Hur fungerar hydrauliska slagmekanismer i bergborrning och vad gör dem överlägsna?

Under de senaste decennierna har hydrauliska bergborr- och slagmekanismer utvecklats till en ny generation av högpresterande och energieffektiva borrutrustningar. De hydrauliska borrmaskinerna, med Atlas Copco från Sverige och Tamrock från Finland i spetsen, dominerar idag marknaden och står för över 65 % av världens försäljning. Jämfört med pneumatiska borrmaskiner är hydrauliska borrmaskiner ungefär 1–2 gånger snabbare i borrhastighet, och de hydrauliska slagmekanismerna har fördubblat sin krossningskapacitet. Energieffektiviteten har ökat från ungefär 15 % till mellan 40 och 50 %, samtidigt som ljudnivån sänkts med 10–15 dB, vilket bidrar till en betydligt högre produktivitet.

Kinas forskning och utveckling inom området började något senare, i slutet av 1970-talet, men med en kombination av teknikimport och egen innovation har landet snabbt kommit ikapp. Flera institutioner har utvecklat och tillverkat en mängd modeller av hydrauliska bergborrar och hammare, vilka används i energiutvinning, stadsbyggnad och tunnelbyggen. Central South University i Kina har tagit ledningen i utvecklingen av den första stora hydrauliska borrmaskinen med hög slagkraft och har dessutom utvecklat både underjordiska och öppna borrmaskiner med full hydraulik, vilket visar på en mogen och unik teknologisk kompetens.

Det grundläggande arbetssättet för hydrauliska slagmekanismer bygger på att en högtrycksfluid, ofta hydraulolja, driver en slagkolv i en återkommande rörelse. Slagkolven ger under slagfasen energi till det objekt som ska bearbetas, medan den i återgångsfasen återförs för att förbereda nästa slag. En särskilt elegant lösning är användningen av hydrauloljans komprimerbarhet för att skapa självexciterad vibration i så kallade ventilfria mekanismer, vilka dock på grund av storlek, vikt och lågt slagenergi snabbt försvann från marknaden.

Dominansen ligger istället hos hydrauliska slagmekanismer som använder styrventiler för att styra oljeflödet och därigenom växla slagkolvens rörelse mellan slag- och återgångsstroke. Dessa mekanismer styrs ofta automatiskt via feedback från kolvens position, vilket möjliggör kontinuerlig och effektiv slagverkan. Tryckkammaren som driver kolven under återgång kallas vanligtvis för frontkammare, medan den som driver under slaget kallas bakkammare.

Det finns tre huvudsakliga typer av hydrauliska slagmekanismer beroende på hur trycket växlar i front- och bakkammare. Den mest använda är bakkammerstyrd, där frontkammaren har konstant tryck och bakkammaren varierar mellan högt och lågt tryck. Den näst vanligaste är dubbla kammare där både front- och bakkammare alternerar tryck. En tredje variant, med konstant tryck i bakkammaren och varierande tryck i frontkammaren, är sällsynt i praktiken.

Bakkammerstyrda mekanismer, som i den kinesiskt tillverkade YYG250, har en noggrant designad kombination av cylindrar, kolvar, styrventiler och ackumulatorer. Under återgångsrörelsen öppnas och stängs oljekanaler automatiskt genom ventilens rörelse, vilket koordineras med slagkolvens position och säkerställer effektiv energiöverföring och hög frekvens i slagen. YYG250, som kan generera 500 joule per slag med en frekvens på 32 Hz, visar på en avancerad integration av hydrauliska principer med mekanisk precision.

Det är viktigt att uppfatta att även om hydrauliska mekanismer möjliggör snabbare och kraftfullare borrning, är de också känsliga för underhåll och rätt hantering av hydraulvätskan. Smuts, luft och otillräcklig smörjning kan snabbt försämra prestanda och leda till driftsstopp. Dessutom påverkar faktorer som vibrationer, temperatursvängningar och materialutmattning komponenternas livslängd, varför kontinuerlig övervakning och noggranna kvalitetskontroller är avgörande.

Hydrauliska slagmekanismer representerar en teknologisk spets som revolutionerat bergborrningsindustrin genom att kombinera hög slagkraft, snabbhet och energieffektivitet med reducerat buller och slitage. Deras utveckling och optimering kräver en interdisciplinär kunskap där teori och praktisk ingenjörskonst sammanflätas för att möta kraven från moderna industriella miljöer.

Hur påverkar kompensationsflödet hydrauliska slaginrättningar?

Kompensationsflödet fungerar ofta som en form av ackumulator. Vid frånvaro av en högtrycksackumulator visar simuleringar att även om flödet som krävs för pistons rörelse är liknande, blir variationerna i inflödet mycket större. Högtrycksackumulatorn jämnar ut dessa variationer genom att kompensera flödesändringarna, medan flödet som genereras av kompression i arbetsmediet och expansion av gummislangen bidrar i mindre grad till denna kompensation. Utan ackumulator kompenseras flödesvariationerna endast av volymförändringar i mediet och slangen, vilket resulterar i mer dramatiska flödesvariationer.

Analys och simuleringar visar att kompensationsflödet från volymförändringen i arbetsmediet och transmissionsslangen är betydande och inte kan förbises. De viktigaste faktorerna som påverkar detta flöde är volymen hos högtrycksslangen, volymen av mediet inuti slaginrättningen, samt elasticitetsmodulerna för både slangen och arbetsmediet. En ökning av volymerna och en minskning av elasticitetsmodulerna bidrar till en mjukare tryckvariation vid ingången. Särskilt högtrycksslangens volym och dess bulkmodul har störst inverkan på tryck och flödesvariationer. Däremot påverkar dessa parametrar inte i lika hög grad den totala kompensationsflödesmängden eller variationerna i inkommande flöde.

Hur beräknas krafter och tryck i hydrauliska slagmekanismer?

Hydrauliska slagmekanismer kännetecknas av komplexa beräkningar där krafter, accelerationer, hastigheter och förskjutningar av rörliga komponenter som kolvar och ventiler analyseras med hög precision. Systemet består av en mängd koefficienter som beskriver de fysikaliska och mekaniska egenskaperna, och dessa används för att formulera matematiska uttryck för rörelse och tryckvariationer i hydrauliken.

Beräkningarna inleds med att bestämma grundläggande koefficienter som KE, K2K, KV, KLM, KT, vilka baseras på systemparametrar såsom flöden, tryck, dimensioner och vätskans egenskaper. Dessa koefficienter utgör sedan fundamentet för att fastställa krafter som verkar på kolven, där krafter beräknas utifrån tryckskillnader och rörliga områdens geometri. Kolvens acceleration beräknas med hjälp av summan av dessa krafter delat med kolvens massa, vilket ger en dynamisk bild av dess rörelse över tid.

Flödet i systemet, både framåt och i returledningar, är avgörande för att bedöma energiförlust och tryckbalanser. Tryck i ackumulatorer, både högt och lågt tryck, uppdateras dynamiskt beroende på volymförändringar och flödesvariationer, vilket reflekteras i differentialekvationer som beräknar tryckutvecklingen i realtid.

Läckageflöden som uppstår i systemets tätningar och ventiler ingår också i beräkningarna. Dessa flöden påverkar den totala energibalansen och måste beaktas för att korrekt bedöma systemets effektivitet och driftssäkerhet. Energiförluster genom friktion, vätskekraft och andra mekaniska motstånd summeras för att kunna ge en fullständig bild av systemets prestanda över tid.

Vid sidan av dessa fysikaliska och mekaniska beräkningar är det också nödvändigt att initiera och övervaka en mängd variabler som representerar systemets tillstånd, såsom hastigheter, krafter, positioner och tryck vid olika punkter i hydrauliken. Dessa variabler används kontinuerligt i simuleringsprogram för att stegvis uppdatera systemets tillstånd och därmed möjliggöra realistiska prediktioner av beteendet under olika arbetsförhållanden.

Dessutom är det viktigt att inse att modeller som dessa bygger på förenklingar och approximationer. Realtidssimuler

Hur simuleras hydrauliska impulsmekanismer?

I simuleringsprogram för hydrauliska impulsmekanismer spelar beräkningen av tryck, flöden och rörelser en avgörande roll för att förstå dynamiken i systemet. När det gäller de aktuella beräkningarna, är det en ständig uppdatering av variabler som representerar olika fysiska fenomen, såsom tryck i hydraulsystemet, rörelse av stänger, och energiförluster under varje fas av systemets drift.

I ett typiskt simuleringsflöde, som det i koden ovan, uppdateras värden för tryck (PH, P1, PL), flöde (Q), och hastighet (UP, UV) i realtid medan programmet körs. Genom att använda specifika funktioner som computation_of_impact_pressure_4040(), piston_moving_3710() och computation_of_flow_4130(), säkerställs att alla parametrar i systemet beräknas korrekt. Den här uppdateringen är avgörande för att systemet ska kunna modellera det hydrauliska flödet på ett effektivt sätt, särskilt i situationer där trycket plötsligt förändras eller en komponent som en ventil återställs.

Programmet använder även ett antal globala variabler som definierar systemets tillstånd och dynamik. Till exempel, när värdena för tryck och flöde förändras, uppdateras listor som T_list, SP_list, och UP_list för att spegla systemets aktuella tillstånd i varje cykel. Det innebär att när systemet är i ett specifikt tillstånd, som till exempel under en ventiltopp (H eller F-stånd), kan programmet omedelbart justera sina beräkningar och modeller för att beakta den nya dynamiken.

Varje cykel eller iteration av beräkningarna är ett steg i att förfina systemets simulering, särskilt när det gäller att modellera fysiska händelser som påverkar hela det hydrauliska systemet, exempelvis ventilspeed (TV) eller stängningstid. Simuleringen går igenom olika tillstånd, från högtrycksfaser till de där trycket återgår till lägre nivåer, och programmet spårar dessa förändringar genom detaljerade beräkningar.

För att korrekt hantera dessa parametrar är det också viktigt att förstå hur man tolkar de olika resultaten som programmet producerar. Värden som UV, Q * YP, Q * YV och deras relation till tryck och hastighet i systemen måste tolkas och jämföras för att identifiera om någon åtgärd, såsom omvänd rörelse eller justering av ventilspolar, behöver vidtas. Utan dessa detaljerade beräkningar skulle systemet inte kunna justera sig korrekt för förändringar som inträffar i realtid, vilket är avgörande för att upprätthålla stabilitet och prestanda i hydraulmekanismen.

Det är också viktigt att observera att simuleringen inte bara handlar om att beräkna tryck eller flöden utan också att följa upp på hur dessa flöden samverkar med andra mekaniska delar, som ventiler och kolvar. Korrekt beräkning av förluster och återställning av ventiler gör det möjligt att optimera systemets effektivitet, vilket är särskilt viktigt när man arbetar med dynamiska system där både hastigheter och tryck kan fluktuera snabbt.

Detta gör simulering av hydrauliska system både en konst och en vetenskap. Förutom de matematiska och fysikaliska modeller som används för att beräkna tryck och flöde, måste ingenjören förstå de komplexa interaktionerna mellan de olika komponenterna i systemet för att kunna tolka simuleringens resultat på rätt sätt.