Tham số kỹ thuật cơ bản

2.1 Thông số kỹ thuật cơ bản

2.1.1 Các thông số của máy đập đá thủy lực

(1) Các thông số hiệu suất

W và tần số va đập f là các thông số hiệu suất mô tả máy đập đá thủy lực. W xác định năng lực làm việc của máy đập; f xác định tốc độ làm việc của nó.

Công suất đầu ra của máy đập đá thủy lực có thể được biểu thị bằng công thức:

N = W × f                                           (2.1)

Vì hai thông số mô tả hiệu suất — năng lượng va đập và tần số va đập — có mối liên hệ tương hỗ với nhau, nên khi thiết kế máy đập đá thủy lực, tỷ lệ giữa W đến f phải được cân bằng cẩn thận. Trong điều kiện công suất lắp đặt tối thiểu, hiệu suất làm việc cao nhất cần được đạt tới. Đối với máy đập đá thủy lực, năng lượng va chạm lớn W là yêu cầu bắt buộc và tần số va chạm f cần được giảm thích hợp nhằm đáp ứng nhu cầu về lực va chạm mạnh và hiệu quả đập đá tốt. Đối với máy khoan đá thủy lực, mặc dù cũng là cơ cấu va chạm thủy lực, nhưng lại yêu cầu năng lượng va chạm nhỏ W và tần số va chạm cao nhất có thể f để đáp ứng nhu cầu khoan tốc độ cao.

(2) Các thông số làm việc

Tốc độ va chạm tối đa của piston v _m , lưu lượng làm việc Q , áp suất làm việc p , và lực đẩy tối ưu F _T là các thông số làm việc của máy đục đá thủy lực.

● Vận tốc va chạm tối đa của piston v _m : đây là vận tốc tiếp xúc tức thời khi piston va vào phần đuôi của mũi đục. Năng lượng động tương ứng của piston được định nghĩa là năng lượng va chạm của búa thủy lực W . Khi toàn bộ năng lượng động của piston được truyền hoàn toàn cho mục tiêu, năng lượng va chạm của búa thủy lực sẽ là:

W = ½ mV ²_m                                            (2.2)

ở đâu: m — khối lượng piston.

Từ Phương trình (2.2), vận tốc va chạm của piston càng cao thì năng lượng va chạm càng lớn.

Tuy nhiên, việc tăng v _m bị giới hạn bởi hai yếu tố:

1) Giới hạn về tính chất vật liệu của piston và mũi đục. Vận tốc cuối của va chạm v _m liên quan đến ứng suất tiếp xúc σ ; càng cao σ , thì ảnh hưởng càng lớn đến tuổi thọ làm việc của piston và mũi đục. Dưới giới hạn ứng suất tiếp xúc cho phép σ , việc lựa chọn điển hình là v _m = 9 đến 12 m/s. Khi khoa học vật liệu tiến bộ, giá trị của v _m có thể được tăng thêm nữa.

2) Giới hạn tần số của cơ cấu va đập. Do kết cấu và hành trình của piston bị giới hạn, nên với một hành trình piston cố định, thời gian để tăng tốc đến vận tốc yêu cầu v _m rất ngắn. Rõ ràng, giá trị v _m càng lớn thì thời gian tăng tốc cần thiết càng ngắn.

Tần số thấp nghĩa là thời gian chu kỳ và thời gian hành trình của piston đều dài, trong khi tần số cao v _m tất yếu dẫn đến hành trình và chu kỳ ngắn hơn — tức là tần số va đập cao — điều này không thể đáp ứng các yêu cầu thiết kế tần số thấp.

● Lưu lượng làm việc Q : lưu lượng được bơm thủy lực cung cấp cho máy đục đá thủy lực trong quá trình vận hành; đây là một biến độc lập. Các đặc tính và thông số hiệu suất của máy đục đá thủy lực đều có mối liên hệ chặt chẽ với lưu lượng làm việc và là các hàm số của lưu lượng làm việc; chúng thay đổi khi lưu lượng làm việc thay đổi.

● Áp suất làm việc p : áp suất mà hệ thống thủy lực cần cung cấp khi máy đục đá thủy lực đang vận hành — tức là áp suất hệ thống cần thiết để đạt được các thông số hiệu suất của máy. Áp suất làm việc p là một biến phụ thuộc; nó thay đổi khi lưu lượng đầu vào Q và các thông số cấu trúc thay đổi. Trong quá trình vận hành, khi tất cả các thông số khác giữ nguyên, áp suất p không thể được điều chỉnh chủ động. Áp suất làm việc p và lưu lượng đầu vào Q đáp ứng nguyên lý cơ bản của công nghệ thủy lực: áp suất hệ thống được xác định bởi tải trọng bên ngoài. Dựa trên nguyên lý này, thiết kế búa phá đá thủy lực nghĩa là sử dụng các thông số kết cấu và lưu lượng làm việc để đảm bảo áp suất làm việc của hệ thống p được đạt tới.

● Lực đẩy F _T khi máy đục đá thủy lực hoạt động, gia tốc của piston trong hành trình công tác gây ra hiện tượng giật lùi thân máy, dẫn đến mũi đục mất tiếp xúc với vật cần tác động và làm cho lực va đập không thể phát huy hiệu quả bình thường. Để khắc phục hiện tượng giật lùi này, cần áp dụng một lực dọc theo trục thân máy đục — gọi là lực đẩy. Lực đẩy phải đủ lớn để giữ cho mũi đục luôn tiếp xúc chặt với vật bị tác động. Đồng thời, lực đẩy này phải ở mức tối ưu. Nói cách khác, tồn tại bài toán xác định lực đẩy tối ưu, vốn có mối liên hệ mật thiết với cấp kích thước của máy mang (máy chủ). Nếu máy mang quá nhỏ, lực đẩy mà nó cung cấp sẽ không đủ; còn nếu máy mang quá lớn, mặc dù yêu cầu về lực đẩy được đáp ứng, chi phí đầu tư cho máy mang lại tăng lên — điều này cũng không mong muốn. Trong thiết kế máy đục đá thủy lực, việc đạt được năng lượng va đập cao với lực đẩy nhỏ luôn là một mục tiêu tối ưu hóa. Điều này giúp kết hợp một máy đục đá thủy lực có năng lượng va đập cao với một máy mang có kích thước nhỏ hơn, tạo thành tổ hợp làm việc hiệu quả và giảm chi phí vận hành.

(3) Các thông số cấu trúc

Ba đường kính piston s ₁, s ₂, và s ₃, khối lượng làm việc m , và hành trình làm việc Theo yêu cầu là các thông số cấu trúc của máy đục đá thủy lực. Các thông số cấu trúc xác định các thông số hiệu suất của thiết bị. Thiết kế một máy đục đá thủy lực về bản chất là xác định các thông số cấu trúc s ₁, s ₂, s ₃, m , và Theo yêu cầu đảm bảo đạt được các thông số hiệu suất yêu cầu. Khi các thông số cấu trúc đã được cố định, tất cả các thông số hiệu suất và thông số làm việc sẽ thay đổi theo lưu lượng đầu vào và là các hàm của lưu lượng đầu vào.

2.1.2 Áp suất dầu làm việc và áp suất định mức

(Áp suất định mức được ký hiệu là p _H trong toàn bộ phần này)

Khi máy đục đá thủy lực hoạt động, áp suất dầu thủy lực làm piston chuyển động, và quy luật chuyển động của piston được xác định bởi quy luật thay đổi của lực đẩy dầu này — đây là động học và động lực học của piston.

Xét khối lượng của piston m , gia tốc a , và lực quán tính của piston F _K , định luật Newton thứ hai cho ta:

F _K = mẹ                                              (2.3)

Lực truyền động F bằng F _K về độ lớn nhưng ngược chiều. Lực truyền động F tác dụng lên piston được tạo ra bởi áp suất dầu p trong buồng và có thể được biểu diễn dưới dạng:

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

ở đâu: m — khối lượng pít-tông, hằng số;

 A — diện tích bề mặt pít-tông chịu áp lực, hằng số;

 v — vận tốc pít-tông; lưu lượng tức thời q điều khiển chuyển động pít-tông thỏa mãn:

AV = q                                               (2.5)

Kể từ khi v và q trong Phương trình (2.5) là các hàm của thời gian, lấy đạo hàm v và q theo thời gian ta được:

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

Thay Phương trình (2.6) vào Phương trình (2.4) ta được:

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

Trong Phương trình (2.7), m / A ²là một hằng số; d q / d t biểu thị tốc độ thay đổi của lưu lượng hệ thống.

Từ các Phương trình (2.3) – (2.7), áp suất hệ thống được thiết lập dựa trên lưu lượng đầu vào thay đổi vào buồng dầu. Nói cách khác, sự thay đổi lưu lượng dầu thủy lực tạo ra gia tốc pít-tông và lực quán tính, từ đó hình thành áp suất trong buồng dầu p .

Áp suất dầu hệ thống p tỷ lệ thuận với khối lượng pít-tông m và tốc độ thay đổi lưu lượng d q /dt , đồng thời tỷ lệ nghịch với bình phương diện tích bề mặt chịu áp lực của pít-tông A . Để giảm áp suất dầu hệ thống p , cần tăng diện tích bề mặt chịu áp lực của pít-tông A là phương pháp hiệu quả nhất, nhưng đồng thời cũng làm tăng kích thước thân máy, do đó cả hai yếu tố này đều phải được xem xét trong thiết kế.

Áp suất dầu hệ thống p là hàm số của lưu lượng và là một biến phụ thuộc; nó không thể được điều chỉnh chủ động trong quá trình vận hành, mà chỉ thay đổi khi lưu lượng đầu vào thay đổi. Vì lưu lượng dầu đi vào buồng dầu là hàm số của thời gian khi máy đập thủy lực hoạt động, nên áp suất dầu p cũng thay đổi theo thời gian và không có giá trị không đổi. Áp suất dầu được ghi trên bảng thông số kỹ thuật sản phẩm, mà các tác giả gọi là áp suất dầu định mức, được ký hiệu là p _H . Tại áp suất này, các thông số hiệu suất của máy đập thủy lực đạt giá trị định mức. p _H là một thông số ảo — nó không tồn tại thực tế — nhưng lại cực kỳ quan trọng trong thiết kế và sử dụng máy đập thủy lực. Trong thiết kế, p _H được sử dụng làm cơ sở để tính toán các thông số hiệu suất, các thông số vận hành và các thông số kết cấu, cũng như để lựa chọn các thành phần của hệ thống thủy lực. Trong thực tế, thông số này trở thành một tài liệu tham khảo quan trọng giúp người vận hành đánh giá xem hệ thống có đang hoạt động bình thường hay không. Thông số p _H sẽ được thảo luận chi tiết hơn trong các chương sau.