Podstawowe parametry techniczne

2.1 Podstawowe parametry techniczne

2.1.1 Parametry hydraulicznego młota do skał

(1) Parametry wydajnościowe

W i częstotliwość uderzeń f są parametrami wydajnościowymi opisującymi hydrauliczny młot do skał. W określa zdolność roboczą młota; f określa jego szybkość pracy.

Moc wyjściowa hydraulicznego młota do skał może być wyrażona jako:

N = W × f                                           (2.1)

Ponieważ dwa parametry opisujące wydajność — energia uderzenia i częstotliwość uderzeń — są wzajemnie sprzężone, przy projektowaniu hydraulicznego młota do skał stosunek W po f musi być starannie zrównoważony. W warunkach minimalnej zainstalowanej mocy należy osiągnąć maksymalną wydajność roboczą. Dla hydraulicznego młota do skał wymagana jest duża energia uderzenia W oraz odpowiednio obniżona częstotliwość uderzeń f aby spełnić wymóg wysokiej siły uderzeniowej i dobrego efektu kruszenia. Dla hydraulicznego wiertła do skał, choć również jest to hydrauliczny mechanizm uderzeniowy, wymagana jest mała energia uderzenia W oraz jak najwyższa możliwa częstotliwość uderzeń f aby spełnić wymóg szybkiego wiercenia.

(2) Parametry robocze

Maksymalna prędkość uderzeniowa tłoka v _m , przepływ roboczy Q , ciśnienie robocze p , oraz optymalna siła docisku F _T to są parametry robocze hydraulicznego młota skalnego.

● Maksymalna prędkość uderzeniowa tłoka v _m : jest to chwilowa prędkość kontaktu w momencie, gdy tłok uderza w tył dłuta. Odpowiadająca mu energia kinetyczna tłoka definiowana jest jako energia uderzeniowa hydraulicznego młota W . Gdy energia kinetyczna tłoka jest całkowicie przekazywana do celu, energia uderzeniowa hydraulicznego młota wynosi:

W = ½ samochod ²_m                                            (2.2)

gdzie: m — masa tłoka.

Z równania (2.2) wynika, że im wyższa prędkość uderzeniowa tłoka, tym większa energia uderzeniowa.

Jednak zwiększenie v _m jest ograniczone przez dwa czynniki:

1) Granice właściwości materiałowych tłoka i dłuta. Prędkość końcowa uderzenia v _m wiąże się z naprężeniem kontaktowym σ ; im wyższe σ , tym bardziej wpływa na żywotność tłoka i dłuta. Przy dopuszczalnym naprężeniu kontaktowym σ , typowym wyborem jest v _m = 9–12 m/s. W miarę rozwoju nauki o materiałach wartość v _m może być dalej zwiększana.

2) Graniczna częstotliwość mechanizmu uderzeniowego. Ze względu na ograniczenia konstrukcyjne tłoka oraz jego skoku, przy stałej długości skoku tłoka przyspieszenie do wymaganej prędkości v _m zajmuje bardzo mało czasu. Oczywiście im większe v _m , tym krótszy czas przyspieszania jest wymagany.

Niska częstotliwość oznacza, że czas cyklu tłoka oraz czas jego skoku są oba długie, podczas gdy wysoka v _m prowadzi koniecznie do krótszego skoku i czasu cyklu — czyli wysokiej częstotliwości uderzeń — co nie pozwala spełnić wymagań projektowych dotyczących niskiej częstotliwości.

● Przepływ roboczy Q : przepływ dostarczany do hydraulicznego młota skalnego przez pompę hydrauliczną w trakcie pracy; jest to zmienna niezależna. Zachowanie i parametry wydajnościowe hydraulicznego młota skalnego są ściśle powiązane z przepływem roboczym i stanowią jego funkcje; zmieniają się wraz ze zmianą przepływu roboczego.

● Ciśnienie robocze p : ciśnienie wymagane przez układ hydrauliczny podczas pracy hydraulicznego młota skalnego — ciśnienie systemowe niezbędne do osiągnięcia jego parametrów wydajnościowych. Ciśnienie robocze p jest zmienną zależną; zmienia się wraz ze zmianą przepływu wejściowego Q i parametrów konstrukcyjnych. W trakcie pracy, gdy wszystkie pozostałe parametry pozostają stałe, ciśnienie p nie może być aktywnie zmieniane. Ciśnienie robocze p i przepływ wejściowy Q spełnia podstawową zasadę technologii hydraulicznej: ciśnienie w układzie jest określone przez obciążenie zewnętrzne. Na podstawie tej zasady projektowanie hydraulicznego młota do skał polega na wykorzystaniu parametrów konstrukcyjnych i przepływu roboczego w celu zapewnienia, że ciśnienie robocze układu p jest osiągane.

● Siła docisku F _T gdy hydrauliczny młotek do skał działa, przyspieszenie tłoka podczas suwu roboczego powoduje odrzut korpusu urządzenia, co skutkuje utratą kontaktu klinu z materiałem docelowym i uniemożliwia normalne działanie uderzenia. Aby pokonać ten odrzut, należy przyłożyć siłę wzdłuż osi korpusu młotka — tzw. siłę dociskową. Siła dociskowa musi być wystarczająco duża, aby utrzymać klin w stałym i solidnym kontakcie z przedmiotem, który ma zostać uderzony. Siła dociskowa musi być optymalna. Innymi słowy, istnieje problem optymalnej siły dociskowej, który jest ściśle związany z klasą wielkości maszyny nośnej. Jeśli maszyna nośna jest zbyt mała, dostarczana przez nią siła dociskowa będzie niewystarczająca; jeśli natomiast będzie zbyt duża, choć wymagania dotyczące siły dociskowej zostaną spełnione, to wzrośnie koszt inwestycyjny maszyny nośnej, co również jest niepożądane. W projektowaniu hydraulicznych młotków do skał osiągnięcie wysokiej energii uderzenia przy możliwie najmniejszej sile dociskowej zawsze było celem optymalizacji. Dzięki temu możliwe jest połączenie hydraulicznego młotka do skał o wysokiej energii uderzenia z mniejszą maszyną nośną, tworząc wydajną kombinację roboczą i obniżając koszty eksploatacji.

(3) Parametry konstrukcyjne

Trzy średnice tłoka g ₁, g ₂, oraz g ₃, masa robocza m , oraz skok roboczy S są parametrami konstrukcyjnymi hydraulicznego młota skalnego. Parametry konstrukcyjne określają jego parametry eksploatacyjne. Projektowanie hydraulicznego młota skalnego polega w istocie na wyznaczeniu parametrów konstrukcyjnych g ₁, g ₂, g ₃, m , oraz S zapewniających osiągnięcie wymaganych parametrów eksploatacyjnych. Gdy parametry konstrukcyjne są ustalone, wszystkie parametry eksploatacyjne i parametry robocze zmieniają się wraz z przepływem wejściowym i są funkcjami przepływu wejściowego.

2.1.2 Ciśnienie oleju roboczego i ciśnienie nominalne

(Ciśnienie nominalne oznaczane jest p _H w całym niniejszym rozdziale)

Podczas pracy hydraulicznego młota skalnego ciśnienie oleju hydraulicznego napędza tłok, a charakter ruchu tłoka określa sposób zmiany tej siły napędzającej olejem — jest to kinematyka i dynamika tłoka.

Biorąc pod uwagę masę tłoka m , przyspieszenie a , oraz siłę bezwładności tłoka F _K , drugie prawo Newtona daje:

F _K = - Co?                                              (2.3)

Siła napędowa F jest równa F _K co do wartości, lecz przeciwna co do kierunku. Siła napędowa F działająca na tłok jest generowana przez ciśnienie oleju p w komorze i może być wyrażona jako:

p = F _K / A = - Co? / A = ( m / A ) · d v / d t             (2.4)

gdzie: m — masa tłoka, stała;

 A — powierzchnia tłoka podlegająca działaniu ciśnienia, stała;

 v — prędkość tłoka; chwilowy przepływ q napędzający ruch tłoka spełnia zależność:

AV = q                                               (2.5)

Od kiedy v i q w równaniu (2.5) są funkcjami czasu; różniczkując je v i q względem czasu, otrzymujemy:

A g v / d t = d q / d t                                  (2.6)

Podstawienie równania (2.6) do równania (2.4) daje:

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

W równaniu (2.7), m / A ²jest stałą; d q / d t reprezentuje szybkość zmiany przepływu w układzie.

Z równań (2.3)–(2.7) wynika, że ciśnienie w układzie powstaje na podstawie zmieniającego się przepływu wejściowego do komory olejowej. Innymi słowy, zmiana przepływu oleju hydraulicznego powoduje przyrost przyspieszenia tłoka oraz siłę bezwładności, które z kolei generują ciśnienie w komorze olejowej p .

Ciśnienie oleju w układzie p jest proporcjonalne do masy tłoka m i szybkości zmiany przepływu d q /dt , a odwrotnie proporcjonalne do kwadratu powierzchni tłoczka podlegającej działaniu ciśnienia A . Aby obniżyć ciśnienie oleju w układzie p , zwiększenie powierzchni tłoczka podlegającej działaniu ciśnienia A jest najskuteczniejszą metodą, jednak powoduje również zwiększenie gabarytów urządzenia, dlatego w procesie projektowania należy uwzględnić oba te czynniki.

Ciśnienie oleju w układzie p jest funkcją przepływu i jest zmienną zależną; nie można jej aktywnie zmieniać w trakcie pracy, zmienia się jedynie wraz ze zmianą przepływu wejściowego. p również zmienia się w czasie i nie ma stałej wartości. Ciśnienie oleju podane w arkuszu danych produktu, które autorzy nazywają ciśnieniem znamionowym oleju, oznaczane jest symbolem p _H . Przy tym ciśnieniu parametry wydajnościowe młota hydraulicznego osiągają swoje wartości znamionowe. p _H jest parametrem wirtualnym — w rzeczywistości nie istnieje — jednak odgrywa on kluczową rolę w projektowaniu i użytkowaniu młota hydraulicznego. W fazie projektowania p _H służy jako podstawa do obliczania parametrów wydajnościowych, roboczych oraz konstrukcyjnych oraz do dobierania elementów układu hydraulicznego. W praktyce terenowej staje się ważnym punktem odniesienia dla operatora przy ocenie, czy układ działa prawidłowo. p _H parametr ten zostanie omówiony szerzej w kolejnych rozdziałach.