Parâmetros técnicos básicos

2.1 Parâmetros Técnicos Básicos

2.1.1 Parâmetros de um Fragmentador Hidráulico de Rochas

(1) Parâmetros de desempenho

W e frequência de impacto f são os parâmetros de desempenho que descrevem um fragmentador hidráulico de rochas. W define a capacidade de trabalho do fragmentador; f define sua taxa de trabalho.

A potência de saída de um fragmentador hidráulico de rochas pode ser expressa como:

N = W × f                                           (2.1)

Como os dois parâmetros que descrevem o desempenho — energia de impacto e frequência de impacto — estão acoplados entre si, ao projetar um fragmentador hidráulico de rochas, a relação entre W até f deve ser cuidadosamente equilibrado. Nas condições de capacidade instalada mínima, deve-se alcançar a máxima eficiência operacional. Para um martelo hidráulico de rocha, é necessária uma grande energia de impacto W e a frequência de impacto f deve ser reduzida adequadamente, para atender à necessidade de alta força de impacto e bom efeito de fragmentação. Para uma perfuradora hidráulica de rocha, embora também seja um mecanismo hidráulico de impacto, exige-se uma pequena energia de impacto W e a frequência de impacto mais elevada possível f , para atender à necessidade de perfuração em alta velocidade.

(2) Parâmetros operacionais

Velocidade máxima de impacto do pistão v _m , vazão operacional Q , pressão operacional p , e força de avanço ideal F _T são os parâmetros de funcionamento de um martelo hidráulico para rochas.

● Velocidade máxima de impacto do pistão v _m : trata-se da velocidade de contato instantânea quando o pistão atinge a extremidade traseira da escopeta. A energia cinética correspondente do pistão é definida como energia de impacto do martelo hidráulico W . Quando a energia cinética do pistão é totalmente transferida para o alvo, a energia de impacto do martelo hidráulico é:

W = ½ mV ²_m                                            (2.2)

onde: m — massa do pistão.

A partir da Equação (2.2), quanto maior a velocidade de impacto do pistão, maior será a energia de impacto.

No entanto, o aumento de v _m é limitado por dois fatores:

1) Limites das propriedades dos materiais do pistão e da escopeta. Velocidade final de impacto v _m está relacionado à tensão de contato σ ; quanto maior σ , mais afeta a vida útil do pistão e da escopeta. Sob a tensão de contato admissível σ , a seleção típica é v _m = 9 a 12 m/s. À medida que a ciência dos materiais avança, o valor de v _m pode ser ainda maior.

2) Limite de frequência do mecanismo de impacto. Como a estrutura e o curso do pistão são limitados, com um curso fixo do pistão, o tempo necessário para acelerar até a v _m requerida é muito curto. Obviamente, quanto maior v _m , menor o tempo de aceleração necessário.

Uma frequência baixa significa que o tempo de ciclo e o tempo de curso do pistão são ambos longos, enquanto uma frequência alta v _m necessariamente leva a um curso e um tempo de ciclo mais curtos — ou seja, alta frequência de impacto — o que não atende aos requisitos de projeto de baixa frequência.

● Fluxo de trabalho Q : o fluxo fornecido ao fragmentador hidráulico pela bomba hidráulica durante a operação; trata-se de uma variável independente. O comportamento e os parâmetros de desempenho do fragmentador hidráulico estão todos estreitamente relacionados ao fluxo de trabalho e são funções deste; eles variam conforme o fluxo de trabalho muda.

● Pressão de trabalho p : a pressão exigida pelo sistema hidráulico quando o fragmentador hidráulico está em operação — ou seja, a pressão do sistema necessária para atingir seus parâmetros de desempenho. A pressão de trabalho p é uma variável dependente; ela varia conforme o fluxo de entrada Q e os parâmetros estruturais mudam. Durante a operação, quando todos os demais parâmetros permanecem fixos, a pressão p não pode ser alterada ativamente. A pressão de trabalho p e o fluxo de entrada Q satisfazer o princípio básico da tecnologia hidráulica: a pressão do sistema é determinada pela carga externa. Com base nesse princípio, o projeto de martelo hidráulico significa utilizar parâmetros estruturais e vazão de trabalho para garantir que a pressão de trabalho do sistema p seja alcançada.

● Força de empurrar F _T quando o martelo hidráulico para rochas opera, a aceleração do pistão durante o golpe de potência faz com que o corpo da máquina recue, o que provoca a perda de contato da ponteira com o alvo e impede que o impacto funcione normalmente. Para superar esse recuo, é necessário aplicar uma força ao longo do eixo do corpo do martelo — denominada força de empuxo. Essa força de empuxo deve ser suficientemente elevada para manter a ponteira em contato firme com o objeto a ser impactado. A força de empuxo deve ser ótima. Em outras palavras, existe um problema de força de empuxo ótima, estreitamente relacionado à classe de tamanho da máquina transportadora. Se a máquina transportadora for muito pequena, a força de empuxo que ela pode fornecer será insuficiente; se for muito grande, embora o requisito de força de empuxo seja atendido, o custo de investimento da máquina transportadora aumentará, o que também é indesejável. No projeto de martelos hidráulicos para rochas, alcançar alta energia de impacto com uma força de empuxo reduzida sempre foi um objetivo de otimização. Isso permite associar um martelo hidráulico para rochas de alta energia de impacto a uma máquina transportadora menor, formando uma combinação de trabalho eficiente e reduzindo os custos operacionais.

(3) Parâmetros estruturais

Os três diâmetros dos pistões p ₁, p ₂, e p ₃, massa de trabalho m , e curso de trabalho S são os parâmetros estruturais de um martelo hidráulico para rochas. Os parâmetros estruturais determinam seus parâmetros de desempenho. Projetar um martelo hidráulico para rochas equivale, essencialmente, a definir os parâmetros estruturais p ₁, p ₂, p ₃, m , e S que garantam a obtenção dos parâmetros de desempenho exigidos. Uma vez fixados os parâmetros estruturais, todos os parâmetros de desempenho e os parâmetros operacionais variam com a vazão de entrada e são funções dessa vazão de entrada.

2.1.2 Pressão de óleo operacional e pressão nominal

(A pressão nominal é indicada por p _H ao longo desta seção)

Quando o martelo hidráulico para rochas opera, a pressão do óleo hidráulico impulsiona o pistão, e o padrão de movimento do pistão é determinado pelo padrão de variação dessa força motriz hidráulica — trata-se da cinemática e da dinâmica do pistão.

Considerando a massa do pistão m , aceleração a , e a força de inércia do pistão F _K , a segunda lei de Newton fornece:

F _K = mãe!                                              (2.3)

A força motriz F equivale F _K em magnitude, mas é oposta em direção. A força motriz F atuando sobre o pistão é gerada pela pressão do óleo p na câmara e pode ser expressa como:

p = F _K / A = mãe! / A = ( m / A ) · d v / d t             (2.4)

onde: m — massa do pistão, constante;

 A — área de contato do pistão com a pressão, constante;

 v — velocidade do pistão; a vazão instantânea q que aciona o movimento do pistão satisfaz:

AV = q                                               (2.5)

Desde v e q nas Equações (2.5) são funções do tempo; diferenciando v e q em relação ao tempo, obtém-se:

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

Substituindo a Equação (2.6) na Equação (2.4), obtém-se:

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

Na Eq. (2.7), m / A ²é uma constante; d q / d t representa a taxa de variação do fluxo do sistema.

A partir das Eqs. (2.3) – (2.7), a pressão do sistema é estabelecida com base na variação do fluxo de entrada na câmara de óleo. Em outras palavras, a variação do fluxo de óleo hidráulico gera aceleração do pistão e força de inércia, que por sua vez formam a pressão na câmara de óleo p .

Pressão do óleo do sistema p é proporcional à massa do pistão m e à taxa de variação do fluxo d q /dt , e inversamente proporcional ao quadrado da área de contato do pistão com a pressão A . Para reduzir a pressão do óleo do sistema p , aumentar a área de contato do pistão com a pressão A é o método mais eficaz, mas também torna o corpo da máquina maior; portanto, ambos os fatores devem ser considerados no projeto.

Pressão do óleo do sistema p é uma função do fluxo e é uma variável dependente; não pode ser alterada ativamente durante a operação, apenas variando conforme o fluxo de entrada muda. Como o óleo que flui para a câmara de óleo é uma função do tempo quando o fragmentador hidráulico opera, a pressão do óleo p também varia com o tempo e não possui um valor constante. A pressão do óleo indicada em uma folha de dados do produto, que os autores denominam pressão nominal de óleo, é representada por p _H . Nessa pressão, os parâmetros de desempenho do fragmentador hidráulico atingem seus valores nominais. p _H é um parâmetro virtual — ele não existe efetivamente —, mas é extremamente importante no projeto e na utilização de um fragmentador hidráulico. No projeto, p _H é utilizado como base para o cálculo dos parâmetros de desempenho, dos parâmetros operacionais e dos parâmetros estruturais, bem como para a seleção dos componentes do sistema hidráulico. No campo, torna-se uma referência importante para que o operador avalie se o sistema está funcionando normalmente ou não. O parâmetro p _H será discutido mais detalhadamente nos capítulos posteriores.