkforskjellen mellom oljen i øvre og nedre kammer. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Denne formen er den eldste, og ble brukt da hydrauliske bergbrytere først ble introdusert.

Hydraulisk-pneumatisk kombinasjon: I denne formen er d₁ < d₂, og samtidig legges en nitrogenkammer til ved pistonspissen, hvor nitrogen introduseres for å utføre arbeid, p_N > 0. F_q består hovedsakelig av to deler: trykkforskjellen mellom for- og bakrommet i oljen og kraften fra komprimering- og ekspansjon av nitrogen. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Denne formen er for tiden den mest vanlige typen hydraulisk bergbryter. Basert på de ulike andelene av olje- og gassarbeid i den totale drivkraften, dvs. ulike gass-til-væske-arbeidsforhold, kan produkter med ulik ytelse utformes.

Nitrogeneksplosiv: I denne formen er d₁ = d₂, p_N > 0. Hydraulisk kraft i øvre og nedre rom er null; pistons arbeid under kraftstøtet drives fullstendig av gasstrykket i nitrogenkammeret. F_q = π/4 · p_N · d₁². Denne formen er den nyeste typen hydraulisk bergbryter.

Alle tre typene har sine fordeler og ulemper, men deres samlede ytelse forbedres fra én generasjon til den neste. Den ren hydrauliske typen, som var den første produkttypen da hydrauliske bergbrytere først dukkede opp, har en enkel konstruksjon og pålitelig drift uten behov for innledende trykkraft, men har en lav energiutnyttelsesgrad og er ikke egnet for produksjon av store produkter. Den hydraulisk-pneumatiske kombinertypen representerer en betydelig gjennombrudd i forhold til den rene hydrauliske typen: ved å legge til en nitrogenkammer ved pistons bakende del utnyttes returstrokes energi effektivt, og støtkraften forbedres betraktelig; men konstruksjonen er mer kompleks, og det kreves innledende trykkraft for å virke. Den nitrogen-eksplosive hydrauliske bergbryteren trenger, fra et energiperspektiv, ingen oljearbeid under kraftstrokes, og er dermed mer energieffektiv; samtidig er diameteren på både front- og bakrommet til pistonen like, noe som effektivt løser problemet med utilstrekkelig momentan oljetilførsel under kraftstrokes til pistonen. På grunn av den høye innledende nitrogenfyllingspressen er imidlertid den nødvendige trykkraften større.

1.4 Grunnleggende struktur og klassifisering av hydrauliske bergbrytere

1.4.1 Grunnleggende struktur av hydrauliske bergbrytere

Selv om hydrauliske bergbrytere forekommer i mange varianter, deler de felles strukturelle egenskaper. Den grunnleggende sammensetningen av en hydraulisk bergbryter inkluderer: sylinderkropp, stempel, fordelingsventil, akkumulator, nitrogenkammer, meisselholder, meissel, høyfesteg skruer og tettingssystemer. Forskjellige typer hydrauliske bergbrytere varierer litt i struktur, men hver bergbryter inneholder to grunnleggende bevegelige komponenter – stempelet og ventilstempelen. Den grunnleggende strukturen er vist i figur 1-3.

(1) Slagmekanisme

En hydraulisk bergbryter har en relativt lang og slank stempel, som er den viktigste komponenten. Basert på teorien om spenningsbølgeoverføring, for å maksimalt overføre stempelens slagenergi, er diameteren på det påvirkende stempelet vanligvis omtrent lik eller nær endediameteren på meisselens hale, slik at det oppnås full kontakt på slagflaten og effektiv energioverføring sikres. Spillet mellom det påvirkende stempelet og sylinderkroppen eller linerhylsen er en svært viktig teknisk parameter. Hvis spillet er for stort, vil det oppstå meget stor intern lekkasje, noe som gjør slagkraften utilstrekkelig og kan til og med føre til at bergbryteren ikke fungerer normalt; hvis spillet er for lite, kan stempelets bevegelse bli treghetsskapt eller skraping kan oppstå, samtidig som produksjonskostnadene stiger kraftig.

(2) Fordelingsmekanisme

En hydraulisk bergbryter har vanligvis en fordelerventil som endrer retningen på strømmen av hydraulikkolje, og på den måten styrer og driver den svingende bevegelsen til støtpistonen. Fordelerventilers strukturelle former er mange; de kan generelt deles inn i to hovedkategorier: spoleventiler og manchetventiler. Spoleventiler er vanligvis lette i vekt, har lav oljeforbruk, mindre diameter og mindre samspillspill og lekkasje, men har for det meste en trinnformet struktur, relativt dårlig strukturell bearbeidbarhet og større innskrenkningsfor tap. Manchetventiler er tyngre, har større diameter, og samspillspillet og lekkasjen er også relativt større; men deres strukturelle bearbeidbarhet er god, åpningsoverflategradienten er stor, og innskrenkningsfor tapene er små. Samspillspillet mellom ventilspolen og ventilkroppen eller ventilmancheten er en annen viktig teknisk parameter i produksjonen av hydrauliske bergbrytere; spill som er for store eller for små vil begge føre til at ventilen ikke fungerer normalt.

(3) Akkumulator for trykkstabilisering

De fleste hydrauliske bergbrytere har én eller flere akkumulatorer, som har funksjonen å lagre energi og stabilisere trykket. En hydraulisk bergbryter utfører eksternt arbeid bare under kraftslaget; tilbakeslaget er forberedelse til kraftslaget. Når stempelet returnerer, strømmer hydraulikkolje inn i akkumulatoren under et trykk som er høyere enn trykket i ladekammeret og lagres som potensiell energi til oljen i akkumulatoren. Denne energien frigjøres under kraftslaget til stempelet og omgjør det meste av energien fra tilbakeslaget til slageenergi. På denne måten forbedrer akkumulatoren systemets arbeidseffektivitet, samtidig som den reduserer trykkstøt og strømningspulsasjoner forårsaket av omstilling av distribusjonsventilens spole.

(4) Drivmekanisme

Meiselen er den aktiverende komponenten i den hydrauliske steinbryteren som utfører ytre arbeid og virker direkte på arbeidsobjektet; den er en slitasjedel som krever god slitasjemotstand, hard på utsiden og tough på innsiden, med hardhet som endres gradvis fra utsiden mot innsiden. For å tilpasse seg ulike arbeidsforhold og arbeidsobjekter finnes meisler i spissformet, firkantet, skovlformet og flat-toppt form.

(5) Mekanisme for forebygging av blankfyring

Fordi en hydraulisk bergbryter har stor støtenergi, vil direkte påvirkning av sylinderekroppen av støtpistonen alvorlig skade bergbryterkroppen — og føre til tomfiring. Strukturen for forebygging av tomfiring består i å legge til en hydraulisk dempekkammer foran sylinderekroppen. Når meisselen ikke har kontakt med bergmassen og beveger seg fremover, går støtpistonen inn i dempekammeret, komprimerer oljen inne i kammeret og absorberer støtenergien, noe som gir dempet beskyttelse av maskinkroppen. Samtidig stenges inntaket til oljen i frontkammeret, slik at pistonen ikke kan trekke seg tilbake under påvirkning av tyngdekraften og nitrogentrykket i bakdelen; bare når meisselen igjen får kontakt med bergmassen og trykker tilbake med økt armtrykk, skyver støtpistonen seg ut av dempekammeret, og høytrykksolje kan deretter strømme inn i frontkammeret, slik at normal drift kan fortsette. Som vist i figur 1–4, kan støtpistonen ved hydraulisk bergbryting maksimalt gjøre 1–2 tomfiringer før den stopper etter at bergbryteren har brutt gjennom det materiale som skal brytes. Operatøren må da velge et nytt støtpunkt, trykke meisselen godt inn mot overflaten, påføre trykk, og meisselen skyver da pistonen bort fra oljeinntaket i nedre kammer, slik at arbeidet kan gjenopptas.

(6) Andre mekanismer

Andre mekanismer i hydraulisk bergbryter inkluderer: tilkoblingsramme, vibrasjonsdempingsmekanisme, tettingssystem, automatisk smøresystem osv.

1.4.2 Klassifisering av hydrauliske bergbrytere

Det finnes mange typer hydrauliske bergbrytere og mange klassifiseringsmetoder. De viktigste klassifiseringsmetodene er følgende:

(1) Klassifisering etter driftsmetode

Hydrauliske bergbrytere klassifiseres etter driftsmetode i bæremaskinmonterte og håndholdte typer. Håndholdte typer er små bergbrytere, også kalt hydrauliske meissler; massen er vanligvis under 30 kg, de betjenes manuelt og drives av en dedikert hydraulisk pumpestasjon, og kan bredt erstatte luftdrevne meisseloperasjoner. Bæremaskinmonterte typer er mellomstore og store bergbrytere som monteres direkte på utstyrets arm på hydrauliske gravemaskiner, lastere og andre hydrauliske bæremaskiner, og som bruker bæremaskinens kraftsystem, hydrauliske system og armbevegelsessystem for å utføre operasjoner.

(2) Klassifisering etter arbeidsmedium

Hydrauliske bergbrytere klassifiseres etter arbeidsmedium i tre hovedkategorier: ren hydraulisk, hydraulisk-pneumatisk kombinert og nitrogeneksplosiv. Ren hydraulisk type er helt avhengig av trykket fra hydraulikkvæske for å drive stempelet i arbeid; hydraulisk-pneumatisk kombinert type bruker både hydraulikkvæske og komprimert nitrogen i bakdelen samtidig for å drive stempelet i arbeid; nitrogeneksplosive typer er helt avhengig av den øyeblikkelige utvidelsen av nitrogen i nitrogenkammeret bak i enden for å presse stempelet til å utføre arbeid.

(3) Klassifisering etter tilbakemeldingsmetode

Hydrauliske bergbrytere klassifiseres etter tilbakemeldingsmetode i slagtilbakemelding og trykktilbakemelding. Forskjellen ligger i hvordan tilbakemeldingssignalet samles inn for omstyring av fordelerventilen. Hydrauliske bergbrytere med slagtilbakemelding støtter seg på åpning og lukking av høytrykksoljeforingshull i stempelbevegelsen for å styre omstyring av fordelerventilen; plasseringen av tilbakemeldingshullene kan bare fastsettes stivt, og på grunn av konstruksjonelle begrensninger kan det maksimalt settes tre tilbakemeldingshull; derfor kan hydrauliske bergbrytere med slagtilbakemelding ikke oppnå trinnløs justering av slagfrekvensen. Hydrauliske bergbrytere med trykktilbakemelding støtter seg på måling av systemtrykket eller nitrogenkammerets trykk ved stempelets bakende side for å styre omstyring av fordelerventilen; når stempelet beveger seg inn i nitrogenkammeret, endres trykket i nitrogenkammeret kontinuerlig, og når trykksensoren som er montert i kammeret registrerer et forhåndsinnstilt trykk, skjer ventileomstyringen via mikrodatorkontroll; siden omstyringstrykket kan velges fritt, kan hydrauliske bergbrytere med trykktilbakemelding oppnå trinnløs justering.

(4) Klassifisering etter distribusjonsmetode

Basert på formen på distribusjonsventilen kan de klassifiseres i to hovedkategorier: 3-veis ventil med enkeltside retur olje og 4-veis ventil med dobbeltside retur olje. Strukturformer med enkeltside retur olje har fordelen med enkle oljekanaler og lett styring; i praksis er de relativt vanlige. Enkeltside retur olje kan deles inn i typer med retur olje fra forrommet og retur olje fra bakrommet; av disse har typer med retur olje fra forrommet ulempene med stor sug- og retur oljemotstand, så den mest vanlige formen i dag er forrommet med konstant trykk og bakrommet med retur olje. 4-veis ventil med dobbeltside retur olje kalles også for dobbeltvirkende type; dens karakteristikk er fraværet av et konstant-trykk-kammer, mens trykket i for- og bakrommet veksler mellom høyt og lavt; men på grunn av de komplekse oljekanalene i strukturformen med dobbeltside retur olje er denne sjelden.

(5) Klassifisering etter plassering av fordelingsventilen

Basert på plasseringen av fordelingsventilen kan de klassifiseres i to typer: innbygde og utvendige. Innbygd type kan videre klassifiseres i spole- og manchettype. Innbygde fordelingsventiler er integrert i sylinderekroppen som én enhet, med kompakt konstruksjon; utvendige fordelingsventiler er uavhengige og plassert utenfor sylinderekroppen, med enkel konstruksjon samt enkel vedlikehold og utskifting.

I tillegg kan de klassifiseres etter støynivå i lavstøy- og standardtyper; og etter ytre kabinettform i trekantformede, tårnformede og innkapslede steinbrytere osv. De ulike klassifiseringsmetodene er oppsummert i figur 1–5.