Analys av hur en hydraulisk bergbrytare fungerar

2.2 Analys av hur en hydraulisk bergbrytare fungerar

En hydraulisk bergbrytare finns i många olika konstruktionsformer. Utgående från verkningsprincipen abstraherar och sammanfattar författarna de mest grundläggande och kritiska idéerna för en hydraulisk bergbrytare och reducerar dem till tre grundläggande driftsätt: rent hydrauliskt, hydrauliskt-pneumatiskt kombinerat samt kväveexplosivt.

2.2.1 Rent hydrauliskt verkningsprincip

Det rena hydrauliska funktionsprincipen har tre utföringsformer: konstant tryck i framkammaren / varierande tryck i bakkammaren (förkortat "principen med konstant tryck i framkammaren"), konstant tryck i bakkammaren / varierande tryck i framkammaren (förkortat "principen med konstant tryck i bakkammaren") samt varierande tryck i både fram- och bakkammaren (förkortat "principen med varierande tryck").

(1) Principen med konstant tryck i framkammaren

Detta var den funktionsprincip som först antogs vid början av utvecklingen av hydrauliska bergborrare; alla efterföljande tekniska framsteg bygger på denna. Den hydrauliska bergborraren med konstant tryck i framkammaren visas i fig. 2-1.

Från fig. 2-1 består systemet av en cylinderkropp, en kolvm, ett reglerventil och oljepassager. Cylinderkroppen och kolven utgör stötmekanismen. Kolven rör sig fram och tillbaka inuti cylinderkroppen, driven av hydraulolja, och avger stotenergi utåt samt utövar en stor stotkraft på målet, vilket ger upphov till en hammareffekt. Reglerventilens funktion är att växla riktningen för den olja som driver kolven, vilket uppnår en periodisk gående rörelse hos kolven.

Den hydrauliska bergborsten som visas i fig. 2-1 har sin kolvm vid stotpunkten; ventilslingan befinner sig i läget där den precis har slutfört omställningen från kraftstroke till returstroke. I detta ögonblick strömmar högtrycksolja in i cylinderns konstanta högtryckskammare (kammare a ) genom ventilens konstanta högtrycksport och driver kolven under returstroke (åt höger). Oljan i kolvens variabla tryckkammare (kammare b ) återförs till tanken genom port 4 och ventilen variabla tryck/returoljeport. När kolven rör sig tillbaka tills dess främre axel passerar port 2 på cylinderkroppen, dirigeras högtrycksolja in i tryckventilens port 5, vilket får ventilen att växla (åt vänster). Eftersom ventilens konstanta högtryckskammare nu är ansluten till den mellanliggande variabla tryckkammaren, strömmar högtrycksolja in i kolvens bakre kammare b genom port 4. Båda sidor av kolven befinner sig nu under högtrycksolja, men eftersom tryckytans area i den bakre kammaren b är större än den i den främre kammaren a kolven börjar bromsa in under återfärden, dess hastighet sjunker till noll och den påbörjar kraftslagen (åt vänster). När kolvens centrala fördjupning ansluter portar 2 och 3 har kolven just nått stötpunkten och slutfört en cykel; samtidigt ansluts tryckventilport 5 till returoljeledningen, så att spolen växlar åt höger och återgår till läget som visas i figur 2-1, vilket slutför en fullständig cykel och förbereder kolven för nästa återfärd. På detta sätt uppnår kolven kontinuerlig stötverkan och avger kontinuerligt stotenergi. Luftkammare c i detta arbetsprincip ventileras till atmosfären.

(2) Princip för konstant tryck i bakre kammaren

Det bör påpekas att denna arbetsprincip endast kan realiseras om tryckytans area i kolvens främre kammare a är större än i den bakre kammaren b , dvs. kolvens främre kammardiameter är mindre än den bakre kammardiametern ( d ₁ > d ₂).

Fig. 2-2 visar schematiskt en hydraulisk bergborr med konstant tryck i bakre kammaren och varierande tryck i främre kammaren.

Jämfört med fig. 2-1 är den enda skillnaden att anslutning 1 på cylinderkroppen är kopplad till ventelns kammare med varierande tryck istället för kammaren med konstant tryck (högtryck); anslutning 4 är direkt kopplad till ventelns kammare med konstant tryck; alla andra oljeledningar är desamma. Fig. 2-2 visar ögonblicket då kolvens kraftgång precis har avslutats och venteln redan har växlat – systemet befinner sig i det ögonblick då återgången börjar.

Arbetskaraktäristiken för detta princip är att den hydrauliska bergborren inte avger olja under återgången, men avger olja under kraftgången; samt att tryckytan i främre kammaren a är större än i den bakre kammaren b eftersom kraftslagets urladdningstid är kort och flödet stort är de hydrauliska tryckförlusterna vid detta princip större än vid frontkammarens konstanttrycksprincip. För närvarande använder de flesta hydrauliska bergbrytare inte denna princip.

(3) Front- och bakre kammare med varierande tryck

Front- och bakre kammare med varierande tryck illustreras i fig. 2-3. Från detta schemat framgår det lätt att denna typ av hydraulisk slaganordning har en komplex struktur med många kanaler, vilket ökar tillverkningskostnaderna. Därför används den inte idag i hydrauliska bergbrytare; den används dock fortfarande på vissa märken av hydrauliska bergborrar.

Fig. 2-3 visar läget vid slutet av kolvens kraftslag och början av återstöten. När återstöten påbörjas strömmar högtrycksopt från ventelns mellankammare in i kolvens framkammare a genom den vänstra kammaren och cylinderport 1 och driver kolven åt höger. Oljan i bakre kammaren b utsläpps i oljetanken genom cylinderport 5 och ventelns högra kammare. Under återfärden, när kolvens vänstra axel passerar port 2 på cylinderkroppen, trycker högtrycksojl genom port 7 på ventelspolen så att den växlar till höger; ventelspolen växlar momentant om försörjnings- och avloppsoljevägarna i cylinderkroppen – cylinderport 5 går till högt tryck och cylinderport 1 går till tankretur – så att kolven börjar bromsas, dess hastighet sjunker snabbt till noll och den växlar till kraftstötsacceleration. När kolvens kraftstöt når slagpunkten ansluter kolvens centrala fördjupning cylinderportar 2 och 3, portar 4 och 5 ansluter, ventelspolens vänstra sida ansluter via port 7 till portar 2 och 3 för oljereturen, och ventelspolens högra sida, port 6, ansluter via portar 4 och 5, ventelns högra sida och mellankammaren, till högt tryck, vilket får spolen att växla till vänster, ändra cylinderkroppens försörjnings- och avloppsoljevägar och slutföra en arbetscykel för kolven. Kolven och spolen i den hydrauliska slaganordningen återgår till tillståndet som visas i fig. 2-3 – början på återfärden. På detta sätt ger den hydrauliska bergbrytaren, genom kolvens kontinuerliga gående rörelse, kontinuerligt ut slagenergi utåt och utför effektivt slagarbete.

Alla tre renhydrauliska funktionsprinciper som beskrivs ovan används för närvarande i hydrauliska bergborrare, hydrauliska bergkrossare och andra hydrauliska slagmekanismer, men hydrauliska bergkrossare använder fortfarande oftare den kombinerade hydraulisk-pneumatiska funktionsprincipen.

2.2.2 Kombinerad hydraulisk-pneumatisk funktionsprincip

Från analysen av den renhydrauliska funktionsprincipen framgår det att allt slagenergi i en renhydraulisk slagmekanism tillförs av hydrauliken. När användningen av renhydrauliska bergkrossare ökade och forskningen framskred, upptäcktes dock att de hydrauliska förlusterna var ganska stora, vilket begränsade ytterligare effektivitetsförbättringar. Oljan som strömmar genom kanalerna i cylinderkroppen måste glida mot rörväggarna, och de hydrauliska förlusterna orsakade av krökningar, diameterändringar och ändringar i strömningsriktning är betydande; ju större flödet, desto större förlusterna, och detta är särskilt allvarligt under kraftslaget.

För närvarande används främst den hydraulisk-pneumatiska kombinerade arbetsprincipen för hydrauliska bergbrytare som kräver stor slagenergi och låg frekvens, samt för hydrauliska påldrivare.

För att förbättra effektiviteten hittade man efter omfattande forskning en enkel och effektiv metod: att använda gas och olja tillsammans för att tillföra slagenergin till den hydrauliska bergbrytaren. Detta minskar flödet som krävs under kraftslaget – vilket minskar hydrauliska förluster och förbättrar arbetseffektiviteten – och därmed den hydraulisk-pneumatiska kombinerade hydrauliska bergbrytaren.

Den strukturella principen för den hydraulisk-pneumatiska kombinerade hydrauliska bergbrytaren är mycket enkel: ladda bara luftkammaren c enligt de tre renhydrauliska principerna som nämns ovan med kvävgas vid ett visst tryck. Eftersom kvävgas nu finns närvarande, komprimeras kvävgasen när kolven utför återgående rörelse och energi lagras; vid kraftstöten frigörs denna energi tillsammans med oljan för att driva kolven, vilket ger kinetisk energi vid stötpunkten och omvandlar den till stötningsenergi. Tydligt är att kvävgasens roll nödvändigtvis minskar mängden olja som används under kraftstöten, vilket minskar oljeförbrukningen och därmed uppnår lägre hydrauliska förluster och högre verkningsgrad.

Jämfört med en renhydraulisk bergborrare är den effektiva tryckbärande ytan i kolvens bakre kammare b i en hydraulisk-pneumatisk kombinerad hydraulisk bergborrare minskas. Denna minskning av den effektiva tryckbärande ytan innebär lägre oljeförbrukning under kraftslaget och lägre hydrauliska förluster – detta är den avgörande anledningen till att hydraulisk-pneumatiska kombinerade hydrauliska bergborrare har utvecklats snabbt de senaste åren. Hydraulisk-pneumatiska kombinerade hydrauliska bergborrare använder nästan alla principen med konstant tryck i framkammaren; detta är också en nyckelfunktion för den hydraulisk-pneumatiska kombinerade typen.

2.2.3 Kväveexplosiv arbetsprincip

Arbetsprincipen för en kväveexplosiv hydraulisk bergborrare skiljer sig inte i grunden från den för en hydraulisk-pneumatisk kombinerad hydraulisk bergborrare; endast kolvens strukturella parametrar skiljer sig åt. Den avgörande skillnaden är att kolvens diameter framåt och bakåt är lika, dvs. d ₂ = d ₁, och all slagenergi tillförs av kväve.

Likstora kolvar i fram- och bakkammaren är den främsta egenskapen hos den kväveexplosiva hydrauliska bergbrytaren. Under kraftslaget förbrukar inte bakkammaren olja, och allt slagenergi kan levereras av kväve. Förstås tillförs kvävets lagrade energi av hydrauliken under återställningsslaget och omvandlas till rörelseenergi under kraftslaget. Därför är det i slutanalysen fortfarande hydraulisk energi som omvandlas – men genom kompression och energilagring i gasmedium släpps den lagrade kväveenergin ut under kraftslaget och omvandlas till kolvens mekaniska energi.

Det bör påpekas att endast principen med konstant tryck i framkammaren kan tillämpas på den hydrauliska bergsprängningsanläggningen med kvävgas; varken principen med konstant tryck i bakkammaren eller principen med varierande tryck i både fram- och bakkammaren kan tillämpas på en hydraulisk bergsprängningsanläggning av kvävgastyp. Anledningen är tydlig så snart man förstår kolvens egenskap som d ₂ = d ₁.