SE536289C2 - Hydrauliska slagverk för berg- eller betongavverkande utrustning samt borr- och brytutrustning - Google Patents

Abstract

SAMANDRAG Föreliggande uppfinning avser ett hydrauliskt slagverk för användning i berg- och/eller betongavverkande utrustninginnefattande ett maskinhus (l0O;200) med ett cylinderlopp (ll5;2l5),en i detta rörligt monterad kolv (l45;245) anordnad att under driftrepetitivt utföra en fram och ätergående rörelse relativtmaskinhuset (l0O;200) och därvid utöva slag direkt eller indirektmot ett till utrustningen anslutningsbart berg- och/ellerbetongavverkande verktyg (l55;255), och där kolven (l45;245)inkluderar en drivdel (l65;265) som ätskiljer en första (l20;220)och en andra (lO5;221) drivkammare utbildade mellan kolven (l45;245) och maskinhuset (l0O;200) och där dessa drivkammare är anordnade att under drift inkludera ett trycksatt drivmedium. Den sammanlagda volymen av första (l20;220) och andra (lO5;221)drivkammaren dimensioneras omvänt proportionellt mot kvadraten päett för slagverket rekommenderat maximalt tryck, och vidareproportionellt, med en proportionalitetskonstant med ett värde i intervallet 5,3 - 21,0, mot produkten av kolvens energi i slaget mot verktyget (l55;255) och drivmediets kompressionsmodul.

Description

IO 15 20 25 535 289 sin rörelse i cylinderloppet öppna och stänga för tillförsel och dränering av trycksatt drivvätska pa ett sätt som ger ett växlande tryck enligt ovan i minst en av tva drivkammare átskiljda av en drivdel pä slagkolven. En förutsättning för att detta skall fungera är att kanaler, anordnade i maskinhuset för trycksättning respektive dränering av en kammare, mynnar mot cylinderloppet sá att mynningarna är àtskiljda pà ett sàdant sätt att kortslutande förbindelse inte uppstår direkt mellan tillförselkanal och dräneringskanal i nagot läge under kolvens fram- och átergáende rörelse. Förbindelse mellan tillförselkanal och dräneringskanal föreligger normalt endast via den spalttätning som bildas mellan drivdelen och cylinderloppet. I annat fall skulle stora förluster uppstà, eftersom drivvätska fick passera direkt frán högtryckspump till tank utan att något nyttigt arbete uträttades.

För att kolven ska kunna fortsätta sin rörelse frän det att en kanal för dränering av en drivkammare stängs, tills en kanal för trycksättning av samma drivkammare öppnas, eller vice versa, krävs att trycket i drivkammaren förändras längsamt till följd av en volymförändring. Detta kan ske genom att volymen för atminstone en drivkammare görs stor i förhållande till vad som är normalt för traditionella slagverk av slidtyp. volymen behöver vara stor eftersom den vanligen använda hydrauloljan har lag kompressibilitet.

Vi definierar då kompressibiliteten K som kvoten mellan relativa volymändringen och tryckändringen enligt K = (dv/V)/dP. Det är dock vanligare att som storhet för kompressibiliteten använda kompressionsmodulen ß, som är inversen av kompressibiliteten som vi definierat den ovan, dvs. ß = dP/(dv/V). Enheten för kompressionsmodulen är Pascal. Ovan gjorda definitioner tillämpas i 10 15 20 25 535 289 hela denna skrift.

Genom US 4 282 937 är ett slidlöst hydrauliskt slagverk med tva drivkammare, där trycket växlar i bada dessa kammare känt. Bada drivkamrarna har stora effektiva volymer genom att de star i ständig förbindelse med volymer närliggande cylinderloppet. En nackdel med den härigenom kända tekniken är att den visat sig ge förvånande lag verkningsgrad med tanke pà att en rörlig del rationaliserats bort jämfört med konventionella slagverk med omställningsventil. Vi definierar i detta dokument, om inget annat sägs, verkningsgraden som den hydrauliska verkningsgraden, det vill säga kolvens slageffekt dividerad med till hydraulpumpen tillförd effekt.

Genom SU 1068591 A är ett slidlöst hydrauliskt slagverk känt enligt en annan princip nämligen växlande tryck i den övre drivkammaren, och konstant tryck i den undre, dvs. den närmast anslutningen för verktyget. Man strävar här efter förbättrad verkningsgrad genom att införa ett icke linjärt ackumulatorsystem arbetande direkt mot den kammare där trycket växlar. Detta visas med tva separata gasackumulatorer där den ena har högt laddtryck och den andra lagt.

En nackdel med att tvingas föra in ackumulatorer verkande direkt pá en kammare där trycket under drift kontinuerligt, med slagfrekvensen, växlar mellan fullt slagverkstryck och lágt returtryck är, att serviceintervallen blir kortare pà grund av att de rörliga delarna i ackumulatorerna slits extremt hart.

Uppfinningens ändamål och viktigaste kännetecken Ett syfte med den föreliggande uppfinningen är att anvisa en utformning av slidlösa hydrauliska slagverk som ger möjlighet att 10 15 20 25 536 289 4 förbättra verkningsgraden utan att samtidigt förkorta serviceintervallen. Detta uppnás pà sätt som beskrivs i de självständiga patentkraven. Ytterligare fördelaktiga utföringsformer finns beskrivna i de beroende patentkraven.

Den effektiva volymen av drivkamrarna definierar vi som summan av de drivkammarevolymer som under en slagcykel har växlande tryck, inklusive volymer som star i kontinuerlig förbindelse med en och samma drivkammare under en komplett slagcykel. Det har visat sig att den effektiva volymen av drivkamrarna, enligt definitionen ovan, har en avgörande betydelse för slagverkets verkningsgrad när det gäller slidlösa/ventillösa slagverk. Självfallet finns mànga faktorer som påverkar verkningsgraden sásom spel och längd i spalttätningar, friktion i lagringar etc. Utan en rätt anpassad effektiv volym för drivkamrarna gär det dock inte att nà önskad verkningsgrad oavsett hur sådana spel och lagringar utformas.

Faktorer som påverkar den med avseende pà verkningsgrad optimala effektiva volymen för drivkamrarna âr: det använda slagverkstrycket, kompressibiliteten i drivmediet och kolvens energi i slaget mot verktyget eller mot verktyget verkande del. Närmare bestämt påverkas den effektiva volymen av drivkamrarna omvänt proportionellt mot kvadraten pá slagverkstrycket och proportionellt mot produkten av den effektiva kompressionsmodulen för drivmediet och slagkolvens energi, när den slår mot verktyget eller del verkande mot detta, sàsom en sa kallad adapter.

Sambandet kan uttryckas i formeln V=k*ß*E/pl där V är den effektiva drivkammarvolymen med vilket vi menar summan av de tvâ drivkamrarnas volymer inklusive volymer som star i kontinuerlig förbindelse med en 10 15 20 25 535 289 och samma drivkammare under en komplett slagcykel. I fallet med växlande tryck bara i den ena drivkammaren blir denna kammares volym normalt helt dominerande i jämförelse med den kammare. som har konstanttryck. Det blir dä möjligt att betrakta den effektiva drivkammarvolymen som bara volymen av den drivkammare som har växlande tryck och till den kontinuerligt anslutna volymen. I formeln utgör ß effektiva kompressionsmodulen för drivmediet som den definierats tidigare. Bestàr drivmediet av flera komponenter med var för sig olika kompressibilitet beräknas det effektiva kompressionsmodulen som den resulterande kvoten mellan tryckförändring och relativ volymförändring. I figur 3 redovisas ß för hydraulolja med olika grad av luftinblandning. Figur 3 är fràn en formelsamling i hydraulik och pneumatik och utgör således känd teknik. För en fackman framgár att ß=l500+7,5p MPa dä ingen luftinblandning föreligger. I fallet med gasackumulatorer direkt anslutna till de effektiva volymerna, t.ex. sà som beskrivits i SU 1068591 A, skall även dessa räknas in i de effektiva volymerna.

Därmed kommer även den i dem befintliga gasvolymen, normalt bestående av kvävgas, inga i beräkningen av den effektiva kompressionsmodulen. Lämpligen används da ackumulatorernas gasvolymer när slagverket befinner sig i viloläge, dvs. det tillstànd som normalt föregar start av slagverket. Här nämnda gasackumulatorer ska inte förväxlas med dem som vanligen är anslutna till tillopps- och returledningar till slagverket. Dylika ackumulatorer är ju bara intermittent anslutna till drívkamrarna och skall alltså inte inga i beräkningen av effektiva volymen eller effektiva kompressionsmodulen.

Vidare betecknar E kolvens slagenergi i slaget mot verktyget eller 10 15 20 25 535 289 6 på verktyget verkande del. Slutligen är p det använda slagverkstrycket. Slagverkstrycket är vanligtvis mellan 150 och 250 bar. Slutligen är k en proportionalitetskonstant som visat sig mest lämpligt ligga i intervallet 7,0 < k < 9,5, men där god verkan för verkningsgraden finns i det större intervallet 6,2 < k < 11,0 och ända upp till intervallet 5,3 - 21,0.

När volymerna dimensioneras enligt vad som ovan beskrivits är det möjligt att uppnå en verkningsgrad överstigande 75 % i fallet att de effektiva drivkammarvolymerna avgränsas av väggar i icke fjädrande material, dvs. när drivmediet består av ren vätska eller vätska till viss del uppblandad med gas medan däremot inga gasackumulatorer kontinuerligt är direktanslutna till drivkamrarna. Sådana verkningsgrader är möjliga att uppnå utan att extremt små spel mellan kolv och cylinderlopp, och därav följande mycket stora krav på tillverkningstoleranser, behöver användas. Ett lämpligt spel kan vara 0,05 millimeter. Denna form av slagverk är den som ger allra längst serviceintervall, eftersom så få rörliga delar ingår.

Mycket mindre effektiva drivkammarvolymer kan uppnås om gasackumulatorer är kontinuerligt anslutna till drivkamrarna och därmed ingår i beräkning av effektiva volymer som tidigare beskrivits. Om dessutom till en och samma drivkammare två gasackumulatorer med olika karakteristik på så vis att en är förladdad med högt gastryck, dvs. lika med slagverkstrycket eller systemtryck, och en med lågt gastryck, vanligtvis atmosfärstryck, kan ännu högre verkningsgrad uppnås i slagverket. När volymdimensioneringen sker enligt tidigare beskrivning kan då en verkningsgrad överstigande 85% uppnås med spel av samma storlek som 10 15 20 25 535 289 7 tidigare nämnts. Även i detta fall förlängs serviceintervallet genom att volymerna inte görs större än nödvändigt. Därmed kan rörelsebehovet för ackumulatorernas membran minskas.

En föredragen utföringsform utgör ett slagverk, där den ena drivkammarens volym, med vilket vi avser den effektiva volymen enligt tidigare definition, är mycket större än den andra drivkammarens och där den mindre drivkammaren har i huvudsak konstant tryck under hela slagcykeln. Konstant tryck i denna kammare uppnás vanligtvis genom att kammaren är ansluten under hela, eller under åtminstone huvudsakligen hela, slagcykeln till en konstanttryckkälla, oftast direkt till källan för systemtryck alternativt slagverkstryck.

Slagverk av den typ som beskrivits ovan kan ingå som en integrerad del i berg- och/eller betongavverkande utrustning sàsom bergborrmaskiner eller hydraulspett. Dessa maskiner eller spett bör under drift oftast monteras pá en bärare som kan innefatta medel för inriktning och positionering samt medel för matning av borrmaskin/spett mot bearbetat berg eller betongelement och vidare medel för styrning och övervakning av bearbetningsprocessen. Sådan bärare kan vara en bergborrningsrigg.

Kort beskrivning av ritningar Fig. 1 visar en principskiss av ett slidlöst hydrauliskt slagverk med växlande tryck i drivkammare såväl pà kolvens ovansida som pá dess undersida.

Fig. 2 visar en principskiss för ett motsvarande slagverk med växlande tryck bara pà ena sidan och konstant tryck pà den andra. 10 15 20 25 536 289 8 Fig. 3 visar ett i och för sig känt diagram för beräkning av effektiva kompressionsmodulen vid tryckmedium bestående av gas och hydraulolja.

Fig. 4 visar ett slagverk enligt fig.2 med slagkolven i fyra olika lägen: A inbromsningen påbörjas i övre läget; B övre vändläge; C inbromsning påbörjas i undre läget; D undre vändläget.

Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsformer Ett antal exemplifierande utföranden av uppfinningen beskrivs i det följande med stöd av de bifogade ritningarna.

Uppfinningens skyddsomfång ska inte anses begränsat till dessa utföringsformer, utan definieras genom patentkraven.

I Fig 1 visas schematiskt ett hydrauliskt slagverk med växlande tryck såväl på kolvens ovansida som på dess undersida.

På liknande sätt visas i Fig 2 och Fig 4 ett slagverk med konstant hydraultryck under slagcykeln på kolvens undersida, dvs. den sida som är närmast verktyget 155;255 som slagkolven ska överföra slagenergi till, och växlande tryck under slagcykeln på kolvens ovansida.

Via tilloppskanaler 140;24O tillförs slagverket hydraulolja med slagverkstryck, vilket ofta ligger i intervallet 150 - 250 bar. Systemtrycket, dvs. det tryck som hydraulpumpen levererar är ofta lika med slagverkstrycket.

Via returkanaler 135;235 sätts hydrauloljan i förbindelse med en hydraultank, där oljan normalt har atmosfärstryck. 10 15 20 25 536 289 Slagkolven 145;245 utför en fram och àtergàende rörelse i ett cylinderlopp l15;2l5 i ett maskinhus 100;200. Slagkolven innefattar en drivdel 165;265 som àtskiljer en första drivarea 130;230 fràn en andra drivarea l10;210. Trycket som verkar pa dessa drivareor får kolven att under drift utföra en fram och àtergaende rörelse. Kolven är styrd radiellt i kolvstyrningar 175;275. För att undvika pulsation i anslutningsslangar kan pá tilloppskanaler 140;240 och returkanaler l35;235 vara anordnade gasackumulatorer l80;280 respektive l85;28S som utjämnar snabba tryckvariationer.

För att slagkolven l4S;245 ska kunna röra sig tillräckligt langt in i en drivkammare med växlande tryck 120;220;221, med hjälp av sin rörelseenergi, efter det att drivdelen l65;265 stängt förbindelsen till returkanalen 135;235 för att en förbindelse mellan tilloppskanalen l40;240 och kammaren 120;220;221 ska öppnas krävs att kammaren har sa stor volym att tryckökningen i kammaren till följd av kolvens komprimering av den oljevolym som nu stängts in i kammaren inte blir sa stor att kolven vänder riktning innan en tilloppskanal 140;240 öppnats mot kammaren sä att trycket nu kan stiga till fullt slagverkstryck och därmed kolven drivas i motsatt riktning. För detta ändamål är drivkammaren sammankopplad med en arbetsvolym 125;225;226. Eftersom denna samankoppling mellan drivkammare och arbetsvolym består oavbrutet under hela slagcykeln benämner vi summan av drivkamarens volym och arbetsvolymen den effektiva drivkamarvolymen. Det har visat sig, som tidigare beskrivits i denna ansökan, att denna volym är kritisk för att nä hög 10 15 20 536 289 10 verkningsgrad.

En fungerande utformning innebär en effektiv volym pà 3 liter för ett systemtryck av 250 bar och en slagenergi av 200 Joule och med en slagkolvsvikt av 5 kg och med en första drivarea 130 pá 16,5 cm2 och en andra drivarea 110 pa 6,4 cm2.

Drivdelens längd är 70 mm och avståndet mellan tilloppskanal och returkanal för drivkammaren 120 i deras respektive anslutning till cylinderloppet är 45 mm.

Vid ett slagverkstryck eller systemtryck av 250 bar, vilket enligt vad som framgår av figur 3, ger ett ß lika med 1500+7,5x25=1687,5 MPa. Dessa värden tillsammans med en effektiv volym pa 3 liter och en slagenergi pà 200 Joule ger, sásom ett exempel, proportionalitetskonstanten: kfla-io-ß/zoo-issms-ios y-(zso-ios? = 5,55 Drivkammarvolymerna och särskilt arbetsvolymen med dess stora volym kan vara förlagda pà olika sätt i maskinhuset.

Det är fördelaktigt att volymerna är symmetriskt placerade runt cylinderloppet.

Det är ytterligare fördelaktigt att de är placerade koncentriskt relativt cylinderloppet.

Det kan alternativt vara fördelaktigt att de är placerade i cylinderloppets förlängning.

Slagverk enligt ovan beskrivna principer integreras lämpligen i en bergborrmaskin alternativt i ett hydraulspett. 535 289 11 En bergborrigg med utrustning för positionering och inriktning av sådan bergborrmaskin eller hydraulspett bör innefatta minst en bergborrmaskin alternativt minst ett hydraulspett enligt uppfinningen.

Claims (12)

1. 0 15 20 25 1. 535 289 12 PAIENTKRKV Hydrauliskt slagverk för användning i berg- och/eller betongavverkande utrustning innefattande ett maskinhus (l00;200) med ett cylinderlopp (ll5;2l5), en i detta rörligt monterad kolv (l45;245) anordnad att under drift repetitivt utföra en fram och átergàende rörelse relativt maskinhuset (l0O;200) och därvid utöva slag direkt eller indirekt mot ett till utrustningen anslutningsbart berg- och/eller betongavverkande verktyg (l55;255), och där kolven (l45;245) inkluderar en drivdel (l65;265) som ätskiljer en första (l20;220) och en andra (l05;22l) drivkammare utbildade mellan kolven (l45;245) och maskinhuset (100;200) och där dessa drivkammare är anordnade att under drift inkludera ett trycksatt drivmedium, och där vidare maskinhuset (l00;200) inkluderar kanaler mynnande i cylinderloppet (l15;215) och anordnade att under drift inkludera drivmediet och att, med hjälp av kolven (l45;245) under dess rörelse i cylinderloppet (ll5;2l5), öppna och stänga mot en av drivkamrarna sa att denna drivkammare fär ett periodiskt växlande tryck för upprätthållande av den fram- och àtergàende kolvrörelsen, och att positioner för kanalernas mynning axiellt i cylinderloppet (l15;2l5) och öppnande och stängande kolvdelars utbredning är anpassade att hälla denna drivkammare stängd för tillförsel eller dränering av i kammaren befintligt drivmedium under en sträcka mellan en första kanals öppnande i anslutning till ett första vändläge av kolven (l45;245) och en andra kanals öppnande i anslutning till ett andra vändläge för kolven (l45;245) och att kolvens rörelse under denna sträcka fortgàr under kompression eller expansion av denna drivkammares volym, där denna volym vidare anpassats för att fä långsam 10 15 20 25 536 289 13 tryckförändring under sagda sträcka, kännetecknad av att den sammanlagda volymen V av första (l20;220) och andra (l05;221) drivkammaren dimensionerats omvänt proportionellt mot kvadraten på ett för slagverket rekommenderat maximalt tryck p, och vidare proportionellt, med en proportionalitetskonstant k med ett värde i intervallet 5,3 - 21,0, mot produkten av kolvens energi E i slaget mot verktyget (155;255) och drivmediets kompressionsmodul ß.

2. Hydrauliskt slagverk enligt krav 1, med proportionalitetskonstanten k i intervallet 6,2 < k < ll.

3. Hydrauliskt slagverk enligt krav 1, med proportionalitetskonstanten k i intervallet 7,0 < p < 9,5.

4. Hydrauliskt slagverk enligt något av föregående krav, där ena drivkammarens volym är mycket större än den andra drivkammarens.

5. Hydrauliskt slagverk enligt något av föregående krav, där ena drivkammaren under hela slagcykeln har i huvudsak konstant tryck.

6. Hydrauliskt slagverk enligt något av kraven 1 till och med 3, där drivkamrarna trycksätts växelvis.

7. Hydrauliskt slagverk enligt något av föregående krav, där kammarvolymerna utbreder sig symmetriskt runt cylinderloppet (1l5;215).

8. Hydrauliskt slagverk enligt något av föregående krav, där kammarvolymerna utbreder sig koncentriskt kring cylinderloppet (ll5;215).

9. Hydrauliskt slagverk enligt krav 5, där drivkammaren med växlande tryck utbreder sig i cylinderloppets förlängning.

10. Bergborrmaskin innefattande slagverk enligt något av föregående 536 289 14 krav.

11. ll. Bergborrigg innefattande bergborrmaskin enligt krav 10.

12. Hydraulspett innefattande slagverk enligt nagot av kraven 1 - 9.