Principiul de bază al funcționării spărgătoarelor hidraulice pentru stânci

1.3 Principiul de bază de funcționare al spărgătoarelor hidraulice pentru stânci

Un sparger de stânci hidraulic este o mașină de impact care transformă energia hidraulică în energie mecanică. Aceasta conține două componente mobile de bază — un piston și un distribuitor cu șurub — care se controlează reciproc: mișcarea alternativă a distribuitorului controlează comutarea pistonului, iar pistonul, la începutul și sfârșitul fiecărei curse, deschide sau închide, la rândul său, trecerea de ulei de comandă a distribuitorului, realizând astfel comutarea acestuia — ciclând în acest mod… Principiul de funcționare de bază al unui sparger de stânci hidraulic este următorul: prin această comandă cu reacție între piston și distribuitor, pistonul efectuează o mișcare alternativă rapidă sub acțiunea forței hidraulice (sau pneumatice) și lovește burghiul pentru a efectua lucru mecanic asupra exteriorului.

Spargerii de stânci hidraulici există în numeroase tipuri și forme, care vor fi descrise în detaliu în capitolele ulterioare. Mai jos, ca exemplu, este prezentat principiul de funcționare al unui sparger de stânci hidraulic cu presiune constantă în camera frontală și presiune variabilă în camera posterioară:

Așa cum se arată în diagramă, când începe cursa de revenire, uleiul sub presiune înaltă pătrunde în camera frontală a pistonului prin orificiul de ulei nr. 1 și acționează simultan asupra capătului inferior al tijei distribuitorului direcțional, menținând tija stabil în starea ilustrată în diagrama (a). În acest moment, camera frontală a pistonului conține ulei sub presiune înaltă, iar camera posterioară este conectată la returul T prin orificiul de ulei nr. 4. Sub acțiunea presiunii uleiului din camera frontală, pistonul accelerează în timpul cursei de revenire și comprimă azotul stocat în camera de azot (cu excepția tipului pur hidraulic); acumulatorul stochează ulei. Când cursa de revenire a pistonului ajunge la orificiul de comandă nr. 2, uleiul sub presiune înaltă ajunge la capătul superior al tijei distribuitorului. În acest moment, atât capătul superior, cât și cel inferior al tijei sunt conectate la ulei sub presiune înaltă; deoarece, în proiectare, aria efectivă a capătului superior al tijei este mai mare decât aria efectivă a capătului inferior, tija comută în starea ilustrată în diagrama (b) sub acțiunea uleiului sub presiune înaltă. În această stare, atât camera frontală, cât și cea posterioară a pistonului sunt conectate la ulei sub presiune înaltă; acumulatorul descarcă ulei pentru a completa sistemul. Sub acțiunea forței compuse F_q, pistonul accelerează în timpul cursei de lucru, lovește burghiul și transmite energia de lovire. Când pistonul trece punctul de lovire, orificiile de comandă nr. 2 și nr. 3 se conectează între ele și cu returul de ulei T; presiunea uleiului de la capătul superior al tijei distribuitorului scade; sub acțiunea presiunii uleiului de la capătul inferior, tija distribuitorului comută rapid înapoi în starea ilustrată în diagrama (a). Întorcându-se în starea inițială, pistonul începe cursa de revenire, intrând astfel în următorul ciclu de lovire, și așa mai departe, în mod ciclic. În acest proces, relația de cuplare dintre piston și tija distribuitorului este prezentată în Fig. 1-2.

Din Fig. 1-1 se observă că, în timpul cursei de lucru, ignorând greutatea pistonului și rezistența la frecare, forța F_q care determină impactul pistonului include în principal presiunea hidraulică și presiunea gazului de azot, adică F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Forța motoare F_q depinde de diferența dintre ariile eficiente ale camerei din față și celei din spate, de presiunea uleiului p și de presiunea camerei de azot p_N. În funcție de raportul diferit dintre lucrul mecanic hidraulic și cel gazos, pot apărea trei moduri de funcționare: pur hidraulic, hidro-pneumatic combinat și cu explozie de azot.

Pur hidraulic: p_N = 0. În acest mod, ciocanul hidraulic de spart stânci nu are cameră de azot, iar pistonul este acționat integral de diferența de presiune a uleiului dintre camera superioară și cea inferioară. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Acest mod reprezintă forma cea mai veche, apărută la începutul utilizării ciocanelor hidraulice de spart stânci.

Combinat hidraulic-pneumatic: În această formă, d₁ < d₂, iar simultan se adaugă o cameră de azot la partea posterioară a pistonului, introducând azot pentru efectuarea unui lucru mecanic, p_N > 0. Forța F_q este compusă în principal din două componente: diferența de presiune a uleiului dintre camerele anterioară și posterioară, respectiv forța de compresie-expansiune a azotului. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Această formă reprezintă în prezent cea mai răspândită variantă de spărgător hidraulic de stânci. În funcție de proporțiile diferite ale lucrului mecanic realizat de ulei și gaz în forța totală de acționare, adică de raportul diferit gaz-lichid, pot fi obținute produse cu performanțe diferite.

Exploziv cu azot: În această formă, d₁ = d₂, p_N > 0. Forța hidraulică din camerele superioară și inferioară este nulă; lucrul mecanic efectuat de piston în timpul cursei de putere este generat în întregime de presiunea gazului din camera de azot. F_q = π/4 · p_N · d₁². Această formă reprezintă cea mai recentă variantă de spărgător hidraulic de stânci.

Toate cele trei forme prezintă atât avantaje, cât și dezavantaje, dar performanța lor generală se îmbunătățește de la o generație la alta. Tipul pur hidraulic, ca prima formă de produs apărută în momentul în care au apărut pentru prima dată spărgătoarele hidraulice de stâncă, are o structură simplă și o funcționare fiabilă, nu necesitând forță de împingere inițială, dar are un randament energetic scăzut și nu este potrivit pentru fabricarea de produse de dimensiuni mari. Tipul combinat hidraulic-pneumatic reprezintă o realizare majoră față de tipul pur hidraulic: prin adăugarea unei camere de azot la partea posterioară a pistonului, se utilizează eficient energia din cursa de revenire și se îmbunătățește în mod semnificativ forța de impact; totuși, structura este complexă și este necesară o forță de împingere inițială pentru funcționare. Spărgătorul hidraulic de stâncă cu explozie de azot, din punct de vedere energetic, nu necesită lucru hidraulic în timpul cursei de putere și este, astfel, mai economic din punct de vedere energetic; în același timp, diametrele camerelor din fața și din spatele pistonului sunt egale, ceea ce poate rezolva eficient dificultatea aprovizionării insuficiente cu ulei în mod instantaneu în timpul cursei de putere a pistonului. Totuși, datorită presiunii ridicate inițiale de umplere cu azot, forța de împingere necesară este mai mare.

1.4 Structură de bază și clasificare a spargerilor hidraulice de stâncă

1.4.1 Structura de bază a spargerilor hidraulice de stâncă

Deși spargerile hidraulice de stâncă există în numeroase variante, ele prezintă caracteristici structurale comune. Compoziția de bază a unei spargeri hidraulice de stâncă include: corpul cilindrului, pistonul, distribuitorul (valva de distribuție), acumulatorul, camera de azot, suportul pentru burghiu, burghiul, bolțurile de înaltă rezistență și sistemele de etanșare. Diferitele tipuri de spargeri hidraulice de stâncă prezintă ușoare diferențe structurale, dar fiecare spargere conține două componente mobile de bază — pistonul și știftul (sabota) distribuitorului. Structura sa de bază este ilustrată în Fig. 1-3.

(1) Mecanismul de impact

Un sparger de stâncă hidraulic are un piston relativ lung și subțire, care este componenta cea mai importantă. În baza teoriei transmisiei undelor de tensiune, pentru a transmite în mod optim energia de impact a pistonului, diametrul pistonului de impact este, în general, aproximativ egal sau apropiat de diametrul capătului cozii sculei, asigurând astfel o contactare completă la suprafața de lovire și realizându-se astfel scopul unei transmisii eficiente a energiei. Jocul de montaj dintre pistonul de impact și corpul cilindrului sau manșonul de căptușeală este un parametru tehnic foarte important. Dacă jocul este prea mare, se va genera o scurgere internă foarte importantă, ceea ce duce la o forță de impact insuficientă și chiar la imposibilitatea funcționării normale a spargerului de stâncă; dacă jocul este prea mic, mișcarea pistonului poate deveni lentă sau pot apărea fenomene de gripare, iar în același timp costurile de fabricație cresc brusc.

(2) Mecanism de distribuție

Un ciocan hidraulic pentru stânci are, în general, o supapă de distribuție care schimbă direcția fluxului de ulei hidraulic, prin intermediul căreia controlează și antrenează mișcarea alternativă a pistonului de lovire. Formele structurale ale supapei de distribuție sunt numeroase; acestea pot fi, în general, împărțite în două categorii majore: supape cu tijă mobilă (spool valves) și supape cu manșon (sleeve valves). Supapele cu tijă mobilă sunt, în general, ușoare, consumă mai puțin ulei, au diametru mai mic și jocuri de montaj, precum și pierderi prin scurgere, mai mici; totuși, majoritatea au o structură în trepte, prelucrabilitate structurală relativ slabă și pierderi prin strangulare mai mari. Supapele cu manșon sunt mai grele, au diametru mai mare, iar jocurile de montaj și pierderile prin scurgere sunt, de asemenea, relativ mai mari; dar prelucrabilitatea lor structurală este bună, gradientul ariei de deschidere este mare, iar pierderile prin strangulare sunt mici. Jocul de montaj dintre tija mobilă a supapei și corpul supapei sau manșonul supapei reprezintă un alt parametru tehnic important în fabricarea ciocanelor hidraulice pentru stânci; atât jocurile prea mari, cât și cele prea mici vor determina imposibilitatea funcționării normale a supapei.

(3) Mecanism de stabilizare a presiunii acumulatorului

Majoritatea spărgătoarelor hidraulice pentru stânci au unul sau mai mulți acumulatori, care îndeplinesc rolul de stocare a energiei și de stabilizare a presiunii. Un spărgător hidraulic pentru stânci efectuează lucru mecanic în exterior doar în timpul cursei de lucru; cursa de revenire este o pregătire pentru cursa de lucru. Când pistonul revine, uleiul hidraulic pătrunde în acumulator la o presiune mai mare decât presiunea camerei de încărcare și este stocat sub formă de energie potențială a uleiului din acumulator. Această energie este eliberată în timpul cursei de lucru a pistonului, transformând cea mai mare parte a energiei din cursa de revenire în energie de impact. Astfel, acumulatorul contribuie la îmbunătățirea eficienței de funcționare a sistemului, reducând în același timp șocurile de presiune și pulsațiile de debit provocate de comutarea tijei distribuitorului.

(4) Mecanism de acționare

Burghiul este componenta de acționare a spargerii hidraulice de stâncă care efectuează lucrul exterior, acționând direct asupra obiectului de lucru; este o piesă de uzură care necesită o bună rezistență la abrazie, dură la exterior și tenace la interior, cu duritatea care variază treptat de la exterior spre interior. Pentru a se adapta diverselor condiții de lucru și obiectelor de lucru, burghiurile sunt disponibile în variante ascuțite, pătrate, de tip lopată și cu cap plat.

(5) Mecanism de prevenire a declanșării fără cartuș

Deoarece un spărgător hidraulic de stânci are o energie de impact mare, dacă pistonul este lăsat să lovească direct corpul cilindrului, acest lucru va deteriora grav corpul spărgătorului de stânci — provocând declanșarea în gol. Structura de prevenire a declanșării în gol constă în adăugarea unei camere hidraulice de amortizare la partea frontală a corpului cilindrului. Atunci când burghiul nu a intrat în contact cu stânca și se deplasează înainte, pistonul de impact pătrunde în camera de amortizare, comprimând uleiul din interior și absorbând energia de impact, realizând astfel o protecție amortizată a corpului mașinii. În același timp, orificiul de intrare al uleiului în camera frontală este închis, astfel încât, sub acțiunea gravitației și a azotului din partea posterioară, pistonul nu poate reveni înapoi; acesta se retrage doar atunci când burghiul reia contactul cu stânca și împinge înapoi cu o presiune mai mare exercitată de braț, forțând pistonul de impact să iasă din camera de amortizare, moment în care uleiul înalt presurizat poate pătrunde în camera frontală, permițând astfel reluarea funcționării normale. Așa cum se arată în Fig. 1-4, după ce spărgătorul hidraulic de stânci a străpuns obiectul supus spargerii, pistonul poate declanșa în gol cel mult de 1–2 ori înainte de oprire. Operatorul trebuie să reselecteze punctul de impact, să apese ferm burghiul, să aplice presiune și astfel burghiul să împingă pistonul departe de orificiul de intrare al uleiului în camera inferioară, permițând reluarea lucrului.

(6) Alte mecanisme

Alte mecanisme ale spărgătorului hidraulic de stânci includ: cadru de conectare, mecanism de amortizare a vibrațiilor, sistem de etanșare, sistem de lubrifiere automată etc.

1.4.2 Clasificarea spărgătorilor hidraulici de stânci

Există multe tipuri de spărgătoare hidraulice de stânci și numeroase metode de clasificare. Principalele metode de clasificare sunt următoarele:

(1) Clasificare după modul de operare

Spărgătoarele hidraulice de stânci se clasifică, în funcție de modul de operare, în spărgătoare montate pe portatoare și spărgătoare portabile. Tipurile portabile sunt spărgătoare mici, denumite și ciocane hidraulice; masa lor este, în general, sub 30 kg, sunt manevrate manual și sunt alimentate de o stație hidraulică specială, putând înlocui în mod extensiv operațiunile cu ciocane pneumatice. Tipurile montate pe portatoare sunt spărgătoare de dimensiuni medii și mari, instalate direct pe bratul excavatoarelor hidraulice, încărcătoarelor și altor mașini hidraulice portatoare, utilizând sistemul de propulsie, sistemul hidraulic și sistemul de mișcare al bratului mașinii portatoare pentru efectuarea operațiunilor.

(2) Clasificare după mediul de lucru

Spargerile hidraulice de stâncă sunt clasificate, în funcție de mediul de lucru, în trei categorii majore: pur hidraulice, combinate hidraulic-pneumatice și cu explozie de azot. Tipurile pur hidraulice se bazează în întregime pe presiunea uleiului hidraulic pentru a antrena pistonul; tipurile combinate hidraulic-pneumatice folosesc simultan uleiul hidraulic și azotul comprimat din partea posterioară pentru a antrena pistonul; tipurile cu explozie de azot se bazează în întregime pe expansiunea instantanee a azotului din camera posterioară de azot pentru a împinge pistonul să efectueze lucru mecanic.

(3) Clasificare după metoda de reacție

Frânge-toarele hidraulice pentru stânci sunt clasificate, în funcție de metoda de reacție, în frânge-toare cu reacție prin cursă și frânge-toare cu reacție prin presiune. Diferența constă în modul în care este colectat semnalul de reacție pentru comutarea distribuitorului. Frânge-toarele hidraulice pentru stânci cu reacție prin cursă se bazează pe deschiderea și închiderea, de către piston, a orificiilor de reacție la presiune înaltă din cursă, pentru a controla comutarea distribuitorului; pozițiile orificiilor de reacție pot fi stabilite doar rigid, iar, datorită condițiilor structurale, se pot amplasa cel mult 3 orificii de reacție; prin urmare, frânge-toarele hidraulice pentru stânci cu reacție prin cursă nu pot realiza reglarea continuă (fără trepte) a frecvenței de lovire. Frânge-toarele hidraulice pentru stânci cu reacție prin presiune se bazează pe colectarea presiunii sistemului sau a presiunii din camera de azot de la partea posterioară a pistonului pentru a controla comutarea distribuitorului; pe măsură ce pistonul pătrunde în camera de azot, presiunea din această cameră se modifică în mod continuu, iar atunci când senzorul de presiune montat în interiorul camerei detectează o presiune prestabilită, distribuitorul comută prin intermediul unui microcalculator; deoarece presiunea de comutare poate fi stabilită arbitrar, frânge-toarele hidraulice pentru stânci cu reacție prin presiune pot realiza reglarea continuă (fără trepte).

(4) Clasificare după metoda de distribuție

În funcție de forma valvei de distribuție, acestea pot fi clasificate în două mari categorii: valve cu trei căi și retur ulei pe o singură față, respectiv valve cu patru căi și retur ulei pe două fețe. Formele structurale cu retur ulei pe o singură față prezintă avantajele unor canale de ulei simple și o comandă ușoară; în practică, acestea sunt relativ frecvent utilizate. Returul uleiului pe o singură față poate fi împărțit în tipuri cu retur ulei din camera frontală și cu retur ulei din camera posterioară; dintre acestea, formele cu retur ulei din camera frontală au dezavantajul unei rezistențe mari la aspirație și la returul uleiului, astfel încât forma cea mai răspândită în prezent este cea cu presiune constantă în camera frontală și retur ulei din camera posterioară. Valvele cu patru căi și retur ulei pe două fețe sunt denumite, de asemenea, tip cu acțiune dublă; caracteristica acestora este absența camerei de presiune constantă, iar presiunile din camerele frontală și posterioară alternează între valori ridicate și scăzute; totuși, datorită complexității canalelor de ulei ale formei structurale cu retur ulei pe două fețe, această variantă este puțin utilizată.

(5) Clasificare după dispunerea valvei de distribuție

În funcție de dispunerea valvei de distribuție, acestea se pot clasifica în două tipuri: montaj intern și montaj extern. Tipul cu montaj intern poate fi împărțit ulterior în tipul cu sabot și tipul cu manșon. Valvele de distribuție cu montaj intern sunt integrate într-un singur corp cu cilindrul, având o structură compactă; valvele de distribuție cu montaj extern sunt plasate independent în afara corpului cilindrului, având o structură simplă și facilitând întreținerea și înlocuirea.

În plus, în funcție de nivelul de zgomot, acestea se pot clasifica în tipuri cu zgomot redus și tipuri standard; în funcție de forma carcasei exterioare, se pot clasifica în ciocane pentru spart stânci de formă triunghiulară, în formă de turn sau închise, etc. Diferitele metode de clasificare sunt sintetizate în Fig. 1-5.