Grundläggande tekniska parametrar

2.1 Grundläggande tekniska parametrar

2.1.1 Parametrar för en hydraulisk bergbrytare

(1) Prestationsparametrar

W och slagfrekvens f är de prestationsparametrar som beskriver en hydraulisk bergbrytare. W definierar bergbrytarens arbetskapacitet; f definierar dess arbetsfrekvens.

Utgående effekt för en hydraulisk bergbrytare kan uttryckas som:

N = W × f                                           (2.1)

Eftersom de två parametrar som beskriver prestanda – slagenergi och slagfrekvens – är ömsesidigt kopplade, är förhållandet mellan W till f måste noggrant balanseras. Under villkoret med minsta installerad kapacitet bör maximal arbetsverkningsgrad uppnås. För en hydraulisk bergbrytare krävs stor slagenergi W och slagfrekvensen f bör lämpligen minskas för att uppfylla kraven på hög slagkraft och bra bryteffekt. För en hydraulisk bergborr, även om den också är en hydraulisk slagmekanism, krävs liten slagenergi W och så hög slagfrekvens f som möjligt för att uppfylla kraven på höghastighetsborrning.

(2) Arbetsparametrar

Maximal pistonslaghastighet v _m , arbetsflöde Q , arbetstryck p , och optimal tryckkraft F _T är de arbetsparametrar som gäller för en hydraulisk bergborr.

● Maximalt stötfart för kolven v _m : detta är den momentana kontaktfarten när kolven träffar borrhuvudets ände. Den motsvarande kinetiska energin för kolven definieras som slagenergin för den hydrauliska hammaren W . När kolvens kinetiska energi fullständigt överförs till målet är slagenergin för den hydrauliska hammaren:

W = ½ mv ²_m                                            (2.2)

där: m — kolvmassa.

Från ekvation (2.2) följer att ju högre stötfarten för kolven är, desto högre är slagenergin.

Ökningen av v _m begränsas dock av två faktorer:

1) Materialens egenskapsgränser för kolven och borrhuvudet. Slutfart vid stöten v _m har samband med kontaktspänning σ ; ju högre σ , desto mer påverkar det kolvens och mejselns livslängd. Under den tillåtna kontaktspänningen σ , är den typiska valet v _m = 9 till 12 m/s. När materialvetenskapen utvecklas kan värdet på v _m ytterligare ökas.

2) Frekvensgräns för slagmekanismen. Eftersom kolvkonstruktionen och slaglängden är begränsade, tar det mycket liten tid att accelerera till den krävda v _m vid en fast slaglängd. Det är uppenbart att ju större v _m , desto kortare blir den nödvändiga accelerations tiden.

En låg frekvens innebär att kolvens cykeltid och slagtiden båda är långa, medan en hög v _m leder nödvändigtvis till kortare slaglängd och cykeltid — dvs. hög slagfrekvens — vilket inte uppfyller kraven på lågfrekvent konstruktion.

● Arbetsflöde Q : flödet som hydraulpumpen levererar till den hydrauliska bergbrytaren under drift; det är en oberoende variabel. Beteendet och prestandaparametrarna för den hydrauliska bergbrytaren är alla nära kopplade till arbetsflödet och utgör funktioner av arbetsflödet; de förändras när arbetsflödet förändras.

● Arbetstryck p : det tryck som det hydrauliska systemet kräver när den hydrauliska bergbrytaren är i drift — det systemtryck som krävs för att uppnå dess prestandaparametrar. Arbetstryck p är en beroende variabel; det förändras när inmatningsflödet Q och konstruktionsparametrarna förändras. Under drift, när alla andra parametrar förblir oförändrade, kan trycket p inte aktivt ändras. Arbetstryck p och inmatningsflöde Q uppfylla den grundläggande principen för hydraulisk teknik: systemtrycket bestäms av den yttre lasten. Utifrån denna princip innebär utformning av en hydraulisk bergborrare att använda strukturella parametrar och arbetsflöde för att säkerställa att det systemarbetstryck som krävs p uppnås.

● Tryckkraft F _T när den hydrauliska bergbrytaren är i drift orsakar accelerationen av kolven under kraftslaget att maskinkroppen rycker tillbaka, vilket får mejseln att förlora kontakt med målet och förhindrar att slaget fungerar normalt. För att övervinna denna rekyl måste en kraft appliceras längs axeln på bergbrytarkroppen – så kallad tryckkraft. Tryckkraften måste vara tillräckligt stor för att hålla mejseln i fast kontakt med det objekt som ska träffas. Tryckkraften måste vara optimal. Med andra ord finns det ett problem med att bestämma den optimala tryckkraften, vilket är nära kopplat till storleksklassen för bärmaskinen. Om bärmaskinen är för liten är den tryckkraft den kan leverera otillräcklig; om den är för stor uppfylls kravet på tryckkraft även om investeringskostnaden för bärmaskinen ökar, vilket också är oönskvärt. Vid utformning av hydrauliska bergbrytare har det alltid varit ett optimeringsmål att uppnå hög slagenergi med en liten tryckkraft. Detta gör det möjligt att kombinera en hydraulisk bergbrytare med hög slagenergi med en mindre bärmaskin, vilket skapar en effektiv arbetskonfiguration och minskar driftkostnaderna.

(3) Strukturella parametrar

De tre kolvdiametrarna d ₁, d ₂, och d ₃, arbetsmassa m , och arbetsgång S är de strukturella parametrarna för en hydraulisk bergborrare. De strukturella parametrarna bestämmer dess prestandaparametrar. Att utforma en hydraulisk bergborrare innebär i princip att fastställa de strukturella parametrarna d ₁, d ₂, d ₃, m , och S som säkerställer att de krävda prestandaparametrarna uppnås. När de strukturella parametrarna är fastställda ändras alla prestandaparametrar och driftparametrar med inmatningsflödet och är funktioner av inmatningsflödet.

2.1.2 Drivoljetryck och nominellt tryck

(Nominellt tryck betecknas p _H genom hela detta avsnitt)

När den hydrauliska bergborraren är i drift driver hydrauloljan kolven i rörelse, och rörelsemönstret för kolven bestäms av hur denna oljekraft förändras — detta är kolvens kinematik och dynamik.

Med tanke på kolvmassan m , accelerationen a , och kolvens tröghetskraft F _K , ger Newtons andra lag:

F _K = mA                                              (2.3)

Den drivande kraften F är lika med F _K i storlek men motsatt i riktning. Den drivande kraften F som verkar på kolven genereras av oljetrycket p i kammaren och kan uttryckas som:

p = F _K / A = mA / A = ( m / A ) · d v / d t             (2.4)

där: m — kolvmassa, konstant;

 A — kolvens tryckbärande area, konstant;

 v — kolvhastighet; den momentana flödeshastigheten q som driver kolvrörelsen uppfyller:

AV = q                                               (2.5)

Sedan v och q i ekvation (2.5) är funktioner av tiden; derivering v och q med avseende på tid ger:

A d v / d t = D q / d t                                  (2.6)

Genom att substituera ekvation (2.6) i ekvation (2.4) erhålls:

p = ( m / A ²) · d q / d t                              (2.7)

I ekvation (2.7), m / A ²är en konstant; d q / d t representerar förändringshastigheten för systemflödet.

Från ekvationerna (2.3)–(2.7) upprättas systemtrycket på basis av det varierande inflödet till oljekammaren. Med andra ord bygger förändringen i hydrauloljeflöde upp kolvens acceleration och tröghetskraft, vilket i sin tur bildar trycket i oljekammaren. p .

Systemoljetryck p är proportionellt mot kolvmassan m och förändringshastigheten för flödet d q /dt , och omvänt proportionellt mot kvadraten på kolvens tryckbärande area A . För att minska systemoljetrycket p , är att öka kolvens tryckbärande area A den mest effektiva metoden, men det gör också maskinkroppen större, så båda faktorerna måste beaktas vid konstruktionen.

Systemoljetryck p är en funktion av flödet och är en beroende variabel; den kan inte ändras aktivt under drift, utan endast ändras när inmatningsflödet ändras. Eftersom oljan som strömmar in i oljekammaren är en funktion av tiden när den hydrauliska bergborren är i drift, varierar oljetrycket p också med tiden och har inget konstant värde. Oljetrycket som anges på ett produktdatablad, vilket författarna kallar det nominella oljetrycket, betecknas p _H . Vid detta tryck uppnår de hydrauliska bergborrens prestandaparametrar sina nominella värden. p _H är en virtuell parameter – den existerar inte faktiskt – men den är extremt viktig vid utformning och användning av en hydraulisk bergborre. Vid utformning används p _H som grund för beräkning av prestandaparametrar, driftparametrar och konstruktionsparametrar samt för urval av komponenter till det hydrauliska systemet. I fält blir den en viktig referens för operatören att bedöma om systemet fungerar normalt eller inte. Parametern p _H kommer att diskuteras mer ingående i senare kapitel.