Podstawowa zasada działania hydraulicznych młotów do skał

1.3 Podstawowa zasada działania hydraulicznych młotów do skał

Hydrauliczny młot do skał jest maszyną uderzeniową, która przekształca energię hydrauliczną w energię mechaniczną. Składa się z dwóch podstawowych ruchomych elementów — tłoka i suwaka rozdzielacza zaworu — które wzajemnie sterują się w pętli sprzężenia zwrotnego: ruch posuwisto-zwrotny suwaka rozdzielacza zaworu kontroluje komutację tłoka, a tłok z kolei na początku i końcu każdego suwu otwiera lub zamyka kanał oleju sterującego w zaworze, realizując w ten sposób komutację zaworu — cykl ten powtarza się w sposób ciągły… Podstawowa zasada działania hydraulicznego młota do skał polega na tym, że dzięki temu sprzężeniu zwrotnemu między tłokiem a suwakiem rozdzielacza zaworu tłok porusza się szybko ruchem posuwisto-zwrotnym pod wpływem siły hydraulicznej (lub gazowej) i uderza w dłuto, wykonując pracę na zewnętrznych obiektach.

Hydraulicne młoty do skał występują w wielu typach i odmianach, które zostaną szczegółowo opisane w kolejnych rozdziałach. Poniżej jako przykład przedstawiono hydraulicny młot do skał z przodem o stałym ciśnieniu i tyłem o zmiennym ciśnieniu w celu opisania jego zasady działania:

Jak pokazano na schemacie, gdy rozpoczyna się suw powrotny, olej pod wysokim ciśnieniem wpływa do przedniej komory tłoka przez otwór olejowy 1 i jednoczesnie działa na dolny koniec wałka zaworu rozdzielającego, utrzymując go stabilnie w stanie przedstawionym na schemacie (a). W tym momencie przednia komora tłoka zawiera olej pod wysokim ciśnieniem, a tylna komora jest połączona z odpływem T przez otwór olejowy 4. Pod wpływem ciśnienia oleju w przedniej komorze tłok przyspiesza podczas suwu powrotnego i spręża azot przechowywany w komorze azotowej (z wyjątkiem czysto hydraulicznego typu); akumulator magazynuje olej. Gdy suw powrotny tłoka osiąga otwór sterujący 2, olej pod wysokim ciśnieniem dociera do górnego końca wałka zaworu rozdzielającego. W tym momencie zarówno górny, jak i dolny koniec wałka są połączone z olejem pod wysokim ciśnieniem; ponieważ w projekcie skuteczna powierzchnia górnego końca wałka jest większa niż skuteczna powierzchnia jego dolnego końca, wałek przełącza się pod działaniem oleju pod wysokim ciśnieniem do stanu przedstawionego na schemacie (b). W tym momencie zarówno przednia, jak i tylna komora tłoka są połączone z olejem pod wysokim ciśnieniem; akumulator odprowadza olej w celu uzupełnienia układu. Pod wpływem siły wypadkowej F_q tłok przyspiesza podczas suwu roboczego, uderza w klin i przekazuje energię uderzeniową. Gdy tłok przekroczy punkt uderzenia, otwory sterujące 2 i 3 zostają połączone ze sobą i z odpływem oleju T; ciśnienie oleju przy górnym końcu wałka zaworu spada; pod wpływem ciśnienia oleju przy dolnym końcu wałek zaworu rozdzielającego szybko powraca do stanu przedstawionego na schemacie (a). Po powrocie do pierwotnego stanu tłok rozpoczyna suw powrotny, wchodząc w kolejny cykl uderzeń, i tak dalej cyklicznie. W tym procesie zależność kinematyczna między tłokiem a wałkiem zaworu rozdzielającego przedstawiona jest na rys. 1-2.

Z rys. 1-1 wynika, że podczas suwu roboczego – pomijając ciężar tłoka i opór tarcia – siła F_q napędzająca tłok i wykonująca pracę uderzeniową składa się głównie z ciśnienia hydraulicznego oraz ciśnienia gazu azotowego, czyli: F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Siła napędzająca F_q zależy od różnicy skutecznych powierzchni komór przedniej i tylnej, ciśnienia oleju p oraz ciśnienia w komorze azotowej p_N. W zależności od różnych stosunków pracy oleju do pracy gazu można wyróżnić trzy formy pracy: czysto hydrauliczną, hydropneumatyczną połączoną oraz azotowo-eksplozywną.

Czysto hydrauliczna: p_N = 0. W tej formie młotek hydrauliczny nie posiada komory azotowej, a tłok jest napędzany wyłącznie różnicą ciśnień oleju w górnej i dolnej komorze. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Jest to najwcześniejsza forma działania młotków hydraulicznych, pojawiająca się w chwili ich pierwszego powstania.

Hydrauliczno-pneumatyczny połączony: W tej formie d₁ < d₂, a jednocześnie w tylnym końcu tłoka dodawana jest komora azotowa, w której azot wykonuje pracę, przy czym p_N > 0. Siła F_q składa się głównie z dwóch części: różnicy ciśnień oleju w przedniej i tylnej komorze oraz siły wynikającej z kompresji i ekspansji azotu. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Obecnie jest to najbardziej rozpowszechniona forma hydraulicznego młota do skał. Na podstawie różnych proporcji udziału pracy oleju i gazu w całkowitej sile napędowej, tj. różnych stosunków pracy gazu do pracy cieczy, można tworzyć produkty o różnej wydajności.

Azotowo-eksplozywny: W tej formie d₁ = d₂, p_N > 0. Siła hydrauliczna w górnej i dolnej komorze wynosi zero; praca tłoka w czasie suwu roboczego jest w pełni napędzana ciśnieniem gazu w komorze azotowej. F_q = π/4 · p_N · d₁². Jest to najnowsza forma hydraulicznego młota do skał.

Wszystkie trzy typy mają swoje zalety i wady, ale ich ogólna wydajność poprawia się z jednego pokolenia do następnego. Czysto hydrauliczny typ, jako najwcześniejsza forma produktu pojawiająca się wraz z pierwszymi młotami hydraulicznymi do rozdrabniania skał, charakteryzuje się prostą konstrukcją i niezawodną pracą bez konieczności stosowania początkowej siły docisku, jednak ma niską sprawność wykorzystania energii i nie nadaje się do produkcji urządzeń o dużych wymiarach. Typ hydrauliczno-pneumatyczny stanowi istotny przełom w porównaniu z czysto hydraulicznym: dodanie komory azotowej w tylnej części tłoka umożliwia skuteczne wykorzystanie energii powrotu ruchu tłoka i znacznie zwiększa siłę uderzenia; jednak konstrukcja jest bardziej złożona, a do rozpoczęcia pracy wymagana jest początkowa siła docisku. Hydrauliczny młot do rozdrabniania skał z wykorzystaniem azotu pod ciśnieniem wybuchowym, z punktu widzenia zużycia energii, nie wymaga pracy oleju w fazie roboczej suwu, co czyni go bardziej oszczędnym energetycznie; równocześnie średnice komór przedniej i tylnej tłoka są takie same, co skutecznie rozwiązuje problem niedostatecznego chwilowego dopływu oleju w fazie roboczej suwu tłoka. Jednak ze względu na bardzo wysokie początkowe ciśnienie napełnienia azotem wymagana siła docisku jest większa.

1.4 Podstawowa struktura i klasyfikacja hydraulicznych młotów skalnych

1.4.1 Podstawowa struktura hydraulicznych młotów skalnych

Chociaż hydrauliczne młoty skale występują w wielu odmianach, mają one wspólne cechy konstrukcyjne. Podstawowe elementy hydraulicznego młota skalnego to: korpus cylindra, tłok, zawór rozdzielający, akumulator, komora azotowa, gniazdo klinu, klin, wysokiej wytrzymałości śruby oraz systemy uszczelniające. Różne typy hydraulicznych młotów skalnych różnią się nieco budową, jednak każdy taki młot zawiera dwa podstawowe ruchome elementy — tłok i suwak zaworu rozdzielającego. Jego podstawowa struktura przedstawiona jest na rys. 1–3.

(1) Mechanizm uderzeniowy

Hydrauliczny młotek do skał ma stosunkowo długi i smukły tłok, który jest najważniejszym elementem. Na podstawie teorii transmisji fal naprężeń, aby maksymalnie przekazać energię uderzeniową tłoka, średnica tłoka uderzeniowego jest zazwyczaj w przybliżeniu równa lub zbliżona do średnicy końcówki dłuta, zapewniając pełne stykanie się powierzchni uderzeniowej i osiągając efektywną transmisję energii. Luzy montażowe pomiędzy tłokiem uderzeniowym a korpusem cylindra lub wkładką tulei są bardzo ważnym parametrem technicznym. Jeśli luzy są zbyt duże, powstaje bardzo duża wewnętrzna utrata oleju, co powoduje niewystarczającą siłę uderzenia i nawet uniemożliwia prawidłową pracę młotka do skał; jeśli luzy są zbyt małe, ruch tłoka może być zwolniony lub może wystąpić zaciskanie (galling), co jednocześnie powoduje gwałtowny wzrost kosztów produkcji.

(2) Mechanizm rozdzielający

Hydrauliczny młotek do skał zwykle posiada zawór rozdzielający, który zmienia kierunek przepływu oleju hydraulicznego i dzięki temu kontroluje oraz napędza ruch posuwisto-zwrotny tłoka uderzeniowego. Formy konstrukcyjne zaworów rozdzielających są zróżnicowane; ogólnie można je podzielić na dwie główne kategorie: zawory suwakowe i zawory tulejowe. Zawory suwakowe charakteryzują się zazwyczaj mniejszą masą, niższym zużyciem oleju, mniejszym średnicą oraz mniejszymi luzami dopasowania i wyciekami, lecz najczęściej mają strukturę stopniową, gorszą obrabialność konstrukcyjną oraz większe straty przy dławieniu. Zawory tulejowe są cięższe, mają większą średnicę, a ich luzy dopasowania i wycieki są również stosunkowo większe; jednak ich obrabialność konstrukcyjna jest dobra, gradient powierzchni otwarcia jest duży, a straty przy dławieniu są niewielkie. Luzy dopasowania między suwakiem zaworu a korpusem zaworu lub tuleją zaworu stanowią kolejny ważny parametr techniczny w produkcji hydraulicznych młotków do skał; zbyt duże lub zbyt małe luzy powodują, że zawór nie może funkcjonować prawidłowo.

(3) Mechanizm stabilizacji ciśnienia akumulatora

Większość hydraulicznych młotów górniczych wyposażona jest w jeden lub więcej akumulatorów, które pełnią funkcję magazynowania energii oraz stabilizacji ciśnienia. Hydrauliczny młot górniczy wykonuje pracę zewnętrzną wyłącznie podczas suwu roboczego; suw zwrotny stanowi przygotowanie do kolejnego suwu roboczego. Gdy tłok porusza się w kierunku zwrotnym, olej hydrauliczny wpływa do akumulatora pod ciśnieniem wyższym niż ciśnienie w komorze ładowania i jest tam magazynowany jako energia potencjalna oleju w akumulatorze. Energia ta jest uwalniana podczas suwu roboczego tłoka, przekształcając większość energii zużytej podczas suwu zwrotnego w energię uderzeniową. W ten sposób akumulator zwiększa sprawność pracy układu, a także zmniejsza uderzenia ciśnieniowe i pulsacje przepływu spowodowane przełączaniem się zaworu rozdzielającego.

(4) Mechanizm napędowy

Gwóźdź jest elementem wykonawczym hydraulicznego młota do skał, który wykonuje pracę zewnętrzną, działając bezpośrednio na obiekt roboczy; jest to część zużywająca się, która wymaga dobrej odporności na ścieranie, twarda z zewnątrz i odporna na uderzenia wewnątrz, przy czym twardość zmienia się stopniowo od zewnętrznej warstwy do wnętrza. Aby dostosować się do różnych warunków pracy oraz różnych obiektów roboczych, gwóździe występują w wersjach stożkowych, kwadratowych, łopatkowych i płaskogłowicowych.

(5) Mechanizm zapobiegania odpalaniu na sucho

Ponieważ hydrauliczny młotek do skał charakteryzuje się dużą energią uderzeniową, bezpośrednie uderzenie tłoka w korpus cylindra spowodowałoby poważne uszkodzenie korpusu młotka — tzw. strzał pusty. Konstrukcja zapobiegająca strzałowi pustemu polega na dodaniu przed korpusem cylindra komory hydraulicznej amortyzującej. Gdy klin nie styka się jeszcze ze skałą i porusza się w przód, tłok uderzeniowy wchodzi do komory amortyzującej, ściskając znajdujące się w niej oleju i pochłaniając energię uderzenia, co zapewnia amortyzowaną ochronę korpusu urządzenia. Jednocześnie dopływ oleju do przedniej komory jest zamykany, dzięki czemu pod wpływem siły ciężkości oraz działania azotu w tylniej części tłok nie może się cofać; dopiero gdy klin ponownie nawiąże kontakt ze skałą i wywiera większy nacisk ramy, tłok uderzeniowy wypycha się z komory amortyzującej, a wysokociśnieniowy olej może wówczas wpłynąć do przedniej komory, umożliwiając dalszą normalną pracę. Jak pokazano na rys. 1–4, po przebiciu przez hydrauliczny młotek do skał materiału poddanego rozbijaniu tłok może wykonać maksymalnie 1–2 strzały puste przed zatrzymaniem się. Operator musi ponownie wybrać punkt uderzenia, mocno przyłożyć klin do materiału, zadziałać siłą nacisku, co spowoduje, że klin odepchnie tłok od otworu dopływu oleju do dolnej komory, umożliwiając wznowienie pracy.

(6) Inne mechanizmy

Do innych mechanizmów hydraulicznego młota skalnego należą: ramka łączeniowa, mechanizm tłumienia wibracji, system uszczelnienia, automatyczny system smarowania itp.

1.4.2 Klasyfikacja hydraulicznych młotów skalnych

Istnieje wiele typów hydraulicznych młotów skalnych oraz wiele metod ich klasyfikacji. Główne metody klasyfikacji przedstawiono poniżej:

(1) Klasyfikacja według sposobu użytkowania

Hydrauliczne młoty sklane klasyfikuje się według sposobu użytkowania na montowane na nośnikach i ręczne. Typy ręczne to małe młoty sklane, nazywane również hydraulicznymi dłutami; ich masa wynosi zazwyczaj poniżej 30 kg, są obsługiwane ręcznie i zasilane dedykowaną stacją pomp hydraulicznych; mogą szeroko zastępować operacje wykonywane za pomocą dłut pneumatycznych. Typy montowane na nośnikach to średnie i duże młoty sklane, które są bezpośrednio montowane na wysięgniku hydraulicznych koparek, ładowarek oraz innych maszyn hydraulicznych nośnych; wykorzystują one system napędowy, układ hydrauliczny oraz system ruchu wysięgnika maszyny nośnej do wykonywania operacji.

(2) Klasyfikacja ze względu na medium robocze

Hydrauliczne młoty górnicze klasyfikuje się ze względu na medium robocze na trzy główne kategorie: czysto hydrauliczne, hydrauliczno-pneumatyczne połączone oraz wykorzystujące eksplozję azotu. Typy czysto hydrauliczne opierają się w całości na ciśnieniu oleju hydraulicznego do napędu tłoka; typy hydrauliczno-pneumatyczne połączone wykorzystują jednocześnie olej hydrauliczny i sprężony azot w tylnej części urządzenia do napędu tłoka; typy wykorzystujące eksplozję azotu opierają się w całości na chwilowym rozszerzaniu się azotu w tylnym zbiorniku azotowym w celu przesunięcia tłoka i wykonania pracy.

(3) Klasyfikacja ze względu na metodę sprzężenia zwrotnego

Hydraulicne młoty do skał klasyfikuje się według metody sprzężenia zwrotnego na sprzężenie zwrotne z użyciem skoku i sprzężenie zwrotne z użyciem ciśnienia. Różnica polega na sposobie zbierania sygnału sprzężenia zwrotnego do komutacji zaworu rozdzielającego. W hydraulicnych młotach do skał ze sprzężeniem zwrotnym z użyciem skoku komutacja zaworu rozdzielającego odbywa się poprzez otwieranie i zamykanie przez tłok otworów sprzężenia zwrotnego oleju pod wysokim ciśnieniem w trakcie skoku; położenia tych otworów mogą być ustalone wyłącznie w sposób sztywny, a ze względu na ograniczenia konstrukcyjne liczba otworów sprzężenia zwrotnego nie może przekroczyć trzech; dlatego też hydraulicne młoty do skał ze sprzężeniem zwrotnym z użyciem skoku nie pozwalają na bezstopniową regulację częstotliwości uderzeń. W hydraulicnych młotach do skał ze sprzężeniem zwrotnym z użyciem ciśnienia komutacja zaworu rozdzielającego odbywa się poprzez pomiar ciśnienia w układzie lub ciśnienia w komorze azotowej znajdującej się przy tylnym końcu tłoka; w miarę jak tłok wchodzi do komory azotowej, ciśnienie w tej komorze zmienia się w sposób ciągły, a gdy czujnik ciśnienia zamontowany w komorze wykryje zadane ciśnienie, zawór komutuje się za pomocą sterowania mikrokomputerowego; ponieważ ciśnienie komutacji można dowolnie ustawić, hydraulicne młoty do skał ze sprzężeniem zwrotnym z użyciem ciśnienia umożliwiają bezstopniową regulację.

(4) Klasyfikacja według metody dystrybucji

W zależności od konstrukcji zaworu rozdzielającego wyróżnia się dwie główne kategorie: trójdrożny zawór jednostronnego odpływu oleju oraz czterodrożny zawór dwustronnego odpływu oleju. Konstrukcje jednostronnego odpływu oleju charakteryzują się prostymi kanałami olejowymi i łatwą kontrolą; w praktyce są one stosunkowo powszechne. Jednostronny odpływ oleju dzieli się na typ z odpływem oleju z komory przedniej oraz typ z odpływem oleju z komory tylnej; z tych dwóch typów konstrukcja z odpływem oleju z komory przedniej charakteryzuje się dużym oporem ssania i odpływu oleju, dlatego obecnie najczęściej stosowaną formą jest konstrukcja z utrzymywaniem stałego ciśnienia w komorze przedniej oraz odpływem oleju z komory tylnej. Czterodrożny zawór dwustronnego odpływu oleju nazywany jest również typem dwustronnego działania; jego cechą charakterystyczną jest brak komory stałego ciśnienia oraz naprzemienne wyższe i niższe ciśnienie w komorze przedniej i tylnej; jednak ze względu na skomplikowane kanały olejowe w konstrukcji dwustronnego odpływu oleju jest ona rzadko stosowana.

(5) Klasyfikacja według układu zaworu rozdzielającego

W zależności od układu zaworu rozdzielającego można je podzielić na dwa typy: wewnętrzny i zewnętrzny. Typ wewnętrzny można dodatkowo podzielić na typ suwakowy i typ tulejowy. Zawory rozdzielające typu wewnętrznego są zintegrowane z korpusem cylindra w jednej całości, co zapewnia zwartą konstrukcję; zawory rozdzielające typu zewnętrznego są niezależne od korpusu cylindra i znajdują się poza nim, charakteryzują się prostą konstrukcją oraz ułatwiają konserwację i wymianę.

Dodatkowo, w zależności od poziomu hałasu można je klasyfikować jako niskohałasowe i standardowe; w zależności od kształtu obudowy zewnętrznej – jako kruszarki trójkątne, wieżowe i zamknięte. Poszczególne metody klasyfikacji zestawiono na rys. 1–5.