Analiza zasady działania hydraulicznego młota do skał

2.2 Analiza zasady działania hydraulicznego młota do skał

Hydrauliczny młot do skał występuje w wielu formach konstrukcyjnych. Na podstawie zasady działania autorzy wyodrębniają i uogólniają najbardziej podstawowe oraz najważniejsze idee dotyczące hydraulicznego młota do skał i redukują je do trzech podstawowych trybów pracy: czysto hydraulicznego, hydrauliczno-pneumatycznego oraz wykorzystującego azot w funkcji materiału wybuchowego.

2.2.1 Czysto hydrauliczna zasada działania

Czysty hydrauliczny sposób działania ma trzy formy realizacji: stałe ciśnienie w komorze przedniej / zmienne ciśnienie w komorze tylnej (skrótowo „zasada stałego ciśnienia w komorze przedniej”), stałe ciśnienie w komorze tylnej / zmienne ciśnienie w komorze przedniej (skrótowo „zasada stałego ciśnienia w komorze tylnej”) oraz zmienne ciśnienie zarówno w komorze przedniej, jak i tylnej (skrótowo „zasada zmiennego ciśnienia”).

(1) Zasada stałego ciśnienia w komorze przedniej

Była to zasada działania po raz pierwszy przyjęta na początku rozwoju hydraulicznych młotów skalnych; wszystkie kolejne postępy techniczne opierają się na niej. Hydrauliczny młot skalny działający według zasady stałego ciśnienia w komorze przedniej przedstawiono na rys. 2-1.

Z rys. 2-1 wynika, że układ składa się z korpusu cylindra, tłoka, zaworu sterującego oraz kanałów olejowych. Korpus cylindra i tłok tworzą mechanizm uderzeniowy. Tłok porusza się w górę i w dół wewnątrz korpusu cylindra pod wpływem oleju hydraulicznego, przekazując energię uderzeniową na zewnątrz oraz wywierając dużą siłę uderzeniową na cel, co powoduje efekt młota.

Hydrauliczny łamacz skalny przedstawiony na rys. 2-1 ma tłok umieszczony w punkcie uderzenia; suwak zaworu znajduje się w położeniu, w którym właśnie zakończył przełączenie z suwu roboczego na suw zwrotny. W tym momencie olej pod wysokim ciśnieniem wpływa do stałej komory wysokiego ciśnienia cylindra (komora a ) przez stały otwór wysokiego ciśnienia zaworu, napędzając tłok w suwie zwrotnym (w prawo). Olej w zmiennej komorze ciśnienia tłoka (komora b ) powraca do zbiornika przez port 4 oraz zmiennociśnieniowy / zwrotny port oleju zaworu. Gdy tłoczek przesuwa się wstecz, aż jego przedni bark przejdzie obok portu 2 w korpusie cylindra, olej pod wysokim ciśnieniem jest kierowany do portu 5 zaworu dociskowego, powodując przełączenie zaworu (w lewo). Ponieważ stała komora wysokiego ciśnienia zaworu jest teraz połączona z pośrednią komorą o zmiennym ciśnieniu, olej pod wysokim ciśnieniem wpływa do tylnej komory tłoczka b przez port 4. Obie strony tłoczka znajdują się teraz pod działaniem oleju pod wysokim ciśnieniem, jednak powierzchnia tłoczka narażona na ciśnienie w tylnej komorze b jest większa niż powierzchnia tłoczka narażona na ciśnienie w przedniej komorze a piston zaczyna zwalniać podczas ruchu powrotnego, jego prędkość spada do zera, a następnie rozpoczyna skok roboczy (w lewo). Gdy centralna wklęsłość tłoka łączy otwory 2 i 3, tłok właśnie osiąga punkt uderzenia, kończąc jeden cykl; równocześnie otwór zaworu popychającego nr 5 łączy się z linią odprowadzania oleju powrotnego, co powoduje przesunięcie suwaka w prawo i powrót do położenia przedstawionego na rys. 2-1, kończąc jeden pełny cykl oraz przygotowując układ do kolejnego ruchu powrotnego tłoka. W ten sposób tłok osiąga ciągłe uderzenia, stale dostarczając energii uderzeniowej. Komora powietrzna c w tej zasadzie działania jest odprowadzana do atmosfery.

(2) Zasada stałego ciśnienia w komorze tylnej

Należy zaznaczyć, że ta zasada działania może zostać zrealizowana wyłącznie przy założeniu, że powierzchnia tłoczna komory przedniej tłoka a jest większa niż powierzchnia tłoczna komory tylnej b , tj. średnica komory przedniej tłoka jest mniejsza niż średnica komory tylnej ( g ₁ > g ₂).

Rys. 2-2 przedstawia schemat hydraulicznego młota do skał z tylną komorą o stałym ciśnieniu i przednią komorą o zmiennym ciśnieniu.

W porównaniu z rys. 2-1 jedyną różnicą jest to, że otwór 1 w korpusie cylindra jest połączony z komorą o zmiennym ciśnieniu zaworu zamiast z komorą o stałym ciśnieniu (o wysokim ciśnieniu); otwór 4 jest bezpośrednio połączony z komorą o stałym ciśnieniu zaworu; wszystkie pozostałe kanały olejowe są takie same. Rys. 2-2 przedstawia chwilę, w której skończył się właśnie suw roboczy tłoka, a zawór już przeszedł w nowe położenie — układ znajduje się w momencie rozpoczęcia suwu zwrotnego.

Charakterystyką roboczą tego rozwiązania jest to, że hydrauliczny młot do skał nie odprowadza oleju podczas suwu zwrotnego, lecz odprowadza olej podczas suwu roboczego; ponadto powierzchnia podlegająca działaniu ciśnienia w przedniej komorze a jest większa niż powierzchnia tłoczna komory tylnej b ponieważ czas wyzwalania skoku roboczego jest krótki, a przepływ duży, straty ciśnienia hydraulicznego w tym układzie są większe niż w układzie stałociśnieniowym komory przedniej. Obecnie większość hydraulicznych młotów do skał nie stosuje tego zasady.

(3) Zasada zmiennego ciśnienia w komorze przedniej i tylnej

Zasadę zmiennego ciśnienia w komorze przedniej i tylnej przedstawiono na rys. 2-3. Z tego schematu łatwo zauważyć, że ten typ hydraulicznego urządzenia uderzeniowego ma skomplikowaną konstrukcję z wieloma kanałami, co zwiększa koszty produkcji. Dlatego obecnie nie stosuje się jej w hydraulicznych młotach do skał; nadal jednak wykorzystuje się ją w niektórych markach hydraulicznych wiertnic do skał.

Rys. 2-3 przedstawia położenie tłoka na końcu skoku roboczego i początku skoku zwrotnego. Gdy rozpoczyna się skok zwrotny, olej pod wysokim ciśnieniem z pośredniej komory zaworu wpływa do komory przedniej tłoka a przez lewą komorę i otwór cylindra nr 1, przesuwając tłok w prawo. Olej w komorze tylnej b jest odprowadzany do zbiornika oleju przez otwór cylindra 5 i prawą komorę zaworu. Podczas suwu zwrotnego, gdy lewe ramię tłoka przesuwa się obok otworu 2 w korpusie cylindra, olej pod wysokim ciśnieniem dopływający przez otwór 7 przesuwa tłoczek zaworu w prawo; tłoczek zaworu chwilowo przełącza ścieżki dopływu i odpływu oleju w korpusie cylindra — otwór cylindra 5 zostaje podłączony do źródła wysokiego ciśnienia, a otwór cylindra 1 — do zbiornika oleju — co powoduje rozpoczęcie hamowania tłoka, jego prędkość szybko spada do zera, a następnie następuje przełączenie na przyspieszanie w suwie roboczym. Gdy tłok w suwie roboczym osiąga punkt uderzenia, centralna wgłębienie tłoka łączy otwory cylindra 2 i 3, a otwory 4 i 5 również się łączą; lewa strona tłoczka zaworu łączy się przez otwór 7 z otworami 2 i 3, umożliwiając odpływ oleju, natomiast prawy otwór tłoczka zaworu 6 łączy się przez otwory 4 i 5, prawą komorę zaworu oraz komorę pośrednią z źródłem wysokiego ciśnienia, powodując przełączenie tłoczka w lewo, zmianę ścieżek dopływu i odpływu oleju w cylindrze oraz zakończenie jednego cyklu pracy tłoka. Tłok i tłoczek zaworu urządzenia hydraulicznego do uderzeń wracają do stanu przedstawionego na rys. 2-3 — początku suwu zwrotnego. W ten sposób młotek hydrauliczny do skał, dzięki ciągłemu ruchowi posuwisto-zwrotnemu tłoka, stale dostarcza energii uderzeniowej na zewnątrz, skutecznie wykonując pracę uderzeniową.

Wszystkie trzy czysto hydrauliczne zasady działania opisane powyżej są obecnie stosowane w hydraulicznych wiertnicach skalnych, hydraulicznych młotach skalnych oraz innych hydraulicznych mechanizmach uderzeniowych, jednak hydrauliczne młoty skalne wykorzystują nadal częściej połączoną hydrauliczno-pneumatyczną zasadę działania.

2.2.2 Połączona hydrauliczno-pneumatyczna zasada działania

Z analizy czysto hydraulicznej zasady działania wynika, że cała energia uderzeniowa czysto hydraulicznego mechanizmu uderzeniowego jest dostarczana wyłącznie przez układ hydrauliczny. Jednak wraz ze wzrostem zastosowania czysto hydraulicznych młotów skalnych oraz postępem badań stwierdzono, że straty hydrauliczne są dość duże, co ogranicza dalszą poprawę sprawności. Olej przepływający przez kanały wewnątrz korpusu cylindra musi tarcie się o ścianki rur, a straty hydrauliczne spowodowane zakrętami, zmianami średnicy oraz zmianami kierunku przepływu są znaczne; im większy przepływ, tym większe straty, a sytuacja ta jest szczególnie dotkliwa podczas suwu roboczego.

Obecnie złożona z hydrauliki i pneumatyki zasada działania jest stosowana głównie w młotach hydraulicznych do skał wymagających dużej energii uderzenia i niskiej częstotliwości, a także w hydraulicznych zagłębiaczach pali.

Aby poprawić wydajność, po przeprowadzeniu szerokich badań stwierdzono prostą i skuteczną metodę: jednoczesne wykorzystanie gazu i oleju do dostarczania energii uderzeniowej do hydraulicznego młota do skał. Pozwala to zmniejszyć przepływ wymagany podczas suwu roboczego — co redukuje straty hydrauliczne i poprawia wydajność pracy — stąd powstaje hydrauliczny młot do skał z połączeniem działania hydraulicznego i pneumatycznego.

Zasada konstrukcyjna hydraulicznego młota do skał z połączeniem działania hydraulicznego i pneumatycznego jest bardzo prosta: wystarczy napełnić komorę powietrzną c w trzech wyżej wymienionych czysto hydraulicznych zasadach z azotem pod określonym ciśnieniem. Ponieważ obecnie obecny jest azot, podczas ruchu zwrotnego tłoka azot ulega sprężeniu, a energia jest magazynowana; podczas ruchu roboczego ta energia jest uwalniana razem z olejem w celu napędu tłoka, co zapewnia energię kinetyczną w punkcie uderzenia i przekształca ją w energię uderzeniową. Oczywiście obecność azotu koniecznie zmniejsza ilość oleju zużywanego podczas ruchu roboczego, co prowadzi do obniżenia zużycia oleju oraz osiągnięcia mniejszych strat hydraulicznych i wyższej sprawności.

W porównaniu z czysto hydraulicznym młotem do skał skuteczna powierzchnia tłoczna komory tylnej tłoka b w hydrauliczno-pneumatycznym połączeniu hydraulicznego młota do skał jest zmniejszana. To zmniejszenie skutecznej powierzchni nośnej ciśnienia oznacza mniejsze zużycie oleju podczas suwu roboczego oraz niższe straty hydrauliczne — jest to kluczowy powód, dla którego hydrauliczno-pneumatyczne młoty do skał rozwijały się w ostatnich latach tak szybko. Hydrauliczno-pneumatyczne młoty do skał wykorzystują niemal zawsze zasadę działania z stałym ciśnieniem w przedniej komorze; jest to również cecha charakterystyczna typu hydrauliczno-pneumatycznego.

2.2.3 Zasada działania oparta na azocie wybuchowym

Zasada działania hydraulicznego młota do skał opartego na azocie wybuchowym nie różni się zasadniczo od zasady działania hydrauliczno-pneumatycznego młota do skał; różnią się jedynie parametry konstrukcyjne tłoka. Kluczową różnicą jest równość średnic tłoka przedniego i tylnego, tj. g ₂ = g ₁, a cała energia uderzeniowa pochodzi od azotu.

Równa średnica tłoka z przodu i z tyłu jest główną cechą hydraulicznego młota skalnego działającego na zasadzie wybuchu azotu. Podczas suwu roboczego komora tylna nie zużywa oleju, a cała energia uderzeniowa może być dostarczana przez azot. Oczywiście energia zgromadzona w azocie jest uzupełniana za pomocą układu hydraulicznego podczas suwu zwrotnego i przekształcana w energię kinetyczną suwu roboczego. W ostatecznym rozrachunku nadal jest to energia hydrauliczna, która ulega przekształceniu — jednak dzięki sprężaniu i magazynowaniu energii w ośrodku gazowym (azocie), zgromadzona energia azotu jest uwalniana podczas suwu roboczego i przekształcana w energię mechaniczną tłoka.

Należy zaznaczyć, że do azotowego hydraulicznego młota skalnego można zastosować wyłącznie zasadę stałego ciśnienia w komorze przedniej; ani zasada stałego ciśnienia w komorze tylnej, ani zasada zmiennego ciśnienia w komorach przedniej i tylnej nie mogą być stosowane w azotowym hydraulicznym młocie skalnym. Powód staje się oczywisty po zrozumieniu cechy tłoka, która g ₂ = g ₁.