Основной принцип работы гидравлических отбойных молотков

1.3 Основной принцип работы гидравлических отбойных молотков

Гидравлический отбойный молоток — это ударная машина, преобразующая гидравлическую энергию в механическую. Он содержит два основных подвижных элемента — поршень и распределительный золотник — которые взаимно управляют друг другом по принципу обратной связи: возвратно-поступательное движение золотника управляет переключением поршня, а сам поршень в начале и конце каждого хода открывает или закрывает масляной управляющий канал золотника, обеспечивая тем самым его переключение — таким образом осуществляется циклическая работа… Основной рабочий принцип гидравлического отбойного молотка заключается в следующем: благодаря этой обратной связи между поршнем и золотником поршень быстро совершает возвратно-поступательные движения под действием гидравлической (или пневматической) силы и наносит удары по бойку для выполнения внешней работы.

Гидравлические отбойные молотки бывают различных типов и конструкций, которые подробно рассматриваются в последующих главах. Ниже в качестве примера описывается принцип работы гидравлического отбойного молотка с постоянным давлением в передней камере и переменным давлением в задней камере:

Как показано на схеме, при начале обратного хода масло под высоким давлением поступает в переднюю полость поршня через масляный канал 1 и одновременно действует на нижний конец золотника направляющего клапана, удерживая золотник в устойчивом положении, изображённом на схеме (а). В этот момент в передней полости поршня находится масло под высоким давлением; задняя полость соединена с линией слива T через масляный канал 4. Под действием давления масла в передней полости поршень ускоряется при обратном ходе и сжимает азот, хранящийся в азотной камере (за исключением чисто гидравлического типа); аккумулятор накапливает масло. Когда обратный ход поршня достигает управляющего канала 2, масло под высоким давлением поступает к верхнему концу золотника клапана. В этот момент как верхний, так и нижний концы золотника соединены с маслом под высоким давлением; поскольку в конструкции эффективная площадь верхнего конца золотника больше, чем эффективная площадь его нижнего конца, золотник переключается в положение, показанное на схеме (b), под действием масла под высоким давлением. В этот момент как передняя, так и задняя полости поршня соединены с маслом под высоким давлением; аккумулятор выдаёт масло для пополнения системы. Под действием результирующей силы F_q поршень ускоряется при рабочем ходе, ударяет по боштепселю и отдаёт ударную энергию. Когда поршень проходит точку удара, управляющие каналы 2 и 3 соединяются друг с другом и с линией слива масла T; давление масла на верхнем конце золотника клапана падает; под действием давления масла на нижнем конце золотник клапана быстро возвращается в положение, показанное на схеме (а). Вернувшись в исходное состояние, поршень начинает обратный ход, вступая в следующий цикл ударов, и так далее — циклически. В этом процессе кинематическая связь между поршнем и золотником клапана показана на рис. 1-2.

Из рис. 1-1 видно, что во время рабочего хода, пренебрегая силой тяжести поршня и силой трения, сила F_q, приводящая в движение поршень и совершающая ударную работу, в основном складывается из гидравлического давления и давления азотного газа, то есть F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Приводящая сила F_q зависит от разности эффективных площадей передней и задней полостей, давления масла p и давления в азотной полости p_N. В зависимости от различных соотношений между работой масла и работой газа возможны три режима работы: чисто гидравлический, гидравлически-пневматический комбинированный и азотно-взрывной.

Чисто гидравлический режим: p_N = 0. В этом режиме гидравлический отбойный молоток не имеет азотной полости, а поршень приводится в движение исключительно за счёт перепада давления масла в верхней и нижней полостях. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Этот режим является первым, появившимся при создании гидравлических отбойных молотков.

Гидравлическо-пневматическое сочетание: в этой конструкции d₁ < d₂, а одновременно в хвостовой части поршня добавляется азотная камера, в которую подаётся азот для выполнения работы; p_N > 0. Сила F_q состоит главным образом из двух составляющих: разности давлений масла в передней и задней полостях и силы сжатия–расширения азота. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Данная конструкция в настоящее время является наиболее распространённой формой гидравлического отбойного молотка. В зависимости от соотношения долей работы масла и газа в общей движущей силе, то есть при различных соотношениях газовой и жидкостной работы, могут быть созданы изделия с различными эксплуатационными характеристиками.

Азотно-взрывная конструкция: в этой конструкции d₁ = d₂, p_N > 0. Гидравлическая сила в верхней и нижней полостях равна нулю; работа поршня в течение рабочего хода полностью обеспечивается давлением газа в азотной камере. F_q = π/4 · p_N · d₁². Данная конструкция представляет собой новейшую форму гидравлического отбойного молотка.

Все три формы имеют свои преимущества и недостатки, но их общая производительность улучшается от поколения к поколению. Чистый гидравлический тип, как самый ранний продукт, когда впервые появились гидравлические скалоломбители, имеет простую структуру и надежную работу без первоначальной силы толчка, но имеет низкий уровень использования энергии и не подходит для производства крупногабаритных продуктов. Гидравлико-пневматический комбинированный тип является крупным прорывом по сравнению с чистым гидравлическим типом: добавляя азотную камеру в хвост поршня, он эффективно использует энергию обратного хода и значительно улучшает силу удара; но структура сложная, и Гидравлический горной лом с азотом с точки зрения энергетики не требует работы с маслом во время силового хода и, следовательно, более энергосберегающий; одновременно передний и задний диаметры камер поршней равны, что может эффективно решить проблему недостаточного мгновенного пода Однако из-за высокого начального давления зарядки азота требуемая сила толчка больше.

1.4 Основная конструкция и классификация гидравлических отбойных молотков

1.4.1 Основная конструкция гидравлических отбойных молотков

Хотя гидравлические отбойные молотки выпускаются в большом количестве разновидностей, они обладают общими конструктивными особенностями. Основные компоненты гидравлического отбойного молотка включают: корпус цилиндра, поршень, распределительный клапан, аккумулятор, азотную камеру, посадочное место для бойка, боёк, высокопрочные болты и уплотнительные системы. Конструкция различных типов гидравлических отбойных молотков несколько различается, однако каждый отбойный молоток содержит два основных подвижных элемента — поршень и золотник клапана. Его основная конструкция показана на рис. 1–3.

(1) Ударный механизм

Гидравлический отбойный молоток имеет относительно длинный и тонкий поршень, который является наиболее важным компонентом. Согласно теории распространения ударных волн, для максимальной передачи удельной энергии поршня диаметр ударного поршня, как правило, примерно равен или близок к диаметру конца хвостовика зубила, что обеспечивает полный контакт на ударной поверхности и позволяет эффективно передавать энергию. Зазор между ударным поршнем и корпусом цилиндра или втулкой является очень важным техническим параметром. Если зазор слишком велик, возникает значительная внутренняя утечка, в результате чего ударное усилие оказывается недостаточным, а отбойный молоток может даже перестать работать нормально; если зазор слишком мал, движение поршня может стать затруднённым или возникнуть задиры, одновременно резко возрастут производственные затраты.

(2) Распределительный механизм

Гидравлический гидромолот, как правило, оснащён распределительным клапаном, который изменяет направление потока гидравлического масла и тем самым управляет и приводит в движение ударный поршень в режиме возвратно-поступательного движения. Конструктивные формы распределительных клапанов многообразны; в общем случае их можно разделить на две основные категории: золотниковые клапаны и втулочные клапаны. Золотниковые клапаны, как правило, имеют меньший вес, низкое потребление масла, меньший диаметр, а также меньшие зазоры сопряжения и утечки; однако их конструкция зачастую имеет ступенчатую форму, обладает относительно низкой технологичностью при механической обработке и сопровождается большими потерями на дросселирование. Втулочные клапаны тяжелее, имеют больший диаметр, а зазоры сопряжения и утечки у них также относительно больше; однако их конструкция отличается высокой технологичностью при механической обработке, большой градиентной площадью открытия и небольшими потерями на дросселирование. Зазор сопряжения между золотником и корпусом клапана или его втулкой представляет собой ещё один важный технический параметр при производстве гидравлических гидромолотов; как чрезмерно большой, так и чрезмерно малый зазор приводят к невозможности нормальной работы клапана.

(3) Механизм стабилизации давления в аккумуляторе

Большинство гидравлических отбойных молотков оснащены одним или несколькими аккумуляторами, которые выполняют функции накопления энергии и стабилизации давления. Гидравлический отбойный молоток совершает внешнюю работу только во время рабочего хода; обратный ход служит подготовкой к рабочему ходу. При возврате поршня гидравлическое масло поступает в аккумулятор под давлением, превышающим давление в зарядной камере, и запасается в виде потенциальной энергии масла в аккумуляторе. Эта энергия высвобождается во время рабочего хода поршня, преобразуя большую часть энергии обратного хода в энергию удара. Таким образом, аккумулятор повышает эффективность работы системы, а также снижает гидравлические удары и пульсации потока, вызванные переключением золотника распределительного клапана.

(4) Приводной механизм

Зубило — это исполнительный элемент гидравлического отбойного молотка, выполняющий внешнюю работу и непосредственно воздействующий на обрабатываемый объект; это изнашиваемая деталь, требующая высокой стойкости к абразивному износу, твёрдая снаружи и вязкая внутри, при этом твёрдость постепенно изменяется от периферии к центру. Для адаптации к различным условиям эксплуатации и обрабатываемым объектам зубила выпускаются в виде остроконечных, квадратных, лопатообразных и плоских.

(5) Механизм предотвращения холостых выстрелов

Поскольку гидравлический отбойный молот обладает высокой энергией удара, прямой удар поршня по корпусу цилиндра приведёт к серьёзному повреждению корпуса отбойного молота и вызовет холостые удары. Конструкция предотвращения холостых ударов предусматривает добавление гидравлической амортизационной камеры в передней части корпуса цилиндра. Когда бойковый инструмент ещё не соприкоснулся с породой и движется вперёд, ударный поршень входит в амортизационную камеру, сжимая находящееся в ней масло и поглощая энергию удара, обеспечивая таким образом амортизированную защиту корпуса машины. Одновременно вход масла в переднюю камеру перекрывается, поэтому под действием силы тяжести и давления азота в задней части поршень не может отступать; только при повторном соприкосновении бойкового инструмента с породой и приложении к нему большего усилия со стороны рукояти ударный поршень выталкивается из амортизационной камеры, после чего в переднюю камеру поступает масло под высоким давлением, и нормальная работа продолжается. Как показано на рис. 1–4, после того как гидравлический отбойный молот пробьёт разрушаемый объект, поршень может совершить не более одного–двух холостых ударов перед остановкой. Оператору необходимо повторно выбрать точку удара, плотно прижать бойковый инструмент, приложить давление, в результате чего бойковый инструмент отводит поршень от входного отверстия масла в нижней камере, и работа может быть возобновлена.

(6) Другие механизмы

К другим механизмам гидравлического отбойного молотка относятся: соединительная рама, механизм гашения вибрации, уплотнительная система, автоматическая система смазки и др.

1.4.2 Классификация гидравлических отбойных молотков

Существует множество типов гидравлических отбойных молотков и различных методов их классификации. Основные методы классификации приведены ниже:

(1) Классификация по способу эксплуатации

По способу эксплуатации гидравлические отбойные молотки подразделяются на навесные и ручные. Ручные модели представляют собой компактные отбойные молотки, также называемые гидравлическими зубилами; их масса, как правило, составляет менее 30 кг, они управляются вручную и питаются от специализированной гидравлической насосной станции, что позволяет им широко заменять пневматические зубила. Навесные модели — это средние и крупные отбойные молотки, которые устанавливаются непосредственно на стрелу гидравлических экскаваторов, погрузчиков и других гидравлических машин-носителей и используют энергетическую систему, гидравлическую систему и систему движения стрелы машины-носителя для выполнения рабочих операций.

(2) Классификация по рабочей среде

Гидравлические отбойные молотки классифицируются по рабочей среде на три основные категории: чисто гидравлические, гидравлическо-пневматические комбинированные и азотно-взрывные. Чисто гидравлические типы полностью полагаются на давление гидравлического масла для приведения в действие поршня; гидравлическо-пневматические комбинированные типы используют одновременно гидравлическое масло и сжатый азот в задней части для приведения в действие поршня; азотно-взрывные типы полностью полагаются на мгновенное расширение азота в задней азотной камере для толкания поршня и выполнения работы.

(3) Классификация по методу обратной связи

Гидравлические отбойные молотки классифицируются по способу обратной связи на молотки со связью по ходу и по давлению. Различие заключается в способе сбора сигнала обратной связи для переключения распределительного клапана. В гидравлических отбойных молотках со связью по ходу переключение распределительного клапана осуществляется за счёт открытия и закрытия поршнем отверстий для обратной подачи высокого давления в ходе его движения; положения этих отверстий могут быть жёстко заданы только в определённых местах, а из-за конструктивных ограничений максимально возможное количество таких отверстий составляет три; поэтому гидравлические отбойные молотки со связью по ходу не способны обеспечить бесступенчатую регулировку частоты ударов. В гидравлических отбойных молотках со связью по давлению переключение распределительного клапана осуществляется за счёт сбора данных о давлении в системе или в азотной камере, расположенной в хвостовой части поршня; по мере входа поршня в азотную камеру давление в ней постоянно изменяется, и при достижении датчиком давления, установленным в этой камере, заданного значения клапан переключается по команде микрокомпьютера; поскольку давление переключения может быть задано произвольно, гидравлические отбойные молотки со связью по давлению обеспечивают бесступенчатую регулировку.

(4) Классификация по методу распределения

В зависимости от конструкции распределительного клапана различают два основных типа: трехходовой клапан с односторонним возвратом масла и четырехходовой клапан с двухсторонним возвратом масла. Конструкции с односторонним возвратом масла обладают преимуществами простоты масляных каналов и удобства управления; на практике они применяются сравнительно часто. Односторонний возврат масла подразделяется на возврат масла из передней полости и возврат масла из задней полости; при этом конструкции с возвратом масла из передней полости имеют недостатки в виде высокого сопротивления всасыванию и возврату масла, поэтому в настоящее время наиболее распространенной является конструкция с постоянным давлением в передней полости и возвратом масла из задней полости. Четырехходовой клапан с двухсторонним возвратом масла также называют двойного действия; его особенность заключается в отсутствии камеры постоянного давления и в том, что давление в передней и задней полостях попеременно повышается и понижается; однако из-за сложности масляных каналов в конструкциях с двухсторонним возвратом масла такие клапаны встречаются редко.

(5) Классификация по расположению распределительного клапана

В зависимости от расположения распределительного клапана различают два типа: внутреннего и внешнего монтажа. Тип внутреннего монтажа, в свою очередь, подразделяется на золотниковый и втулочный. Распределительные клапаны внутреннего монтажа интегрированы с корпусом цилиндра в единое целое и отличаются компактной конструкцией; распределительные клапаны внешнего монтажа располагаются независимо за пределами корпуса цилиндра, имеют простую конструкцию и обеспечивают удобство обслуживания и замены.

Кроме того, по уровню шума их можно классифицировать как малошумные и стандартные; по форме наружного корпуса — как треугольные, башенноподобные и герметичные дробилки. Различные методы классификации обобщены на рис. 1–5.