El martillo hidráulico de perforación AD-101, producido por la empresa sueca Linden Alimak, tiene un gran volumen de ventas en el mercado internacional. En 1979, nuestra oficina introdujo una plataforma de perforación hidráulica H832C y otra L832C. La plataforma H832C está equipada con dos martillos hidráulicos de perforación AD-101. Durante el proceso de aceptación, se realizaron levantamientos topográficos de las piezas principales del martillo hidráulico de perforación y se consultaron documentos relevantes. Se descubrió que tiene algunas características estructurales que pueden servir de referencia para el desarrollo de martillos hidráulicos de perforación en China, que se presentan a continuación:

(I) Principio de funcionamiento

El martillo hidráulico de perforación AD-101 es de tipo de válvula de manguito con entrada de aceite unilateral, y su principio de funcionamiento se divide en cuatro procesos.

Ver la Figura 1. La cámara posterior del cilindro de aceite está permanentemente conectada con aceite de alta presión, y la cámara anterior con aceite de baja presión. Debido a que las áreas de los extremos delantera y trasera del hombro saliente A del pistón 1 son desiguales (el área trasera r es mayor que la área delantera f), se forma una diferencia de presión debido a la diferencia de área, que impulsa al pistón a moverse hacia adelante, impactando el extremo del mango del brocal y realizando trabajo. Por otro lado, el aceite de alta presión empuja la parte trasera del hombro saliente de la carcasa de la válvula 2 a través del canal e; la parte delantera del hombro saliente también está conectada con aceite de alta presión, pero como el área trasera de la carcasa de la válvula 2 es mayor que la delantera, se puede empujar a la carcasa de la válvula 2 hacia adelante hasta su posición final.

Ver la Figura 2. Cuando la carcasa de la válvula 2 se mueve a la posición más delantera, se abre el canal de aceite de alta presión a, y la cámara anterior del cilindro de aceite cambia a conectarse con aceite de alta presión. Debido a que S+f > r, el pistón retrocede hacia atrás bajo la acción del aceite de alta presión, mientras que la carcasa de la válvula se encuentra en la posición de punto muerto delantero.

Ver la Figura 3. Cuando el pistón regresa a la posición final de la cámara posterior del cilindro de aceite, el canal b es abierto por la parte trasera del pistón, el hombro saliente posterior de la carcasa de la válvula se conecta con aceite de baja presión a través del canal e. La superficie frontal h de la carcasa de la válvula 2 tiene 6 orificios semicirculares de ∅2.5 mm, y el aceite de alta presión impulsa a la carcasa de la válvula 2 a retroceder a través de la superficie h. En este momento, el acumulador se llena de aceite.

Ver la Figura 4. La carcasa de la válvula 2 abre los canales c y 8, y cierra el canal a. La cámara anterior se conecta con aceite de baja presión, y el hombro saliente A del pistón se encuentra en la cámara de aceite B. Debido a que la diferencia de área entre los extremos delantera y trasera del hombro saliente A (r > f), el pistón es impulsado hacia adelante. En este momento, el acumulador libera energía. Al mismo tiempo, la parte trasera del pistón cierra el canal b y abre el canal d, el canal e se convierte en aceite de alta presión, y la carcasa de la válvula 2 comienza a moverse hacia adelante, completando un ciclo de impacto.

(II) Características estructurales y análisis

Adopción de estructura de camisa de cilindro

Se disponen dos camisas de cilindro (camisa de cilindro delantera, camisa de cilindro intermedia y camisa de cilindro trasera) entre el pistón y el cuerpo del cilindro, lo que facilita el procesamiento del agujero interno y el mantenimiento; de lo contrario, sería difícil garantizar la rugosidad y precisión del agujero profundo. Si el juego entre el pistón y la camisa de cilindro se desgasta excesivamente, solo es necesario reemplazar el pistón y la camisa de cilindro, sin tener que reemplazar el cuerpo del cilindro. Las tres camisas de cilindro se posicionan mediante mordazas para garantizar la concéntricidad y linealidad del agujero interno. Además, los canales de aceite del martillo de perforación se disponen en las camisas de cilindro, a diferencia de los habituales que se sitúan en el cuerpo del cilindro. De este modo, el volumen de trabajo de taladrado de agujeros profundos en el cuerpo del cilindro se divide en tres etapas de procesamiento, reduciendo la dificultad de fabricación. Se adopta un ajuste dinámico de precisión de clase 1 entre el cuerpo del cilindro y las camisas de cilindro, y el círculo exterior de cada camisa de cilindro está provisto de dos juntas de estanqueidad para evitar la fuga de aceite. Solo es necesario procesar un agujero pasante en el cuerpo del cilindro, lo cual es razonable en términos de tecnicidad estructural de las piezas.

Acumulador

En la parte inferior del martillo de perforación, se instalan dos acumuladores de alta presión de diafragma, ambos situados en la entrada de aceite de alta presión. Según las especificaciones del manual, la presión de nitrógeno de llenado en el acumulador de alta presión es de 38±2.5 bar (38.76±2.55 kg/cm²). La forma del acumulador es como se muestra en la figura anterior. Después del llenado de nitrógeno, el diafragma se adhiere estrechamente al fondo del acumulador, evitando que permanezca en un estado de torsión y deformación a largo plazo. La entrada de aceite adopta 61 pequeños orificios de ∅2 mm como orificios de admisión de aceite, evitando que un gran orificio de entrada cause una fuerza de impacto excesiva y dañe el diafragma.

Problema de filtración de aceite

Los juegos entre los pares móviles del martillo de perforación son todos pequeños, por lo tanto, en los lados de alta y baja presión de la bomba de aceite de cada martillo de perforación, se instalan filtros con precisión de filtración de 10 micras. La presión de trabajo permitida es de 428.4 kg/cm². Cada filtro está equipado con un sensor de diferencia de presión, que emite una señal eléctrica para detener automáticamente la bomba cuando la presión del aceite que pasa por el elemento filtrante disminuye demasiado.

Estructura de válvula de manguito

La inversión de cada ciclo de impacto del martillo de perforación se logra mediante el movimiento de una carcasa de válvula instalada en la parte delantera del pistón. La carcasa de la válvula realiza un movimiento de ida y vuelta para invertir la dirección en la camisa de cilindro delantera y la camisa de cilindro intermedia, con un juego de 0.04 mm. El juego entre la carcasa de la válvula y el pistón es de 5 mm, que funciona como canal para aceite de alta y baja presión. Este mecanismo de inversión consta de una sola pieza, simplificando enormemente la estructura en comparación con la válvula de inversión de tipo de válvula de núcleo. Sin embargo, si el hombro saliente de la carcasa de la válvula se desgasta, afectará la inversión de dirección y reducirá la eficiencia.

Estructura del pistón

El juego entre el pistón y la camisa de cilindro delantera es de 0.045 mm, entre el pistón y la camisa de cilindro intermedia es de 0.05 mm, y entre el pistón y la camisa de cilindro trasera es de 0.085~0.09 mm. Desde la perspectiva del juego, en realidad solo hay dos puntos de apoyo que sostienen el movimiento del pistón en la camisa de cilindro. En cambio, nuestro martillo hidráulico de perforación FYYG-20 diseñado adopta cuatro puntos de apoyo, y el juego en cada punto de apoyo es de 0.03~0.04 mm. Según cálculos teóricos, su caída interna es pequeña, pero en pruebas prácticas, es propenso a la fusión del cilindro y el atasco. Los cuatro puntos de apoyo son una estructura estáticamente indeterminada en mecánica, que debe evitarse en la diseño mecánico en la medida de lo posible. En las superficies de contacto entre el pistón y la camisa de cilindro intermedia y trasera, hay cuatro ranuras de equilibrio de 7.8 mm de ancho, 4 mm de profundidad y longitudes de 20.5 y 29 mm. Su función es equilibrar la fuerza radial sobre el pistón, similar a la cámara de aceite de un cojinete hidrostático, evitando que el pistón se raye en el cilindro por la fuerza radial durante el funcionamiento.

Cojín de aceite para impacto en vacío (zona de atrapamiento de aceite)

El pistón tiene un hombro saliente de 21 mm de ancho. Cuando el pistón impacta hasta la posición de punto muerto delantero o retrocede hasta la posición de punto muerto trasero, se dispone una zona de atrapamiento de aceite de 4 mm de profundidad en la camisa de cilindro intermedia y trasera, para evitar que el pistón exceda el recorrido limitado por la fuerza de inercia durante el impacto en vacío del martillo de perforación, lo que podría dañar las piezas de la máquina.

Juegos de ajuste

El juego y la caída interna tienen una relación de proporción cúbica. Un juego grande reducirá la eficiencia del martillo de perforación, mientras que un juego pequeño, aunque aumenta la eficiencia, puede causar el atasco debido a pequeñas impurezas en el aceite. Por lo tanto, el juego del martillo hidráulico de perforación es un problema clave y contradictorio.

(1) Camisa de cilindro y cuerpo del cilindro: El martillo de perforación FYYG-20 adopta el agujero del cuerpo del cilindro como referencia, y la camisa de cilindro y el cuerpo del cilindro usan un ajuste de transición, lo que suele rayar el cuerpo del cilindro durante la carga y descarga de la camisa de cilindro. En cambio, el AD-101 adopta un ajuste dinámico de precisión de clase 1 entre el cuerpo del cilindro y la camisa de cilindro, con un juego de 0.04 mm, y su referencia de posicionamiento no está en el cuerpo del cilindro sino en la mordaza de la camisa de cilindro, lo que facilita el procesamiento, la carga y descarga, y garantiza la precisión.

(2) Pistón y camisa de cilindro: El juego entre el pistón y la camisa de cilindro delantera es de 0.045 mm, entre el pistón y la camisa de cilindro intermedia es de 0.05 mm, y entre el pistón y la camisa de cilindro trasera es de 0.085~0.09 mm. Debido al gran juego de la camisa de cilindro trasera, se puede considerar que solo las camisas de cilindro delantera e intermedia sostienen el movimiento del pistón, evitando el problema de la indeterminación estática.

(3) El juego entre la carcasa de la válvula y la camisa de cilindro es de 0.04 mm.

(4) El juego entre la carcasa de la válvula y el pistón es de 5 mm, y el agujero interno solo funciona como canal para aceite de alta y baja presión. La válvula de inversión de esta estructura no requiere una alta precisión dimensional y es fácil de procesar.

(III) Parámetros técnicos del martillo de perforación

Frecuencia de impacto: 3400 veces/min

Trabajo de impacto: 19.4 kg·m

Velocidad de rotación del mango del brocal: 0~240 rpm

Par máximo: 24.5 kg·m

Presión de impacto: 127.5 kg/cm²

Caudal de impacto: 127 L/min

Presión de rotación: 127.5 kg/cm²

Caudal de rotación: 32 L/min

Presión de agua de lavado: 8~12 kg/cm²

Caudal de agua de lavado: 30 L/min

Potencia total del motor: 43.26 kW

Diámetro del broca: 38~42 mm

Longitud total: 869 mm

Ancho: 277 mm

Altura total: 224 mm

Peso: 115 kg

Las características estructurales anteriores son solo un análisis superficial del martillo de perforación AD-101. Si se adoptan algunas de sus características combinadas con situaciones concretas, proporcionarán inspiración para nuestro diseño de nuevos martillos hidráulicos de perforación.