Grundläggande arbetsprincip för hydrauliska bergbrytare

1.3 Grundläggande funktionsprincip för hydrauliska bergbrytare

En hydraulisk bergbrytare är en stötmaskin som omvandlar hydraulisk energi till mekanisk energi. Den innehåller två grundläggande rörliga komponenter – en kolvmotor och en fördelningsventilspets – som ömsesidigt styr varandra via återkoppling: den växlande rörelsen hos ventilspetsen styr kolvmotorns omställning, och kolvmotorn öppnar eller stänger i sin tur vid början och slutet av varje slag kontrolloljepassagen för ventilen, vilket realiserar ventilomställningen – och så fortsätter cykeln … Grundprincipen för en hydraulisk bergbrytare är: genom denna återkopplingsstyrning mellan kolvmotor och ventilspets utför kolvmotorn snabba växlande rörelser under påverkan av hydraulisk (eller gas) kraft och slår mot mejseln för att utföra arbete utåt.

Hydrauliska bergbrytare finns i många typer och former, vilka beskrivs i detalj i senare kapitel. Nedan används en frontkammare med konstant tryck och en bakre kammare med varierande tryck som exempel för att beskriva dess funktionsprincip:

Som framgår av diagrammet, när återstöten påbörjas strömmar högtrycksoil in i kolvens framkammare genom oljeport 1 och verkar samtidigt på den nedre änden av riktventilens spets, vilket håller spetsen stabilt i det läge som visas i diagram (a). Vid detta tillfälle finns högtrycksoil i kolvens framkammare; bakre kammaren är ansluten till retur-T via oljeport 4. Driven av oljetrycket i framkammaren accelererar kolven under återstöten och komprimerar kvävgasen som lagrats i kvävgaskammaren (förutom vid ren hydraulisk typ); ackumulatorn lagrar olja. När kolvens återstöt når styrport 2 når högtrycksoil den övre änden av ventilspetsen. Vid detta tillfälle är både den övre och den undre änden av spetsen anslutna till högtrycksoil; eftersom den effektiva arean på den övre änden av spetsen är större än den effektiva arean på den undre änden i konstruktionen växlar spetsen till läget i diagram (b) under inverkan av högtrycksoilen. Vid detta tillfälle är både kolvens fram- och bakre kammare anslutna till högtrycksoil; ackumulatorn avger olja för att kompensera systemet. Under inverkan av den sammansatta kraften F_q accelererar kolven under kraftstöten, träffar mejseln och avger slagenergi. När kolven passerar slagpunkten är styrportarna 2 och 3 anslutna och kopplade till returoljan T; oljetrycket vid den övre änden av ventilspetsen sjunker; under inverkan av oljetrycket vid den undre änden växlar ventilspetsen snabbt tillbaka till läget i diagram (a). När ursprungsläget återuppnås påbörjar kolven återstöten och går in i nästa slagcykel, och så vidare cykliskt. I denna process illustreras sambandet mellan kolven och ventilspetsen i figur 1-2.

Från Fig. 1-1 framgår det att under kraftslaget, om man bortser från kolvens tyngdkraft och friktionsmotstånd, består den kraft F_q som driver kolven och utför arbete främst av hydraultrycket och kvävgasens tryck, dvs. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Den drivande kraften F_q beror på skillnaden i effektiv area mellan fram- och bakre kammare, oljetrycket p samt kvävgaskammarens tryck p_N. Baserat på olika förhållanden mellan olje- och gasarbete kan tre driftformer bildas: ren hydraulisk, hydraulisk-pneumatisk kombinerad samt kvävgasexplosiv.

Ren hydraulisk: p_N = 0. I denna form saknar den hydrauliska bergborsten någon kvävgaskammare och kolven drivs helt av tryckskillnaden mellan övre och undre kammaren. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Denna form är den tidigaste formen som förekom när hydrauliska bergborstar först introducerades.

Hydraulisk-pneumatisk kombination: I denna form är d₁ < d₂, och samtidigt läggs en kvävekammare till vid kolvens bakända, vilket innebär att kväve används för att utföra arbete, p_N > 0. F_q består främst av två delar: tryckdifferensen mellan fram- och bakkammaren i oljan samt kraften från kvävekompressionen och -expansionen. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Denna form är för närvarande den vanligaste typen av hydraulisk bergborrare. Baserat på de olika andelarna av olje- respektive gasarbete i den totala drivkraften, dvs. olika förhållanden mellan gas- och vätskearbete, kan produkter med olika prestanda skapas.

Kväveexplosiv: I denna form är d₁ = d₂ och p_N > 0. Den hydrauliska kraften i övre och undre kammaren är noll; kolvens arbete under krafttåget drivs helt av gastrycket i kvävekammaren. F_q = π/4 · p_N · d₁². Denna form är den senaste typen av hydraulisk bergborrare.

Alla tre typerna har sina fördelar och nackdelar, men deras totala prestanda förbättras från en generation till nästa. Den rent hydrauliska typen, som var den första formen av produkt när hydrauliska bergborrare först dök upp, har en enkel konstruktion och pålitlig drift utan krav på någon initial tryckkraft, men har en låg energiutnyttjningsgrad och är inte lämplig för tillverkning av storskaliga produkter. Den hydraulisk-pneumatiska kombinationstypen utgör en stor genombrott jämfört med den rent hydrauliska typen: genom att lägga till en kvävekammare vid kolvens bakända utnyttjas återstötsenergin effektivt och slagkraften förbättras kraftigt; men konstruktionen är komplex och en initial tryckkraft krävs för att den ska fungera. Den kväveexplosiva hydrauliska bergborraren behöver, ur energiperspektiv, ingen oljebaserad arbetsinsats under kraftslaget och är därför mer energieffektiv; samtidigt är kolvens fram- och bakkammare lika stora i diameter, vilket effektivt löser problemet med otillräcklig momentan oljetillförsel under kolvens kraftslag. På grund av den höga initiala kvävefyllningstrycket krävs dock en större tryckkraft.

1.4 Grundläggande struktur och klassificering av hydrauliska bergbrytare

1.4.1 Grundläggande struktur av hydrauliska bergbrytare

Även om hydrauliska bergbrytare finns i många olika varianter delar de gemensamma strukturella egenskaper. Den grundläggande uppbyggnaden av en hydraulisk bergbrytare omfattar: cylinderkropp, kolvm, fördelningsventil, ackumulator, kvävekammare, mejselsäte, mejsel, höghållfasta skruvar samt tätningssystem. Olika typer av hydrauliska bergbrytare skiljer sig något åt i struktur, men varje bergbrytare innehåller två grundläggande rörliga komponenter – kolvm och ventilspets. Dess grundläggande struktur visas i figur 1-3.

(1) Slagmekanism

En hydraulisk bergbrytare har en relativt lång och smal kolvm, vilket är den viktigaste komponenten. Enligt teorin för spänningsvågsöverföring ska kolvens slagenergi överföras maximalt; därför är kolvens diameter i allmänhet ungefär lika med eller nästan lika med slutdiametern på mejselns skaft, för att säkerställa fullständig kontakt vid slagytan och därmed uppnå effektiv energiöverföring. Spelen mellan slagkolven och cylinderkroppen eller fodret är en mycket viktig teknisk parameter. Om spelet är för stort uppstår mycket stora interna läckningar, vilket leder till otillräcklig slagkraft och kan till och med göra att bergbrytaren inte fungerar normalt; om spelet är för litet kan kolvrörelsen bli trög eller det kan uppstå klistring, samtidigt som tillverkningskostnaderna stiger kraftigt.

(2) Fördelningsmekanism

En hydraulisk bergbrytare har i allmänhet en fördelningsventil som ändrar riktningen för strömmen av hydraulolja, genom vilken den styr och driver den reciproka rörelsen hos slagkolven. Fördelningsventilers strukturella former är många; de kan i allmänhet delas in i två huvudkategorier: spetsventiler och mantelventiler. Spetsventiler är i allmänhet lättviktiga, har låg oljeåtgång, mindre diameter och mindre sammanpassningsclearance samt läckage, men har oftast en trappformad struktur, relativt dålig strukturell bearbetbarhet och större strypförluster. Mantelventiler är tyngre, har större diameter och sammanpassningsclearance samt läckage är också relativt större; men deras strukturella bearbetbarhet är god, öppningsareagradien är stor och strypförlusterna är små. Sammanpassningsclearancen mellan ventilspetsen och ventilkroppen eller ventilmanteln är en annan viktig teknisk parameter vid tillverkning av hydrauliska bergbrytare; clearancer som är för stora eller för små leder båda till att ventilen inte kan fungera normalt.

(3) Ackumulatorns tryckstabiliserande mekanism

De flesta hydrauliska bergbrytare har en eller flera ackumulatorer, som fungerar som energilagring och tryckstabilisering. En hydraulisk bergbrytare utför arbete utåt endast under kraftslagen; återstöten är förberedelse inför kraftslaget. När kolven återgår strömmar hydraulolja in i ackumulatorn vid ett tryck som är högre än trycket i laddningskammaren och lagras som potentiell energi för oljan i ackumulatorn. Den frigörs under kolvens kraftslag och omvandlar större delen av energin från återstöten till slagenergi. På detta sätt förbättrar ackumulatorn systemets driftverkningsgrad samtidigt som den minskar tryckstötar och flödespulseringar som orsakas av fördelningsventilens spolväxling.

(4) Drivmekanism

Mejseln är den drivande komponenten i den hydrauliska bergbrytaren som utför yttre arbete och verkar direkt på arbetsobjektet; det är en slitagekomponent som kräver god slitställighet, hård på utsidan och tough på insidan, med hårdhet som gradvis minskar från utsidan till insidan. För att anpassa sig till olika arbetsförhållanden och arbetsobjekt finns mejslar i spetsform, fyrkantig form, spadform och plattform.

(5) Mekanism för förhindrande av tomfyrning

Eftersom en hydraulisk bergbrytare har stor slagenergi kommer det att allvarligt skada bergbrytarhuvudet — och orsaka tomstöt — om kolven får slå direkt mot cylinderröret. Strukturen för att förhindra tomstöt består i att lägga till en hydraulisk buffertkammare i framänden av cylinderröret. När mejseln inte har kontakt med berget och rör sig framåt tränger slagkolven in i buffertkammaren, komprimerar oljan inuti och absorberar slagenergin, vilket ger en dämpad skyddsfunktion för maskinkroppen. Samtidigt stängs oljeinmatningen till främre kammaren, så att kolven inte kan återgå under påverkan av tyngdkraften och kvävgasens verkan i den bakre delen; endast när mejseln återigen får kontakt med berget och trycker tillbaka med större armbelastning skjuter slagkolven ut ur buffertkammaren, och högtrycksolja kan då strömma in i den främre kammaren, vilket möjliggör fortsatt normal drift. Som framgår av figur 1–4 kan slagkolven hos den hydrauliska bergbrytaren utföra högst 1–2 tomstötar innan den stannar, efter att bergbrytaren har brutit igenom det material som ska brytas. Operatören måste då välja en ny slagpunkt, trycka mejseln hårt mot underlaget, applicera tryck, och mejseln skjuter då kolven bort från oljeinmatningen till den nedre kammaren, så att arbetet kan påbörjas på nytt.

(6) Andra mekanismer

Andra mekanismer i den hydrauliska bergbrytaren inkluderar: anslutningsram, vibrationsdämpningsmekanism, tätningssystem, automatisk smörjsystem osv.

1.4.2 Klassificering av hydrauliska bergbrytare

Det finns många typer av hydrauliska bergbrytare och många klassificeringsmetoder. De främsta klassificeringsmetoderna är följande:

(1) Klassificering efter driftsmetod

Hydrauliska bergbrytare klassificeras efter driftsmetod i bärgbärande och handhållna. Handhållna typer är små bergbrytare, även kallade hydrauliska mejslar; massan är vanligtvis under 30 kg, de drivs manuellt och matas med kraft från en dedicerad hydraulisk pumpstation och kan i stort sett ersätta luftdrivna mejseloperationer. Bärgbärande typer är medelstora och stora bergbrytare som monteras direkt på bommen hos hydrauliska grävskopor, lastare och andra hydrauliska bärgbärande maskiner, och använder bärgbärande maskinens kraftsystem, hydraulsystem och bomrörelsesystem för att utföra operationer.

(2) Klassificering efter arbetsmedium

Hydrauliska bergbrytare klassificeras efter arbetsmedium i tre huvudkategorier: rent hydrauliska, hydraulisk-pneumatiska kombinerade och kväveexplosiva. Rent hydrauliska typer använder uteslutande trycket från hydraulolja för att driva kolven; hydraulisk-pneumatiska kombinerade typer använder både hydraulolja och komprimerad kvävgas i den bakre delen samtidigt för att driva kolven; kväveexplosiva typer använder uteslutande den momentana expansionen av kvävgas i den bakre kvävekammaren för att trycka kolven och utföra arbete.

(3) Klassificering efter återkopplingsmetod

Hydrauliska bergbrytare klassificeras enligt återkopplingsmetod i slagåterkoppling och tryckåterkoppling. Skillnaden ligger i hur återkopplingssignalen samlas in för omställning av fördelningsventilen. Hydrauliska bergbrytare med slagåterkoppling använder kolvens öppning och stängning av högtrycksoleffekthål under slaget för att styra omställningen av fördelningsventilen; läget för återkopplingshålen kan endast fastställas på ett stelt sätt, och på grund av konstruktionsbegränsningar kan högst tre återkopplingshål placeras; därför kan hydrauliska bergbrytare med slagåterkoppling inte uppnå steglös justering av slagfrekvensen. Hydrauliska bergbrytare med tryckåterkoppling använder istället insamling av systemtrycket eller trycket i kvävekammaren vid kolvens botten för att styra omställningen av fördelningsventilen; när kolven tränger in i kvävekammaren ändras trycket i kvävekammaren kontinuerligt, och när trycksensorn som är monterad i kammaren upptäcker ett förinställt tryck sker ventileomställningen via mikrodatorstyrning; eftersom omställningstrycket kan ställas in godtyckligt kan hydrauliska bergbrytare med tryckåterkoppling uppnå steglös justering.

(4) Klassificering efter distributionsmetod

Baserat på formen på distributionsventilen kan de klassificeras i två huvudkategorier: trefacksventil med enkelansikts återföring av olja och fyrvägsventil med dubbelansikts återföring av olja. Strukturformer med enkelansikts återföring av olja har fördelarna med enkla oljepassager och lätt styrning; i praktiken används de relativt ofta. Enkelansikts återföring av olja kan delas in i typer med återföring från framkammaren och återföring från bakkammaren; av dessa har typerna med återföring från framkammaren nackdelarna med stort sug- och återföringsmotstånd för oljan, varför den vanligaste nuvarande formen är den med konstant tryck i framkammaren och återföring från bakkammaren. Fyrvägsventil med dubbelansikts återföring av olja kallas även för dubbelverkande typ; dess karaktäristiska egenskap är att det saknas en konstant-tryck-kammare, medan trycket i fram- och bakkammaren växlar mellan högt och lågt; på grund av de komplexa oljepassagerna i strukturformen med dubbelansikts återföring av olja är denna dock ovanlig.

(5) Klassificering enligt fördelningsventilens layout

Baserat på fördelningsventilens layout kan de klassificeras i två typer: inbyggda och utbyggda. Den inbyggda typen kan ytterligare klassificeras i spoltyp och manchettyp. Inbyggda fördelningsventiler är integrerade med cylinderkroppen i ett enda stycke, vilket ger en kompakt konstruktion; utbyggda fördelningsventiler är oberoende och placeras utanför cylinderkroppen, vilket ger en enkel konstruktion samt bekväm underhållning och utbyte.

Dessutom kan de, beroende på ljudnivå, klassificeras som lågbrusande eller standardtyper; beroende på yttre höljes form kan de klassificeras som triangulära, tornformade och inhöljda bergbrytare, etc. De olika klassificeringsmetoderna sammanfattas i Fig. 1-5.