Analýza princípu činnosti hydraulického kameňolomu

2.2 Analýza princípu činnosti hydraulického kameňolomu

Hydraulický kameňolom má mnoho konštrukčných foriem. Vychádzajúc z princípu činnosti, autori abstrahujú a zhrnú najzákladnejšie a najdôležitejšie myšlienky týkajúce sa hydraulického kameňolomu a redukujú ich na tri základné pracovné režimy: čisto hydraulický, kombinovaný hydraulicko-pneumatický a dusíkovo-výbušný.

2.2.1 Čisto hydraulický princíp činnosti

Čistý hydraulický pracovný princíp má tri formy realizácie: konštantný tlak v prednej komore / premenný tlak v zadnej komore (skrátené ako „princíp konštantného tlaku v prednej komore“), konštantný tlak v zadnej komore / premenný tlak v prednej komore (skrátené ako „princíp konštantného tlaku v zadnej komore“) a premenný tlak v prednej aj zadnej komore (skrátené ako „princíp premenného tlaku“).

(1) Princíp konštantného tlaku v prednej komore

Toto bol pracovný princíp, ktorý sa prvýkrát použil na začiatku vývoja hydraulických kladiv; všetky neskoršie technické pokroky boli postavené na ňom. Hydraulické kladivo s konštantným tlakom v prednej komore je znázornené na obr. 2-1.

Z obr. 2-1 vyplýva, že systém pozostáva z valcového telesa, piesta, riadiacej ventilovej skupiny a olejových kanálov. Valcové teleso a piest tvoria nárazový mechanizmus. Piest sa pohybuje vpred a vzad vo vnútri valcového telesa poháňaný hydraulickým olejom, pričom vonkajšie odovzdáva nárazovú energiu a na cieľový predmet pôsobí veľkou nárazovou silou, čím vzniká kladivový efekt. Úlohou riadiacej ventilovej skupiny je obrátiť smer prúdenia oleja poháňajúceho piest, čím sa dosiahne periodický vratný pohyb piesta.

Hydraulický kameňolam znázornený na obr. 2-1 má piest v mieste nárazu; ventilový zdvihák sa nachádza v polohe, v ktorej práve dokončil prepínanie z pracovného zdvihu do návratového zdvihu. V tomto okamihu vstupuje vysokotlakový olej do konštantnej vysokotlakovej komory valca (komora a ) cez konštantný vysokotlakový prívod ventilovej skupiny a poháňa piest počas návratového zdvihu (vpravo). Olej v premenlivej tlakovej komore piesta (komora b ) sa vracia do nádrže cez prípojku 4 a premenný tlakový / vratný olejový vývod ventilu. Keď sa piest pohne späť, kým jeho predný pleťový okraj neprejde prípojkou 2 na teleso valca, vysokotlakový olej sa smeruje do tlačného ventilového vývodu 5, čím sa spustí prepínanie ventilu (doľava). Keďže konštantná vysokotlaková komora ventilu je teraz spojená so strednou premennou tlakovou komorou, vysokotlakový olej vstupuje do zadnej komory piesta b cez prípojku 4. Obe strany piesta sú teraz vystavené vysokotlakovému oleju, avšak plocha piesta vystavená tlaku v zadnej komore b je väčšia ako plocha v prednej komore a piest začne spomaľovať pri návratnom zdvihu, jeho rýchlosť klesne na nulu a začne pracovný zdvih (doľava). Keď stredná vybranina piesta spojí prípojky 2 a 3, piest práve dosiahol nárazový bod a dokončil jeden cyklus; súčasne sa prípojka 5 tlačného ventilu pripojí k návratnej olejovej vedeniu, čím sa rozvádzač posunie doprava a vráti do polohy znázornenej na obr. 2-1, čím sa dokončí jeden úplný cyklus a pripraví sa na ďalší návratný zdvih piesta. Týmto spôsobom piest dosahuje nepretržitý náraz a neustále vydáva nárazovú energiu. Vzduchová komora c v tomto pracovnom princípe je vyfukovaná do atmosféry.

(2) Princíp konštantného tlaku zadnej komory

Je potrebné upozorniť, že tento pracovný princíp je možné realizovať len za podmienky, že plocha piesta vystavená tlaku v prednej komore a je väčšia ako plocha v zadnej komore b , t. j. priemer prednej komory piesta je menší ako priemer zadnej komory ( hĺbka ₁ > hĺbka ₂).

Obr. 2-2 znázorňuje schému hydraulického kameňolomného zariadenia s konštantným tlakom v zadnej komore a premenným tlakom v prednej komore.

V porovnaní s obr. 2-1 je jediným rozdielom to, že prípojka 1 na teleso valca je pripojená k premenlivotlakovému priestoru ventilu namiesto konštantnotlakového (vysokotlakového) priestoru; prípojka 4 je priamo pripojená ku konštantnotlakovému priestoru ventilu; všetky ostatné olejové kanály sú rovnaké. Obr. 2-2 znázorňuje okamih, keď sa práve skončil pracovný zdvih piesta a ventil už prepnul – systém sa nachádza v okamihu, keď sa začína návratový zdvih.

Pracovnou charakteristikou tohto princípu je, že hydraulické kameňolomné zariadenie neprečerpáva olej počas návratového zdvihu, ale prečerpáva olej počas pracovného zdvihu; a plocha, ktorá je vystavená tlaku v prednej komore a je väčšia ako plocha v zadnej komore b pretože doba výstrelu je krátka a prietok veľký, hydraulické tlakové straty tohto princípu sú vyššie ako pri princípe konštantného tlaku v prednej komore. V súčasnosti väčšina hydraulických kameňolomných zariadení tento princíp nepoužíva.

(3) Princíp premenlivého tlaku v prednej a zadnej komore

Princíp premenlivého tlaku v prednej a zadnej komore je znázornený na obr. 2-3. Z tohto schémy je zrejmé, že tento typ hydraulického nárazového zariadenia má zložitú štruktúru s mnohými kanálmi, čo zvyšuje výrobné náklady. Preto sa dnes nepoužíva v hydraulických kameňolomných zariadeniach; stále sa však používa u niektorých značiek hydraulických kameňolomných vŕtačiek.

Obr. 2-3 znázorňuje polohu na konci výkonového zdvihu piesta, teda začiatok návratového zdvihu. Keď sa návratový zdvih začne, vysokotlakový olej z prostrednej komory rozvádzača vstupuje do prednej komory piesta a cez ľavú komoru a valcový otvor 1 a posúva piest doprava. Olej v zadnej komore b sa vypúšťa do olejovej nádrže cez valcový prípoj 5 a pravú komoru ventilu. Počas návratného zdvihu, keď ľavé pleťové rameno piesta prejde prípojom 2 na teleso valca, vysokej tlakovej olej cez prípoj 7 posúva ventilový zátku do polohy vpravo; ventilový zátka okamžite prepne prívodné a vypúšťacie olejové cesty telesa valca – valcový prípoj 5 sa pripojí k vysokotlakovému oleju a valcový prípoj 1 sa pripojí k nádrži na vypúšťanie – takže piest začne spomaľovať, jeho rýchlosť rýchlo klesne na nulu a prepnutím sa začne zrýchľovať počas pracovného zdvihu. Keď piest dosiahne bod nárazu počas pracovného zdvihu, stredná vybranina piesta spojí valcové prípoje 2 a 3, prípoje 4 a 5 sa tiež spoja, ľavá strana ventilovej zátky sa cez prípoj 7 pripojí k prípojom 2 a 3 na vypúšťanie oleja, a pravá strana ventilovej zátky cez prípoj 6 sa pripojí cez prípoje 4 a 5, pravú stranu ventilu a strednú komoru k vysokotlakovému oleju, čím sa zátka prepne doľava, zmení sa prívodná a vypúšťacia olejová cesta valca a dokončí sa jeden pracovný cyklus piesta. Piest a zátka hydraulického nárazového zariadenia sa vrátia do stavu znázorneného na obr. 2-3 – začiatok návratného zdvihu. Týmto spôsobom hydraulický kameňolom, prostredníctvom neustáleho vracajúceho sa pohybu piesta, neustále odovzdáva nárazovú energiu do vonkajšieho prostredia a účinne vykonáva nárazovú prácu.

Všetky tri uvedené čisto hydraulické pracovné princípy sa v súčasnosti používajú v hydraulických horninových vŕtačkách, hydraulických horninových drvičoch a iných hydraulických nárazových mechanizmoch, avšak hydraulické horninové drviče stále častejšie využívajú kombinovaný hydraulicko-pneumatický pracovný princíp.

2.2.2 Kombinovaný hydraulicko-pneumatický pracovný princíp

Z analýzy čisto hydraulického pracovného princípu vyplýva, že celá nárazová energia čisto hydraulického nárazového mechanizmu je dodávaná prostredníctvom hydrauliky. Avšak so zvyšujúcim sa používaním čisto hydraulických horninových drvičov a pokročilým výskumom sa zistilo, že hydraulické straty sú veľmi vysoké, čo obmedzovalo ďalší nárast účinnosti. Olej pretekajúci kanálmi vo vnútri telesa valca sa musí trením dotýkať stien rúrky a hydraulické straty spôsobené ohybmi, zmenami priemeru a zmenami smeru toku sú významné; čím je prietok väčší, tým sú straty vyššie a to je najmä výrazné počas pracovného zdvihu.

V súčasnosti sa pre hydraulické kameňolomy vyžadujúce veľkú nárazovú energiu a nízku frekvenciu, ako aj pre hydraulické kovové kladivá, používa predovšetkým kombinovaný hydraulicko-pneumatický pracovný princíp.

Na zvýšenie účinnosti ľudia po rozsiahlych výskumoch objavili jednoduchú a účinnú metódu: použitie plynu a oleja spoločne na dodávanie nárazovej energie hydraulickému kameňolomu. To zníži prietok počas pracovného zdvihu – čím sa znížia hydraulické straty a zvýši sa pracovná účinnosť – a teda vzniká kombinovaný hydraulicko-pneumatický hydraulický kameňolom.

Štruktúrny princíp kombinovaného hydraulicko-pneumatického hydraulického kameňolomu je veľmi jednoduchý: stačí naplniť vzduchovú komoru. c v troch uvedených čisto hydraulických princípoch s dusíkom za určitého tlaku. Keďže je teraz prítomný dusík, pri návratnom zdvihu piesta sa dusík stlačuje a energia sa ukladá; pri pracovnom zdvihu sa táto energia uvoľní spolu s olejom na pohon piesta, čím sa dosiahne kinetická energia v mieste nárazu a premení sa na nárazovú energiu. Zrejme úloha dusíka nevyhnutne zníži množstvo oleja použitého počas pracovného zdvihu, čím sa zníži spotreba oleja a tým sa dosiahnu nižšie hydraulické straty a vyššia účinnosť.

V porovnaní s čisto hydraulickým kladivom je efektívna plocha piesta v zadnej komore b v hydraulicko-pneumatickom kombinovanom hydraulickom kameňolome sa zníži. Toto zníženie účinnej plochy na prenos tlaku znamená nižšiu spotrebu oleja počas pracovného zdvihu a nižšie hydraulické straty – to je hlavný dôvod, prečo sa hydraulicko-pneumatické kombinované hydraulické kameňolomy v posledných rokoch rýchlo vyvíjali. Takmer všetky hydraulicko-pneumatické kombinované hydraulické kameňolomy používajú pracovný princíp konštantného tlaku v prednej komore; ide tiež o kľúčovú vlastnosť hydraulicko-pneumatického kombinovaného typu.

2.2.3 Princíp činnosti s využitím dusíka a výbušniny

Princíp činnosti hydraulického kameňolomu s využitím dusíka a výbušniny sa zásadne nelíši od princípu činnosti hydraulicko-pneumatického kombinovaného hydraulického kameňolomu; líšia sa len konštrukčné parametre piesta. Kľúčový rozdiel spočíva v tom, že priemer piesta v prednej aj zadnej komore je rovnaký, t. j. hĺbka ₂ = hĺbka ₁, a celá nárazová energia sa dodáva dusíkom.

Rovnaké priemery piestov na prednej a zadnej strane sú hlavnou vlastnosťou hydraulického kameňolomu s využitím dusíka na výbušný efekt. Počas pracovného zdvihu sa olej do zadnej komory nepoužíva a celá nárazová energia sa dodáva prostredníctvom dusíka. Samozrejme, energiu uloženú v dusíku dodáva hydraulika počas návratového zdvihu a premieňa sa na kinetickú energiu pracovného zdvihu. V konečnom dôsledku sa teda stále premieňa hydraulická energia – avšak prostredníctvom stlačenia a ukladania energie v plynnom médiu sa uložená energia dusíka uvoľňuje počas pracovného zdvihu a premieňa sa na mechanickú energiu piesta.

Je potrebné zdôrazniť, že na hydraulický kameňolomný nástroj s výbušným dusíkom možno uplatniť len princíp konštantného tlaku v prednej komore; ani princíp konštantného tlaku v zadnej komore, ani princíp premenného tlaku v prednej a zadnej komore sa na hydraulický kameňolomný nástroj typu s dusíkom nedajú uplatniť. Dôvod je zrejmý, ak pochopíte vlastnosť piesta, ktorá hĺbka ₂ = hĺbka ₁.