Анализ принципа работы гидравлического отбойного молотка

2.2 Анализ принципа работы гидравлического отбойного молотка

Гидравлический отбойный молоток имеет множество конструктивных исполнений. Исходя из принципа работы, авторы выделяют и обобщают наиболее фундаментальные и критически важные идеи, лежащие в основе гидравлического отбойного молотка, и сводят их к трём основным режимам работы: чисто гидравлическому, гидравлическо-пневматическому комбинированному и азотно-взрывному.

2.2.1 Чисто гидравлический принцип работы

Чисто гидравлический принцип работы имеет три формы реализации: постоянное давление в передней камере / переменное давление в задней камере (сокращённо «принцип постоянного давления в передней камере»), постоянное давление в задней камере / переменное давление в передней камере (сокращённо «принцип постоянного давления в задней камере») и переменное давление в передней и задней камерах (сокращённо «принцип переменного давления»).

(1) Принцип постоянного давления в передней камере

Это был принцип работы, впервые применённый в начале разработки гидравлических отбойных молотков; все последующие технические достижения базируются на нём. Гидравлический отбойный молоток с постоянным давлением в передней камере показан на рис. 2-1.

Согласно рис. 2-1, система состоит из цилиндрического корпуса, поршня, управляющего клапана и масляных каналов. Цилиндрический корпус и поршень образуют ударный механизм. Поршень совершает возвратно-поступательное движение внутри цилиндрического корпуса под действием гидравлического масла, передавая внешнюю ударную энергию и прикладывая к объекту значительную ударную силу, создавая эффект отбойного молотка. Функция управляющего клапана заключается в изменении направления потока масла, приводящего в движение поршень, что обеспечивает периодическое возвратно-поступательное движение поршня.

Гидравлический отбойный молоток, показанный на рис. 2-1, имеет поршень в точке удара; золотник клапана находится в положении, только что завершившем переключение с рабочего хода на обратный ход. В этот момент масло под высоким давлением поступает в постоянную камеру высокого давления цилиндра (камера a ) через постоянный высокодавленный порт клапана, приводя поршень в движение на обратном ходе (вправо). Масло в переменной по давлению камере поршня (камера b ) возвращается в бак через порт 4 и регулируемый по давлению / сливной масляный порт клапана. Когда поршень движется назад до тех пор, пока его переднее уплотнительное кольцо не пройдёт порт 2 на корпусе цилиндра, масло под высоким давлением направляется в порт 5 толкателя клапана, вызывая переключение клапана (влево). Поскольку постоянная камера высокого давления клапана теперь соединяется со средней камерой переменного давления, масло под высоким давлением поступает в заднюю полость поршня b через порт 4. Обе стороны поршня теперь находятся под давлением масла высокого давления, однако площадь поверхности, воспринимающей давление в задней полости, b больше, чем в передней полости a поршень начинает замедляться на обратном ходе, его скорость падает до нуля, и он переходит к рабочему ходу (влево). В тот момент, когда центральная выемка поршня соединяет отверстия 2 и 3, поршень только что достиг точки удара, завершая один цикл; одновременно отверстие 5 толкателя клапана соединяется с линией возврата масла, поэтому золотник переключается вправо и возвращается в положение, показанное на рис. 2-1, завершая один полный цикл и готовясь к следующему обратному ходу поршня. Таким образом, поршень обеспечивает непрерывное ударное воздействие и непрерывно передаёт ударную энергию. Воздушная камера c в этом принципе работы сообщается с атмосферой.

(2) Принцип постоянного давления в задней камере

Следует отметить, что данный принцип работы может быть реализован только при условии, что площадь поршня, воспринимающая давление в передней камере a больше площади, воспринимающей давление в задней камере b , т. е. диаметр передней камеры поршня меньше диаметра задней камеры ( г ₁ > г ₂).

Рис. 2-2 показывает схему гидравлического отбойного молотка с постоянным давлением в задней камере и переменным давлением в передней камере.

По сравнению с рис. 2-1 единственное различие заключается в том, что масляный порт 1 на корпусе цилиндра соединён с камерой переменного давления клапана вместо камеры постоянного давления (высокого давления); порт 4 напрямую соединён с камерой постоянного давления клапана; все остальные масляные каналы остаются без изменений. На рис. 2-2 изображён момент, когда рабочий ход поршня только что завершился, а клапан уже переключился — система находится в момент начала обратного хода.

Рабочая особенность данного принципа заключается в том, что гидравлический отбойный молоток не выпускает масло во время обратного хода, но выпускает масло во время рабочего хода; при этом площадь поверхности, воспринимающей давление в передней камере a больше площади, воспринимающей давление в задней камере b поскольку продолжительность рабочего хода разряжения мала, а расход — велик, гидравлические потери давления при этом принципе больше, чем при принципе постоянного давления в передней камере. В настоящее время большинство гидравлических отбойных молотков не используют этот принцип.

(3) Принцип переменного давления в передней и задней камерах

Принцип переменного давления в передней и задней камерах показан на рис. 2-3. Из этой схемы легко видно, что данный тип гидравлического ударного устройства имеет сложную конструкцию с большим количеством каналов, что повышает себестоимость изготовления. Поэтому в современных гидравлических отбойных молотках он не применяется; тем не менее он до сих пор используется в некоторых марках гидравлических горных перфораторов.

На рис. 2-3 показано положение поршня в конце рабочего хода и в начале обратного хода. Когда начинается обратный ход, масло под высоким давлением из промежуточной камеры клапана поступает в переднюю камеру поршня a через левую камеру и отверстие цилиндра 1, толкая поршень вправо. Масло в задней камере b сбрасывается в масляный бак через цилиндровый порт 5 и правую полость клапана. Во время обратного хода, когда левое плечо поршня проходит порт 2 на корпусе цилиндра, масло под высоким давлением через порт 7 воздействует на золотник клапана, заставляя его переключиться вправо; золотник мгновенно меняет пути подачи и сброса масла в корпусе цилиндра — цилиндровый порт 5 переходит в режим высокого давления, а цилиндровый порт 1 — в режим возврата в бак, — вследствие чего поршень начинает замедляться, его скорость быстро падает до нуля, после чего он переходит в режим ускорения рабочего хода. Когда рабочий ход поршня достигает точки удара, центральная выемка поршня соединяет цилиндровые порты 2 и 3, порты 4 и 5 также соединяются, левая сторона золотника через порт 7 соединяется с портами 2 и 3 для возврата масла, а правая сторона золотника через порт 6 соединяется с портами 4 и 5, правой полостью клапана и промежуточной полостью — с высоким давлением, что вызывает переключение золотника влево, изменяя пути подачи и сброса масла в цилиндре и завершая один рабочий цикл поршня. Поршень и золотник гидравлического ударного устройства возвращаются в состояние, показанное на рис. 2-3 — начало обратного хода. Таким образом, гидравлический отбойный молоток за счёт непрерывного возвратно-поступательного движения поршня постоянно передаёт внешнюю ударную энергию, эффективно выполняя ударную работу.

Все три чисто гидравлических принципа работы, описанных выше, в настоящее время применяются в гидравлических горных отбойных молотках, гидравлических горных отбойниках и других гидравлических ударных механизмах, однако гидравлические горные отбойники по-прежнему чаще используют комбинированный гидравлически-пневматический принцип работы.

2.2.2 Комбинированный гидравлически-пневматический принцип работы

Из анализа чисто гидравлического принципа работы видно, что вся ударная энергия чисто гидравлического ударного механизма поступает исключительно от гидравлической системы. Однако по мере роста применения чисто гидравлических горных отбойников и развития исследований было установлено, что гидравлические потери весьма велики, что ограничивало дальнейшее повышение эффективности. Масло, протекающее по каналам внутри корпуса цилиндра, неизбежно трётся о стенки трубок, а гидравлические потери, вызванные изгибами, изменениями диаметра и изменениями направления потока, значительны; чем больше расход масла, тем больше потери, и это особенно остро проявляется в течение рабочего хода.

В настоящее время гидропневматический комбинированный принцип работы в основном применяется в гидравлических отбойных молотках, требующих большой ударной энергии и низкой частоты, а также в гидравлических сваебойных машинах.

Для повышения эффективности после масштабных исследований был найден простой и эффективный метод: совместное использование газа и масла для обеспечения ударной энергии гидравлического отбойного молотка. Это снижает расход жидкости во время рабочего хода — уменьшает гидравлические потери и повышает эксплуатационную эффективность, — отсюда и название «гидропневматический комбинированный гидравлический отбойный молоток».

Конструктивный принцип гидропневматического комбинированного гидравлического отбойного молотка чрезвычайно прост: достаточно заполнить воздушную камеру c в трёх чисто гидравлических принципах, упомянутых выше, с азотом при определённом давлении. Поскольку азот теперь присутствует, при обратном ходе поршня азот сжимается, и энергия накапливается; при рабочем ходе эта энергия высвобождается совместно с маслом для приведения в движение поршня, обеспечивая кинетическую энергию в точке удара и преобразуя её в ударную энергию. Очевидно, что роль азота неизбежно снижает объём масла, используемого при рабочем ходе, уменьшает расход масла и, как следствие, обеспечивает меньшие гидравлические потери и более высокий КПД.

По сравнению с чисто гидравлическим отбойным молотком эффективная площадь поршневой задней камеры b в гидравлическом отбойном молотке с комбинированным гидропневматическим приводом снижается. Это снижение эффективной площади, воспринимающей давление, означает меньший расход масла в течение рабочего хода и меньшие гидравлические потери — это ключевая причина, по которой гидравлические отбойные молотки с комбинированным гидропневматическим приводом стремительно развивались в последние годы. Практически все гидравлические отбойные молотки с комбинированным гидропневматическим приводом используют принцип работы с постоянным давлением в передней камере; это также является ключевой особенностью гидропневматического комбинированного типа.

2.2.3 Принцип работы на основе азотного взрыва

Принцип работы гидравлического отбойного молотка на основе азотного взрыва принципиально не отличается от принципа работы гидравлического отбойного молотка с комбинированным гидропневматическим приводом; различаются лишь конструктивные параметры поршня. Ключевое отличие заключается в том, что диаметры переднего и заднего поршней равны, т.е. г ₂ = г ₁, и вся ударная энергия подаётся за счёт азота.

Равные диаметры поршней спереди и сзади являются основной особенностью гидравлического отбойного молотка с азотным взрывом. Во время рабочего хода задняя полость не потребляет масло, и вся энергия удара может поставляться за счёт азота. Разумеется, накопленная энергия азота подаётся гидравликой во время обратного хода и преобразуется в кинетическую энергию рабочего хода. Таким образом, в конечном счёте происходит преобразование гидравлической энергии — однако благодаря сжатию и накоплению энергии в газовой среде накопленная энергия азота высвобождается во время рабочего хода и преобразуется в механическую энергию поршня.

Следует отметить, что к гидравлическому отбойному молотку с азотным взрывом может быть применён только принцип постоянного давления в передней камере; ни принцип постоянного давления в задней камере, ни принцип переменного давления в передней и задней камерах не применимы к гидравлическому отбойному молотку азотного типа. Причина становится очевидной, как только вы понимаете особенности поршня, которые г ₂ = г ₁.