Analiza modului de funcționare al unei ciocane hidraulice pentru stânci

2.2 Analiza modului de funcționare al unei ciocane hidraulice pentru stânci

O ciocană hidraulică pentru stânci are multe forme structurale. Pornind de la principiul de funcționare, autorii abstractizează și sintetizează ideile cele mai fundamentale și cele mai critice privind funcționarea unei ciocane hidraulice pentru stânci și le reduc la trei moduri de funcționare de bază: pur hidraulic, hidraulic-pneumatic combinat și cu explozie de azot.

2.2.1 Principiul de funcționare pur hidraulic

Principiul pur hidraulic de funcționare are trei forme de implementare: presiune constantă în camera frontală / presiune variabilă în camera posterioară (prescurtat „principiul presiunii constante în camera frontală”), presiune constantă în camera posterioară / presiune variabilă în camera frontală (prescurtat „principiul presiunii constante în camera posterioară”) și presiune variabilă în camerele frontală și posterioară (prescurtat „principiul presiunii variabile”).

(1) Principiul presiunii constante în camera frontală

Acesta a fost principiul de funcționare adoptat inițial la începutul dezvoltării ciocanelor hidraulice pentru stâncă; toate progresele tehnice ulterioare s-au bazat pe acesta. Ciocanul hidraulic pentru stâncă cu presiune constantă în camera frontală este prezentat în Fig. 2-1.

Din Fig. 2-1 rezultă că sistemul este compus dintr-un corp de cilindru, un piston, o supapă de comandă și canale de ulei. Corpul de cilindru și pistonul formează mecanismul de impact. Pistonul se deplasează alternativ în interiorul corpului de cilindru, acționat de uleiul hidraulic, transmițând în exterior energie de impact și aplicând țintei o forță de impact mare, producând astfel un efect de ciocan.

Ciocanul hidraulic pentru stânci prezentat în Fig. 2-1 are pistonul aflat în punctul de impact; tija supapei se află în poziția în care tocmai a finalizat comutarea de la cursa de lucru la cursa de revenire. În acest moment, uleiul sub presiune înaltă pătrunde în camera constantă de presiune înaltă a cilindrului (camera a ) prin orificiul constant de presiune înaltă al supapei, determinând pistonul să efectueze cursa de revenire (spre dreapta). Uleiul din camera variabilă de presiune a pistonului (camera b ) este returnat în rezervor prin orificiul 4 și orificiul variabil de presiune / return al uleiului al supapei. Când pistonul se mișcă înapoi până când umărul său frontal trece orificiul 2 de pe corpul cilindrului, uleiul sub presiune înaltă este direcționat către orificiul 5 al supapei de împingere, determinând comutarea supapei (spre stânga). Deoarece camera constantă de presiune înaltă a supapei este acum conectată la camera intermediară cu presiune variabilă, uleiul sub presiune înaltă pătrunde în camera din spatele pistonului b prin orificiul 4. Ambele fețe ale pistonului se află acum sub ulei sub presiune înaltă, dar deoarece aria de reacțiune la presiune a camerei din spate b este mai mare decât cea a camerei din față a pistonul începe să decelereze în timpul cursei de revenire, viteza sa scade la zero și începe cursa de putere (spre stânga). Când degajarea centrală a pistonului conectează orificiile 2 și 3, pistonul tocmai a atins punctul de impact, finalizând un ciclu; în același timp, orificiul 5 al supapei de împingere se conectează la conducta de returnare a uleiului, astfel încât cursorul comută spre dreapta, revenind în poziția ilustrată în Fig. 2-1, finalizând un ciclu complet și pregătindu-se pentru următoarea cursă de revenire a pistonului. În acest mod, pistonul realizează un impact continuu, generând în mod continuu energie de impact. Camera de aer c în acest principiu de funcționare este evacuată în atmosferă.

(2) Principiul presiunii constante din camera posterioară

Trebuie subliniat faptul că acest principiu de funcționare poate fi realizat doar în condiția ca suprafața de reazem sub presiune a camerei frontale a pistonului a să fie mai mare decât cea a camerei posterioare b , adică diametrul camerei frontale a pistonului este mai mic decât diametrul camerei posterioare ( d ₁ > d ₂).

Fig. 2-2 prezintă schema unui ciocan hidraulic pentru spart stânci cu presiune constantă în camera din spate și presiune variabilă în camera din față.

În comparație cu Fig. 2-1, singura diferență constă în faptul că orificiul 1 de pe corpul cilindrului este conectat la camera cu presiune variabilă a supapei, în loc de camera cu presiune constantă (înaltă presiune); orificiul 4 este conectat direct la camera cu presiune constantă a supapei; toate celelalte treceri de ulei sunt identice. Fig. 2-2 ilustrează momentul imediat următor terminării cursei de lucru a pistonului și al comutării deja efectuate a supapei — sistemul se află în momentul în care începe cursa de revenire.

Caracteristica de funcționare a acestui principiu este aceea că ciocanul hidraulic pentru spart stânci nu evacuează ulei în timpul cursei de revenire, ci evacuează ulei în timpul cursei de lucru; iar aria de rezistență la presiune a camerei din față a să fie mai mare decât cea a camerei posterioare b deoarece durata descărcării în timpul cursei de lucru este scurtă, iar debitul este mare, pierderile de presiune hidraulică ale acestui principiu sunt mai mari decât cele ale principiului cu presiune constantă în camera frontală. În prezent, majoritatea spargerilor hidraulice de stâncă nu folosesc acest principiu.

(3) Principiul cu presiune variabilă în camerele frontală și posterioară

Principiul cu presiune variabilă în camerele frontală și posterioară este ilustrat în Fig. 2-3. Din această schemă se observă ușor că acest tip de dispozitiv hidraulic de impact are o structură complexă, cu numeroase canale, ceea ce crește costurile de fabricație. Prin urmare, acest principiu nu este utilizat în prezent la spărgătorii hidraulici de stâncă; el este încă folosit la unele mărci de perforatoare hidraulice de stâncă.

Fig. 2-3 prezintă poziția la sfârșitul cursei de lucru a pistonului și la începutul cursei de revenire. Când începe cursa de revenire, uleiul sub presiune înaltă din camera intermediară a distribuitorului pătrunde în camera frontală a pistonului a prin camera stângă și orificiul cilindrului nr. 1, împingând pistonul spre dreapta. Uleiul din camera posterioară b este evacuat în rezervorul de ulei prin orificiul cilindrului 5 și camera dreaptă a supapei. În timpul cursei de revenire, când umărul stâng al pistonului trece pe lângă orificiul 2 al corpului cilindrului, uleiul sub presiune înaltă, provenind din orificiul 7, împinge tija supapei pentru a comuta spre dreapta; tija supapei comută instantaneu căile de alimentare și evacuare ale uleiului ale corpului cilindrului — orificiul 5 al cilindrului devine sub presiune înaltă, iar orificiul 1 al cilindrului se conectează la returnul în rezervor — astfel încât pistonul începe să frâneze, viteza sa scade rapid până la zero și apoi comută la accelerarea cursei de lucru. Când cursa de lucru a pistonului ajunge în punctul de impact, degajarea centrală a pistonului realizează conexiunea între orificiile 2 și 3 ale cilindrului, iar orificiile 4 și 5 se conectează între ele; partea stângă a tijei supapei se conectează, prin orificiul 7, cu orificiile 2 și 3 pentru returnul uleiului, iar partea dreaptă a tijei supapei (orificiul 6) se conectează, prin orificiile 4 și 5, partea dreaptă a supapei și camera intermediară, la presiune înaltă, determinând comutarea tijei spre stânga, modificarea căilor de alimentare și evacuare ale uleiului ale cilindrului și finalizarea unui ciclu de funcționare al pistonului. Pistonul și tija supapei dispozitivului hidraulic de impact revin în starea ilustrată în Fig. 2-3 — începutul cursei de revenire. În acest fel, spărgătorul hidraulic de stâncă, prin mișcarea continuă alternativă a pistonului, furnizează în mod continuu energie de impact în exterior, realizând eficient lucrul de impact.

Toate cele trei principii de funcționare pur hidraulice descrise mai sus sunt utilizate în prezent în perforatoarele hidraulice pentru rocă, în spărgătoarele hidraulice pentru rocă și în alte mecanisme hidraulice de impact, dar spărgătoarele hidraulice pentru rocă folosesc încă mai frecvent principiul de funcționare combinat hidraulic-pneumatic.

2.2.2 Principiul de funcționare combinat hidraulic-pneumatic

Din analiza principiului de funcționare pur hidraulic putem observa că întreaga energie de impact a unui mecanism de impact pur hidraulic este furnizată de sistemul hidraulic. Totuși, pe măsură ce utilizarea spărgătoarelor pur hidraulice pentru rocă a crescut și cercetarea a avansat, s-a constatat că pierderile hidraulice erau destul de mari, ceea ce a limitat îmbunătățirea ulterioară a eficienței. Uleiul care curge prin canalele din interiorul corpului cilindrului trebuie să frece de pereții tubului, iar pierderile hidraulice cauzate de coturi, modificări ale diametrului și schimbări ale direcției de curgere sunt considerabile; cu cât debitul este mai mare, cu atât pierderile sunt mai mari, iar această situație este deosebit de severă în timpul cursei de lucru.

În prezent, principiul combinat hidraulic-pneumatic de funcționare este utilizat în principal pentru spărgătoarele hidraulice de stâncă care necesită o energie de impact mare și o frecvență scăzută, precum și pentru ciocanele hidraulice de batere a piloților.

Pentru a îmbunătăți eficiența, după cercetări ample, s-a descoperit o metodă simplă și eficientă: folosirea combinată a gazului și uleiului pentru furnizarea energiei de impact a spărgătorului hidraulic de stâncă. Aceasta reduce debitul necesar în timpul cursei de lucru — reducând pierderile hidraulice și îmbunătățind eficiența de funcționare — de unde și denumirea de spărgător hidraulic de stâncă cu acționare combinată hidraulic-pneumatică.

Principiul structural al spărgătorului hidraulic de stâncă cu acționare combinată hidraulic-pneumatică este foarte simplu: este suficient să se încarce camera de aer c în cele trei principii pur hidraulice menționate mai sus, cu azot la o anumită presiune. Deoarece azotul este acum prezent, atunci când pistonul efectuează cursa de revenire, azotul este comprimat și energia este stocată; în timpul cursei de lucru, această energie este eliberată împreună cu uleiul pentru a antrena pistonul, obținându-se energie cinetică în punctul de impact, care este apoi transformată în energie de impact. Este evident că rolul azotului reduce neapărat cantitatea de ulei utilizată în timpul cursei de lucru, reducând consumul de ulei și, astfel, realizând pierderi hidraulice mai mici și un randament mai ridicat.

Comparativ cu un spărgător de stâncă pur hidraulic, aria eficientă de rezistență la presiune a camerei din spatele pistonului b într-un ciocan hidraulic combinat hidraulic-pneumatic este redusă. Această reducere a suprafeței eficiente de rezistență la presiune înseamnă un consum mai mic de ulei în timpul cursei de lucru și pierderi hidraulice mai mici — acesta este motivul esențial pentru care ciocanele hidraulice combinate hidraulic-pneumatice s-au dezvoltat rapid în ultimii ani. Ciocanele hidraulice combinate hidraulic-pneumatice folosesc aproape în totalitate principiul de funcționare cu presiune constantă în camera frontală; acesta este, de asemenea, un element cheie al tipului hidraulic-pneumatic.

2.2.3 Principiul de funcționare cu explozie de azot

Principiul de funcționare al unui ciocan hidraulic cu explozie de azot nu diferă fundamental de cel al unui ciocan hidraulic combinat hidraulic-pneumatic; parametrii structurali ai pistonului sunt simplu diferiți. Diferența esențială constă în faptul că diametrele pistonului frontal și cel rear sunt egale, adică d ₂ = d ₁, iar întreaga energie de impact este furnizată de azot.

Diametrele egale ale pistonului din față și din spate reprezintă caracteristica principală a ciocanului hidraulic pentru roci cu explozie de azot. În timpul cursei de lucru, camera din spate nu consumă ulei, iar întreaga energie de impact poate fi furnizată de azot. Desigur, energia stocată de azot este furnizată de sistemul hidraulic în timpul cursei de revenire și este transformată în energie cinetică a cursei de lucru. Prin urmare, în ultimă analiză, este tot energia hidraulică care este transformată — dar, prin comprimarea mediului gazos și stocarea energiei, energia azotului stocată este eliberată în timpul cursei de lucru și este transformată în energie mecanică a pistonului.

Trebuie subliniat faptul că doar principiul presiunii constante în camera frontală poate fi aplicat spărgătorului hidraulic de stânci cu explozie cu azot; nici principiul presiunii constante în camera posterioară, nici principiul presiunii variabile în camerele frontală și posterioară nu pot fi aplicate unui spărgător hidraulic de stânci de tip azot. Motivul devine clar odată ce se înțelege caracteristica pistonului care d ₂ = d ₁.