Základný pracovný princíp hydraulických kameňolomných zariadení

1.3 Základný pracovný princíp hydraulických kameňolomov

Hydraulický kameňolom je nárazový stroj, ktorý premení hydraulickú energiu na mechanickú energiu. Skladá sa z dvoch základných pohyblivých častí – piesta a rozdeľovacej ventilovej zásuvky – ktoré sa navzájom spätnoväzobne ovládajú: vratný pohyb zásuvky riadi prepínanie piesta a piest zase na začiatku a na konci každého zdvihu otvára alebo zatvára riadiacu olejovú dráhu ventilu, čím sa dosahuje prepínanie ventilu – tento cyklus sa opakuje… Základný pracovný princíp hydraulického kameňolomu je nasledovný: prostredníctvom tejto spätnoväzobnej regulácie medzi piestom a zásuvkou sa piest rýchlo pohybuje vratne pod vplyvom hydraulického (alebo pneumatického) tlaku a naráža do kladiva, čím vykonáva prácu na vonkajšej strane.

Hydraulické kameňolomy sú dostupné v mnohých typoch a formách, ktoré budú podrobne popísané v nasledujúcich kapitolách. Nižšie je ako príklad popísaný hydraulický kameňolom so stálym tlakom v prednej komore a premenným tlakom v zadnej komore:

Ako je znázornené na obrázku, keď začne návratový zdvih, vstupuje olej pod vysokým tlakom do prednej komory piesta cez olejový otvor 1 a súčasne pôsobí na dolný koniec zásuvky smerového ventilu, čím udržiava zásuvku stabilne v stave znázornenom na obrázku (a). V tomto okamihu má predná komora piesta olej pod vysokým tlakom; zadná komora je cez olejový otvor 4 spojená so spätnou vetvou T. Piest sa v dôsledku tlaku oleja v prednej komore zrýchľuje počas návratového zdvihu a stláča dusík uložený v dusíkovej komore (okrem čisto hydraulického typu); akumulátor ukladá olej. Keď sa návratový zdvih piesta dostane k riadiacemu otvoru 2, dosiahne olej pod vysokým tlakom horný koniec zásuvky ventilu. V tomto okamihu sú horný aj dolný koniec zásuvky pripojené k oleju pod vysokým tlakom; pretože je v návrhu efektívna plocha horného konca zásuvky väčšia ako efektívna plocha dolného konca, zásuvka prepnutie do stavu znázorneného na obrázku (b) pod vplyvom oleja pod vysokým tlakom. V tomto okamihu sú predná aj zadná komora piesta pripojené k oleju pod vysokým tlakom; akumulátor vypúšťa olej na doplnenie systému. Pod vplyvom výslednej sily F_q sa piest zrýchľuje počas pracovného zdvihu, narazí na dláto a vydáva úderovú energiu. Keď piest prejde miestom úderu, riadiace otvory 2 a 3 sa spoja a pripojia k návratovému oleju T; tlak oleja na hornom konci zásuvky ventilu klesne; pod vplyvom tlaku oleja na dolnom konci sa zásuvka ventilu rýchlo vráti do stavu znázorneného na obrázku (a). Po návrate do pôvodného stavu začne piest návratový zdvih a vstupuje do ďalšieho úderového cyklu, a tak ďalej cyklicky. V tomto procese je vzájomný vzťah medzi piestom a zásuvkou ventilu znázornený na obr. 1-2.

Z obr. 1-1 je zrejmé, že počas zdvihového zdvihu, ak sa zanedbá tiaž piesta a trenie, sila F_q poháňajúca piest a vykonávajúca nárazovú prácu pozostáva predovšetkým z hydraulického tlaku a tlaku dusíkovej plynej komory, t. j. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Poháňajúca sila F_q závisí od rozdielu efektívnych plôch prednej a zadnej komory, tlaku oleja p a tlaku v dusíkovej komore p_N. Na základe rôznych pomerov práce vykonanej olejom ku práci vykonanej plynom možno rozlíšiť tri pracovné režimy: čisto hydraulický, kombinovaný hydraulicko-pneumatický a dusíkový výbušný.

Čisto hydraulický režim: p_N = 0. V tomto režime hydraulický kameňolom nemá dusíkovú komoru a piest je úplne poháňaný rozdielom tlaku oleja v hornej a dolnej komore. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Tento režim je najstarším typom, ktorý sa objavil pri prvej generácii hydraulických kameňolomov.

Hydraulicko-pneumatická kombinácia: V tejto forme je d₁ < d₂ a súčasne sa na zadnom konci piesta pridáva dusíková komora, v ktorej pracuje dusík, pričom p_N > 0. Sila F_q sa skladá hlavne z dvoch častí: rozdielu tlaku oleja v prednej a zadnej komore a sily stlačenia – expanzie dusíka. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Táto forma je v súčasnosti najrozšírenejšou formou hydraulického kameňolamu. Na základe rôznych podielov práce oleja a plynu v celkovej pohonnej sile, t. j. rôznych pomerov práce plynu ku kvapaline, možno vytvárať výrobky s odlišnými výkonovými charakteristikami.

Dusíkovo-výbušná: V tejto forme je d₁ = d₂ a p_N > 0. Hydraulická sila v hornej a dolnej komore je nulová; práca piesta počas pracovného zdvihu je úplne poháňaná tlakom plynu v dusíkovej komore. F_q = π/4 · p_N · d₁². Táto forma je najnovšou formou hydraulického kameňolamu.

Všetky tri typy majú svoje výhody a nevýhody, avšak ich celkový výkon sa z generácie na generáciu zlepšuje. Čisto hydraulický typ, ktorý je najstarším typom výrobku od vzniku hydraulických kameňolomných kladív, má jednoduchú konštrukciu a spoľahlivý chod bez potreby počiatočnej tlačnej sily, avšak má nízku účinnosť využitia energie a nie je vhodný na výrobu veľkých výrobkov. Hydraulicko-pneumatický kombinovaný typ predstavuje významný pokrok oproti čisto hydraulickému typu: pridaním dusíkovej komory na zadnom konci piesta sa efektívne využíva energia návratného zdvihu a výrazne sa zvyšuje nárazová sila; konštrukcia je však zložitejšia a na spustenie je potrebná počiatočná tlačná sila. Dusíkovo-výbušné hydraulické kameňolomné kladivo z hľadiska energie nepotrebuje počas pracovného zdvihu žiadnu prácu oleja a je preto energeticky úspornejšie; súčasne sú priemer prednej a zadnej komory piesta rovnaké, čo efektívne rieši problém nedostatočného okamžitého prívodu oleja počas pracovného zdvihu piesta. Avšak kvôli vysokej počiatočnej tlakovej náplni dusíka je potrebná väčšia tlačná sila.

1.4 Základná štruktúra a klasifikácia hydraulických kameňolomov

1.4.1 Základná štruktúra hydraulických kameňolomov

Hoci hydraulické kameňolomy existujú v mnohých variantoch, majú spoločné štrukturálne charakteristiky. Základné zloženie hydraulického kameňolomu pozostáva z: valcového telesa, piesta, rozdeľovacej armatúry, akumulátora, dusíkovej komory, držiaka kladiva, kladiva, vysokopevnostných skrutiek a tesniacich systémov. Rôzne typy hydraulických kameňolomov sa v štruktúre mierne líšia, avšak každý kameňolom obsahuje 2 základné pohyblivé súčasti – piest a uzáverový kužeľ (valcový zdvihový prstenec). Jeho základná štruktúra je znázornená na obr. 1-3.

(1) Nárazový mechanizmus

Hydraulický kameňolom má relatívne dlhý a štíhly piest, ktorý je najdôležitejšou súčasťou. Na základe teórie prenosu napäťových vĺn sa na maximálny prenos údernej energie piesta všeobecne používa priemer úderného piesta, ktorý je zhruba rovnaký alebo blízky priemeru koncového konca kladiva, čím sa zabezpečuje úplný kontakt na údernej ploche a dosahuje sa účinný prenos energie. Vzájomná medzera medzi úderným piestom a telesom valca alebo vložkou valca je veľmi dôležitý technický parameter. Ak je táto medzera príliš veľká, vznikne veľká vnútorná netesnosť, čo spôsobí nedostatočnú údernú silu a dokonca môže viesť k tomu, že kameňolom nebude fungovať správne; ak je medzera príliš malá, pohyb piesta sa môže stať pomalým alebo môže dôjsť k záliehaniu, čo súčasne výrazne zvyšuje výrobné náklady.

(2) Rozdeľovací mechanizmus

Hydraulický kameňolom zvyčajne má rozdeľovací ventil, ktorý mení smer prúdenia hydraulického oleja a tým ovláda a poháňa vracajúci sa pohyb nárazového piesta. Konštrukčné tvary rozdeľovacích ventilov sú rôznorodé; všeobecne ich možno rozdeliť do dvoch hlavných kategórií: ventilov so zásuvkou (šmykákom) a ventilov so vložkou (rukávom). Ventily so zásuvkou sú zvyčajne ľahšie, spotrebujú menej oleja, majú menší priemer a menšiu medzeru medzi zásuvkou a telesom ventilu, čo vedie k nižšiemu úniku oleja; väčšinou však majú štruktúru s postupnými stupňami, relatívne zlú obrábateľnosť konštrukcie a vyššie straty pri škrtiacom účinku. Ventily so vložkou sú ťažšie, majú väčší priemer a medzera medzi vložkou a telesom ventilu je tiež relatívne väčšia; ich konštrukcia však má dobrú obrábateľnosť, gradient otváracej plochy je veľký a straty pri škrtiacom účinku sú malé. Medzera medzi zásuvkou a telesom ventilu alebo vložkou ventilu je ďalším dôležitým technickým parametrom pri výrobe hydraulických kameňolomov; príliš veľká alebo príliš malá medzera spôsobia, že ventil nebude fungovať správne.

(3) Mechanizmus na stabilizáciu tlaku akumulátora

Väčšina hydraulických kameňolomných zariadení má jeden alebo viac akumulátorov, ktoré plnia úlohu ukladania energie a stabilizácie tlaku. Hydraulické kameňolomné zariadenie vykonáva vonkajšiu prácu len počas pracovného zdvihu; návratový zdvih je prípravou na pracovný zdvih. Keď sa piest vracia, hydraulický olej vstupuje do akumulátora za tlaku vyššieho než je tlak v nabíjacích komorách a ukladá sa ako potenciálna energia oleja v akumulátore. Počas pracovného zdvihu piesta sa táto energia uvoľní a väčšina energie návratového zdvihu sa premení na nárazovú energiu. Týmto spôsobom akumulátor zvyšuje účinnosť prevádzky systému a súčasne zníži tlakové rázy a pulzácie prietoku spôsobené prepínaním rozdeľovacej ventilovej zásuvky.

(4) Ovládací mechanizmus

Kladivo je pohonnou súčiastkou hydraulického kameňolomného zariadenia, ktorá vykonáva vonkajšiu prácu a pôsobí priamo na pracovný objekt; ide o opotrebovateľnú súčiastku, ktorá vyžaduje dobrú odolnosť voči opotrebovaniu, tvrdú vonkajšiu vrstvu a húževnatý vnútorný materiál s postupne sa meniacou tvrdosťou od vonkajšej strany smerom dovnútra. Aby sa prispôsobilo rôznym pracovným podmienkam a pracovným objektom, kladivá sú dostupné v špičkovom, štvorcovom, lopatovom a plochom tvare.

(5) Mechanizmus na zabránenie výstrelov do prázdna

Keďže hydraulický kameňolom má veľkú nárazovú energiu, priamočiary náraz piesta do telesa valca by vážne poškodil teleso kameňolomu – vzniklo by prázdne vystrelenie. Konštrukcia na prevenciu prázdneho vystrelenia pozostáva z pridaného hydraulického tlmiaceho priestoru na prednej strane telesa valca. Keď kladivo ešte nenarazilo na kameň a pohybuje sa dopredu, nárazový piest vstupuje do tlmiaceho priestoru, stlačuje olej v ňom a tak absorbuje nárazovú energiu, čím sa dosiahne tlmená ochrana strojového telesa. Súčasne je uzavretý vstup oleja do predného priestoru, takže pod vplyvom gravitácie a pôsobenia dusíka v zadnej časti sa piest nemôže vrátiť späť; piest sa môže vrátiť len vtedy, keď kladivo opäť narazí na kameň a silou pažby ho odtlačí späť, čím piest vytlačí olej z tlmiaceho priestoru a vysokotlakový olej môže vstúpiť do predného priestoru, čím sa obnoví normálny chod. Ako je znázornené na obr. 1–4, po prebití objektu, ktorý sa má rozbiť, sa u hydraulického kameňolomu môže vyskytnúť najviac 1 až 2 prázdne vystrelenia, kým sa stroj úplne nezastaví. Operátor musí znova vybrať miesto nárazu, kladivo pevne pritlačiť, aplikovať tlak a kladivo tak odtláča piest od vstupu oleja do dolného priestoru, čím sa môže práca opäť začať.

(6) Ostatné mechanizmy

Medzi ostatné mechanizmy hydraulického kameňolomu patria: pripojovací rám, mechanizmus na tlmenie vibrácií, tesniaci systém, automatický mazací systém atď.

1.4.2 Klasifikácia hydraulických kameňolomov

Existuje mnoho typov hydraulických kameňolomov a mnoho spôsobov ich klasifikácie. Hlavné spôsoby klasifikácie sú nasledovné:

(1) Klasifikácia podľa spôsobu prevádzky

Hydraulické kameňolomy sa podľa spôsobu prevádzky delia na montované na nosných strojoch a ručné. Ručné typy sú malé kameňolomy, nazývané tiež hydraulické dláta; ich hmotnosť je zvyčajne nižšia ako 30 kg, ovládajú sa ručne, napájajú sa z vyhradenej hydraulickej čerpacej stanice a môžu široko nahradiť prevádzku pneumatických dlát. Typy montované na nosných strojoch sú stredné a veľké kameňolomy, ktoré sa priamo namontujú na rukoväť hydraulických bagrov, nakladačov a iných hydraulických nosných strojov a využívajú na prevádzku pohonný systém, hydraulický systém a systém pohybu rukoväte nosného stroja.

(2) Klasifikácia podľa pracovného prostredia

Hydraulické kameňolamy sa podľa pracovného prostredia delia na tri hlavné kategórie: čisto hydraulické, kombinované hydraulicko-pneumatické a dusíkovo-výbušné. Čisto hydraulické typy využívajú na pohon piesta výlučne tlak hydraulického oleja; kombinované hydraulicko-pneumatické typy využívajú súčasne na pohon piesta hydraulický olej a stlačený dusík v zadnej časti; dusíkovo-výbušné typy využívajú na pohon piesta výlučne okamžitú expanziu dusíka v zadnej dusíkovej komore.

(3) Klasifikácia podľa spätnoväzbovej metódy

Hydraulické kameňolomy sa podľa spôsobu spätnej väzby delia na spätnú väzbu podľa zdvihu a spätnú väzbu podľa tlaku. Rozdiel spočíva v spôsobe zberu spätnoväzbového signálu pre prepínanie rozdeľovacieho ventilu. Hydraulické kameňolomy so spätnou väzbou podľa zdvihu využívajú otváranie a zatváranie otvorov pre spätnú väzbu vysokotlakového oleja v zdvihu piesta na riadenie prepínania rozdeľovacieho ventilu; polohy otvorov pre spätnú väzbu je možné nastaviť len tuho a vzhľadom na konštrukčné obmedzenia je možné umiestniť najviac tri takéto otvory; preto hydraulické kameňolomy so spätnou väzbou podľa zdvihu nedokážu dosiahnuť stupňovo nepretržitú reguláciu frekvencie nárazov. Hydraulické kameňolomy so spätnou väzbou podľa tlaku zberajú tlak v systéme alebo tlak v dusíkovej komore na zadnom konci piesta na riadenie prepínania rozdeľovacieho ventilu; keď piest vstupuje do dusíkovej komory, tlak v tejto komore sa neustále mení a keď tlakový snímač inštalovaný v komore zaznamená prednastavený tlak, ventil sa prepne prostredníctvom mikropočítačového riadenia; keďže tlak, pri ktorom sa uskutoční prepínanie, je ľubovoľne nastaviteľný, hydraulické kameňolomy so spätnou väzbou podľa tlaku dokážu dosiahnuť stupňovo nepretržitú reguláciu.

(4) Klasifikácia podľa metódy distribúcie

Na základe tvaru rozdeľovacieho ventilu sa dajú klasifikovať do dvoch hlavných kategórií: trojcestný ventil s jednosmerným vracaním oleja a štvorcestný ventil s dvojsmerným vracaním oleja. Konštrukčné formy s jednosmerným vracaním oleja majú výhody jednoduchých olejových kanálov a ľahšej regulácie; v praxi sa používajú relatívne často. Jednosmerné vracanie oleja sa delí na vracanie oleja z prednej komory a vracanie oleja z zadnej komory; z týchto dvoch typov majú formy s vracaním oleja z prednej komory nevýhodu veľkého sacieho a vracacieho odporu oleja, preto je v súčasnosti najbežnejšou formou vracanie oleja z prednej komory pri konštantnom tlaku a vracanie oleja z zadnej komory. Štvorcestný ventil s dvojsmerným vracaním oleja sa nazýva aj dvojčinný typ; jeho charakteristickou vlastnosťou je chýbajúca komora s konštantným tlakom, pričom tlaky v prednej a zadnej komore sa striedavo menia medzi vysokým a nízkym; kvôli zložitým olejovým kanálom konštrukčnej formy s dvojsmerným vracaním oleja sa však tento typ v praxi vyskytuje zriedka.

(5) Klasifikácia podľa usporiadania rozdeľovacieho ventilu

Podľa usporiadania rozdeľovacieho ventilu sa dajú klasifikovať na dva typy: vnútorné a vonkajšie montážne. Typ s vnútornou montážou sa ďalej delí na typ so zásuvným valčekom a typ so vložkou. Rozdeľovacie ventily s vnútornou montážou sú integrované do telesa valca ako jeden celok, čo zabezpečuje kompaktnú konštrukciu; rozdeľovacie ventily s vonkajšou montážou sú nezávislé a umiestnené mimo telesa valca, čo zabezpečuje jednoduchú konštrukciu a pohodlnú údržbu a výmenu.

Okrem toho sa podľa úrovne hluku dajú klasifikovať na nízkohlučné a štandardné typy; podľa tvaru vonkajšieho puzdra sa dajú klasifikovať na trojuholníkové, vežovité a uzavreté kameňolamy atď. Rôzne metódy klasifikácie sú zhrnuté na obr. 1–5.