Princípio Básico de Funcionamento dos Fragmentadores Hidráulicos de Rocha

1.3 Princípio Básico de Funcionamento dos Rompedores Hidráulicos de Rocha

Um rompedor hidráulico de rocha é uma máquina de impacto que converte energia hidráulica em energia mecânica. Contém dois componentes móveis básicos — um pistão e um carretel da válvula distribuidora — que se controlam mutuamente por realimentação: o movimento alternado do carretel da válvula controla a comutação do pistão, e o pistão, por sua vez, no início e no final de cada curso, abre ou fecha a passagem de óleo de controle da válvula, realizando assim a comutação da válvula — ciclando dessa forma… O princípio básico de funcionamento de um rompedor hidráulico de rocha é: mediante esse controle por realimentação entre pistão e carretel, o pistão realiza movimentos alternados rápidos sob a ação da força hidráulica (ou pneumática) e golpeia a ponteira para realizar trabalho sobre o exterior.

Os martelos hidráulicos para rochas vêm em muitos tipos e formas, os quais serão descritos detalhadamente nos capítulos posteriores. A seguir, toma-se como exemplo o martelo hidráulico para rochas com câmara frontal de pressão constante e câmara traseira de pressão variável, para descrever seu princípio de funcionamento:

Como mostrado no diagrama, quando o curso de retorno começa, óleo sob alta pressão entra na câmara frontal do pistão através da abertura de óleo 1 e atua simultaneamente na extremidade inferior do êmbolo da válvula direcional, mantendo-o estavelmente na posição indicada no diagrama (a). Neste momento, a câmara frontal do pistão contém óleo sob alta pressão; a câmara traseira está conectada ao retorno T através da abertura de óleo 4. Impulsionado pela pressão do óleo na câmara frontal, o pistão acelera durante o curso de retorno e comprime o nitrogênio armazenado na câmara de nitrogênio (exceto nos tipos puramente hidráulicos); o acumulador armazena óleo. Quando o curso de retorno do pistão atinge a abertura de controle 2, o óleo sob alta pressão alcança a extremidade superior do êmbolo da válvula. Neste ponto, tanto a extremidade superior quanto a inferior do êmbolo estão conectadas ao óleo sob alta pressão; como, no projeto, a área efetiva da extremidade superior do êmbolo é maior que a área efetiva da extremidade inferior, o êmbolo comuta para a posição mostrada no diagrama (b) sob a ação do óleo sob alta pressão. Neste momento, tanto a câmara frontal quanto a câmara traseira do pistão estão conectadas ao óleo sob alta pressão; o acumulador descarrega óleo para suprir o sistema. Sob a ação da força composta F_q, o pistão acelera durante o curso de trabalho, golpeia a broca e transfere energia de impacto. Quando o pistão ultrapassa o ponto de impacto, as aberturas de controle 2 e 3 são conectadas entre si e ligadas ao óleo de retorno T; a pressão do óleo na extremidade superior do êmbolo da válvula cai; sob a pressão do óleo na extremidade inferior, o êmbolo da válvula comuta rapidamente de volta à posição mostrada no diagrama (a). Ao retornar ao estado original, o pistão inicia novamente o curso de retorno, entrando no próximo ciclo de golpes, e assim sucessivamente, de forma cíclica. Neste processo, a relação de acoplamento entre o pistão e o êmbolo da válvula é mostrada na Fig. 1-2.

Na Fig. 1-1, pode-se observar que, durante o curso de potência, desprezando-se o peso do pistão e a resistência ao atrito, a força F_q que impulsiona o pistão e realiza trabalho consiste principalmente na pressão hidráulica e na pressão do gás nitrogênio, ou seja, F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. A força motriz F_q está relacionada à diferença entre as áreas efetivas das câmaras dianteira e traseira, à pressão do óleo p e à pressão da câmara de nitrogênio p_N. Com base nas diferentes proporções entre o trabalho hidráulico e o trabalho pneumático, podem-se formar três modos de funcionamento: puramente hidráulico, hidráulico-pneumático combinado e explosivo por nitrogênio.

Puramente hidráulico: p_N = 0. Nesse modo, o martelo hidráulico não possui câmara de nitrogênio e o pistão é impulsionado inteiramente pela diferença de pressão do óleo entre as câmaras superior e inferior. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Este modo representa a forma mais antiga, surgida quando os martelos hidráulicos foram introduzidos pela primeira vez.

Hidráulico-pneumático combinado: Nesta forma, d₁ < d₂, e simultaneamente é acrescentada uma câmara de nitrogênio na extremidade traseira do pistão, introduzindo nitrogênio para realizar trabalho, sendo p_N > 0. F_q é composta principalmente por duas partes: a diferença de pressão do óleo entre as câmaras dianteira e traseira e a força de compressão-expansão do nitrogênio. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Esta forma é atualmente a mais comum entre os fragmentadores hidráulicos de rochas. Com base nas diferentes proporções de trabalho realizado pelo óleo e pelo gás na força motriz total, ou seja, diferentes relações de trabalho gás-líquido, podem ser desenvolvidos produtos com desempenhos distintos.

Explosão por nitrogênio: Nesta forma, d₁ = d₂ e p_N > 0. A força hidráulica nas câmaras superior e inferior é nula; o trabalho do pistão durante o curso de potência é totalmente acionado pela pressão do gás na câmara de nitrogênio. F_q = π/4 · p_N · d₁². Esta forma representa a mais recente geração de fragmentadores hidráulicos de rochas.

As três formas possuem vantagens e desvantagens, mas seu desempenho geral melhora de uma geração para a seguinte. O tipo puramente hidráulico, como a primeira forma de produto surgida quando os fragmentadores hidráulicos de rochas foram introduzidos, possui estrutura simples e operação confiável, não exigindo força inicial de empurrão; contudo, apresenta baixa taxa de aproveitamento energético e não é adequado para a fabricação de produtos de grande porte. O tipo combinado hidráulico-pneumático representa um avanço significativo em relação ao tipo puramente hidráulico: ao adicionar uma câmara de nitrogênio na extremidade traseira do pistão, aproveita eficazmente a energia do curso de retorno e melhora consideravelmente a força de impacto; no entanto, sua estrutura é mais complexa e exige força inicial de empurrão para funcionar. O fragmentador hidráulico de rochas com explosão por nitrogênio, sob a perspectiva energética, não requer trabalho hidráulico durante o curso de potência, sendo, portanto, mais econômico em termos energéticos; simultaneamente, os diâmetros das câmaras dianteira e traseira do pistão são iguais, o que resolve eficazmente a dificuldade de suprimento insuficiente de óleo de forma instantânea durante o curso de potência do pistão. Contudo, devido à alta pressão inicial de carregamento de nitrogênio, a força de empurrão exigida é maior.

1.4 Estrutura Básica e Classificação de Rompedores Hidráulicos de Rocha

1.4.1 Estrutura Básica de Rompedores Hidráulicos de Rocha

Embora os rompedores hidráulicos de rocha existam em muitas variedades, eles compartilham características estruturais comuns. A composição básica de um rompedor hidráulico de rocha inclui: corpo do cilindro, pistão, válvula distribuidora, acumulador, câmara de nitrogênio, assento da ponteira, ponteira, parafusos de alta resistência e sistemas de vedação. Diferentes tipos de rompedores hidráulicos de rocha apresentam pequenas variações estruturais, mas todo rompedor contém 2 componentes móveis básicos — o pistão e o carretel da válvula. Sua estrutura básica é mostrada na Fig. 1-3.

(1) Mecanismo de Impacto

Um martelo hidráulico para rochas possui um pistão relativamente longo e esbelto, que é o componente mais importante. Com base na teoria da transmissão de ondas de tensão, para transmitir de forma máxima a energia de impacto do pistão, o diâmetro do pistão de impacto é, em geral, basicamente igual ou próximo ao diâmetro da extremidade da cauda da escopeta, garantindo contato completo na face de impacto e atingindo assim o objetivo de transmitir eficientemente a energia. A folga de ajuste entre o pistão de impacto e o corpo do cilindro ou a bucha de revestimento é um parâmetro técnico muito importante. Se essa folga for excessivamente grande, ocorrerá uma vazão interna muito elevada, resultando em força de impacto insuficiente e, até mesmo, impedindo o funcionamento normal do martelo hidráulico para rochas; se a folga for excessivamente pequena, o movimento do pistão poderá tornar-se lento ou poderá ocorrer galling (soldagem por atrito), além de provocar um aumento acentuado nos custos de fabricação.

(2) Mecanismo de distribuição

Um martelo hidráulico para rochas geralmente possui uma válvula distribuidora que altera a direção do fluxo de óleo hidráulico, por meio da qual controla e aciona o movimento alternado do pistão de impacto. As formas estruturais das válvulas distribuidoras são variadas; em geral, podem ser divididas em duas grandes categorias: válvulas de carretel e válvulas de manga. As válvulas de carretel são, em geral, leves, consomem menos óleo, possuem diâmetro menor e folga de ajuste e vazamento menores; contudo, apresentam, na maioria dos casos, estrutura em degraus, usinabilidade estrutural relativamente pobre e maiores perdas por estrangulamento. As válvulas de manga são mais pesadas, possuem diâmetro maior e folga de ajuste e vazamento também relativamente maiores; no entanto, sua usinabilidade estrutural é boa, o gradiente da área de abertura é elevado e as perdas por estrangulamento são pequenas. A folga de ajuste entre o carretel da válvula e o corpo da válvula ou a manga da válvula constitui outro parâmetro técnico importante na fabricação de martelos hidráulicos para rochas; folgas excessivamente grandes ou excessivamente pequenas impedirão o funcionamento normal da válvula.

(3) Mecanismo estabilizador de pressão do acumulador

A maioria dos fragmentadores hidráulicos de rochas possui um ou mais acumuladores, que desempenham as funções de armazenamento de energia e estabilização de pressão. Um fragmentador hidráulico de rochas realiza trabalho externo apenas durante o curso de potência; o curso de retorno é uma fase de preparação para o curso de potência. Quando o pistão retorna, o óleo hidráulico entra no acumulador a uma pressão superior à pressão da câmara de carga e é armazenado como energia potencial do óleo no acumulador. Essa energia é liberada durante o curso de potência do pistão, convertendo a maior parte da energia do curso de retorno em energia de impacto. Dessa forma, o acumulador contribui para a melhoria da eficiência operacional do sistema, além de reduzir choques de pressão e pulsações de fluxo causados pela comutação da válvula distribuidora.

(4) Mecanismo de acionamento

A ponteira é o componente acionador do martelo hidráulico para rochas que realiza trabalho externo, atuando diretamente sobre o objeto de trabalho; trata-se de uma peça de desgaste que exige boa resistência à abrasão, dura na parte externa e tenaz na interna, com dureza que varia gradualmente da parte externa para a interna. Para se adaptar a diversas condições de trabalho e a diferentes objetos de trabalho, as ponteiras são fabricadas nos formatos cônico, quadrado, de pá e de cabeça plana.

(5) Mecanismo de prevenção de disparos em branco

Como um martelo hidráulico para rochas possui grande energia de impacto, se o pistão for permitido atingir diretamente o corpo do cilindro, isso danificará gravemente o corpo do martelo — causando disparos em vazio. A estrutura de prevenção de disparos em vazio consiste em adicionar uma câmara hidráulica amortecedora na parte frontal do corpo do cilindro. Quando a ponteira ainda não entrou em contato com a rocha e se move para frente, o pistão de impacto penetra na câmara amortecedora, comprimindo o óleo no seu interior e absorvendo a energia de impacto, proporcionando assim proteção amortecida ao corpo da máquina. Ao mesmo tempo, a entrada de óleo na câmara frontal é fechada, de modo que, sob a ação da gravidade e do nitrogênio na parte traseira, o pistão não possa recuar; somente quando a ponteira reentrar em contato com a rocha e empurrar para trás com maior pressão do braço é que o pistão de impacto será expelido da câmara amortecedora e o óleo sob alta pressão poderá então entrar na câmara frontal, retomando assim o funcionamento normal. Conforme ilustrado na Fig. 1-4, após o martelo hidráulico para rochas ter perfurado o objeto a ser fragmentado, o pistão pode disparar em vazio no máximo 1 a 2 vezes antes de parar. O operador precisa então selecionar novamente o ponto de impacto, pressionar firmemente a ponteira contra o material, aplicar pressão, e a ponteira empurrará o pistão para longe da entrada de óleo da câmara inferior, podendo assim reiniciar o trabalho.

(6) Outros mecanismos

Outros mecanismos do martelo hidráulico incluem: estrutura de conexão, mecanismo de amortecimento de vibrações, sistema de vedação, sistema de lubrificação automática, etc.

1.4.2 Classificação dos Martelos Hidráulicos

Existem diversos tipos de martelos hidráulicos e vários métodos de classificação. Os principais métodos de classificação são os seguintes:

(1) Classificação pelo método de operação

Os martelos hidráulicos são classificados, conforme o método de operação, em montados em equipamentos transportadores e manuais. Os tipos manuais são martelos pequenos, também denominados cinzéis hidráulicos; sua massa é geralmente inferior a 30 kg, operados manualmente e alimentados por uma estação de bomba hidráulica dedicada, podendo amplamente substituir as operações com cinzéis pneumáticos. Os tipos montados em equipamentos transportadores são martelos médios e grandes, instalados diretamente na lança de escavadeiras hidráulicas, carregadeiras e outras máquinas hidráulicas transportadoras, utilizando o sistema de potência, o sistema hidráulico e o sistema de movimento da lança da máquina transportadora para realizar as operações.

(2) Classificação pelo meio de trabalho

Os fragmentadores hidráulicos de rochas são classificados, conforme o meio de trabalho, em três grandes categorias: totalmente hidráulicos, hidráulico-pneumáticos combinados e com explosão de nitrogênio. Os tipos totalmente hidráulicos baseiam-se exclusivamente na pressão do óleo hidráulico para acionar o pistão; os tipos hidráulico-pneumáticos combinados utilizam simultaneamente o óleo hidráulico e o nitrogênio comprimido na parte traseira para acionar o pistão; já os tipos com explosão de nitrogênio baseiam-se exclusivamente na expansão instantânea do nitrogênio na câmara traseira de nitrogênio para empurrar o pistão e realizar o trabalho.

(3) Classificação pelo método de realimentação

Os fragmentadores hidráulicos de rochas são classificados, quanto ao método de realimentação, em realimentação por curso e realimentação por pressão. A diferença reside na forma como o sinal de realimentação é coletado para a comutação da válvula distribuidora. Os fragmentadores hidráulicos de rochas com realimentação por curso baseiam-se na abertura e no fechamento, pelo pistão, dos orifícios de realimentação de óleo sob alta pressão ao longo do curso, para controlar a comutação da válvula distribuidora; as posições desses orifícios de realimentação só podem ser definidas rigidamente e, limitadas pelas condições estruturais, no máximo três orifícios de realimentação podem ser instalados; portanto, os fragmentadores hidráulicos de rochas com realimentação por curso não conseguem realizar o ajuste contínuo (sem degraus) da frequência de impacto. Já os fragmentadores hidráulicos de rochas com realimentação por pressão baseiam-se na coleta da pressão do sistema ou da pressão da câmara de nitrogênio na extremidade traseira do pistão para controlar a comutação da válvula distribuidora; à medida que o pistão penetra na câmara de nitrogênio, a pressão nessa câmara varia continuamente, e, quando o sensor de pressão instalado na câmara detecta uma pressão predefinida, a válvula comuta mediante controle por microcomputador; como a pressão de comutação pode ser definida arbitrariamente, os fragmentadores hidráulicos de rochas com realimentação por pressão permitem o ajuste contínuo (sem degraus).

(4) Classificação pelo método de distribuição

Com base na forma da válvula de distribuição, eles podem ser classificados em duas grandes categorias: válvula de três vias com retorno de óleo de face única e válvula de quatro vias com retorno de óleo de face dupla. As formas estruturais com retorno de óleo de face única apresentam as vantagens de passagens de óleo simples e controle fácil; na prática, são relativamente comuns. O retorno de óleo de face única pode ser dividido em tipos com retorno de óleo pela câmara frontal e com retorno de óleo pela câmara traseira; destes, as formas com retorno de óleo pela câmara frontal possuem a desvantagem de alta resistência à sucção e ao retorno de óleo, de modo que a forma atualmente mais comum é a de pressão constante na câmara frontal e retorno de óleo pela câmara traseira. O retorno de óleo de face dupla com válvula de quatro vias também é denominado tipo de dupla ação; sua característica é a ausência de câmara de pressão constante, com as pressões nas câmaras frontal e traseira alternando-se entre alta e baixa; no entanto, devido à complexidade das passagens de óleo na forma estrutural com retorno de óleo de face dupla, esse tipo é incomum.

(5) Classificação pela disposição da válvula de distribuição

Com base na disposição da válvula de distribuição, elas podem ser classificadas em dois tipos: montagem interna e montagem externa. O tipo de montagem interna pode ser ainda subdividido em tipo de carretel e tipo de manga. As válvulas de distribuição de montagem interna são integradas ao corpo do cilindro em uma única peça, apresentando estrutura compacta; já as válvulas de distribuição de montagem externa são independentes e localizam-se fora do corpo do cilindro, com estrutura simples e manutenção e substituição mais convenientes.

Além disso, com base no nível de ruído, podem ser classificadas em tipos de baixo ruído e padrão; com base na forma do invólucro externo, podem ser classificadas em britadores triangulares, em torre e fechados, entre outros. Os diversos métodos de classificação estão resumidos na Fig. 1-5.