Parametri tehnici de bază

2.1 Parametri tehnici de bază

2.1.1 Parametrii unui spărgător hidraulic de stâncă

(1) Parametrii de performanță

W și frecvența de impact f sunt parametrii de performanță care descriu un spărgător hidraulic de stâncă. W definește capacitatea de lucru a spărgătorului; f definește rata sa de lucru.

Puterea de ieșire a unui spărgător hidraulic de stâncă poate fi exprimată astfel:

N = W × f                                           (2.1)

Deoarece cei doi parametri care descriu performanța — energia de impact și frecvența de impact — sunt cuplați între ei, la proiectarea unui spărgător hidraulic de stâncă raportul dintre W la f trebuie să fie echilibrat cu atenție. În condițiile unei capacități instalate minime, trebuie să se obțină un randament de lucru maxim. Pentru un spărgător hidraulic de stâncă, este necesară o energie de impact mare W și frecvența de impact f trebuie redusă corespunzător, pentru a satisface nevoia de forță de impact ridicată și de efect bun de spargere. Pentru un burghiu hidraulic de stâncă, deși este, de asemenea, un mecanism hidraulic de impact, acesta necesită o energie de impact mică W și o frecvență cât mai mare de impact f , pentru a satisface nevoia de foraj la viteză ridicată.

(2) Parametri de funcționare

Viteza maximă de impact a pistonului v _băr , debitul de funcționare Q. , presiunea de funcționare p , și forța optimă de împingere F _T sunt parametrii de funcționare ai unui spărgător hidraulic pentru stânci.

● Viteza maximă de impact a pistonului v _băr : aceasta este viteza de contact instantanee când pistonul lovește partea posterioară a sculei. Energia cinetică corespunzătoare a pistonului este definită ca energie de impact a ciocanului hidraulic W . Când energia cinetică a pistonului este transmisă integral țintei, energia de impact a ciocanului hidraulic este:

W = ½ mV ²_băr                                            (2.2)

unde: băr — masa pistonului.

Din ecuația (2.2) rezultă că, cu cât viteza de impact a pistonului este mai mare, cu atât energia de impact este mai mare.

Totuși, creșterea v _băr este limitată de doi factori:

1) Limitele proprietăților materiale ale pistonului și ale sculei. Viteza finală de impact v _băr este legat de tensiunea de contact σ ; cu cât este mai mare σ , cu atât afectează în mai mare măsură durata de funcționare a pistonului și a sculei. În cadrul tensiunii de contact admisibile σ , selecția tipică este v _băr = 9–12 m/s. Pe măsură ce știința materialelor progresează, valoarea lui v _băr poate fi crescută ulterior.

2) Limita de frecvență a mecanismului de impact. Deoarece structura și cursa pistonului sunt limitate, pentru o cursă fixă a pistonului, accelerarea până la viteza necesară v _băr necesită un timp foarte scurt. Este evident că, cu cât este mai mare v _băr , cu atât este mai scurt timpul de accelerare necesar.

O frecvență scăzută înseamnă că timpul de ciclu și timpul de cursă ai pistonului sunt ambele lungi, în timp ce o frecvență ridicată v _băr duce în mod necesar la o cursă și o durată a ciclului mai scurtă — adică la o frecvență ridicată a impactului — ceea ce nu poate îndeplini cerințele de proiectare pentru frecvențe joase.

● Flux de lucru Q. : fluxul furnizat ciocanului hidraulic de spart roci de către pompa hidraulică în timpul funcționării; este o variabilă independentă. Comportamentul și parametrii de performanță ai ciocanului hidraulic de spart roci sunt toți strâns legați de fluxul de lucru și reprezintă funcții ale acestuia; ei se modifică odată cu modificarea fluxului de lucru.

● Presiune de lucru p : presiunea de care are nevoie sistemul hidraulic în timpul funcționării ciocanului hidraulic de spart roci — presiunea sistemului necesară pentru atingerea parametrilor săi de performanță. Presiunea de lucru p este o variabilă dependentă; se modifică odată cu modificarea fluxului de intrare Q. și a parametrilor structurali. În timpul funcționării, când toți ceilalți parametri rămân constanți, presiunea p nu poate fi modificată activ. Presiunea de lucru p și fluxul de intrare Q. satisfac principiul de bază al tehnologiei hidraulice: presiunea sistemului este determinată de sarcina exterioară. În baza acestui principiu, proiectarea ciocanelor hidraulice pentru stânci presupune utilizarea parametrilor structurali și a debitului de lucru pentru a asigura presiunea de funcționare a sistemului p este atinsă.

● Forță de împingere F _T când ciocanul hidraulic pentru stânci funcționează, accelerația pistonului în timpul cursei de putere determină reculul carcaselor mașinii, ceea ce face ca burghiul să piardă contactul cu obiectul țintă și împiedică funcționarea normală a impactului. Pentru a contracara acest recul, trebuie aplicată o forță de-a lungul axei carcasei ciocanului — denumită forță de împingere. Forța de împingere trebuie să fie suficient de mare pentru a menține burghiul în contact strâns cu obiectul lovit. Forța de împingere trebuie să fie optimă. Cu alte cuvinte, există o problemă a forței de împingere optime, care este strâns legată de clasa de dimensiune a mașinii portante. Dacă mașina portantă este prea mică, forța de împingere pe care o poate furniza este insuficientă; dacă este prea mare, deși cerința privind forța de împingere este satisfăcută, costul investiției pentru mașina portantă crește, ceea ce este, de asemenea, nedorit. În proiectarea ciocanelor hidraulice pentru stânci, obținerea unei energii de impact ridicate cu o forță de împingere redusă a constituit întotdeauna un obiectiv de optimizare. Acest lucru permite combinarea unui ciocan hidraulic pentru stânci cu energie de impact ridicată cu o mașină portantă mai mică, formând o combinație eficientă de lucru și reducând costurile de exploatare.

(3) Parametri structurali

Cele trei diametre ale pistonului p ₁, p ₂și p ₃, masă de lucru băr , și cursă de lucru S sunt parametrii structurali ai unui spărgător hidraulic de stâncă. Parametrii structurali determină parametrii de performanță. Proiectarea unui spărgător hidraulic de stâncă constă, în esență, în stabilirea parametrilor structurali p ₁, p ₂, p ₃, băr și S care asigură atingerea parametrilor de performanță ceruți. Odată ce parametrii structurali sunt fixați, toți parametrii de performanță și parametrii de funcționare se modifică în funcție de debitul de intrare și reprezintă funcții ale debitului de intrare.

2.1.2 Presiunea uleiului de lucru și presiunea nominală

(Presiunea nominală este notată p _H pe tot parcursul acestei secțiuni)

Când spărgătorul hidraulic de stâncă funcționează, presiunea uleiului hidraulic pune în mișcare pistonul, iar tiparul mișcării pistonului este determinat de tiparul variației acestei forțe hidraulice de antrenare — aceasta este cinematica și dinamica pistonului.

Luând în considerare masa pistonului băr , accelerația a , și forța de inerție a pistonului F _K , al doilea principiu al lui Newton dă:

F _K = - Nu!                                              (2.3)

Forța motoare F este egală F _K ca mărime, dar de sens opus. Forța motoare F care acționează asupra pistonului este generată de presiunea uleiului p din cameră și poate fi exprimată astfel:

p = F _K / A = - Nu! / A = ( băr / A ) · d v / d t             (2.4)

unde: băr — masa pistonului, constantă;

 A — aria suprafeței pistonului supusă presiunii, constantă;

 v — viteza pistonului; debitul instantaneu q. care determină mișcarea pistonului satisface:

AV = q.                                               (2.5)

Din moment ce v și q. din Ec. (2.5) sunt funcții de timp; derivarea v și q. în raport cu timpul conduce la:

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

Înlocuirea Ec. (2.6) în Ec. (2.4) conduce la:

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

În Ec. (2.7), băr / A ²este o constantă; d q. / d t reprezintă rata de variație a debitului sistemului.

Din Ec. (2.3) – (2.7), presiunea sistemului se stabilește pe baza debitului de intrare variabil în camera de ulei. Altfel spus, variația debitului de ulei hidraulic generează accelerația pistonului și forța de inerție, care, la rândul său, determină presiunea din camera de ulei p .

Presia uleiului din sistem p este proporțională cu masa pistonului băr și cu rata de variație a debitului d q. /dt , iar invers proporțională cu pătratul ariei pistonului supuse presiunii A . Pentru reducerea presiunii uleiului din sistem p , mărirea ariei pistonului supuse presiunii A este metoda cea mai eficientă, dar conduce și la mărirea dimensiunilor carcasei mașinii, astfel încât ambele factori trebuie luați în considerare în procesul de proiectare.

Presia uleiului din sistem p este o funcție a debitului și este o variabilă dependentă; nu poate fi modificată activ în timpul funcționării, ci se modifică doar în funcție de variația debitului de intrare. Deoarece uleiul care pătrunde în camera de ulei este o funcție de timp în timpul funcționării spargerii hidraulice de stânci, presiunea uleiului p variază, de asemenea, în funcție de timp și nu are o valoare constantă. Presiunea uleiului indicată în fișa tehnică a produsului, pe care autori o denumesc presiune nominală de ulei, este notată p _H . La această presiune, parametrii de performanță ai spargerii hidraulice de stânci ating valorile lor nominale. p _H este un parametru virtual — nu există efectiv — dar este extrem de important în proiectarea și utilizarea unei spargerii hidraulice de stânci. În etapa de proiectare, p _H este folosit ca bază pentru calcularea parametrilor de performanță, a parametrilor de funcționare și a parametrilor structurali, precum și pentru selecția componentelor sistemului hidraulic. În teren, devine un reper important pentru operator în evaluarea modului în care sistemul funcționează normal sau nu. Parametrul p _H va fi analizat în continuare în capitolele ulterioare.