พารามิเตอร์ทางเทคนิคพื้นฐาน

2.1 พารามิเตอร์ทางเทคนิคพื้นฐาน

2.1.1 พารามิเตอร์ของเครื่องทุบหินไฮดรอลิก

(1) พารามิเตอร์ด้านประสิทธิภาพ

W และความถี่การกระแทก f เป็นพารามิเตอร์ด้านประสิทธิภาพที่ใช้อธิบายเครื่องทุบหินไฮดรอลิก W กำหนดความสามารถในการทำงานของเครื่องทุบหิน; f กำหนดอัตราการทำงานของเครื่อง

กำลังขาออกของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกสามารถแสดงได้เป็น:

N = W × f                                           (2.1)

เนื่องจากพารามิเตอร์สองตัวที่ใช้อธิบายประสิทธิภาพ — พลังงานการกระแทกและความถี่การกระแทก — มีความสัมพันธ์เชิงผูกพันกัน ดังนั้นในการออกแบบเครื่องทุบหินไฮดรอลิก จึงจำเป็นต้องพิจารณาอัตราส่วนของ W ถึง f ต้องมีการปรับสมดุลอย่างระมัดระวัง ภายใต้เงื่อนไขของกำลังการติดตั้งขั้นต่ำ ควรบรรลุประสิทธิภาพการทำงานสูงสุด สำหรับเครื่องทุบหินไฮดรอลิก จำเป็นต้องมีพลังงานกระแทกขนาดใหญ่ W และลดความถี่ในการกระแทกลงอย่างเหมาะสม f เพื่อตอบสนองความต้องการแรงกระแทกสูงและผลการทุบหินที่ดี สำหรับสว่านหินไฮดรอลิก แม้ว่าจะเป็นกลไกกระแทกแบบไฮดรอลิกเช่นกัน แต่ต้องการพลังงานกระแทกขนาดเล็ก W และความถี่ในการกระแทกสูงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ f เพื่อตอบสนองความต้องการการเจาะด้วยความเร็วสูง

(2) พารามิเตอร์การทำงาน

ความเร็วสูงสุดของลูกสูบขณะกระแทก v _m , อัตราการไหลขณะทำงาน Q , ความดันขณะทำงาน p , และแรงดันเข้า (Push Force) ที่เหมาะสม F _T คือพารามิเตอร์การทำงานของเครื่องทุบหินไฮดรอลิก

● ความเร็วในการกระแทกสูงสุดของลูกสูบ v _m : คือความเร็วขณะสัมผัสทันทีเมื่อลูกสูบกระทบปลายด้านหลังของหัวตอก (chisel) พลังงานจลน์ที่สอดคล้องกับลูกสูบจะถูกนิยามว่าเป็นพลังงานการกระแทกของค้อนไฮดรอลิก W เมื่อพลังงานจลน์ของลูกสูบถ่ายโอนไปยังเป้าหมายอย่างสมบูรณ์ พลังงานการกระแทกของค้อนไฮดรอลิกจะเท่ากับ:

W = ½ mV ²_m                                            (2.2)

ที่ไหน: m — มวลของลูกสูบ

จากสมการ (2.2) ยิ่งความเร็วในการกระแทกของลูกสูบสูงขึ้น พลังงานการกระแทกก็ยิ่งสูงขึ้นตามไปด้วย

อย่างไรก็ตาม การเพิ่ม v _m มีข้อจำกัดจากสองปัจจัย ได้แก่:

1) ข้อจำกัดจากสมบัติของวัสดุที่ใช้ทำลูกสูบและหัวตอก ความเร็วปลายของการกระแทก v _m เกี่ยวข้องกับความเครียดจากการสัมผัส σ ยิ่งสูง σ มากเท่าใด ก็ยิ่งส่งผลต่ออายุการใช้งานของลูกสูบและหัวสกัดมากขึ้นเท่านั้น ภายใต้ความเครียดจากการสัมผัสที่ยอมรับได้ σ การเลือกโดยทั่วไปคือ v _m = 9 ถึง 12 เมตร/วินาที ตามที่วิทยาศาสตร์วัสดุพัฒนาขึ้น ค่าของ v _m สามารถเพิ่มขึ้นได้อีก

2) ขีดจำกัดความถี่ของกลไกกระทบ เนื่องจากโครงสร้างและช่วงการเคลื่อนที่ของลูกสูบมีข้อจำกัด ดังนั้นเมื่อช่วงการเคลื่อนที่ของลูกสูบคงที่ การเร่งความเร็วให้ถึง v _m ที่ต้องการจะใช้เวลาเพียงเล็กน้อย v _m ยิ่งใหญ่เท่าใด เวลาที่ใช้ในการเร่งความเร็วก็จะสั้นลงเท่านั้น

ความถี่ต่ำหมายความว่าระยะเวลาหนึ่งรอบของลูกสูบและระยะเวลาของการเคลื่อนที่แต่ละครั้งยาวนาน ในขณะที่ความถี่สูง v _m ส่งผลให้เกิดระยะช่วงการเคลื่อนที่ (stroke) และระยะเวลาของแต่ละรอบ (cycle time) สั้นลงอย่างจำเป็น — กล่าวคือ มีความถี่ในการกระแทกสูง — ซึ่งไม่สามารถตอบสนองข้อกำหนดการออกแบบที่ต้องการความถี่ต่ำได้

● กระแสไหลในการทำงาน Q : ปริมาตรของของเหลวที่ปั๊มไฮดรอลิกส่งไปยังเครื่องทุบหินไฮดรอลิกในระหว่างการปฏิบัติงาน; เป็นตัวแปรอิสระ ลักษณะพฤติกรรมและพารามิเตอร์ประสิทธิภาพของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกทั้งหมดมีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับกระแสไหลในการทำงาน และเป็นฟังก์ชันของกระแสไหลในการทำงาน ซึ่งจะเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงของกระแสไหลในการทำงาน

● แรงดันในการทำงาน p : แรงดันที่ระบบไฮดรอลิกต้องจัดหาให้กับเครื่องทุบหินไฮดรอลิกขณะปฏิบัติงาน — คือ แรงดันระบบจำเป็นเพื่อให้บรรลุพารามิเตอร์ประสิทธิภาพที่กำหนด แรงดันในการทำงาน p เป็นตัวแปรตาม ซึ่งเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงของกระแสไหลขาเข้า Q และพารามิเตอร์เชิงโครงสร้าง ระหว่างการปฏิบัติงาน เมื่อพารามิเตอร์อื่นๆ ทั้งหมดคงที่ แรงดัน p ไม่สามารถปรับเปลี่ยนได้โดยตรง แรงดันในการทำงาน p และกระแสไหลขาเข้า Q สอดคล้องกับหลักการพื้นฐานของเทคโนโลยีไฮดรอลิก: ความดันของระบบถูกกำหนดโดยโหลดภายนอก ตามหลักการนี้ การออกแบบเครื่องทุบหินแบบไฮดรอลิกหมายถึงการใช้พารามิเตอร์เชิงโครงสร้างและอัตราการไหลในการทำงานเพื่อให้มั่นใจว่าความดันในการทำงานของระบบ p จะถูกบรรลุ

● แรงดัน F _T เมื่อเครื่องทุบหินไฮดรอลิกทำงาน แรงเร่งของลูกสูบในจังหวะให้พลังงานจะทำให้ตัวเครื่องเกิดการถอยกลับ (recoil) ซึ่งส่งผลให้ปลายเจาะ (chisel) สูญเสียการสัมผัสกับวัตถุเป้าหมาย และขัดขวางไม่ให้การกระแทกทำงานได้ตามปกติ เพื่อเอาชนะปรากฏการณ์การถอยกลับนี้ จำเป็นต้องใช้แรงดันที่กระทำตามแนวแกนของตัวเครื่องทุบหิน — ซึ่งเรียกว่า 'แรงดันดัน' (push force) แรงดันดันนี้จะต้องมีขนาดเพียงพอที่จะรักษาการสัมผัสอย่างแน่นหนาของปลายเจาะกับวัตถุที่กำลังถูกกระทบ ทั้งนี้ แรงดันดันจะต้องอยู่ในระดับที่เหมาะสมที่สุด กล่าวอีกนัยหนึ่ง ปัญหาแรงดันดันที่เหมาะสมที่สุดนี้มีความสัมพันธ์อย่างใกล้ชิดกับขนาดประเภทของเครื่องจักรต้นทาง (carrier machine) ที่ใช้ขับเคลื่อน หากเครื่องจักรต้นทางมีขนาดเล็กเกินไป แรงดันดันที่มันสามารถจ่ายได้จะไม่เพียงพอ; แต่หากมีขนาดใหญ่เกินไป แม้จะสามารถตอบสนองความต้องการแรงดันดันได้แล้ว ก็จะส่งผลให้ต้นทุนการลงทุนสำหรับเครื่องจักรต้นทางสูงขึ้น ซึ่งก็ไม่พึงประสงค์เช่นกัน ดังนั้น ในการออกแบบเครื่องทุบหินไฮดรอลิก การบรรลุพลังงานการกระแทกสูงโดยใช้แรงดันดันต่ำจึงเป็นเป้าหมายหลักของการปรับแต่งประสิทธิภาพเสมอมา ซึ่งจะทำให้สามารถจับคู่เครื่องทุบหินไฮดรอลิกที่มีพลังงานการกระแทกสูงเข้ากับเครื่องจักรต้นทางที่มีขนาดเล็กลงได้ สร้างชุดการทำงานที่มีประสิทธิภาพสูง และลดต้นทุนการดำเนินงานโดยรวม

(3) พารามิเตอร์เชิงโครงสร้าง

เส้นผ่านศูนย์กลางของลูกสูบทั้งสามตัว d ₁, d ₂, และ d ₃, มวลการทำงาน m , และช่วงการเคลื่อนที่ของลูกสูบ S เป็นพารามิเตอร์เชิงโครงสร้างของเครื่องทุบหินไฮดรอลิก พารามิเตอร์เชิงโครงสร้างเหล่านี้กำหนดพารามิเตอร์ด้านประสิทธิภาพของเครื่อง การออกแบบเครื่องทุบหินไฮดรอลิกจึงเท่ากับการกำหนดพารามิเตอร์เชิงโครงสร้าง d ₁, d ₂, d ₃, m , และ S ที่จะทำให้บรรลุพารามิเตอร์ด้านประสิทธิภาพตามที่ต้องการได้ เมื่อกำหนดพารามิเตอร์เชิงโครงสร้างแล้ว พารามิเตอร์ด้านประสิทธิภาพและพารามิเตอร์การใช้งานทั้งหมดจะเปลี่ยนแปลงไปตามอัตราการไหลของของเหลวที่ป้อนเข้า และขึ้นอยู่กับอัตราการไหลของของเหลวที่ป้อนเข้าเป็นฟังก์ชัน

2.1.2 ความดันน้ำมันในการทำงานและความดันที่กำหนดไว้

(ความดันที่กำหนดไว้จะแทนด้วยสัญลักษณ์ p _H ตลอดทั้งส่วนนี้)

เมื่อเครื่องทุบหินไฮดรอลิกทำงาน ความดันน้ำมันไฮดรอลิกจะขับเคลื่อนลูกสูบให้เคลื่อนที่ รูปแบบการเคลื่อนที่ของลูกสูบจะถูกกำหนดโดยรูปแบบการเปลี่ยนแปลงของแรงขับจากน้ำมันนี้ — ซึ่งเรียกว่า จลศาสตร์และพลศาสตร์ของลูกสูบ

พิจารณามวลของลูกสูบ m , การเร่ง a , และแรงเฉื่อยของลูกสูบ F _K , กฎข้อที่สองของนิวตันให้ผลดังนี้:

F _K = แม่                                              (2.3)

แรงขับเคลื่อน F เท่ากับ F _K ในเชิงขนาดแต่มีทิศทางตรงข้ามกัน แรงขับเคลื่อน F ที่กระทำต่อลูกสูบเกิดจากความดันน้ำมัน p ในห้องทำงาน และสามารถเขียนแสดงได้เป็น:

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

ที่ไหน: m — มวลของลูกสูบ ซึ่งเป็นค่าคงที่;

 A — พื้นที่ผิวของลูกสูบที่รับแรงดัน ซึ่งเป็นค่าคงที่;

 v — ความเร็วของลูกสูบ; อัตราการไหลขณะหนึ่ง q ที่ขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ของลูกสูบสอดคล้องกับ:

AV = q                                               (2.5)

ตั้งแต่ v และ q ในสมการ (2.5) เป็นฟังก์ชันของเวลา การหาอนุพันธ์ v และ q เทียบกับเวลาจะได้:

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

เมื่อแทนสมการ (2.6) ลงในสมการ (2.4) จะได้:

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

ในสมการ (2.7) m / A ²เป็นค่าคงที่; d q / d t แทนอัตราการเปลี่ยนแปลงของการไหลของระบบ

จากสมการ (2.3) – (2.7) ความดันของระบบถูกกำหนดขึ้นโดยอาศัยการเปลี่ยนแปลงของการไหลเข้าสู่ห้องน้ำมัน กล่าวอีกนัยหนึ่ง การเปลี่ยนแปลงของการไหลของน้ำมันไฮดรอลิกจะทำให้เกิดการเร่งตัวของลูกสูบและแรงเฉื่อย ซึ่งส่งผลให้เกิดความดันในห้องน้ำมัน p .

แรงดันน้ำมันระบบ p แปรผันตามมวลของลูกสูบ m และอัตราการเปลี่ยนแปลงของการไหล d q /dt และแปรผกผันกับกำลังสองของพื้นที่รับแรงดันของลูกสูบ A เพื่อลดความดันน้ำมันของระบบ p การเพิ่มพื้นที่รับแรงดันของลูกสูบ A เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพมากที่สุด แต่ก็ทำให้ขนาดตัวเครื่องใหญ่ขึ้นด้วย ดังนั้นจึงจำเป็นต้องพิจารณาทั้งสองปัจจัยนี้ร่วมกันในการออกแบบ

แรงดันน้ำมันระบบ p เป็นฟังก์ชันของอัตราการไหล และเป็นตัวแปรตาม ซึ่งไม่สามารถปรับเปลี่ยนได้โดยตรงระหว่างการปฏิบัติงาน แต่จะเปลี่ยนแปลงไปตามการเปลี่ยนแปลงของอัตราการไหลที่ป้อนเข้าเท่านั้น เนื่องจากอัตราการไหลของน้ำมันเข้าสู่ห้องน้ำมันเป็นฟังก์ชันของเวลาขณะที่เครื่องทุบหินไฮดรอลิกทำงาน ความดันน้ำมัน p จึงเปลี่ยนแปลงไปตามเวลาด้วย และไม่มีค่าคงที่ ความดันน้ำมันที่ระบุไว้ในแผ่นข้อมูลผลิตภัณฑ์ ซึ่งผู้เขียนเรียกว่า "ความดันน้ำมันที่กำหนด" ใช้สัญลักษณ์แทนด้วย p _H ที่ความดันนี้ พารามิเตอร์ประสิทธิภาพของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกจะบรรลุค่าที่กำหนด p _H เป็นพารามิเตอร์เชิงสมมุติ — ไม่มีอยู่จริง — แต่มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการออกแบบและการใช้งานเครื่องทุบหินไฮดรอลิก ในการออกแบบ p _H ใช้เป็นพื้นฐานในการคำนวณพารามิเตอร์ประสิทธิภาพ พารามิเตอร์การทำงาน และพารามิเตอร์โครงสร้าง รวมทั้งในการเลือกชิ้นส่วนของระบบไฮดรอลิก ส่วนในภาคสนาม จะกลายเป็นเกณฑ์อ้างอิงที่สำคัญสำหรับผู้ปฏิบัติงานในการประเมินว่าระบบกำลังทำงานตามปกติหรือไม่ พารามิเตอร์ p _H จะได้รับการอภิปรายเพิ่มเติมในบทต่อๆ ไป