Phân tích cách thức hoạt động của máy đập đá thủy lực

2.2 Phân tích cách thức hoạt động của máy đập đá thủy lực

Máy đập đá thủy lực có nhiều dạng cấu trúc khác nhau. Xuất phát từ nguyên lý làm việc, các tác giả khái quát và tổng hợp những ý tưởng cơ bản và then chốt nhất của máy đập đá thủy lực, sau đó quy chúng về ba chế độ làm việc cơ bản: thuần thủy lực, kết hợp thủy lực–khí nén và nổ bằng nitơ.

2.2.1 Nguyên lý làm việc thuần thủy lực

Nguyên lý làm việc hoàn toàn bằng thủy lực có ba hình thức thực hiện: buồng trước áp suất không đổi / buồng sau áp suất thay đổi (viết tắt là 'nguyên lý áp suất không đổi ở buồng trước'), buồng sau áp suất không đổi / buồng trước áp suất thay đổi (viết tắt là 'nguyên lý áp suất không đổi ở buồng sau'), và cả buồng trước lẫn buồng sau đều có áp suất thay đổi (viết tắt là 'nguyên lý áp suất thay đổi').

(1) Nguyên lý áp suất không đổi ở buồng trước

Đây là nguyên lý làm việc đầu tiên được áp dụng khi bắt đầu phát triển máy đục đá thủy lực; mọi tiến bộ kỹ thuật sau này đều được xây dựng dựa trên nguyên lý này. Máy đục đá thủy lực theo nguyên lý áp suất không đổi ở buồng trước được thể hiện trong Hình 2-1.

Từ Hình 2-1, hệ thống bao gồm thân xi-lanh, pít-tông, van điều khiển và các đường dẫn dầu. Thân xi-lanh và pít-tông tạo thành cơ cấu va đập. Pít-tông di chuyển qua lại bên trong thân xi-lanh dưới tác dụng của dầu thủy lực, truyền năng lượng va đập ra ngoài và tác dụng một lực va đập lớn lên mục tiêu, tạo ra hiệu ứng búa.

Búa phá đá thủy lực được thể hiện trong Hình 2-1 có pít-tông ở vị trí va đập; cần gạt van đang ở vị trí vừa hoàn tất quá trình chuyển đổi từ hành trình làm việc sang hành trình hồi về. Tại thời điểm này, dầu có áp suất cao đi vào buồng áp suất cao không đổi của xi-lanh (buồng a ) thông qua cổng áp suất cao không đổi của van, đẩy pít-tông thực hiện hành trình hồi về (sang phải). Dầu trong buồng áp suất thay đổi của pít-tông (buồng b ) được trả về bể chứa thông qua cổng 4 và cổng dầu trở về / điều chỉnh áp suất biến thiên của van. Khi piston di chuyển lùi cho đến khi vai trước của nó đi qua cổng 2 trên thân xi-lanh, dầu có áp suất cao được dẫn vào cổng 5 của van đẩy, khiến van chuyển đổi (sang trái). Vì buồng áp suất cao không đổi của van lúc này nối với buồng áp suất biến thiên trung gian, nên dầu có áp suất cao đi vào buồng phía sau của piston b thông qua cổng 4. Lúc này, cả hai mặt của piston đều chịu tác dụng của dầu có áp suất cao, nhưng do diện tích chịu áp lực của buồng phía sau b lớn hơn diện tích chịu áp lực của buồng phía trước a piston bắt đầu giảm tốc trong hành trình trở về, tốc độ của nó giảm xuống bằng không và bắt đầu hành trình sinh công (sang trái). Khi rãnh lõm ở tâm piston nối thông các cổng 2 và 3, piston vừa đạt đến điểm va chạm, hoàn thành một chu kỳ; đồng thời, cổng 5 của van đẩy nối với đường dầu hồi, do đó lõi van dịch chuyển sang phải, trở về vị trí như thể hiện trong Hình 2-1, hoàn thành một chu kỳ đầy đủ và sẵn sàng cho hành trình trở về tiếp theo của piston. Theo cách này, piston đạt được va đập liên tục, liên tục truyền ra năng lượng va đập. Buồng khí c trong nguyên lý làm việc này được xả ra khí quyển.

(2) Nguyên lý áp suất không đổi ở buồng sau

Cần lưu ý rằng nguyên lý làm việc này chỉ có thể thực hiện được khi diện tích chịu áp của buồng trước piston a lớn hơn diện tích chịu áp của buồng sau b , tức là đường kính buồng trước của piston nhỏ hơn đường kính buồng sau ( s ₁ > s ₂).

Hình 2-2 thể hiện sơ đồ nguyên lý của máy đập đá thủy lực kiểu buồng sau giữ áp suất không đổi / buồng trước thay đổi áp suất.

So với Hình 2-1, điểm khác biệt duy nhất là cổng 1 trên thân xilanh được nối với buồng thay đổi áp suất của van thay vì nối với buồng giữ áp suất không đổi (áp suất cao); cổng 4 nối trực tiếp với buồng giữ áp suất không đổi của van; tất cả các đường dẫn dầu còn lại đều giống nhau. Hình 2-2 thể hiện thời điểm hành trình làm việc của pít-tông vừa kết thúc và van đã chuyển đổi xong — hệ thống đang ở thời điểm bắt đầu hành trình hồi về.

Đặc tính làm việc của nguyên lý này là máy đập đá thủy lực không xả dầu trong hành trình hồi về, nhưng xả dầu trong hành trình làm việc; đồng thời diện tích chịu áp lực của buồng trước a lớn hơn diện tích chịu áp của buồng sau b do thời gian xả trong kỳ nổ ngắn và lưu lượng lớn nên tổn thất áp suất thủy lực của nguyên lý này cao hơn so với nguyên lý áp suất không đổi ở buồng trước.

(3) Nguyên lý biến áp ở buồng trước và buồng sau

Nguyên lý biến áp ở buồng trước và buồng sau được thể hiện trong Hình 2-3. Từ sơ đồ này, dễ thấy thiết bị va đập thủy lực loại này có cấu trúc phức tạp với nhiều đường dẫn, làm tăng chi phí sản xuất. Vì vậy, nguyên lý này hiện không được sử dụng trong các máy đục đá thủy lực; tuy nhiên, nó vẫn còn được áp dụng trên một số thương hiệu máy khoan đá thủy lực.

Hình 2-3 thể hiện vị trí của piston tại cuối kỳ nổ và đầu kỳ hồi về. Khi kỳ hồi về bắt đầu, dầu có áp suất cao từ buồng trung gian của van đi vào buồng trước piston a qua buồng trái và cổng xy-lanh số 1, đẩy piston sang phải. Dầu trong buồng sau b được xả vào bình dầu thông qua cổng xy-lanh số 5 và buồng bên phải của van. Trong hành trình hồi vị, khi vai trái của pít-tông đi ngang qua cổng số 2 trên thân xy-lanh, dầu áp suất cao qua cổng số 7 đẩy trục van sang phải; trục van ngay lập tức chuyển đổi đường dẫn dầu cấp và xả của thân xy-lanh — cổng xy-lanh số 5 chuyển sang áp suất cao và cổng xy-lanh số 1 chuyển sang đường xả về bình dầu — do đó pít-tông bắt đầu giảm tốc, tốc độ nhanh chóng giảm về không và chuyển sang giai đoạn tăng tốc trong hành trình làm việc. Khi hành trình làm việc của pít-tông đạt đến điểm va chạm, rãnh trung tâm của pít-tông nối thông cổng số 2 và cổng số 3, cổng số 4 và cổng số 5 được nối thông với nhau, mặt trái của trục van nối thông qua cổng số 7 với cổng số 2 và cổng số 3 để xả dầu về bình, còn mặt phải của trục van tại cổng số 6 nối thông qua cổng số 4 và cổng số 5, mặt bên phải và buồng trung gian của van, với nguồn dầu áp suất cao, khiến trục van chuyển sang trái, thay đổi đường dẫn dầu cấp và xả của xy-lanh, hoàn tất một chu kỳ làm việc của pít-tông. Pít-tông và trục van của thiết bị va đập thủy lực trở lại trạng thái như thể hiện trong Hình 2-3 — khởi đầu của hành trình hồi vị. Nhờ vậy, máy phá đá thủy lực liên tục tạo ra năng lượng va đập ra ngoài thông qua chuyển động tịnh tiến qua lại liên tục của pít-tông, thực hiện hiệu quả công việc va đập.

Cả ba nguyên lý làm việc hoàn toàn thủy lực được mô tả ở trên hiện đang được sử dụng trong các máy khoan đá thủy lực, máy đập đá thủy lực và các cơ cấu va đập thủy lực khác; tuy nhiên, máy đập đá thủy lực vẫn thường sử dụng phổ biến hơn nguyên lý làm việc kết hợp thủy lực–khí nén.

2.2.2 Nguyên lý làm việc kết hợp thủy lực–khí nén

Từ phân tích về nguyên lý làm việc hoàn toàn thủy lực, ta thấy toàn bộ năng lượng va đập của một cơ cấu va đập hoàn toàn thủy lực đều do hệ thống thủy lực cung cấp. Tuy nhiên, khi số lượng máy đập đá hoàn toàn thủy lực được sử dụng ngày càng tăng và nghiên cứu ngày càng sâu rộng, người ta nhận thấy tổn thất thủy lực khá lớn, từ đó hạn chế khả năng cải thiện hiệu suất thêm nữa. Dầu chảy qua các đường dẫn bên trong thân xi-lanh phải ma sát với thành ống, đồng thời các tổn thất thủy lực do các chỗ uốn cong, thay đổi đường kính và thay đổi hướng dòng chảy là đáng kể; lưu lượng càng lớn thì tổn thất càng cao, và điều này đặc biệt nghiêm trọng trong hành trình tạo lực.

Hiện nay, nguyên lý làm việc kết hợp thủy lực – khí nén chủ yếu được sử dụng cho các máy đập đá thủy lực yêu cầu năng lượng va chạm lớn và tần số thấp, cũng như cho các máy đóng cọc thủy lực.

Để nâng cao hiệu suất, sau khi nghiên cứu sâu rộng, con người đã tìm ra một phương pháp đơn giản và hiệu quả: sử dụng đồng thời khí và dầu để cung cấp năng lượng va chạm cho máy đập đá thủy lực. Điều này làm giảm lưu lượng chất lỏng cần thiết trong hành trình công tác — giảm tổn thất thủy lực và cải thiện hiệu suất làm việc — do đó hình thành nên máy đập đá thủy lực kết hợp thủy lực – khí nén.

Nguyên lý cấu tạo của máy đập đá thủy lực kết hợp thủy lực – khí nén rất đơn giản: chỉ cần nạp khí vào buồng khí c trong ba nguyên lý thủy lực thuần túy nêu trên với nitơ ở một áp suất nhất định. Vì lúc này nitơ đã có mặt, nên khi piston thực hiện hành trình hồi về, nitơ bị nén và năng lượng được tích trữ; khi hành trình làm việc xảy ra, năng lượng này được giải phóng cùng với dầu để đẩy piston, tạo ra động năng tại điểm va chạm và chuyển đổi thành năng lượng va đập. Rõ ràng, vai trò của nitơ nhất thiết làm giảm lượng dầu sử dụng trong hành trình làm việc, từ đó giảm tiêu hao dầu, đạt được tổn thất thủy lực thấp hơn và hiệu suất cao hơn.

So sánh với máy đục đá thủy lực thuần túy, diện tích chịu áp hiệu dụng của buồng phía sau piston b trong một máy đập đá thủy lực-khí nén kết hợp được giảm xuống. Việc giảm diện tích bề mặt chịu áp suất hiệu dụng này dẫn đến mức tiêu thụ dầu thấp hơn trong hành trình công tác và tổn thất thủy lực thấp hơn — đây là lý do chủ chốt khiến các máy đập đá thủy lực-khí nén kết hợp phát triển nhanh chóng trong những năm gần đây. Hầu hết các máy đập đá thủy lực-khí nén kết hợp đều sử dụng nguyên lý làm việc với áp suất buồng trước không đổi; đây cũng là một đặc điểm nổi bật của loại thủy lực-khí nén kết hợp.

2.2.3 Nguyên lý làm việc kiểu nổ bằng nitơ

Nguyên lý làm việc của máy đập đá thủy lực kiểu nổ bằng nitơ về cơ bản không khác biệt so với máy đập đá thủy lực-khí nén kết hợp; chỉ có các thông số cấu trúc của piston là khác nhau. Điểm khác biệt chủ yếu nằm ở chỗ đường kính piston phía trước và phía sau bằng nhau, tức là s ₂ = s ₁, và toàn bộ năng lượng va đập đều được cung cấp bởi nitơ.

Đường kính pít-tông phía trước và phía sau bằng nhau là đặc điểm chính của máy đục đá thủy lực kiểu nổ nitơ. Trong hành trình làm việc, buồng phía sau không tiêu thụ dầu, và toàn bộ năng lượng va đập đều được cung cấp bởi nitơ. Tất nhiên, năng lượng tích trữ trong nitơ được cung cấp bởi hệ thống thủy lực trong hành trình hồi vị và chuyển hóa thành động năng của hành trình làm việc. Do đó, xét về bản chất cuối cùng, vẫn là năng lượng thủy lực được chuyển đổi — nhưng thông qua quá trình nén và tích trữ năng lượng bằng môi chất khí, năng lượng nitơ đã tích trữ sẽ được giải phóng trong hành trình làm việc và chuyển hóa thành cơ năng của pít-tông.

Cần lưu ý rằng chỉ có nguyên lý buồng trước áp suất không đổi mới có thể áp dụng cho máy đục đá thủy lực kiểu nổ nitơ; cả nguyên lý buồng sau áp suất không đổi lẫn nguyên lý buồng trước và buồng sau áp suất thay đổi đều không thể áp dụng cho máy đục đá thủy lực kiểu nitơ. Lý do rất rõ ràng khi bạn hiểu được đặc điểm của piston mà s ₂ = s ₁.