SE1100252A1 - Anordning för berg- och betongbearbetning - Google Patents

Abstract

Hydrauliskt slagverk av ventillos typ med drivkammarvolym utformadför hög verkningsgrad, samt bergborrmaskin och hydraulspettinnefattande sådant slagverk och vidare bergborrigg innefattande sådan bergborrmaskin.

Description

10 15 20 25 dränering av trycksatt drivvätska på ett sätt som ger ett växlande tryck enligt ovan i minst en av två drivkammare åtskiljda av en drivdel på slagkolven. En förutsättning för att detta skall fungera är att kanaler, anordnade i maskinhuset för trycksättning respektive dränering av en kammare, mynnar mot cylinderloppet så att mynningarna är åtskiljda på ett sådant sätt att kortslutande förbindelse inte uppstår direkt mellan tillförselkanal och dräneringskanal i något läge under kolvens fram- och återgående rörelse. Förbindelse mellan tillförselkanal och dräneringskanal föreligger normalt endast via den spalttätning som bildas mellan drivdelen och cylinderloppet. I annat fall skulle stora förluster uppstå, eftersom drivvätska fick passera direkt från högtryckspump till tank utan att något nyttigt arbete uträttades.

För att kolven ska kunna fortsätta sin rörelse från 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 långsamt till följd av en volymförändring. Detta kan ske genom att volymen för åtminstone 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 låg 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 hela denna skrift. 10 15 20 25 Genom US 4,282,937 är ett slidlöst hydrauliskt slagverk med två drivkammare, där trycket växlar i båda dessa kammare känt. Båda drivkamrarna har stora effektiva volymer genom att de står i ständig förbindelse med volymer närliggande cylinderloppet. En nackdel med den härigenom kända tekniken är att den visat sig ge förvånande låg verkningsgrad med tanke på 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 två separata gasackumulatorer där den ena har högt laddtryck och den andra lågt.

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

Uppfinningens ändamål och viktigaste kännetecken Ett syfte med den föreliggande uppfinningen är att anvisa en utformning av slidlösa hydrauliska slagverk som ger möjlighet att förbättra verkningsgraden utan att samtidigt förkorta 10 15 20 25 4 serviceintervallen. Detta uppnås på 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 står i kontinuerlig förbindelse med en och samma drivkammare under en komplett slagcykel.Det har visat sig att den effektiva volymen av drivkamrarna, enligt definitionen nedan, har en avgörande betydelse för slagverkets verkningsgrad när det gäller slidlösa/ventillösa slagverk. Självfallet finns många faktorer som påverkar verkningsgraden såsom spel och längd i spalttätningar, friktion i lagringar etc. Utan en rätt anpassad effektiv volym för drivkamrarna går det dock inte att nå önskad verkningsgrad oavsett hur sådana spel och lagringar utformas.

Faktorer som påverkar den med avseende på verkningsgrad optimala effektiva volymen för drivkamrarna är: 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 på slagverkstrycket och proportionellt mot produkten av den effektiva kompressionsmodulen för drivmediet och slagkolvens energi, när den slår mot verktyget eller del verkande mot detta, såsom en så kallad adapter.

Sambandet kan uttryckas i formeln V=k*ß*E/p2 där V är den effektiva drivkammarvolymen med vilket vi menar summan av de två drivkamrarnas volymer inklusive volymer som står i kontinuerlig förbindelse med en och samma drivkammare under en komplett slagcykel. I fallet med 10 15 20 25 växlande tryck bara i den ena drivkammaren blir denna kammares volym normalt helt dominerande i jämförelse med den kammare, som har konstanttryck. Det blir då möjligt att betrakta den effektiva drivkammarvolymen som bara volymen av den drivkammare som har växlande tryck och till den kontinuerligt anslutna volymer. I formeln utgör ß effektiva kompressionsmodulen för drivmediet som den definierats tidigare. Består drivmediet av flera komponenter med var för sig olika kompressibilitet beräknas det effektiva kompressionsmodulen som den resulterande kvoten mellan tryckförändring och relativ volymförändring. I fig. 3 redovisas ß för hydraulolja med olika grad av luftinblandning. I fallet med gasackumulatorer direkt anslutna till de effektiva volymerna, t.ex. så 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, ingå i beräkningen av den effektiva kompressionsmodulen. Lämpligen används då ackumulatorernas gasvolymer när slagverket befinner sig i viloläge, dvs. det tillstånd som normalt föregår 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 drivkamrarna och skall alltså inte ingå i beräkningen av effektiva volymen eller effektiva kompressionsmodulen.

Vidare betecknar E kolvens slagenergi i slaget mot verktyget eller på verktyget verkande del. Slutligen är p det använda slagverkstrycket och 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 10 15 20 25 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 och en med lågt gastryck 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 tidigare nämnts. Även i detta fall förlängs serviceintervallet genom att volymerna inte görs Därmed kan rörelsebehovet för ackumulatorernas större än nödvändigt. 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 10 15 20 25 drivkammarens och där den mindre drivkammaren har i huvudsak konstant tryck under hela slagcykeln. Konstant tryck i denna kammare uppnås 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 såsom bergborrmaskiner eller hydraulspett. Dessa maskiner eller spett bör under drift oftast monteras på en bärare som kan innefatta medel för inriktning och positionering samt medel for matning av borrmaskin/spett mot bearbetat berg eller betongelement och vidare medel for styrning och övervakning av bearbetningsprocessen. Sådan bärare kan vara en bergborrningsrigg.

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

Fig. 2 visar en principskiss för ett motsvarande slagverk med växlande tryck bara på ena sidan och konstant tryck på den andra.

Fig. 3 visar ett 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 10 15 20 25 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 l55;255 som slagkolven ska överföra slagenergi till, och växlande tryck under slagcykeln på kolvens ovansida.

Via tilloppskanaler l40;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.

Slagkolven l45;245 utför en fram och återgående rörelse i ett cylinderlopp l15;215 i ett maskinhus lOO;200. Slagkolven innefattar en drivdel l65;265 som ätskiljer en första drivarea l30;23O från en andra drivarea 110;2l0. Trycket som verkar på dessa drivareor får kolven att under drift utföra en fram och 10 15 20 25 återgående rörelse. Kolven är styrd radiellt i kolvstyrningar l75;275. För att undvika pulsation i anslutningsslangar kan på tilloppskanaler l40;24O och returkanaler l35;235 vara anordnade gasackumulatorer l80;28O respektive l85;285 som utjämnar snabba tryckvariationer.

För att slagkolven l45;245 ska kunna röra sig tillräckligt långt in i en drivkammare med växlande tryck l20;220;22l, med hjälp av sin rörelseenergi, efter det att drivdelen l65;265 stängt förbindelsen till returkanalen l35;235 för att en förbindelse till mellan tilloppskanalen l40;24O och kammaren l20;220;221 ska öppnas krävs att kammaren har så stor volym att tryckökningen i kammaren till följd av kolvens komprimering av den oljevolym som nu stängts in i kammaren inte blir så stor att kolven vänder riktning innan en tillopskanal l40;24O öppnats mot kammaren så att trycket nu kan stiga till fullt slagverkstryck och därmed kolven drivas i motsatt riktning. För detta ändamål är drivkammaren sammankopplad med en arbetsvolym l25;225;226. Eftersom denna sammankoppling mellan drivkammare och arbetsvolym består oavbrutet under hela slagcykeln benämner vi summan av drivkammarens volym och arbetsvolymen den effektiva drivkammarvolymen. Det har visat sig, som tidigare beskrivits i denna ansökan, att denna volym är kritisk för att nå hög verkningsgrad.

En fungerande utformning innebär en effektiv volym på 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 10 15 20 10 130 på 16,5 cm2 och en andra drivarea 110 på 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.

Drivkammarvolymerna och särskilt arbetsvolymen med dess stora volym kan vara förlagda på 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.

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 (1)

10 15 20 25 1. H PATENTKRAV Hydrauliskt slagverk för användning i berg- och/eller betongavverkande utrustning innefattande ett maskinhus med ett cylinderlopp, en i detta rörligt monterad kolv anordnad att under drift repetitivt utföra en fram och återgàende rörelse relativt maskinhuset och därvid utöva slag direkt eller indirekt mot ett till utrustningen anslutningsbart berg- och/eller betongavverkande verktyg, och där kolven inkluderar en drivdel som åtskiljer en första och en andra drivkammare utbildade mellan kolven och maskinhuset och där dessa drivkammare är anordnade att under drift inkludera ett trycksatt drivmedium, och där vidare maskinhuset inkluderar kanaler mynnande i cylinderloppet och anordnade att under drift inkludera drivmediet och att, med hjälp av kolven under dess rörelse i cylinderloppet, öppna och stänga mot en av drivkamrarna så att denna drivkammare får ett periodiskt växlande tryck för upprätthållande av den fram- och àtergående kolvrörelsen, och att positioner för kanalernas mynning axiellt i cylinderloppet och öppnande och stängande kolvdelars utbredning är anpassade att hålla 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 och en andra kanals öppnande i anslutning till ett andra vändläge för kolven och att kolvens rörelse under denna sträcka fortgår under kompression eller expansion av denna drivkammares volym, där denna volym vidare anpassats för att få långsam tryckförändring under sagda sträcka, kännetecknad av att den sammanlagda volymen V av första och andra drivkammaren dimensionerats omvänt proportionellt mot kvadraten på ett för 10 15 20 25 10. ll 12. 12 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 och drivmediets kompressionsmodul ß. Hydrauliskt slagverk enligt krav l, med proportionalitetskonstanten k i intervallet 6,2 < k < 11. Hydrauliskt slagverk enligt krav l, med proportionalitetskonstanten k i intervallet 7,0 < k < 9,5. Hydrauliskt slagverk enligt något av föregående krav, där ena drivkammarens volym är mycket större än den andra drivkammarens. Hydrauliskt slagverk enligt något av föregående krav, där ena drivkammaren under hela slagcykeln har i huvudsak konstant tryck. Hydrauliskt slagverk enligt något av kraven l till och med 3, där drivkamrarna trycksätts växelvis. Hydrauliskt slagverk enligt något av föregående krav, där kammarvolymerna utbreder sig symmetriskt runt cylinderloppet. Hydrauliskt slagverk enligt något av föregående krav, där kammarvolymerna utbreder sig koncentriskt kring cylinderloppet. Hydrauliskt slagverk enligt krav 5, där drivkammaren med växlande tryck utbreder sig i cylinderloppets förlängning. Bergborrmaskin innefattande slagverk enligt något av föregående krav. _ Bergborrigg innefattande bergborrmaskin enligt krav 10. Hydraulspett innefattande slagverk enligt något av kraven l - 9.