Nguyên lý làm việc cơ bản của máy đập đá thủy lực

1.3 Nguyên lý làm việc cơ bản của máy đục đá thủy lực

Máy đập đá thủy lực là một loại máy tác động chuyển đổi năng lượng thủy lực thành năng lượng cơ học. Máy gồm hai bộ phận chuyển động cơ bản — một piston và một van phân phối dạng trượt — hoạt động điều khiển phản hồi lẫn nhau: chuyển động tịnh tiến qua lại của van trượt điều khiển việc đảo chiều piston, trong khi chính piston, tại điểm bắt đầu và kết thúc mỗi hành trình, lại mở hoặc đóng đường dẫn dầu điều khiển của van, từ đó thực hiện việc đảo chiều van — quá trình này lặp đi lặp lại liên tục… Nguyên lý làm việc cơ bản của máy đập đá thủy lực như sau: nhờ cơ chế điều khiển phản hồi giữa piston và van trượt, piston di chuyển tịnh tiến nhanh chóng dưới tác dụng của lực thủy lực (hoặc khí nén) và va đập vào mũi đục để thực hiện công lên đối tượng bên ngoài.

Máy đập đá thủy lực có nhiều loại và hình thức khác nhau, sẽ được trình bày chi tiết trong các chương tiếp theo. Dưới đây, chúng ta lấy ví dụ về máy đập đá thủy lực kiểu buồng trước áp suất không đổi và buồng sau áp suất thay đổi để mô tả nguyên lý làm việc của nó:

Như được thể hiện trong sơ đồ, khi hành trình hồi về bắt đầu, dầu có áp suất cao đi vào buồng phía trước piston qua cổng dầu số 1 và đồng thời tác động lên đầu dưới của trục van điều khiển, giữ cho trục van ổn định ở trạng thái được minh họa trong sơ đồ (a). Lúc này, buồng phía trước piston chứa dầu có áp suất cao; buồng phía sau được nối với đường hồi T thông qua cổng dầu số 4. Dưới tác dụng của áp suất dầu trong buồng phía trước, piston tăng tốc trong hành trình hồi về và nén khí nitơ được tích trữ trong buồng nitơ (trừ loại hoàn toàn thủy lực); bộ tích năng lưu trữ dầu. Khi hành trình hồi về của piston đạt đến cổng điều khiển số 2, dầu có áp suất cao sẽ tới đầu trên của trục van. Tại thời điểm này, cả đầu trên và đầu dưới của trục van đều được nối với dầu có áp suất cao; do trong thiết kế diện tích hiệu dụng tại đầu trên của trục van lớn hơn diện tích hiệu dụng tại đầu dưới, nên trục van chuyển sang trạng thái được thể hiện trong sơ đồ (b) dưới tác dụng của dầu có áp suất cao. Lúc này, cả buồng phía trước và buồng phía sau piston đều được nối với dầu có áp suất cao; bộ tích năng xả dầu để bổ sung cho hệ thống. Dưới tác dụng của lực tổng hợp F_q, piston tăng tốc trong hành trình làm việc, va chạm vào mũi đục và truyền năng lượng va đập ra ngoài. Khi piston vượt qua điểm va chạm, cổng điều khiển số 2 và số 3 được nối thông với đường dầu hồi T; áp suất dầu tại đầu trên của trục van giảm xuống; dưới tác dụng của áp suất dầu tại đầu dưới, trục van nhanh chóng trở lại trạng thái được minh họa trong sơ đồ (a). Trở về trạng thái ban đầu, piston bắt đầu hành trình hồi về, bước vào chu kỳ va đập tiếp theo, và cứ thế lặp lại tuần hoàn. Trong quá trình này, mối quan hệ liên động giữa piston và trục van được thể hiện trong Hình 1-2.

Từ Hình 1-1 có thể thấy rằng trong kỳ tác động, nếu bỏ qua trọng lượng của pít-tông và lực cản ma sát, lực F_q truyền động pít-tông chủ yếu bao gồm áp suất thủy lực và áp suất khí nitơ, tức là F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Lực truyền động F_q phụ thuộc vào chênh lệch diện tích hiệu dụng giữa buồng trước và buồng sau, áp suất dầu p và áp suất buồng nitơ p_N. Dựa trên các tỷ lệ khác nhau giữa công do dầu thực hiện và công do khí thực hiện, có thể hình thành ba dạng làm việc: thuần thủy lực, kết hợp thủy-lực–khí nén và nổ bằng nitơ.

Thuần thủy lực: p_N = 0. Ở dạng này, máy đập đá thủy lực không có buồng nitơ và pít-tông được truyền động hoàn toàn bởi chênh lệch áp suất dầu giữa buồng trên và buồng dưới. F_q = π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Đây là dạng đầu tiên xuất hiện khi máy đập đá thủy lực mới ra đời.

Kết hợp thủy lực - khí nén: Trong dạng này, d₁ < d₂ và đồng thời một buồng nitơ được bổ sung ở phần đuôi pít-tông, đưa khí nitơ vào để thực hiện công, với p_N > 0. Lực F_q chủ yếu gồm hai thành phần: chênh lệch áp suất dầu giữa buồng trước và buồng sau, cũng như lực nén – giãn nở của khí nitơ. F_q = π/4 · p_N · d₁² + π/4 · p · [(d₃² − d₁²) − (d₃² − d₂²)]. Dạng này hiện là dạng phổ biến nhất của máy đục đá thủy lực. Dựa trên tỷ lệ đóng góp công của dầu và khí trong tổng lực truyền động—tức là tỷ lệ công khí trên công lỏng khác nhau—có thể tạo ra các sản phẩm có đặc tính kỹ thuật khác nhau.

Kiểu nổ bằng nitơ: Trong dạng này, d₁ = d₂ và p_N > 0. Lực thủy lực giữa buồng trên và buồng dưới bằng không; công thực hiện bởi pít-tông trong hành trình làm việc hoàn toàn do áp suất khí trong buồng nitơ cung cấp. F_q = π/4 · p_N · d₁². Dạng này là dạng mới nhất của máy đục đá thủy lực.

Cả ba loại đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, nhưng hiệu năng tổng thể của chúng được cải thiện dần từ thế hệ này sang thế hệ tiếp theo. Loại hoàn toàn thủy lực, là dạng sản phẩm đầu tiên xuất hiện khi máy đập đá thủy lực mới ra đời, có cấu trúc đơn giản và hoạt động đáng tin cậy, không yêu cầu lực đẩy ban đầu; tuy nhiên, tỷ lệ sử dụng năng lượng thấp và không phù hợp để sản xuất các sản phẩm cỡ lớn. Loại kết hợp thủy lực – khí nén là bước đột phá quan trọng so với loại hoàn toàn thủy lực: bằng cách bổ sung buồng nitơ ở phần đuôi piston, loại này tận dụng hiệu quả năng lượng từ hành trình hồi và nâng cao đáng kể lực va đập; tuy nhiên, cấu trúc phức tạp hơn và vẫn cần lực đẩy ban đầu để vận hành. Máy đập đá thủy lực kiểu nổ nitơ, xét về mặt năng lượng, không cần dầu thực hiện công trong hành trình làm việc nên tiết kiệm năng lượng hơn; đồng thời, đường kính buồng trước và sau piston bằng nhau, nhờ đó có thể giải quyết hiệu quả vấn đề cung cấp dầu tức thời không đủ trong hành trình làm việc của piston. Tuy nhiên, do áp suất nạp nitơ ban đầu cao nên lực đẩy yêu cầu cũng lớn hơn.

1.4 Cấu trúc cơ bản và phân loại máy đục đá thủy lực

1.4.1 Cấu trúc cơ bản của máy đục đá thủy lực

Mặc dù máy đục đá thủy lực có nhiều loại khác nhau, chúng đều chia sẻ những đặc điểm cấu trúc chung. Thành phần cơ bản của một máy đục đá thủy lực bao gồm: thân xi-lanh, piston, van phân phối, bộ tích năng, buồng chứa nitơ, ghế gắn mũi đục, mũi đục, bu-lông cường độ cao và hệ thống làm kín. Các loại máy đục đá thủy lực khác nhau có sự khác biệt nhỏ về cấu trúc, nhưng mọi máy đục đá đều chứa 2 thành phần chuyển động cơ bản — piston và trục van. Cấu trúc cơ bản của nó được thể hiện trong Hình 1-3.

(1) Cơ chế va đập

Máy đục đá thủy lực có một piston tương đối dài và mảnh, đây là thành phần quan trọng nhất. Dựa trên lý thuyết truyền sóng ứng suất, để truyền tối đa năng lượng va đập của piston, đường kính của piston va đập thường cơ bản bằng hoặc gần bằng đường kính đầu cuối của phần đuôi mũi đục, nhằm đảm bảo tiếp xúc hoàn toàn tại mặt va đập và đạt được mục đích truyền năng lượng một cách hiệu quả. Khe hở lắp ghép giữa piston va đập và thân xi-lanh hoặc ống lót là một thông số kỹ thuật rất quan trọng. Nếu khe hở quá lớn, sẽ phát sinh rò rỉ nội bộ rất lớn, làm lực va đập không đủ và thậm chí khiến máy đục đá không thể hoạt động bình thường; nếu khe hở quá nhỏ, chuyển động của piston có thể trở nên ì ạch hoặc xảy ra hiện tượng dính mài mòn (galling), đồng thời làm chi phí sản xuất tăng mạnh.

(2) Cơ cấu phân phối

Máy đục đá thủy lực thường có một van phân phối để thay đổi hướng dòng chảy của dầu thủy lực, qua đó điều khiển và dẫn động chuyển động tịnh tiến của piston va đập. Các dạng cấu trúc van phân phối rất đa dạng; nhìn chung chúng có thể được chia thành hai loại lớn: van trượt (spool valve) và van ống lồng (sleeve valve). Van trượt thường có trọng lượng nhẹ, tiêu thụ ít dầu, đường kính nhỏ hơn, khe hở lắp ghép và rò rỉ cũng nhỏ hơn; tuy nhiên phần lớn có cấu trúc dạng bậc, khả năng gia công cơ khí cấu trúc tương đối kém và tổn thất tiết lưu lớn hơn. Van ống lồng có trọng lượng nặng hơn, đường kính lớn hơn, đồng thời khe hở lắp ghép và mức độ rò rỉ cũng tương đối lớn hơn; nhưng khả năng gia công cơ khí cấu trúc tốt hơn, độ dốc của diện tích mở lớn hơn và tổn thất tiết lưu nhỏ hơn. Khe hở lắp ghép giữa trục van (spool) và thân van hoặc ống lồng van là một thông số kỹ thuật quan trọng khác trong quá trình sản xuất máy đục đá thủy lực; cả việc khe hở quá lớn lẫn quá nhỏ đều khiến van không thể hoạt động bình thường.

(3) Cơ chế ổn định áp suất bộ tích năng

Hầu hết các máy đập đá thủy lực đều có một hoặc nhiều bộ tích năng, đảm nhiệm vai trò lưu trữ năng lượng và ổn định áp suất. Máy đập đá thủy lực chỉ thực hiện công bên ngoài trong hành trình làm việc; hành trình hồi vị là giai đoạn chuẩn bị cho hành trình làm việc. Khi piston di chuyển trở về, dầu thủy lực đi vào bộ tích năng ở áp suất cao hơn áp suất buồng nạp, và được tích trữ dưới dạng năng lượng thế của dầu trong bộ tích năng. Năng lượng này được giải phóng trong hành trình làm việc của piston, chuyển phần lớn năng lượng từ hành trình hồi vị thành năng lượng va đập. Nhờ đó, bộ tích năng không chỉ nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống mà còn giảm thiểu các cú sốc áp suất và dao động lưu lượng do van phân phối chuyển đổi trạng thái.

(4) Cơ chế điều khiển

Đầu búa là bộ phận truyền động của máy đục đá thủy lực thực hiện công việc bên ngoài, tác động trực tiếp lên đối tượng làm việc; đây là một chi tiết dễ mài mòn, yêu cầu khả năng chống mài mòn tốt, cứng ở bên ngoài và dai ở bên trong, với độ cứng thay đổi dần từ ngoài vào trong. Để thích ứng với các điều kiện làm việc và các đối tượng làm việc khác nhau, đầu búa có các dạng: đầu nhọn, đầu vuông, đầu xẻng và đầu dẹt.

(5) Cơ chế ngăn ngừa hiện tượng nổ rỗng

Do bộ phá đá thủy lực có năng lượng va đập lớn, nếu để piston va trực tiếp vào thân xi-lanh thì sẽ gây hư hại nghiêm trọng cho thân bộ phá đá — dẫn đến hiện tượng bắn rỗng (blank-firing). Cấu trúc phòng ngừa bắn rỗng bao gồm việc bổ sung một buồng đệm thủy lực ở phía trước thân xi-lanh. Khi mũi đục chưa tiếp xúc với đá và đang di chuyển về phía trước, piston va đập sẽ đi vào buồng đệm, nén dầu bên trong và hấp thụ năng lượng va đập, từ đó thực hiện chức năng bảo vệ giảm chấn cho thân máy. Đồng thời, lối vào dầu của buồng phía trước bị đóng lại, do đó dưới tác dụng của trọng lực và áp lực nitơ ở phần sau, piston không thể lùi lại; chỉ khi mũi đục tiếp xúc lại với đá và đẩy ngược trở lại dưới áp lực cánh tay lớn hơn thì piston va đập mới đẩy dầu ra khỏi buồng đệm và dầu áp suất cao mới có thể đi vào buồng phía trước, từ đó tiếp tục hoạt động bình thường. Như minh họa trong Hình 1-4, sau khi bộ phá đá thủy lực đã phá vỡ vật cần phá, piston có thể bắn rỗng tối đa 1–2 lần trước khi dừng lại. Người vận hành cần chọn lại điểm va đập, ấn chặt mũi đục, tạo áp lực, khiến mũi đục đẩy piston ra xa lối vào dầu của buồng dưới, và quá trình làm việc có thể bắt đầu lại.

(6) Cơ chế khác

Các cơ chế khác của máy đục đá thủy lực bao gồm: khung nối, cơ chế giảm chấn, hệ thống làm kín, hệ thống bôi trơn tự động, v.v.

1.4.2 Phân loại máy đục đá thủy lực

Có nhiều loại máy đục đá thủy lực và nhiều phương pháp phân loại khác nhau. Các phương pháp phân loại chính như sau:

(1) Phân loại theo phương thức vận hành

Máy đục đá thủy lực được phân loại theo phương thức vận hành thành loại gắn trên thiết bị mang (carrier-mounted) và loại cầm tay. Loại cầm tay là các máy đục đá cỡ nhỏ, còn gọi là đục thủy lực; khối lượng thường dưới 30 kg, được vận hành bằng tay, sử dụng nguồn cấp thủy lực từ trạm bơm thủy lực chuyên dụng và có thể thay thế rộng rãi cho các thao tác đục khí nén. Loại gắn trên thiết bị mang là các máy đục đá cỡ trung và lớn, được lắp trực tiếp lên cần gầu của máy xúc thủy lực, máy xúc lật thủy lực và các thiết bị mang thủy lực khác, sử dụng hệ thống truyền động, hệ thống thủy lực và hệ thống chuyển động cần gầu của thiết bị mang để thực hiện công việc.

(2) Phân loại theo môi chất làm việc

Máy đập đá thủy lực được phân loại theo môi chất làm việc thành ba nhóm chính: loại hoàn toàn thủy lực, loại kết hợp thủy lực–khí nén và loại nổ bằng nitơ. Loại hoàn toàn thủy lực hoạt động hoàn toàn dựa vào áp suất dầu thủy lực để điều khiển piston; loại kết hợp thủy lực–khí nén sử dụng đồng thời dầu thủy lực và khí nitơ nén ở phần sau để điều khiển piston; loại nổ bằng nitơ hoạt động hoàn toàn dựa vào sự giãn nở tức thời của khí nitơ trong buồng nitơ phía sau để đẩy piston thực hiện công.

(3) Phân loại theo phương pháp phản hồi

Các máy đập đá thủy lực được phân loại theo phương pháp phản hồi thành phản hồi hành trình và phản hồi áp suất. Sự khác biệt nằm ở cách thu tín hiệu phản hồi để điều khiển việc đảo chiều van phân phối. Các máy đập đá thủy lực phản hồi hành trình dựa vào việc piston mở và đóng các lỗ phản hồi dầu cao áp trên hành trình nhằm điều khiển việc đảo chiều van phân phối; vị trí các lỗ phản hồi chỉ có thể được thiết lập cố định, và do bị giới hạn bởi điều kiện kết cấu nên tối đa chỉ có thể bố trí 3 lỗ phản hồi; do đó, các máy đập đá thủy lực phản hồi hành trình không thể thực hiện điều chỉnh vô cấp tần số va đập. Các máy đập đá thủy lực phản hồi áp suất dựa vào việc thu tín hiệu áp suất hệ thống hoặc áp suất buồng nitơ tại phần đuôi piston để điều khiển việc đảo chiều van phân phối; khi piston đi vào buồng nitơ, áp suất trong buồng nitơ thay đổi liên tục, và khi cảm biến áp suất lắp đặt trong buồng phát hiện đạt đến giá trị áp suất đã cài đặt trước, van sẽ đảo chiều thông qua điều khiển vi tính; vì áp suất đảo chiều có thể được cài đặt tùy ý nên các máy đập đá thủy lực phản hồi áp suất có thể thực hiện điều chỉnh vô cấp.

(4) Phân loại theo phương pháp phân phối

Dựa trên dạng van phân phối, chúng có thể được phân thành hai loại chính: van ba ngả kiểu xả dầu một mặt và van bốn ngả kiểu xả dầu hai mặt. Các cấu trúc xả dầu một mặt có ưu điểm là đường dẫn dầu đơn giản và dễ điều khiển; trong thực tế, chúng được sử dụng tương đối phổ biến. Kiểu xả dầu một mặt có thể chia thành hai loại: xả dầu buồng trước và xả dầu buồng sau; trong đó, kiểu xả dầu buồng trước có nhược điểm là lực hút và trở kháng xả dầu lớn, do đó hiện nay dạng phổ biến nhất là dạng buồng trước giữ áp suất không đổi và buồng sau xả dầu. Kiểu xả dầu hai mặt dùng van bốn ngả còn được gọi là kiểu tác động kép; đặc điểm của nó là không có buồng áp suất không đổi, đồng thời áp suất ở buồng trước và buồng sau luân phiên cao – thấp; tuy nhiên, do đường dẫn dầu của cấu trúc xả dầu hai mặt khá phức tạp nên kiểu này ít được sử dụng.

(5) Phân loại theo bố trí van phân phối

Dựa trên bố trí van phân phối, chúng có thể được phân thành hai loại: loại lắp trong và loại lắp ngoài. Loại lắp trong có thể được chia tiếp thành loại trục trượt và loại ống bọc. Van phân phối lắp trong được tích hợp cùng thân xi-lanh thành một khối, có cấu trúc gọn nhẹ; van phân phối lắp ngoài được đặt độc lập bên ngoài thân xi-lanh, có cấu trúc đơn giản và thuận tiện cho việc bảo trì cũng như thay thế.

Ngoài ra, dựa trên mức độ tiếng ồn, chúng có thể được phân thành loại ít ồn và loại tiêu chuẩn; dựa trên hình dạng vỏ ngoài, chúng có thể được phân thành các loại máy đập đá dạng tam giác, dạng tháp và dạng kín, v.v. Các phương pháp phân loại khác nhau này được tóm tắt trong Hình 1-5.