Hidrolik Kaya Kırıcıların Temel Çalışma Prensibi

1.3 Hidrolik Kaya Kırıcıların Temel Çalışma Prensibi

Hidrolik kaya kırıcı, hidrolik enerjiyi mekanik enerjiye dönüştüren bir darbe makinesidir. İki temel hareketli bileşenden — bir piston ve bir dağıtım valfi mandreninden — oluşur; bu bileşenler birbirlerini karşılıklı olarak geri besleme kontrollü şekilde yönetir: mandrenin ileri-geri hareketi pistonun komütasyonunu kontrol ederken, piston da her vuruşun başlangıcında ve sonunda valfin kontrol yağ geçidini açar veya kapatır ve böylece valfin komütasyonunu sağlar — bu şekilde döngüsel bir işlem gerçekleşir… Bir hidrolik kaya kırıcının temel çalışma prensibi şudur: Bu piston-mandren geri besleme kontrolü sayesinde, piston hidrolik (veya gaz) kuvveti altında hızla ileri-geri hareket eder ve dış ortamda iş yapmak üzere çekiç ucuna (kazma uçlarına) çarpar.

Hidrolik kaya kırıcılar birçok farklı tür ve biçimde üretilir; bu türler daha sonraki bölümlerde ayrıntılı olarak açıklanacaktır. Aşağıda, ön odacık sabit basınçlı, arka odacık değişken basınçlı hidrolik kaya kırıcısı örnek alınarak çalışma prensibi açıklanmıştır:

Şekilde gösterildiği gibi, geri dönüş stroku başladığında yüksek basınçlı yağ, yağ portu 1’den pistonun ön odasına girer ve aynı zamanda yön valfi mandreninin alt ucuna etki ederek mandreni Şekil (a)’da gösterilen konumda sabit tutar. Bu sırada pistonun ön odası yüksek basınçlı yağla doludur; arka oda ise yağ portu 4 üzerinden dönüş T’ye bağlıdır. Ön oda yağ basıncı tarafından tahrik edilen piston, geri dönüş stroku boyunca hızlanır ve azot odasında depolanan azotu sıkıştırır (sadece hidrolik tip hariç); akümülatör yağ depolar. Pistonun geri dönüş stroku kontrol portu 2’ye ulaştığında, yüksek basınçlı yağ valf mandreninin üst ucuna ulaşır. Bu noktada mandrenin hem üst hem de alt ucu yüksek basınçlı yağla bağlantılıdır; tasarım gereği mandrenin üst ucunun etkin alanı, alt ucunun etkin alanından daha büyük olduğundan, mandren yüksek basınçlı yağın etkisiyle Şekil (b)’de gösterilen konuma geçer. Bu durumda pistonun hem ön hem de arka odaları yüksek basınçlı yağla bağlantılıdır; akümülatör sistem için tamamlayıcı yağ vererek boşalır. Bileşke kuvvet F_q’nun etkisiyle piston güç stroku boyunca hızlanır, çekiçle çarpışır ve darbe enerjisi üretir. Piston darbe noktasını geçtiğinde, kontrol portları 2 ve 3 birbirine bağlanır ve dönüş yağı T’ye bağlanır; valf mandreninin üst ucundaki yağ basıncı düşer; mandren alt ucundaki yağ basıncının etkisiyle hızlıca Şekil (a)’daki konuma geri döner. Başlangıç durumuna dönerek piston geri dönüş strokuna başlar ve bir sonraki vurma çevrimine geçer; bu şekilde döngüsel olarak devam eder. Bu süreçte piston ile valf mandreni arasındaki bağlantı ilişkisi Şekil 1-2’de gösterilmiştir.

Şekil 1-1’den görülebileceği üzere, güç vuruşu sırasında pistonun ağırlığı ve sürtünme direnci ihmal edildiğinde, pistona etki eden F_q tahrik kuvveti başlıca hidrolik basınç ve azot gazı basıncından oluşur; yani F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Tahrik kuvveti F_q, ön-arka odacıkların etkin alan farkı, yağ basıncı p ve azot odacığı basıncı p_N ile ilişkilidir. Yağ işi ile gaz işi arasındaki farklı oranlara bağlı olarak üç çalışma biçimi ortaya çıkar: tamamen hidrolik, hidrolik-pnömatik birleşik ve azot patlamalı.

Tamamen hidrolik: p_N = 0. Bu biçimde hidrolik kaya kırıcıda azot odacığı bulunmaz ve piston tamamen üst-alt odacıklar arasındaki yağ basıncı farkı tarafından tahrik edilir. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Bu biçim, hidrolik kaya kırıcıların ilk kez ortaya çıktığı dönemde kullanılan en eski çalışmadır.

Hidrolik-pnömatik birleşik: Bu formda d₁ < d₂'dir ve aynı zamanda piston kuyruğunda azot odası eklenerek iş yapmak üzere azot uygulanır; p_N > 0'dır. F_q, temelde iki kısımdan oluşur: ön-arka odacıklardaki yağ basıncı farkı ile azotun sıkıştırılması-genleşmesi kuvveti. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Bu form, günümüzde en yaygın hidrolik kaya kırıcı türüdür. Toplam tahrik kuvvetinde yağ ve gazın yaptığı işin farklı oranlarına, yani farklı gaz-sıvı iş oranlarına göre farklı performans özelliklerine sahip ürünler oluşturulabilir.

Azot patlamalı: Bu formda d₁ = d₂'dir ve p_N > 0'dır. Üst-alt odacıklardaki hidrolik kuvvet sıfırdır; pistonun güç vuruşu sırasında yaptığı iş tamamen azot odasının gaz basıncı tarafından sağlanır. F_q = π/4 · p_N · d₁². Bu form, en yeni hidrolik kaya kırıcı türüdür.

Tüm üç formun avantajları ve dezavantajları vardır; ancak genel performansları nesilden nesile artmaktadır. Saf hidrolik tip, hidrolik kaya kırıcıların ilk ortaya çıktığı dönemde üretilen en eski formdur; basit bir yapıya sahiptir ve güvenilir çalışır; ayrıca başlangıç itme kuvveti gerektirmez. Ancak enerji verimliliği düşüktür ve büyük boyutlu ürünlerin üretimine uygun değildir. Hidrolik-pnömatik birleşik tip, saf hidrolik tipte önemli bir ilerlemedir: piston kuyruğuna bir azot odası eklenerek geri dönüş hareketi enerjisi etkili bir şekilde kullanılır ve darbe kuvveti büyük ölçüde artırılır; ancak yapısı karmaşıktır ve çalıştırılması için başlangıç itme kuvveti gerekir. Azot-patlamalı hidrolik kaya kırıcı ise enerji açısından bakıldığında, güç stroku sırasında yağın iş yapmasına gerek yoktur; bu nedenle daha enerji tasarruflu çalışır. Aynı zamanda pistonun ön ve arka odacıklarının çapları eşittir; bu da pistonun güç stroku sırasında anlık yağ tedarikinde yaşanan yetersizlik sorununu etkili bir şekilde çözer. Ancak yüksek başlangıç azot dolum basıncı nedeniyle gereken itme kuvveti daha büyüktür.

1.4 Hidrolik Kaya Kırıcıların Temel Yapısı ve Sınıflandırılması

1.4.1 Hidrolik Kaya Kırıcıların Temel Yapısı

Hidrolik kaya kırıcılar çok çeşitli modellerde üretilse de ortak yapısal özelliklere sahiptir. Bir hidrolik kaya kırıcının temel bileşenleri şunlardır: silindir gövdesi, piston, dağıtım valfi, akümülatör, azot odası, çekiç yatağı, çekiç, yüksek mukavemetli cıvatalar ve sızdırmazlık sistemleri. Farklı tipteki hidrolik kaya kırıcılar yapısal olarak küçük farklar gösterebilir; ancak her kaya kırıcıda iki temel hareketli parça bulunur — piston ve valf mandreni. Temel yapısı Şekil 1-3’te gösterilmiştir.

(1) Darbe Mekanizması

Bir hidrolik kaya kırıcı, en önemli bileşen olan nispeten uzun ve ince bir pistonuna sahiptir. Stres dalgası iletim teorisine dayanarak, pistonun çarpma enerjisini maksimum şekilde aktarmak için, çarpma pistonunun çapı genellikle temel olarak çakma kuyruğunun son çapına eşit veya yakın olur, çarpma yüzünde tam temas sağlar ve enerjiyi verimli bir şekilde aktarma amacına ulaşır. Çarpışma pistonu ile silindir gövdesinin veya kaplama kafesinin arasındaki çiftleşme boşluğu çok önemli bir teknik parametredir. Eğer boşluk çok büyükse, çok büyük bir iç sızıntı meydana gelir, çarpma kuvvetini yetersiz hale getirir ve hatta kaya kırıcının normal çalışmasını engeller; eğer boşluk çok küçükse, piston hareketi yavaş olabilir veya sinir bozucu olabilir, aynı zamanda üretim maliyetlerinin şiddetle yükselmesine neden olur.

(2) Dağıtım mekanizması

Hidrolik kaya kırıcı genellikle hidrolik yağ akış yönünü değiştiren bir dağıtım valfine sahiptir; bu sayede darbe pistonunun ileri-geri hareketini kontrol eder ve sürer. Dağıtım valfi yapısal formları çok çeşitlidir; genel olarak iki ana kategoriye ayrılabilir: silindirik (spool) valfler ve kılıf (sleeve) valfler. Silindirik valfler genellikle hafif ağırlıklı, düşük yağ tüketimli, daha küçük çaplıdır ve eşleşen boşluk ile sızıntı miktarı da daha küçüktür; ancak çoğunlukla basamaklı yapıya sahiptirler, yapısal işlenebilirlikleri görece düşüktür ve daraltma kayıpları daha büyüktür. Kılıf valfler ise daha ağır, daha büyük çaplıdır ve eşleşen boşluk ile sızıntı miktarı da görece daha büyüktür; ancak yapısal işlenebilirlikleri iyidir, açma alanı gradyanı büyüktür ve daraltma kayıpları küçüktür. Valf silindiri ile valf gövdesi ya da valf kılıfı arasındaki eşleşen boşluk, hidrolik kaya kırıcı üretiminde başka bir önemli teknik parametredir; bu boşluğun çok büyük ya da çok küçük olması, valfin normal çalışmasını engeller.

(3) Akümülatör basınç sabitleme mekanizması

Çoğu hidrolik kaya kırıcı, enerji depolama ve basınç sabitleme görevi gören bir veya daha fazla akümülatöre sahiptir. Hidrolik kaya kırıcı, yalnızca güç vuruşu sırasında dışarıya iş yapar; geri dönüş vuruşu ise güç vuruşuna hazırlık aşamasıdır. Piston geri döndüğünde, hidrolik yağ, şarj odası basıncından daha yüksek bir basınçla akümülatöre girer ve akümülatörde yağın potansiyel enerjisi olarak depolanır. Bu enerji, pistonun güç vuruşu sırasında serbest bırakılır ve geri dönüş vuruşu enerjisinin büyük bölümü darbe enerjisine dönüştürülür. Böylece akümülatör, sistemin çalışma verimini artırmakla kalmaz, aynı zamanda dağıtım valfi sürgüsünün anahtarlama işlemi nedeniyle oluşan basınç şoklarını ve debi dalgalanmalarını da azaltır.

(4) Çalıştırma mekanizması

Kesici uç, dış iş yapmak için hidrolik kaya kırıcısının hareket ettiren bileşenidir ve doğrudan çalışma nesnesi üzerinde etki eder; bu, iyi aşınma direnci gerektiren, dış yüzeyi sert ancak iç kısmı tok olan ve sertliğinin dıştan içe doğru kademeli olarak değiştiği bir aşınma parçasıdır. Çeşitli çalışma koşullarına ve çalışma nesnelerine uyum sağlamak amacıyla kesici uçlar uçlu, kare, kürek ve düz başlı olmak üzere farklı formlarda üretilir.

(5) Boş ateşleme önleme mekanizması

Hidrolik kaya kırıcısı büyük darbe enerjisine sahip olduğundan, pistonun silindir gövdesine doğrudan çarpmasına izin verilirse kaya kırıcı gövdesi ciddi şekilde hasar görür — bu durum boş ateşleme (blank-firing) oluşmasına neden olur. Boş ateşlemeyi önleme yapısı, silindir gövdesinin önünde bir hidrolik tampon odası eklenmesinden oluşur. Çekiç başı kayaya temas etmemiş ve ileri doğru hareket etmekteyken, darbe pistonu tampon odasına girer; içindeki yağı sıkıştırarak darbe enerjisini emer ve makine gövdesinin yumuşak korunmasını sağlar. Aynı zamanda ön odanın yağ giriş kapısı kapatılır, böylece yerçekimi ve arka kısımdaki azot basıncı etkisiyle piston geriye doğru hareket edemez; yalnızca çekiç başı tekrar kayaya temas ettiğinde ve kol üzerinde daha büyük bir basınç uygulayarak pistonu geriye doğru ittiğinde, darbe pistonu tampon odasından dışarı çıkar ve yüksek basınçlı yağ ön odaya girebilir; bu sayede normal çalışma devam eder. Şekil 1-4’te gösterildiği gibi, hidrolik kaya kırıcısı kırılacak nesneyi kırdıktan sonra piston en fazla 1 ila 2 kez boş ateşleme yapabilir ve ardından durur. Operatörün, yeni bir darbe noktası seçmesi, çekiç başını sıkıca bastırması, basınç uygulaması ve çekiç başının pistonu alt odanın yağ girişinden uzaklaştırmak suretiyle tekrar çalıştırılması gerekir.

(6) Diğer mekanizmalar

Hidrolik kaya kırıcıların diğer mekanizmaları şunlardır: bağlantı çerçevesi, titreşim sönümleme mekanizması, conta sistemi, otomatik yağlama sistemi vb.

1.4.2 Hidrolik Kaya Kırıcıların Sınıflandırılması

Hidrolik kaya kırıcılar çok çeşitli tiplere sahiptir ve sınıflandırma yöntemleri de çok sayıdadır. Ana sınıflandırma yöntemleri aşağıdaki gibidir:

(1) Çalıştırma yöntemiyle sınıflandırma

Hidrolik kaya kırıcılar, çalıştırma yöntemine göre taşıyıcıya monte edilen ve elde tutulan tipler olmak üzere ikiye ayrılır. Elde tutulan tipler küçük kaya kırıcılardır ve aynı zamanda hidrolik çakılar olarak da bilinir; kütlesi genellikle 30 kg’nin altındadır, elle çalıştırılır ve özel bir hidrolik pompalama istasyonu ile güçlenir; bu nedenle pnömatik çakı işlemlerinin yerini yaygın olarak alabilir. Taşıyıcıya monte edilen tipler orta ve büyük boyutlu kaya kırıcılardır; doğrudan hidrolik ekskavatörlerin, yükleyicilerin ve diğer hidrolik taşıyıcı makinelerin koluna monte edilir ve taşıyıcı makinenin güç sistemi, hidrolik sistemi ve kol hareket sistemi kullanılarak çalıştırılır.

(2) Çalışma ortamına göre sınıflandırma

Hidrolik kaya kırıcılar, çalışma ortamına göre tamamen hidrolik, hidrolik-pnömatik birleşik ve azot patlamalı olmak üzere üç ana kategoriye ayrılır. Tamamen hidrolik tipler, pistonun çalışmasını sağlamak için tamamen hidrolik yağ basıncına dayanır; hidrolik-pnömatik birleşik tipler, pistonun çalışmasını sağlamak için hidrolik yağı ve arka kısımdaki sıkıştırılmış azotu aynı anda kullanır; azot patlamalı tipler ise pistonun iş yapmasını sağlamak için arka azot odasındaki azotun anlık genişlemesine tamamen dayanır.

(3) Geri bildirim yöntemiyle sınıflandırma

Hidrolik kaya kırıcılar, geri bildirim yöntemiyle strok geri bildirimi ve basınç geri bildirimi olmak üzere ikiye ayrılır. Aradaki fark, dağıtım valfi komütasyonu için geri bildirim sinyalinin toplanma yöntemindedir. Strok geri bildirimi hidrolik kaya kırıcıları, pistonun strok boyunca yüksek basınçlı yağ geri bildirim deliklerini açıp kapatmasına dayanarak dağıtım valfi komütasyonunu kontrol eder; geri bildirim deliklerinin konumları yalnızca sabit olarak ayarlanabilir ve yapısal koşullarla sınırlı olarak geri bildirim delikleri en fazla 3 adet yerleştirilebilir; bu nedenle strok geri bildirimi hidrolik kaya kırıcıları darbe frekansında sonsuz ayar (basamaksız ayar) gerçekleştiremez. Basınç geri bildirimi hidrolik kaya kırıcıları ise pistonun kuyruk kısmında sistem basıncını veya azot odası basıncını toplayarak dağıtım valfi komütasyonunu kontrol eder; piston azot odasına girdikçe azot odası basıncı sürekli değişir ve odada yerleştirilen basınç sensörü önceden belirlenmiş bir basıncı algıladığında mikrobilgisayar kontrollü olarak valf komütasyonu gerçekleşir; komütasyon basıncı isteğe göre ayarlanabildiği için basınç geri bildirimi hidrolik kaya kırıcıları sonsuz ayar (basamaksız ayar) sağlayabilir.

(4) Dağıtım yöntemiyle sınıflandırma

Dağıtım valfi formuna göre, bunlar üç yollu valf tek yüz geri dönüş yağı ve dört yollu valf çift yüz geri dönüş yağı olmak üzere iki ana kategoriye ayrılır. Tek yüz geri dönüş yağı yapısal formlarının avantajları, yağ geçitlerinin basit olması ve kontrolün kolay olmasıdır; uygulamada nispeten yaygın olarak kullanılırlar. Tek yüz geri dönüş yağı, ön odalı geri dönüş yağı ve arka odalı geri dönüş yağı tiplerine ayrılabilir; bunlardan ön odalı geri dönüş yağı formlarının emme ve geri dönüş yağı direnci büyük olma gibi dezavantajları vardır; bu nedenle günümüzde en yaygın kullanılan form, ön odalı sabit basınçlı, arka odalı geri dönüş yağı formudur. Dört yollu valf çift yüz geri dönüş yağı aynı zamanda çift etkili tip olarak da adlandırılır; karakteristiği, sabit basınç odasının bulunmaması ve ön ile arka odaların basınçlarının sırayla yüksek-düşük olmasıdır; ancak çift yüz geri dönüş yağı yapısal formunun karmaşık yağ geçitleri nedeniyle kullanımı nadirdir.

(5) Dağıtım valfi yerleşimine göre sınıflandırma

Dağıtım valfi yerleşimine göre, iç montajlı ve dış montajlı olmak üzere iki türe ayrılırlar. İç montajlı tipler daha sonra silindirik (spool) tip ve kılıf (sleeve) tip olmak üzere ikiye ayrılabilir. İç montajlı dağıtım valfleri, silindir gövdesiyle birlikte entegre edilmiştir ve kompakt bir yapıya sahiptir; dış montajlı dağıtım valfleri ise silindir gövdesinin dışında bağımsız olarak yer alır ve basit bir yapıya sahip olup bakım ve değiştirme işlemlerinde kolaylık sağlar.

Ayrıca, gürültü seviyesine göre düşük gürültülü ve standart tipler olarak; dış muhafaza şekline göre üçgen, kule şeklinde ve kapalı kaya kırıcılar gibi tiplere ayrılırlar. Çeşitli sınıflandırma yöntemleri Şekil 1-5’te özetlenmiştir.