Teória návrhu vysokotlakového akumulátora

3.3.1 Úloha vysokotlakového akumulátora

Teoreticky potrebuje každý hydraulický kameňolam akumulátor s premenným tlakom – najmä veľký vysokotlakový akumulátor.

Vysokotlakový akumulátor, inštalovaný na vstupe systému hydraulického kameňolamu, slúži trom účelom:

(1) Vyrovnať prebytok a nedostatok dodávky systému a spotreby oleja. Keď je výtok čerpadla väčší ako spotreba oleja v systéme, vysokotlakový akumulátor absorbuje prebytočný výtok a slúži ako zariadenie na ukladanie oleja. Keď je výtok čerpadla menší ako spotreba oleja v systéme, vypúšťa olej na doplnenie nedostatku a pôsobí ako zariadenie na vypúšťanie oleja. Vysokotlakový akumulátor zohráva úlohu vyrovnávania prebytku a nedostatku prietoku v systéme a je dôležitou súčasťou pre stabilitu prevádzky systému.

(2) Absorbovať kolísanie tlaku v systéme a znížiť malé tlakové špičky, čím sa chránia potrubia a hydraulické komponenty a predĺži sa ich životnosť.

(3) Pri návrhu hydraulických nárazových mechanizmov pomocou abstraktnej teórie premenných pomáha dosiahnuť ekvivalentnú silu. Ak je akumulátor správne navrhnutý, možno dosiahnuť presnú ekvivalentnú silu, čím sa zabezpečí, že systém dosiahne požadované kinematické a dynamické vlastnosti.

Vzhľadom na dôležitú úlohu vysokotlakového akumulátora v hydraulickom systéme na rozdrviť kameň – a najmä jeho špeciálnu funkciu zabezpečujúcu požadované kinematické a dynamické vlastnosti systému – je veľmi dôležité vypracovať správnu teóriu a metódu návrhu vysokotlakového akumulátora.

3.3.2 Efektívny výtokový objem akumulátora

Efektívny výtokový objem je dôležitým prevádzkovým parametrom akumulátora a zároveň základom pre výpočty návrhu akumulátora. Keď hydraulický kameňový drvič pracuje v ustálenom stave, maximálny objem oleja, ktorý akumulátor uloží a vypustí v jednom cykle, sa nazýva efektívny výtokový objem a označuje sa Δ V .

Efektívny výtokový objem Δ V súvisí s kinematickými vlastnosťami. Ak je prietok čerpadla konštantný a ak je štruktúra a kinematika hydraulického kameňového drviča pevné, potom energia úderu W _H , frekvencia f _H a efektívny výtokový objem Δ V sú všetky nevyhnutne pevné. Pri návrhu akumulátora je teda už známy efektívny výtokový objem. Ako vypočítať Δ V bude predstavené v neskorších kapitolách.

3.3.3 Výpočet efektívneho objemu (nabíjací objem) Vₐ akumulátora

Základom pre výpočet efektívneho objemu akumulátora V _a je jeho skutočný efektívny výtokový objem Δ V . Keď Δ V pôsobí vo vnútri akumulátora, nevyhnutne spôsobuje zmenu tlaku oleja v systéme a musí sa udržiavať ekvivalentná sila F _g . Preto je potrebné preskúmať metódu návrhového výpočtu akumulátora, ktorá spĺňa vyššie uvedené požiadavky. Diagram tlaku (sily) v závislosti od objemu akumulátora počas prevádzky je znázornený na obr. 3-2.

Hoci pracovná frekvencia hydraulického kameňolomného kladiva nie je veľmi vysoká, proces stlačenia a rozširovania dusíka v ňom prebieha pomerne rýchlo, pričom nie je k dispozícii dostatok času na výmenu tepla so susedným prostredím; môže sa preto považovať za adiabatický proces. Z rovnice stavu plynu:

p ₁V ^k ₁ = p ₂V ^k ₂ = p _a V ^k _a                                                              (3.12)

kde: p _a — tlak náplne, t. j. tlak uzavretého plynu;

       V _a — objem náplne, t. j. objem akumulátora v prípade, keď je piest v mieste nárazu (všeobecne maximálny pracovný objem V _amax );

       p ₂— maximálny pracovný tlak;

       V ₂— objem zodpovedajúci p ₂(všeobecne minimálny pracovný objem V _{2 min} );

       p ₁— minimálny pracovný tlak;

       V ₁— objem zodpovedajúci p ₁, V ₁ < V _a .

V rovnici (3.12), k = 1,4 je adiabatický exponent. Zrejme:

δ V = V ₁ − V ₂                                                                      (3.13)

Z rovnice (3.12):

V ₁ = V _a (p _a / p ₁)^1/K                                                                 (3.14)

V ₂ = V ₁ (p ₁ / p ₂)^1/K                                                                 (3.15)

Dosadením do rovnice (3.13) dostaneme:

δ V = V _a (p _a / p ₁)^1/K [1 − 1 / ( p ₂ / p ₁)^1/K ] (3.16)

V rovnici (3.16) nech p _a / p ₁ = a = 0,8 až 1; a pomer pracovného tlaku plynu γ = p ₂ / p ₁, zvyčajne γ = 1,2 až 1,45, sa volí na základe prevádzkových vlastností hydraulického kameňolamu. Keď a = 1, minimálny pracovný tlak piesta sa rovná tlaku nabitia ( p _a = p ₁); v tomto stave V ₁ = V _a . Aby sa zabránilo dotyku membrány akumulátora so spodnou časťou pri minimálnom pracovnom tlaku hydraulického kameňolamu – čo by skrátilo životnosť – a mala by byť nastavená na menej ako 1.

Pri výbere existujú dva aspekty, ktoré je potrebné zohľadniť γ : keď γ je veľká, pretože akumulátor pracuje v adiabatickom stave, teplota prudko stúpa, čo môže spôsobiť predčasné zhoršenie membrány akumulátora alebo dokonca jej prehriatie a poškodenie; zvýšenie γ však účinne zníži efektívny objem V _a akumulátora, čo je veľmi výhodné pri znižovaní konštrukčných rozmerov akumulátora. Konštruktér musí zvážiť výhody a nevýhody a rozhodnúť sa na základe podmienok použitia; preto:

δ V = V _a a ^1/K (1 − 1 / γ ^1/K ) (3.17)

Z rovnice (3.17) možno určiť efektívny objem akumulátora:

V _a = Δ Vγ ^1/K \/ [ a ^1/K (γ ^1/K − 1)] (3.18)

Rovnica (3.18) ukazuje, že z efektívneho výtlaku Δ V sa dá určiť zodpovedajúci náplňový objem, aby sa dosiahli navrhované kinematické parametre a Δ V . V praxi je efektívny výtlak Δ V olej, ktorý akumulátor dopĺňa do piesta počas pracovného zdvihu, aby kompenzoval nedostatočný prívod oleja zo súpravy čerpadla.

Pre výpočet efektívneho výtlaku Δ V pozri kapitolu 7.5. Aby sa splnili požiadavky optimálneho návrhu, výpočet efektívneho výtlaku Δ V sa pre rôzne návrhové ciele mení v závislosti od vybranej α _u (pozri oddiely 7.2.5 a 7.27a).

3.3.4 Výpočet minimálneho prevádzkového tlaku p₁ a tlaku náplne pₐ

V tomto bode, hoci V _a bolo určené a môže sa použiť na návrh konštrukčných parametrov akumulátora, úloha návrhového výpočtu akumulátora ešte nie je dokončená. Najkritickejšou otázkou je, ako ovládať tlak oleja tak, aby sa dosiahla ekvivalentná sila; a len dosiahnutím ekvivalentnej sily sa zabezpečí navrhovaná kinematika, čo zase zaručuje Δ V . Inými slovami, medzi Δ V a F _g .

Je potrebné zdôrazniť, že keď V _a je pevnou hodnotou, p ₁, p ₂a p _a môže mať mnoho kombinácií, ktoré umožňujú dosiahnuť viacero ekvivalentných síl, viacero dynamických stavov a viacero kinematických stavov – t. j. viacero hodnôt Δ V úlohou ďalej je, pri danom pevnom V _a , nájsť kombináciu p ₁, p ₂a p _a ktorá dokáže dosiahnuť požadovanú ekvivalentnú silu F _g a Δ V pretože keď p _a sa mení, W _H , f _H , Δ V , p ₁a p ₂sa všetky zodpovedajúcim spôsobom menia. Inými slovami, musí existovať tlaková sila náplne p _a ktorá zaručuje dosiahnutie ekvivalentného tlaku p _g samozrejme, základom pre určenie p _a is p ₁a p ₂, teda ekvivalentného tlaku p _g akonáhle sú pochopené vzťahy medzi týmito parametrami, možno určiť metódu pre nájdenie p ₁, p ₂a p _a z ekvivalentného tlaku p _g možno študovať.

Obr. 3-2 znázorňuje p –V diagram vysokotlakového akumulátora počas prevádzky. Na základe tohto diagramu a v kombinácii s princípom ekvivalentnej sily – práca vykonaná premennou silou sa rovná práci vykonanej ekvivalentnou silou – dostávame:

p _g δ V = ∫ _V₂ ^V₁ p hĺbka V                                                                  (3.19)

V rovnici (3.19):

p = C / V ^k

Dosadením do rovnice (3.19) a integrovaním:

p _g δ V = C ∫_V₂ ^V₁ hĺbka V / V ^k = 1 / (1 − k ) ( p ₁V ^k ₁V ^1−k ₁ − p ₂V ^k ₂V ^1−k ₂) (3.20)

Preto:

p _g δ V = 1 / (1 − k ) ( p ₁V ₁ − p ₂V ₂) (3.21)

Zrušujúc V ₁a V ₂dosadením a dosadením rovnice (3.17) dostaneme:

p _g = p ₁\/ ( k − 1) · ( γ − γ ^1/K ) / ( γ ^1/K − 1) (3.22)

Po úprave:

p ₁ = p _g (k − 1) ( γ ^1/K − 1) / ( γ − γ ^1/K ) (3.23)

V rovnici (3.23) p _g je ekvivalentný tlak pôsobiaci na tlakovú plochu piesta. S ohľadom na straty tlaku v systéme by mal byť vyjadrený ako menovitý tlak systému p _g = p _H / K . Zabezpečuje plynulú pohybnosť, zatiaľ čo p ₁a p ₂získaný týmto spôsobom bude bližší skutočným hodnotám. Preto:

p ₁= ( p _H / K )(k − 1)( γ ^1/K − 1) / ( γ − γ ^1/K ) (3.24)

p ₂ = γp ₁                                                                             (3.25)

p _a = ap ₁                                                                             (3.26)

V rovnici (3.24) je koeficient odporu zohľadňujúci straty tlaku v systéme K = 1,1 až 1,2.

Keď vysokotlakový akumulátor hydraulického kameňolomu pracuje pri týchto parametroch, zaručuje dosiahnutie ekvivalentného účinku sily pohybu, realizáciu navrhovanej kinematiky a dodanie požadovanej nárazovej energie a nárazovej frekvencie. Tým sa zjednoduší zložitý výpočtový problém a nelineárny problém sa linearizuje.

Na základe vyššie uvedeného sa hydraulické nárazové zariadenie (hydraulický kameňolom a hydraulický kameňolom) – nelineárny systém – premení na lineárny systém. Z teoretického hľadiska sa piest môže pohybovať po zdvihu S podľa ľubovoľného vzoru, pokiaľ je možné ho ovládať a v bode nárazu dosiahne požadovanú maximálnu rýchlosť v _m — všetko toto je realizovateľné. Pre každý pohybový vzor piesta musí existovať zodpovedajúci vzor zmeny sily; tieto dva vzory sú navzájom prepojené ako príčina a následok. Inými slovami, akýkoľvek pohybový vzor má piest, musí sa na neho pôsobiť zodpovedajúcim vzorom zmeny sily — sila je príčinou, pohyb je následkom.

Samozrejme, po návrhu optimálneho pohybového vzoru sa dá nájsť aj zodpovedajúci vzor zmeny sily, čím sa vyvstanú dve teoretické témy pre výskum hydraulických kameňolamov: kinematika a dynamika hydraulického kameňolamu.