การวิเคราะห์หลักการทำงานของเครื่องทุบหินไฮดรอลิก

2.2 การวิเคราะห์หลักการทำงานของเครื่องทุบหินไฮดรอลิก

เครื่องทุบหินไฮดรอลิกมีรูปแบบโครงสร้างหลายแบบ เริ่มต้นจากหลักการทำงาน ผู้เขียนได้สรุปและดึงแนวคิดพื้นฐานที่สุดและสำคัญที่สุดของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกออกมา และลดทอนให้เหลือเพียงสามโหมดการทำงานพื้นฐาน ได้แก่ โหมดไฮดรอลิกล้วน โหมดไฮบริดไฮดรอลิก-ลม และโหมดไนโตรเจนระเบิด

2.2.1 หลักการทำงานแบบไฮดรอลิกล้วน

หลักการทำงานแบบไฮดรอลิกล้วนๆ มีรูปแบบการดำเนินการสามแบบ ได้แก่ ความดันคงที่ในห้องหน้า/ความดันแปรผันในห้องหลัง (ย่อว่า 'หลักการความดันคงที่ในห้องหน้า') ความดันคงที่ในห้องหลัง/ความดันแปรผันในห้องหน้า (ย่อว่า 'หลักการความดันคงที่ในห้องหลัง') และความดันแปรผันทั้งในห้องหน้าและห้องหลัง (ย่อว่า 'หลักการความดันแปรผัน')

(1) หลักการความดันคงที่ในห้องหน้า

นี่คือหลักการทำงานที่นำมาใช้เป็นครั้งแรกในช่วงเริ่มต้นของการพัฒนาเครื่องสกัดหินแบบไฮดรอลิก โดยการพัฒนาทางเทคนิคทั้งหมดที่ตามมาล้วนสร้างขึ้นบนพื้นฐานของหลักการนี้ เครื่องสกัดหินแบบไฮดรอลิกที่ใช้หลักการความดันคงที่ในห้องหน้าแสดงไว้ในรูปที่ 2-1

จากภาพที่ 2-1 ระบบประกอบด้วยตัวถังกระบอกสูบ ลูกสูบ วาล์วควบคุม และช่องทางไหลของน้ำมันไฮดรอลิก ตัวถังกระบอกสูบและลูกสูบประกอบกันเป็นกลไกการกระแทก ลูกสูบเคลื่อนที่ไปมาภายในตัวถังกระบอกสูบโดยขับเคลื่อนด้วยน้ำมันไฮดรอลิก ส่งพลังงานการกระแทกออกภายนอก และสร้างแรงกระแทกขนาดใหญ่ลงบนเป้าหมาย ทำให้เกิดผลแบบค้อน

เครื่องทุบหินไฮดรอลิกที่แสดงในภาพที่ 2-1 มีลูกสูบอยู่ที่จุดที่เกิดการกระแทก โดยสปูลวาล์วอยู่ในตำแหน่งที่เพิ่งเสร็จสิ้นการสลับจากการทำงานในช่วงกำลัง (power stroke) ไปยังช่วงคืนกลับ (return stroke) ณ ขณะนั้น น้ำมันความดันสูงจะไหลเข้าสู่ห้องความดันสูงคงที่ของกระบอกสูบ (ห้อง a ) ผ่านพอร์ตความดันสูงคงที่ของวาล์ว เพื่อขับเคลื่อนลูกสูบในช่วงคืนกลับ (ไปทางขวา) ส่วนน้ำมันในห้องความดันแปรผันของลูกสูบ (ห้อง b ) ถูกส่งกลับเข้าสู่ถังผ่านพอร์ต 4 และพอร์ตปล่อยน้ำมันคืนที่ควบคุมแรงดันแปรผันของวาล์ว เมื่อปิสตันเคลื่อนย้อนกลับจนไหล่ด้านหน้าของมันผ่านพอร์ต 2 บนตัวกระบอกสูบ น้ำมันความดันสูงจะถูกส่งไปยังพอร์ต 5 ของวาล์วผลัก ทำให้เกิดการสลับตำแหน่งของวาล์ว (ไปทางซ้าย) เนื่องจากห้องความดันสูงคงที่ของวาล์วขณะนี้เชื่อมต่อกับห้องความดันแปรผันระดับกลาง น้ำมันความดันสูงจึงไหลเข้าสู่ห้องด้านหลังของปิสตัน b ผ่านพอร์ต 4 ขณะนี้ทั้งสองด้านของปิสตันอยู่ภายใต้น้ำมันความดันสูง แต่เนื่องจากพื้นที่รับแรงดันของห้องด้านหลัง b มีขนาดใหญ่กว่าพื้นที่รับแรงดันของห้องด้านหน้า a ลูกสูบเริ่มลดความเร็วลงในจังหวะการกลับ (return stroke) ความเร็วของมันลดลงจนเป็นศูนย์ จากนั้นจึงเริ่มจังหวะให้พลังงาน (power stroke) ไปทางซ้าย เมื่อส่วนเว้าตรงกลางของลูกสูบเชื่อมต่อพอร์ต 2 และพอร์ต 3 เข้าด้วยกัน ลูกสูบจะเพิ่งถึงจุดกระทบ (impact point) ซึ่งหมายถึงการสิ้นสุดหนึ่งรอบการทำงาน; ในขณะเดียวกัน พอร์ต 5 ของวาล์วผลัก (push-valve) จะเชื่อมต่อกับท่อระบายน้ำมันกลับ (return-oil line) ทำให้สปูลเลื่อนไปทางขวา กลับสู่ตำแหน่งที่แสดงไว้ในรูปที่ 2-1 ซึ่งถือเป็นการสิ้นสุดหนึ่งรอบการทำงานอย่างสมบูรณ์ และพร้อมสำหรับจังหวะการกลับของลูกสูบในรอบถัดไป ด้วยวิธีนี้ ลูกสูบจึงสามารถสร้างแรงกระแทกอย่างต่อเนื่อง และส่งออกพลังงานจากการกระแทกอย่างต่อเนื่อง ห้องอากาศ (Air chamber) c หลักการทำงานนี้ปล่อยอากาศออกสู่บรรยากาศ

(2) หลักการคงความดันในห้องด้านหลัง

ควรชี้ให้ทราบว่า หลักการทำงานนี้สามารถเกิดขึ้นได้ก็ต่อเมื่อพื้นที่รับแรงดันของห้องด้านหน้าลูกสูบ a มีค่ามากกว่าพื้นที่รับแรงดันของห้องด้านหลัง b กล่าวคือ เส้นผ่านศูนย์กลางของห้องด้านหน้าลูกสูบมีขนาดเล็กกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของห้องด้านหลัง ( d ₁ > d ₂).

รูปที่ 2-2 แสดงแผนผังของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกแบบห้องด้านหลังคงความดัน / ห้องด้านหน้าเปลี่ยนความดัน

เมื่อเปรียบเทียบกับรูปที่ 2-1 ความแตกต่างเพียงอย่างเดียวคือ พอร์ตที่ 1 บนตัวกระบอกสูบเชื่อมต่อกับห้องเปลี่ยนความดันของวาล์ว แทนที่จะเชื่อมต่อกับห้องคงความดัน (ความดันสูง); ส่วนพอร์ตที่ 4 เชื่อมต่อโดยตรงกับห้องคงความดันของวาล์ว; ส่วนทางเดินน้ำมันอื่นๆ ทั้งหมดยังคงเหมือนเดิม รูปที่ 2-2 แสดงช่วงเวลาที่จังหวะการทำงานของลูกสูบเพิ่งสิ้นสุดลง และวาล์วได้สลับตำแหน่งแล้ว — ระบบนั้นอยู่ในช่วงเวลาที่จังหวะกลับเริ่มต้นขึ้นพอดี

ลักษณะการปฏิบัติงานของหลักการนี้คือ เครื่องทุบหินไฮดรอลิกไม่ปล่อยน้ำมันออกในระหว่างจังหวะกลับ แต่ปล่อยน้ำมันออกในระหว่างจังหวะการทำงาน และพื้นที่รับแรงดันของห้องด้านหน้า a มีค่ามากกว่าพื้นที่รับแรงดันของห้องด้านหลัง b เนื่องจากช่วงเวลาที่เกิดแรงผลัก (power stroke) สั้นและอัตราการไหลสูง ความสูญเสียความดันไฮดรอลิกของหลักการนี้จึงมากกว่าหลักการความดันคงที่ในห้องหน้า

(3) หลักการความดันแปรผันของห้องหน้าและห้องหลัง

หลักการความดันแปรผันของห้องหน้าและห้องหลังแสดงไว้ในรูปที่ 2-3 จากแผนผังนี้จะเห็นได้อย่างชัดเจนว่าอุปกรณ์กระทบแบบไฮดรอลิกชนิดนี้มีโครงสร้างซับซ้อนและมีทางเดินของของเหลวจำนวนมาก ซึ่งส่งผลให้ต้นทุนการผลิตสูงขึ้น ดังนั้น ปัจจุบันจึงไม่มีการใช้หลักการนี้ในเครื่องทุบหินไฮดรอลิก แต่ยังคงใช้กับเครื่องเจาะหินไฮดรอลิกบางยี่ห้อ

รูปที่ 2-3 แสดงตำแหน่งเมื่อสิ้นสุดช่วงแรงผลักของลูกสูบ และเริ่มต้นช่วงการกลับของลูกสูบ เมื่อเริ่มต้นช่วงการกลับ น้ำมันความดันสูงจากห้องกลางของวาล์วจะไหลเข้าสู่ห้องหน้าของลูกสูบ a ผ่านห้องด้านซ้ายและช่องเปิดกระบอกสูบหมายเลข 1 เพื่อดันลูกสูบไปทางขวา ขณะที่น้ำมันในห้องหลัง b ถูกปล่อยลงสู่ถังน้ำมันผ่านพอร์ตกระบอกสูบหมายเลข 5 และห้องด้านขวาของวาล์ว ระหว่างจังหวะการคืนตัว เมื่อบ่าด้านซ้ายของลูกสูบผ่านพอร์ตหมายเลข 2 บนตัวกระบอกสูบ น้ำมันความดันสูงที่ไหลผ่านพอร์ตหมายเลข 7 จะดันสปูลวาล์วให้เปลี่ยนไปอยู่ตำแหน่งด้านขวา สปูลวาล์วจะสลับเส้นทางน้ำมันจ่ายและน้ำมันระบายของตัวกระบอกสูบทันที — พอร์ตกระบอกสูบหมายเลข 5 จะได้รับน้ำมันความดันสูง ในขณะที่พอร์ตกระบอกสูบหมายเลข 1 จะเชื่อมต่อกับถังน้ำมันเพื่อระบายกลับ ทำให้ลูกสูบเริ่มชะลอความเร็ว ความเร็วลดลงอย่างรวดเร็วจนเป็นศูนย์ จากนั้นจึงเปลี่ยนไปสู่จังหวะการเร่งกำลัง (power-stroke acceleration) ทันที เมื่อจังหวะการเร่งกำลังของลูกสูบมาถึงจุดกระทบ ร่องเว้าตรงกลางของลูกสูบจะเชื่อมต่อพอร์ตกระบอกสูบหมายเลข 2 กับพอร์ตหมายเลข 3 และพอร์ตหมายเลข 4 กับพอร์ตหมายเลข 5 เข้าด้วยกัน ในขณะเดียวกัน ด้านซ้ายของสปูลวาล์วจะเชื่อมต่อกับพอร์ตหมายเลข 2 และพอร์ตหมายเลข 3 ผ่านพอร์ตหมายเลข 7 เพื่อระบายกลับสู่ถังน้ำมัน ส่วนพอร์ตด้านขวาของสปูลวาล์ว (พอร์ตหมายเลข 6) จะเชื่อมต่อกับพอร์ตหมายเลข 4 และพอร์ตหมายเลข 5 ผ่านห้องด้านขวาและห้องกลางของวาล์ว เพื่อรับน้ำมันความดันสูง ทำให้สปูลวาล์วเปลี่ยนไปอยู่ตำแหน่งด้านซ้าย ส่งผลให้เส้นทางน้ำมันจ่ายและน้ำมันระบายของกระบอกสูบเปลี่ยนแปลงไป และสิ้นสุดหนึ่งรอบการทำงานของลูกสูบ อุปกรณ์กระทบไฮดรอลิกจึงนำลูกสูบและสปูลวาล์วกลับสู่สถานะเดิมตามที่แสดงในรูปที่ 2-3 — จุดเริ่มต้นของจังหวะการคืนตัว ด้วยวิธีนี้ เครื่องทุบหินไฮดรอลิกจึงสามารถสร้างการเคลื่อนที่แบบไส้เลื่อนกลับไปข้างหน้าอย่างต่อเนื่อง พร้อมส่งพลังงานกระทบออกภายนอกอย่างต่อเนื่อง และดำเนินการกระทบได้อย่างมีประสิทธิภาพ

หลักการปฏิบัติงานแบบไฮดรอลิกล้วนทั้งสามแบบที่กล่าวมาข้างต้น ปัจจุบันถูกใช้งานอยู่ในเครื่องเจาะหินไฮดรอลิก เครื่องทุบหินไฮดรอลิก และกลไกกระทบแบบไฮดรอลิกอื่นๆ แต่เครื่องทุบหินไฮดรอลิกยังคงนิยมใช้หลักการปฏิบัติงานแบบผสมผสานระหว่างไฮดรอลิกและป pneumatic มากกว่า

2.2.2 หลักการปฏิบัติงานแบบผสมผสานระหว่างไฮดรอลิกและป pneumatic

จากการวิเคราะห์หลักการปฏิบัติงานแบบไฮดรอลิกล้วน เราสามารถเห็นได้ว่าพลังงานกระทบทั้งหมดของกลไกกระทบแบบไฮดรอลิกล้วนจะถูกจัดหาโดยระบบไฮดรอลิก อย่างไรก็ตาม เมื่อการใช้งานเครื่องทุบหินไฮดรอลิกแบบล้วนเพิ่มขึ้นและการวิจัยก้าวหน้าไป พบว่าการสูญเสียพลังงานในระบบไฮดรอลิกมีค่อนข้างสูง ซึ่งจำกัดการปรับปรุงประสิทธิภาพให้ดีขึ้นต่อไป น้ำมันที่ไหลผ่านช่องทางภายในตัวกระบอกสูบจำเป็นต้องเสียดสีกับผนังท่อ และการสูญเสียพลังงานไฮดรอลิกที่เกิดจากโค้ง ความเปลี่ยนแปลงของเส้นผ่านศูนย์กลาง และการเปลี่ยนทิศทางของการไหลนั้นมีค่าค่อนข้างมาก โดยยิ่งอัตราการไหลสูงขึ้นเท่าใด การสูญเสียก็ยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และปรากฏการณ์นี้รุนแรงเป็นพิเศษในช่วงจังหวะให้กำลัง

ปัจจุบัน หลักการทำงานแบบผสมผสานระหว่างไฮดรอลิกกับลมถูกนำมาใช้เป็นหลักสำหรับเครื่องทุบหินไฮดรอลิกที่ต้องการพลังงานกระแทกขนาดใหญ่และมีความถี่ต่ำ รวมทั้งเครื่องตอกเสาเข็มไฮดรอลิก

เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ หลังจากการวิจัยอย่างกว้างขวาง ผู้คนพบวิธีที่เรียบง่ายแต่มีประสิทธิภาพ: ใช้ก๊าซและน้ำมันร่วมกันในการจ่ายพลังงานกระแทกให้กับเครื่องทุบหินไฮดรอลิก ซึ่งจะช่วยลดอัตราการไหลที่จำเป็นในช่วงจังหวะให้กำลัง — ลดการสูญเสียจากแรงดันไฮดรอลิก และเพิ่มประสิทธิภาพในการทำงาน — จึงเกิดเป็นเครื่องทุบหินไฮดรอลิกแบบผสมผสานระหว่างไฮดรอลิกกับลม

หลักการโครงสร้างของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกแบบผสมผสานระหว่างไฮดรอลิกกับลมนั้นเรียบง่ายมาก: เพียงแค่เติมอากาศลงในห้องเก็บอากาศ c ตามหลักการไฮดรอลิกแบบบริสุทธิ์ทั้งสามข้อที่กล่าวมาข้างต้น ซึ่งใช้ไนโตรเจนภายใต้ความดันที่กำหนดไว้ เนื่องจากมีไนโตรเจนอยู่ภายในระบบ เมื่อปลั๊กเกอร์เคลื่อนที่กลับ (return stroke) ไนโตรเจนจะถูกบีบอัดและพลังงานจะถูกเก็บสะสมไว้; ในขณะที่เกิดการเคลื่อนที่เพื่อให้กำลัง (power stroke) พลังงานที่เก็บไว้นี้จะถูกปล่อยออกมาพร้อมกับน้ำมันไฮดรอลิก เพื่อขับเคลื่อนปลั๊กเกอร์ให้เกิดพลังงานจลน์ที่จุดกระทบ และแปลงพลังงานนั้นเป็นพลังงานกระแทกอย่างชัดเจน บทบาทของไนโตรเจนจึงจำเป็นต้องลดปริมาณน้ำมันที่ใช้ในระหว่างการเคลื่อนที่เพื่อให้กำลัง ซึ่งส่งผลให้อัตราการใช้น้ำมันลดลง ทำให้สูญเสียพลังงานจากแรงต้านของระบบไฮดรอลิกต่ำลง และเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวม

เมื่อเปรียบเทียบกับเครื่องทุบหินแบบไฮดรอลิกบริสุทธิ์ พื้นที่หน้าตัดที่รับแรงดันได้อย่างมีประสิทธิภาพของห้องด้านหลังปลั๊กเกอร์ b ในเครื่องทุบหินไฮดรอลิกแบบไฮบริดไฮดรอลิก-ปนีเมติก พื้นที่หน้าตัดที่รับแรงดันอย่างมีประสิทธิภาพจะลดลง การลดลงของพื้นที่หน้าตัดที่รับแรงดันอย่างมีประสิทธิภาพนี้ส่งผลให้อัตราการใช้น้ำมันไฮดรอลิกในช่วงจังหวะให้พลังงานลดลง และสูญเสียพลังงานจากแรงดันไฮดรอลิกต่ำลง — นี่คือเหตุผลหลักที่ทำให้เครื่องทุบหินไฮดรอลิกแบบไฮบริดไฮดรอลิก-ปนีเมติกพัฒนาอย่างรวดเร็วในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา เครื่องทุบหินไฮดรอลิกแบบไฮบริดไฮดรอลิก-ปนีเมติกเกือบทั้งหมดใช้หลักการทำงานแบบความดันคงที่ในห้องด้านหน้า ซึ่งยังเป็นลักษณะสำคัญประการหนึ่งของเครื่องประเภทไฮบริดไฮดรอลิก-ปนีเมติก

2.2.3 หลักการทำงานแบบไนโตรเจนระเบิด

หลักการทำงานของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกแบบไนโตรเจนระเบิดไม่แตกต่างโดยพื้นฐานจากเครื่องทุบหินไฮดรอลิกแบบไฮบริดไฮดรอลิก-ปนีเมติก แต่เพียงแค่พารามิเตอร์เชิงโครงสร้างของลูกสูบแตกต่างกันเท่านั้น ความแตกต่างที่สำคัญคือ เส้นผ่านศูนย์กลางของลูกสูบด้านหน้าและด้านหลังมีค่าเท่ากัน กล่าวคือ d ₂ = d ₁ และพลังงานทั้งหมดที่ใช้ในการกระแทกจัดหาโดยไนโตรเจน

การมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของลูกสูบด้านหน้าและด้านหลังเท่ากันคือคุณสมบัติหลักของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกแบบใช้ไนโตรเจนระเบิด ระหว่างจังหวะให้พลังงาน ห้องด้านหลังจะไม่ใช้น้ำมันไฮดรอลิก และพลังงานทั้งหมดที่ใช้ในการกระแทกสามารถจัดหาได้จากไนโตรเจน แน่นอนว่า พลังงานที่เก็บไว้ในไนโตรเจนจะถูกจัดหาโดยระบบไฮดรอลิกในระหว่างจังหวะคืนกลับ และแปลงเป็นพลังงานจลน์ในจังหวะให้พลังงาน ดังนั้น เมื่อพิจารณาโดยรวมแล้ว พลังงานที่ถูกแปลงยังคงเป็นพลังงานไฮดรอลิก — แต่ผ่านกระบวนการอัดและเก็บพลังงานโดยใช้ไนโตรเจนเป็นตัวกลาง ซึ่งพลังงานไนโตรเจนที่ถูกเก็บไว้จะถูกปล่อยออกมาในระหว่างจังหวะให้พลังงาน และแปลงเป็นพลังงานเชิงกลของลูกสูบ

ควรชี้ให้เห็นว่า หลักการคงความดันในห้องด้านหน้าเท่านั้นที่สามารถนำมาใช้กับเครื่องทุบหินไฮดรอลิกแบบใช้ไนโตรเจนระเบิดได้ ส่วนหลักการคงความดันในห้องด้านหลัง หรือหลักการเปลี่ยนความดันในห้องด้านหน้าและด้านหลังนั้น ไม่สามารถนำมาใช้กับเครื่องทุบหินไฮดรอลิกแบบไนโตรเจนได้ เหตุผลนั้นชัดเจนเมื่อคุณเข้าใจลักษณะพิเศษของลูกสูบที่ d ₂ = d ₁.