نظرة عامة على الأبحاث النظرية المتعلقة بكاسرات الصخور الهيدروليكية

1.5 نظرة عامة على الأبحاث النظرية المتعلقة بكاسرات الصخور الهيدروليكية

أثناء تشغيل كاسر الصخور الهيدروليكي، يتغير ضغط الزيت في غرفة العمل بتكرار عالٍ تحت تحكم صمام التوجيه؛ ولا يمكن مناقشة خصائص السائل في ممر الزيت ببساطة وفقًا لنظرية النقل الهيدروليكي، بل يجب تطبيق تحليل نظرية الاهتزازات الهيدروليكية. أما القوة المؤثرة على المكبس والمثقاب فترتفع من الصفر إلى عشرات أو مئات الميغاباسكال خلال بضعة عشرات من المايكروثانية، ثم تنخفض مجددًا إلى الصفر؛ وبما أن شكل انتقال الطاقة يتم عبر موجات الإجهاد، فإن وصف العملية التشغيلية لا يمكن أن يعتمد ببساطة على نظريات الميكانيكا الساكنة وميكانيكا الأجسام الصلبة والحركة. ويندرج مبدأ آلة الضرب ضمن مسائل ديناميكا الأجسام المرنة، ويجب استخدام نظرية الموجات لوصف عملية انتقال الطاقة بدقة.

استنادًا إلى الاختلافات في الافتراضات الأساسية والنماذج الرياضية، ينقسم بحث كاسرات الصخور الهيدروليكية إلى فئتين رئيسيتين: بحوث النموذج الخطي وبحوث النموذج غير الخطي.

1.5.1 النماذج الخطية للبحث في كاسرات الصخور الهيدروليكية

البحث الخطي هو البحث المثالي الذي يتم من خلال خطية غير الخطي هيدروليكية الصخور المكسرة من خلال الافتراضات النماذج الخطية التي تم الحصول عليها في ظل افتراض "ضغط الزيت الهيدروليكي الثابت" وتجاهل بعض العوامل. فرضية بحثها هي وجهة النظر المقترحة من قبل علماء الحقبة السوفيتية أودعليموف وساباسوف في "نظرية هيكل آلة تأثير الاهتزاز الهيدروليكي": "في ظل شرط ضمان سرعة نهاية تأثير معينة ، فإن التحكم في الضغط المتساوي بالكامل هو على أساس افتراض "تحكم الضغط الثابت"، اقترح علماء العصر السوفيتي مخطط التصميم الأمثل للقوة القصوى للدفع. قام الباحث الياباني ناكاماي وآخرون، على هذا الأساس بالنظر إلى مقاومة خطوط الأنابيب، بإجراء أبحاث نظرية وتصميمية حول قابلية ضبط ضربة المكبس. اقترح البروفيسور لي داجي من جامعة بكين للعلوم والتكنولوجيا فكرة تصميم ضربة مثالي. استخدم تشين يوفان وآخرون نماذج خطية لأجهزة الاصطدام ، وذلك باستخدام التحليل غير الأبعاد مع طريقة السكتة الدماغية المثلى ، لتنفيذ تحليل غير الأبعاد لمعلمات أجهزة الاصطدام ، والحصول على سلسلة من التعبيرات الع قام المعلم تشن دينغيوان من جامعة بكين للعلوم والتكنولوجيا باستخدام C = S / S_m (S: سكتة تشغيل ، S_m: الحد الأقصى للسكتة) كمغير تصميم ، أجرى تحليلًا غير مقياس للكاسحات الهيدروليكية قام المعلم وانغ تشنغ من جامعة بكين للعلوم والتكنولوجيا باستخدام الوقت t لتسارع عودة المكبس كمغير تصميم ، أجرى تحليلًا شاملًا للمعلمات وحصل: عندما يكون تغير حجم التراكم ضئيلًا ، t = 0.406T ؛ عندما يكون التأثير استخدم المعلم هي تشينغهوا من جامعة الجنوب المركزي معامل الخصائص الهيكلية لجهاز الصدمة نسبة المساحة الفعالة بين المكبس الأمامي والغرفة الخلفية كمغير تصميم غير مقياس لتنفيذ تصميم تحسين على أجهزة الصدمة. لأن العديد من الدراسات الخطية لم تأخذ بعين الاعتبار علاقة الاحتواء المتبادلة بين المكبس والصمام التي تؤثر مباشرة على أداء الاصطدام وحالة التراكم ، فإنها لا يمكن أن تعكس بدقة العلاقات المتبادلة بين العديد من المعلمات الهيكلية في الآلية. على الرغم من أن دقة بحثهم ضعيفة نسبياً، إلا أن نتائجهم يمكن أن تعكس أساساً علاقة تأثير عوامل مختلفة على الأداء، وبالتالي لها قيمة عملية معينة في البحث النظري والتصميمي.

١.٥.٢ النماذج غير الخطية لكاسرات الصخور الهيدروليكية

وبوصفها نظامًا نموذجيًّا نسبيًّا ومعقَّدًا لتتبُّع التغذية الراجعة الميكانيكية ذا جسمٍ واحدٍ، تتمتَّع كاسرة الصخور الهيدروليكية، شأنها في ذلك شأن الأنظمة غير الخطية في المجالات الأخرى، بالعديد من الظواهر والأنماط غير الخطية. وقد أخذ البحث في الظواهر غير الخطية بعوامل التأثير على حركة كاسرة الصخور الهيدروليكية في الاعتبار بشكل أكثر شمولاً، وحلَّل حالة الإجهادات المؤثِّرة على كاسرة الصخور الهيدروليكية تحليلًا شاملًا نسبيًّا، وتوصل إلى مجموعات من المعادلات التفاضلية غير الخطية ذات الرتب العليا لوصف أنماط حركتها. إلَّا أنَّ هذه المعادلات يصعب حلُّها، كما أنَّ وصفها ليس بديهيًّا، ولا يمكن حلُّها سوى عدديًّا باستخدام الحواسيب. وفي السنوات الأخيرة، ومع تطوُّر علوم الحاسوب والتكنولوجيا وانتشار الحواسيب المصغَّرة، زاد الاهتمام المتزايد من قِبل الباحثين بهذا النوع من النماذج الرياضية غير الخطية.

في أوائل السبعينيات من القرن العشرين، طبَّق الباحثون الأجانب الحواسيب الرقمية في أبحاث المحاكاة الخاصة بآلات التأثير على المثاقب الهوائية الصخرية، وحصلوا على نتائج دقيقة نسبيًّا. وفي عام ١٩٧٦، كان الباحث الياباني ماساو ماسابوتشي أول من استخدم الحسابات الرياضية لدراسة المُكسِّرات الصخرية الهيدروليكية، حيث اقترح نموذجًا رياضيًّا لجهاز الاختبار التأثيري الهيدروليكي، واستخدم الحساب التكراري لإيجاد سرعة وتردد الشوط القدرة، ثم قارن النتائج مع القيم المقاسة. وفي الثمانينيات من القرن العشرين، أجرا الباحثون اليابانيون تاكاوتشي يوشيو وتانيماتا شو وآخرون بحوثًا غير خطية حول أداء وتصميم المُكسِّرات الصخرية الهيدروليكية، واقترحوا نماذج تحليلية مناسبة لتقييم أداء هذه المُكسِّرات وتصميمها، فضلًا عن نظرية الاستنتاج والطريقة التحليلية الخاصة بهذا النموذج التحليلي. وفي عام ١٩٨٠، اقترح لي دازهي وتشين دينغيوان من جامعة بكين للعلوم والتكنولوجيا نموذجًا رياضيًّا غير خطي يستخدم ضغط المكثِّف كضغط تشغيلي، وبَحثا عن حلول عددية مستقرة. وفي عام ١٩٨٣، استخدم هو تشينغهوا من الجامعة الصناعية الجنوبية الوسطى، في بحثه الموسوم «بحث في المحاكاة العددية للمُكسِّرات الصخرية الهيدروليكية»، طريقة تبديل الحالات لإنشاء نموذج رياضي شامل، واقترح «طريقة الحساب بالتسارع شبه المنتظم» (الطريقة PUA)، وصحَّح الأخطاء عند نقاط انتقال الحالات، ما أدى إلى تحسين دقة المحاكاة. وفي عام ١٩٨٧، وضع البروفيسور تشن شياوزهونغ والمدرس تشن دينغيوان من جامعة بكين للعلوم والتكنولوجيا نموذجًا رياضيًّا غير خطي لآليات التأثير، وكتبوا برامج محاكاة بلغة BASIC، وحصلوا على بيانات محاكاة تتماشى نسبيًّا مع النتائج المقاسة. وخلال عملية تشغيل المُكسِّرات الصخرية الهيدروليكية، وبسبب ارتفاع الضغط وقصر دورة التأثير وكثرة تبديل تدفق الزيت، يتغير حجم غرفة الضغط باستمرار؛ ولذلك فإن تدفق الزيت الهيدروليكي عبر مختلف الفراغات يؤدي إلى توليد كمية كبيرة من الحرارة، ما يسبّب ارتفاع درجات الحرارة محليًّا ويؤثر سلبًا على أداء جهاز التأثير والتشحيم المحلي؛ ومع ذلك لا تزال الأبحاث في هذا المجال محدودة للغاية أو معدومة.

ونظراً لتعقيد حركة مكثّف الصخور الهيدروليكي، فإن النماذج غير الخطية تُبنى أيضاً على أساس افتراضات معينة، وبالتالي لا يوجد فعلياً فرقٌ كبير بين النماذج الخطية وغير الخطية من حيث وصف الطبيعة الجوهرية للظواهر — بل تختلف فقط طرائق حل النموذج الرياضي. فالنماذج الخطية تستخدم الحلول التحليلية، بينما يجب أن تستخدم النماذج غير الخطية الطرق العددية عبر الحواسيب للوصول إلى الحلول. وكلا النوعين لا يمكنه إلا تقريب أنماط حركة جهاز التأثير، وللحصول على طرائق وصف أكثر دقة، لا يزال يلزم تطوير ديناميكا السوائل الحاسوبية.

ويجب التأكيد على أنه مع تطور تقنية مكثّف الصخور الهيدروليكي، وبخاصة مع ظهور مكثّفات الصخور الهيدروليكية المدمجة هيدروليكياً و pneumatically، ومكثّفات الصخور الهيدروليكية التي تستخدم غاز النيتروجين المتفجر، لم يعد الوسيط العامل في مكثّف الصخور الهيدروليكي هو الزيت فقط، بل يشمل أيضاً الغاز؛ كما أن إدخال غاز النيتروجين زاد من صعوبة البحث النظري وتعقيده.

١.٥.٣ بحث حول المكونات الرئيسية لكاسرات الصخور الهيدروليكية

(١) بحث حول المكبس

يحدد جودة تصميم وتصنيع المكبس التصادمي إلى حدٍ كبير أداء جهاز التأثير. وقد أجرى الباحثون الصينيون بحوثًا واسعة النطاق في هذا المجال. فعلى سبيل المثال، قام الأستاذ منغ سوي مين من كلية جياوزو با للهندسة الكهرومائية، انطلاقًا من النموذج الخطي، باستخدام التحليل غير البُعدي لاستكشاف أولي لتأثير سرعة ارتداد المكبس على معاملات تشغيل كسر الصخور الهيدروليكي. أما الأستاذ ليو ديشون من كلية شيانغتان الهندسية، فقد طبَّق في بحثه الموسوم «حساب سرعة ارتداد مكبس مثقاب الصخور» نظرية ديناميكا الموجات، وبناءً على تحليل مبدأ عمل مثقاب الصخور، اقترح صيغتين لتقييم حالة ارتداد المكبس وحساب سرعة ارتداده لمثاقب الصخور، وتوصل إلى الاستنتاجات التالية: ① إن حالة ارتداد المكبس وسرعته مرتبطة بخصائص المكبس والمثقاب والصخر، ولا تكون تأثيراتها مستقلة بل مترابطة بعضها ببعض. ② cuanto كان معامل صلابة التفريغ للصخر أصغر، كانت سرعة الارتداد أكبر. وكلما قلَّ المعامل γ الذي يعبِّر عن خصائص التحميل لمثقاب الصخور والصخر، زادت سرعة الارتداد. ④ ولتحقيق كفاءة جيدة نسبيًّا في حفر الصخور، ينبغي عند تصميم جهاز التأثير التحكم في المعامل المميز γ ضمن المدى ١ ≤ γ ≤ ٢.

لقد شكلت الصناعة تدريجيًّا بعض المبادئ التوجيهية لتصميم المكابس:

١) يجب أن يكون المكبس ممدودًا ويقلل من التغيرات غير الضرورية في المساحة العرضية، وذلك لتحسين كفاءة نقل الطاقة وزيادة عمر المثقاب.

٢) يجب أن تكون مساحة سطح اصطدام المكبس مساويةً أو قريبةً قدر الإمكان من مساحة الطرف الخلفي للمثقاب، مع وجود طول مُنحنٍ معين، وذلك لتحسين انتقال موجات الاصطدام.

٣) لا يجوز أن تتسبب الحركة الكاملة أو الحركة الزائدة للمكبس في إتلاف هياكل الإغلاق عند الطرفين.

٤) يجب أن يتم تصميم أبعاد وسادة التخميد الهيدروليكية عند التشغيل الفارغ وأطوال الإغلاق لكل قطعة من المكبس بدقة.

٥) يتطلب الأمر اختيار المواد المناسبة — إذ يجب أن تمتلك مادة المكبس أداءً ميكانيكيًّا عاليًا، وصلادة سطحية عالية، ومرونة جيدة في اللب، ومقاومة ممتازة للتآكل والتأثير.

٦) يجب تحديد مسافة التداخل بين المكبس وجسم الأسطوانة بشكل معقول، مع أخذ خسائر التسرب ودقة التشغيل الميكانيكي في الاعتبار بشكل شامل. وبشكل عام، تتراوح مسافة التداخل بين المكبس وجسم الأسطوانة بين ٠٫٠٤ و٠٫٠٦ مم، بينما تتراوح مسافة التداخل بين المكبس والغلاف الداعم بين ٠٫٠٣ و٠٫٠٥ مم.

(٢) بحث صمام التوزيع

في الوقت الراهن، تستخدم الغالبية العظمى من كاسرات الصخور الهيدروليكية أنظمة أسطوانات خاضعة للتحكم بواسطة صمامات ذات تغذية موضعية، وتُحقِّق حركة اهتزازية سريعة للأسطوانة بتغيير نمط إمداد الزيت في غرفة معينة من جهاز التأثير. وعلى الرغم من أن هذه الطريقة التحكمية بسيطة نسبيًّا، فإن عملية الانتقال فيها معقَّدة نسبيًّا. فخلال عملية تبديل الصمام، تتغير المعايير مثل الزمن والسرعة وطول المسافة المقطوعة واستهلاك الزيت وغيرها على مراحل، مما قد يؤثِّر تأثيرًا كبيرًا على أداء جهاز التأثير. ولذلك، قام ليو وانلينغ وآخرون من جامعة بكين للعلوم والتكنولوجيا، عبر النظرية والتجربة، بإجراء بحثٍ متخصصٍ حول خصائص الصمامات التحكمية في أنظمة التأثير الهيدروليكية، وحصلوا على المسار الحركي الفعلي للصمام المدروس في جهاز التأثير، وكشفوا عن الأنماط التي تتبعها حركة الصمام الاتجاهي، وحدَّدوا المعايير الرئيسية للصمام التحكمي المؤثِّرة في أداء جهاز التأثير. كما أجرى تشي رن جون وآخرون من جامعة جنوب الصين المركزية تحليلًا نظريًّا لعملية التحكم بالصمام، وبَحثًا في تحسين هيكل الصمام ومعاييره، وتوصلوا إلى بعض الاستنتاجات المنتظمة المفيدة؛ وركَّزوا في بحثهم على ظواهر امتلاء السرعة (Velocity Saturation) والتجويف (Cavitation) المحتملة أثناء الحركة السريعة للصمام الاتجاهي، واقترحوا حلولًا فعَّالة تشمل تخفيض كتلة وطول مسار ساق الصمام (Spool) مع زيادة قطر ممر الزيت بشكل مناسب. أما ليو وانلينغ وغاو لان تشينغ من كلية بكين للحديد والصلب، فقد استخدموا في بحثهما المعنون «تحليل الخصائص الديناميكية للصمام الاتجاهي لكاسرة الصخور الهيدروليكية — بحث بالمحاكاة والتجارب» لغة البرمجة BASIC لاستكشاف سبل تحسين الخصائص الديناميكية للصمام، وخلُصوا إلى أن زيادة فتحة الصفر التداخلية (Zero-Overlap Opening) تؤدي إلى انخفاض سريع في ضغط الغرفة الخلفية، وزيادة في شغل التأثير، وانخفاض طفيف في تكرار التأثير، وتحسين في كفاءة جهاز التأثير؛ أما عند كبر فتحة الصفر التداخلية أكثر من اللازم، فإن انخفاض طول منطقة الإحكام عند كتف الصمام يؤدي إلى عدم انتظام في أداء الصمام.

(3) بحوث المكثف

المُجمِّع هو مكوِّنٌ مهمٌّ في كاسِر الصخور الهيدروليكي، ويؤثِّر هيكله مباشرةً على أداء الجهاز الكلي لكاسِر الصخور الهيدروليكي. ولذلك، فبينما تتم دراسة أداء كاسِر الصخور الهيدروليكي، تمت أيضًا إجراء أبحاثٍ حول المُجمِّعات. ففي عام ١٩٩٠، قام الباحثون اليابانيون تاكاوتشي يوشيو وتانيماتا شو وآخرون بإجراء بحوثٍ تجريبية ونظرية، واستندوا في ذلك إلى النموذج التحليلي الذي وضعوه، مستخدمين معادلة الحالة للحصول على صيغة حسابية لحجم شحنة النيتروجين في المُجمِّع، وتم التحقق تجريبيًّا من صحّة هذه الصيغة، مما قدَّم أساسًا نظريًّا لتصميم المُجمِّع الأمثل. وفي عام ١٩٨٦، استخدم دوان شياوهونغ من جامعة بكين للعلوم والتكنولوجيا طريقة المعامل المركَّز لإنشاء نموذج ديناميكي للمُجمِّعات الغشائية عالية الضغط، وحلَّل باستخدام كلٍّ من الطرق التجريبية والحاسوبية الخصائص الترددية لنظام المُجمِّع، وناقش التكامل الأمثل بين المُجمِّع وكاسِر الصخور الهيدروليكي، وأشار إلى أن المنطقة التشغيلية المثلى لجهاز التأثير هي تلك التي يسود فيها الاستجابة التوافقية الثانية للمُجمِّع لتغيرات ضغط النظام من حيث الطاقة. وفي عام ١٩٨٦، نشر الأستاذ هي تشينغهوا من جامعة جنوب الصين المركزية ورقة بحثية بعنوان «زيت الإرجاع والمُجمِّع الخاص بزيت الإرجاع في آليات التأثير الهيدروليكية»، مشيرًا فيها إلى أن الضغط الهيدروليكي التشغيلي لكاسِر الصخور الهيدروليكي يعتمد بشكل رئيسي على قوة القصور الذاتي للأجزاء المتحركة الخاصة به؛ وهذه خاصيةٌ بارزةٌ لكاسِر الصخور الهيدروليكي تميِّزه عن الآلات الهيدروليكية العادية التي يعتمد ضغطها التشغيلي الهيدروليكي بشكل رئيسي على الحمل الخارجي. أما ضغط الإرجاع الخلفي فهو في الأساس ضغط هيدروليكي ناتج عن القصور الذاتي يتكون عندما يتسارع الزيت أثناء خروجه من المكابس أو الصمامات إلى أنبوب زيت الإرجاع؛ وأشار إلى أنه، وبما أن تدفق الزيت الخارج من جهاز التأثير يختلف عن نمط تغير تدفق الزيت في أنبوب الإرجاع، فإن حدوث ظاهرة التكهُّف (Cavitation) سيحدث عند انخفاض تدفق الزيت الداخل لأنبوب الإرجاع عن تدفق الزيت المتحرك داخل هذا الأنبوب. ولتخفيض ضغط الإرجاع الناتج عن القصور الذاتي والقضاء على التكهُّف في دائرة الإرجاع، اقترح تركيب مُجمِّع إرجاع في كاسِر الصخور الهيدروليكي، ومن ثم اقترح طريقةً لتصميم معايير هذا المُجمِّع الإرجاعي. وفي السنوات الأخيرة، أجرت جامعة بكين للعلوم والتكنولوجيا أبحاثًا حول الخصائص الديناميكية للتكامل بين المُجمِّع وكاسِر الصخور الهيدروليكي، ووضعت حزمة برامج المحاكاة HRDP، وحقَّقت نتائج في الحسابات التحققية المتعلقة بالخصائص الديناميكية المثلى للتكامل بين المُجمِّع وكاسِر الصخور الهيدروليكي.

(4) بحث حول أجهزة منع إطلاق النار الفارغ وامتصاص طاقة الارتداد للمناول

بما أن ظاهرة ارتداد المثقاب والانفجارات الفارغة لا مفرّ منها أثناء تشغيل كاسر الصخور الهيدروليكي، فإن أداء جهاز امتصاص طاقة ارتداد المثقاب وجهاز منع الانفجارات الفارغة يؤثر تأثيراً كبيراً على عمر كاسر الصخور الهيدروليكي الافتراضي. وقام الأستاذ منغ سوي مين، في بحثه الموسوم «تحليل سرعة ارتداد مكبس مثقاب الصخور»، بتحليل منهجي لعوامل ارتداد ذيل المثقاب واستكشف أساليب امتصاص طاقة ارتداد المثقاب. أما لياو يي ده من جامعة جنوب الصين المركزية، فقد أنشأ في بحثه الموسوم «النظرية والبحث التجريبي حول أجهزة التخزين المؤقت لمنع الانفجارات الفارغة في المثاقب الصخرية الهيدروليكية» نموذجاً رياضياً لعملية التخزين المؤقت لمنع الانفجارات الفارغة وأجرى بحوث محاكاة. وقام الدكتور لياو جيان يونغ، في بحثه الموسوم «نظرية التصميم والتصميم بمساعدة الحاسوب للمثاقب الصخرية الهيدروليكية متعددة المراحل»، بإجراء محاكاة حاسوبية وتصميم أمثل لأجهزة امتصاص طاقة ارتداد المثقاب وأجهزة منع الانفجارات الفارغة. كما استخدم ليو ده شون من جامعة جنوب الصين المركزية، في أطروحته الدكتوراه الموسومة «بحث ديناميكا الموجات في آليات التصادم»، نظرية ديناميكا الموجات لاشتقاق صيغ حساب سرعة الارتداد لكل جزء من أجزاء جهاز التصادم، وأشار إلى أنه يمكن الاستفادة من طاقة الارتداد عبر تصميم معقول لكل جزء من أجزاء جهاز التصادم. وطوّرت معهد أبحاث الآلات الهندسية الهيدروليكية التابع لجامعة جنوب الصين المركزية جهاز تخزين مؤقت من مرحلتين لمنع الانفجارات الفارغة، والذي استغل بالكامل قدرة جهاز امتصاص طاقة ارتداد المثقاب — وهي إنجاز بحثي مبتكر.

١.٥.٤ بحث حول تكنولوجيا ضبط التردد وضبط الطاقة والتحكم في كاسرات الصخور الهيدروليكية

مع تطور تكنولوجيا كاسرات الصخور الهيدروليكية، طرحت أعمال الإنشاءات الميدانية متطلبات جديدةً على هذه الكاسرات. ولتحسين الكفاءة الإنتاجية بشكل فعّال، يُشترط أن تكون طاقة التصادم وتكرار التصادم لكاسرة الصخور الهيدروليكية قادرةً على التغيُّر استجابةً لتغير خصائص الصخور. أي أنه، وبافتراض الاستفادة القصوى من القدرة المركَّبة للآلة الحاملة، فإن كاسرة الصخور الهيدروليكية تُخرِج طاقة تصادم أكبر وتكرار تصادم أقل عند كون الصخور أكثر صلابةً؛ والعكس صحيح عند كون الصخور أقل صلابةً، حيث تُخرِج طاقة تصادم أصغر وتكرار تصادم أعلى، وبذلك تحقِّق كفاءة إنتاجية أعلى. ولتحقيق هذه الأهداف، أُجريت أبحاثٌ واسعة النطاق سواءً محليًّا أو دوليًّا.

من البحث النظري المتعلق بمكابس الصخور الهيدروليكية، يمكن ضبط مخرجاتها (طاقة التأثير والتردد) أساسًا بثلاث طرق: ① ضبط تدفق السائل؛ ② ضبط طول الشوط؛ ③ ضبط ضغط التغذية الراجعة. وحاليًّا، فإن الغالبية العظمى من مكابس الصخور الهيدروليكية المحلية والأجنبية تمتلك شوطًا ثابتًا واحدًا فقط — أي أن مخرجاتها غير قابلة للضبط. وبطبيعة الحال، إذا استخدمت هذه المكابس الهيدروليكية وسيلة ضبط التدفق لتعديل المخرجات، فعلى الرغم من إمكانية ذلك نظريًّا، فإنه عمليًّا غير قابل للتطبيق. وذلك لأن تغيُّرات التدفق تؤدي إلى تغيُّرات متزامنة في معاملات المخرجات، وبالتالي لا يمكن تحقيق ضبط مستقل.

ورغم أن بعض الشركات المصنعة المحلية والأجنبية قد صمّمت وصنعت مكابس هيدروليكية قابلة لتعديل السكتة (المسافة التي يتحركها المكبس)، فإن هذه المكابس تُعاني من كون تعديل سكتتها يتم عبر هيكلٍ جامد وبخطوات متدرجة، ما يجعل استخدامها غير مريحٍ للغاية، ويؤدي إلى نتائج ضعيفة، ولذلك فهي غير مرغوبة لدى المستخدمين. أما فيما يتعلق بتوزيع التغذية الراجعة للسكتة العكسية، فيتم ضبط معاملات العمل الخارجة أساسًا بتغيير تدفق النظام الداخل، أو بإضافة عدة فتحات إشارية للسكتة العكسية، ومن ثم التحكم في حالة التشغيل/الإيقاف لكل فتحة إشارية لضبط سكتة المكبس، وبالتالي تغيير طاقة التأثير وتكرار التأثير للمكبس الهيدروليكي لكسر الصخور. وعلى سبيل المثال، هناك المثقاب الهيدروليكي ذي السرعات الثلاث لمجموعة أطلس كوبكو Atlas-Copco الذي تصنعه السويد. أما سلسلة المكابس الهيدروليكية ذات التحويل الأوتوماتيكي للسرعة من نوع YYG التابعة لجامعة جنوب الصين المركزية، فهي — بسبب القيود البنيوية — لا تتيح سوى التعديل المتدرج لمعاملات عمل المكبس الهيدروليكي لكسر الصخور؛ وبما أن ضغط نظام التأثير وتدفقه يتناسبان مع مربع أحدهما الآخر، فإن الزيادة المتزامنة في طاقة التأثير وتكرار التأثير ستؤدي إلى تغيرات كبيرة جدًّا في قدرة الآلة الحاملة، مما يحد من توسيع نطاق عمل المكبس الهيدروليكي لكسر الصخور وكفاءته التشغيلية. وقد وصف البروفيسور تاكاشي تاكاهاشي Takashi Takahashi من جامعة أكيتا Akita University في اليابان في ورقة بحثية طريقة تعديل موقع منفذ الإشارة العكسية لتحقيق هدف تغيير سكتة مكبس كسر الصخور الهيدروليكي. وأثبتت التجارب أنه عند زيادة سكتة المكبس بنسبة ١٠٪، فإن تكرار التأثير ينخفض بنسبة ٨٪، بينما يمكن أن تزداد طاقة التأثير بنسبة ١٢٪، ما أدى إلى تحسين الكفاءة التشغيلية ووفّر أدلة نظرية وتجريبية لتصميم مكابس هيدروليكية لكسر الصخور قابلة لتعديل السكتة. كما قام الأستاذ هي تشينغهوا He Qinghua من جامعة جنوب الصين المركزية، في بحثه الموسوم «بحث في المكابس الهيدروليكية المؤثرة القابلة لتعديل السكتة»، بمقارنة عدة أنواع من أساليب تحويل السرعات، وحلّل نظريًّا العلاقات بين مختلف معاملات العمل للأجهزة الهيدروليكية المؤثرة القابلة لتعديل السكتة وسكتات تحويل السرعات؛ وقد كانت النتائج ذات دلالة توجيهية واضحة لتصميم واستخدام المكابس الهيدروليكية لكسر الصخور ذات تحويل السرعات. وتقترح هذه الكتاب مفهوم ضبط معاملات العمل بشكل مستقل وبدون خطوات (ضبط تدريجي مستمر) استنادًا إلى مبدأ التغذية الراجعة للضغط، وقد تم إطلاق هذا المنتج الجديد من المكابس الهيدروليكية لكسر الصخور. ويتم فيه ضبط طاقة التأثير الفردية للجهاز المؤثر أساسًا بالتحكم في مقدار ضغط عودة المكبس؛ وفي الوقت نفسه، يتم التحكم في تدفق المضخة المتغيرة لضبط تكرار الجهاز المؤثر بشكل تدريجي مستمر، بحيث يمكن ضبط كلٍّ من طاقة التأثير وتكرار التأثير بشكل مستقل وتدريجي مستمر ضمن مدى واسع نسبيًّا، مع حدوث تغير ضئيل في قدرة الآلة الحاملة. وفيما يتعلق بالبحث النظري والتصميم البنيوي وطرق التحكم لهذا النوع الجديد من المكابس الهيدروليكية المؤثرة، فقد أجرى المؤلفون بحثًا حول الأجهزة الهيدروليكية المؤثرة التي تتيح ضبطًا مستقلًّا وتدريجيًّا مستمرًا لطاقة التأثير وتكرار التأثير. وحقق الدكتور تشاو هونغتشيانغ Zhao Hongqiang في أطروحته الدكتوراه الموسومة «بحث في كسارة حجر هيدروليكية جديدة ذات تحكم مستقل وتدريجي مستمر» اختراقًا في أسلوب التحكم التقليدي القائم على التغذية الراجعة للسكتة في المكابس الهيدروليكية لكسر الصخور، واعتمد بدلًا منه أساليب التحكم بالتغذية الراجعة للضغط والتحكم في تدفق المضخة المتغيرة، وبذلك حقق التحكم المستقل والتدريجي المستمر في طاقة التأثير وتكرار التأثير للمكبس الهيدروليكي لكسر الصخور. أما دينغ وينسي Ding Wensi، فقد قام في أطروحته الدكتوراه، باستخدام ضغط النيتروجين عند الذيل الخلفي للكسارة كمتغير تحكمي، بإجراء أعمال واسعة النطاق على الكسارات ذات التوزيع الإجباري والتي تُدار بواسطة صمامات تبديل عالية السرعة، ليحقق بذلك ضبط التكرار والطاقة بشكل مستقل. واعتمد تشانغ شين Zhang Xin في بحثه الموسوم «بحث في نظام جديد من الأجهزة الهيدروليكية المؤثرة القائمة على التغذية الراجعة للضغط والمدمجة آليًّا وإلكترونيًّا» صمامات تبديل عالية السرعة خاضعة للتحكم بواسطة متحكم دقيق وحيد الشريحة (ميكروكونترولر) لتحقيق التحكم الإلكتروني الدقيق في الجهاز المؤثر. أما يانغ قووبينغ Yang Guoping، فقد اقترح في أطروحته الدكتوراه الموسومة «بحث في جهاز هيدروليكي مؤثر نقي التحكم، ذي قدرة مستقلة وتدريجية مستمرة على ضبط التكرار والطاقة» جهاز تأثير ذكي يعتمد على مخطط تحكم هيدروليكي بحت، ويمكنه تحقيق ضبط تدريجي مستمر لطاقة التأثير وتكرار التأثير للمكبس الهيدروليكي لكسر الصخور عبر مقبض صمام توزيع من النوع التوجيهي (Pilot-type).

1.5.5 الوضع الراهن لأبحاث تقنية محاكاة كاسرات الصخور الهيدروليكية

من منظور تصميم المنتج وتطويره، يُفضَّل إجراء أبحاث الخصائص الديناميكية للآليات خلال مرحلة تطوير التصميم والمنتج. وقد ظلَّت محاكاة الاستجابة الديناميكية للأنظمة الهيدروليكية للتحكم مجالاً يخضع باستمرار للدراسة من قِبل قطاع الهيدروليكا، وهي أيضاً وسيلة شائعة الاستخدام لدراسة الخصائص الديناميكية للاستجابة في أنظمة التحكم.

يحدد الأسلوب الخاص للعمل الذي يتبعه كاسح الصخور الهيدروليكي ضرورة الاعتماد على تحليل المحاكاة الديناميكية والاختبارات كأساسٍ نظريٍّ لتصميم وتطوير الآلية. وبعد ظهور الحواسيب، زال العائق المتمثل في الاعتماد فقط على اختبارات المنتج للحصول على نتائج دقيقة أو موثوقة لأداء حركة الآلية. وبدأ الباحثون باستخدام طرقٍ متنوعةٍ لإنشاء نماذج رياضيةٍ تصف اهتزاز وحركة الآلات الهيدروليكية المؤثِّرة، وتحليل عمليات تغيُّر المعايير الخاصة بكاسحات الصخور الهيدروليكية عبر تقنيات المحاكاة، واستخدام تقنية النموذج الأولي الافتراضي لمحاكاة عمليات حركة الآلات المؤثِّرة. وبعد تحديد نتائج التصميم، يمكن فهم حركة الآلية بوضوحٍ وحساب المعايير ذات الصلة بالأداء، مما يوفِّر مساراً جيِّداً لاختصار دورات تطوير المنتجات الجديدة، وتحسين التصميم، وإجراء تحليل الأداء الديناميكي.

في ستينيات وسبعينيات القرن العشرين، بدأ الباحثون الأجانب في تطبيق الحواسيب الرقمية على أعمال محاكاة الآلات الصادمة. واتخذت هذه الدراسات ضغط الغرفة الأمامية والخلفية كمتغيرٍ رئيسي، وحسبت تدفق السائل الداخل والخارج من كل منفذ، مع تصحيح النتائج باستخدام معاملات التدفق؛ ثم طبَّقت معادلة حالة الغاز ومعادلة موازنة الطاقة، وأسست معادلات تفاضلية دقيقة تصف التغيرات في حالة المُجمِّع والمكبس؛ وبعد إجراء معالجات تقريبية معينة لحركة الصمام، استخدمت طريقة الفروق المنتهية للحل العددي. وكانت نتائج المحاكاة، وبخاصة المعايير الأداء، قريبة جدًّا من القيم المقاسة، مما حقَّق نتائج مُرضية. وفي اليابان، ركَّز الباحثون أكثر على إنشاء نماذج حاسوبية مخصصة لكاسرات الصخور الهيدروليكية المحددة لأغراض البحث، وإدخال المعاملات المستخلصة من التجارب في عمليات المحاكاة لإجراء تحسينٍ للمعاملات البنائية، ومعاملات الصدمة، وأداء كاسرات الصخور الهيدروليكية، فحصلوا على مساحة مثلى لمنفذ عودة الزيت، وحجم شحن مثالي للمُجمِّع، والمساحة المُحمِّلة للضغط في الغرفة الخلفية لكاسرة الصخور الهيدروليكية المقابلة. وخلال إجراء عمليات المحاكاة، أولى الباحثون اليابانيون اهتمامًا أكبر للمقارنة بين نتائج المحاكاة ونتائج الاختبارات التجريبية، وقاموا بتصحيح النماذج الحاسوبية وفقًا لبيانات الاختبارات. أما شركة «ساندفيك» (Sandvik)، فقد صمَّمت وطوَّرت برنامج محاكاة حاسوبي في هذا المجال بعد أخذ تأثير شكل المكبس الصادم في طريقة انتقال الطاقة في الاعتبار. وباستخدام هذا البرنامج: ① يمكن محاكاة عملية انتقال الطاقة في كل جزء من أجزاء الصدمة؛ ② يمكن محاكاة تصاميم مختلفة لمكوِّنات النظام الواحد؛ ③ يمكن محاكاة تأثير التصاميم المختلفة على انتقال الطاقة في ظل ظروف أنواع مختلفة من الأجسام الصادمة. ولا يضمن برنامج «ساندفيك» الحاسوبي تصنيع أفضل المنتجات فحسب، بل يمكنه أيضًا قياس وفهم قدرة جميع المعاملات على التأثير في نظام الصدمة، وتأثير التغيرات في معاملات معينة على الكفاءة، ويقدِّمه للمستخدمين كأداة حسابية عملية وفعَّالة.

بعد الثمانينيات، بدأت أيضًا الأبحاث المحلية في مجال تقنيات المحاكاة وتطبيقاتها. وقد أنشأ الباحثون الصينيون تيان شوجون وتشن يوفان وغيرهما نماذج رياضية باستخدام أساليبهم الخاصة. وطبَّق تيان شوجون وآخرون تقنية «رسم الارتباطات الكهربائية» (Power Bond Graph) — وهي تقنية متقدمة لنمذجة الأنظمة الديناميكية — مع دمج طرق تحليل الفضاء الحالة، وركَّزوا بشكل رئيسي على إجراء بحوثٍ حول برامج المحاكاة الديناميكية لكاسرات الصخور الهيدروليكية التي تُحكَم بواسطة صمامات الانزلاق. واستكشفت هذه الدراسة نمذجة المحاكاة الديناميكية ولغة البرمجة الخاصة بكاسرات الصخور الهيدروليكية، ووفَّرت منهجيةً ونهجًا عَمليًّا لعديدٍ من مبرمجي المحاكاة اللاحقين، مثل البروفيسور زهو زيهونغ من جامعة بكين للعلوم والتكنولوجيا، الذي وجَّه طلابه يان يونغ وآخرين لاستخدام رسم الارتباطات الكهربائية في وضع المعادلات الديناميكية لأنواع مختلفة من مكابس كاسرات الصخور الهيدروليكية، والصمامات التوجيهية، وكل معادلة تدفق هيدروليكي ومعادلات حالة الغاز؛ ثم قاموا بتطوير برامج محاكاة بلغة الحاسوب لتحليل العمليات الرئيسية لتغيُّر الحالات، مثل ضغط غرفتي المكبس الأمامية والخلفية، والتدفُّق، وإزاحة المكبس وسرعته في كاسرة الصخور الهيدروليكية، مما قدَّم منصةً لإجراء بحوثٍ إضافية حول تأثير تغيُّرات معايير كاسرة الصخور الهيدروليكية في أدائها. ومع التطور السريع لأجهزة الحاسوب وتكنولوجيا البرمجيات، تم توظيف برامجي «ماتلاب» (Matlab) و«إيه إم إي سيم» (AMEsim) في نمذجة ومحاكاة أنظمة كاسرات الصخور الهيدروليكية، ما قدَّم دعمًا نظريًّا لاختصار دورات البحث والتطوير وتحسين جودة تصميم النماذج الجديدة.

١.٥.٦ طرق البحث التجريبي

التجربة هي الوسيلة الأساسية التي يستخدمها الإنسان للتعرُّف على الطبيعة وتحويل العالم الموضوعي — حيث يتم تلخيص الظواهر الملحوظة والبيانات المقاسة من خلال التجربة، واستخلاصها بشكل تأملي، واكتشاف الروابط والأنماط الداخلية، وصياغة النظريات. والتجربة هي مصدر النظرية؛ والتجربة هي الحكم الوحيد للتحقق من صحة النظرية.

معلمات أداء المثقاب الهيدروليكي لتكسير الصخور تُعَد مؤشرًا مهمًّا لتقييم مستوى تصميمه وتصنيعه وجودته. ويمكن قياس المعلمات الرئيسية جميعها باستخدام طرق تجريبية، مع التعبير عن النتائج على هيئة بيانات أو منحنيات أو رسوم بيانية. ويتمحور التحقق من الأداء أساسًا حول قياس طاقة التأثير، وتكرار التأثير، وضغط النظام، وتدفُّق السائل. ولا توجد حاليًّا معايير تجريبية دولية موحَّدة لطرق قياس هذه المعلمات. أما الطرق الشائعة حاليًّا لاختبار أداء المثاقب الهيدروليكية لتكسير الصخور فهي: طريقة موجة الإجهاد، وطريقة الفرق في الإزاحة الضوئية الكهربائية، وطريقة الحث الكهرومغناطيسي، والطريقة التلامسية، والتصوير عالي السرعة، وطريقة الرسم البياني المؤشِّر، وطريقة الطاقة، وغيرها.

طريقة الموجة الإجهادية هي طريقة لقياس طاقة التصادم من خلال قياس الموجة الإجهادية الناتجة على المثقاب عند ارتطام المكبس المُصطدم به. أما الطريقة الضوئية الكهربائية فهي تستخدم مبدأ التحويل الضوئي الكهربائي؛ حيث يتم، عبر مستشعر ضوئي كهربائي، أخذ موقع المكبس المُصطدم كمقياس اختبار مباشر للحصول على إزاحة حركة المكبس، ثم حساب كل معاملٍ أداءٍ للجهاز المُصطدم بناءً على ذلك. وبما أن الطريقة الضوئية الكهربائية تُعدُّ طريقة اختبار غير تلامسية، فهي مناسبة جدًّا للأجهزة الاصطدامية مثل كاسرات الصخور الهيدروليكية التي تتميَّز بطول كبير في سكتة المكبس، وقطر كبير، وسرعة عالية. أما طريقة الاستقراء الكهرومغناطيسي فهي تستخدم نظام استشعار استقرائي كهرومغناطيسي يتكون من قضيب مغناطيسي مركَّب على المكبس المُصطدم وملف حلزوني مركَّب على الغلاف الخارجي، وتستفيد من القوة الدافعة الكهربائية المستحثة في الملف نتيجة قطع خطوط المجال المغناطيسي عندما يتحرك القضيب المغناطيسي تذبذبيًّا مع المكبس، ومن ثم تُستخلص سرعة حركة المكبس استنادًا إلى العلاقة المُعايرة بين القوة الدافعة الكهربائية وسرعة التصادم، ويُحسب بناءً عليها طاقة اصطدام المكبس.

طريقة الاتصال هي طريقة لحساب طاقة التأثير باستخدام السرعة النهائية للمكبس عند اصطدامه بالجسم المستهدف. وفي اختبارات أداء كاسرات الصخور، تُعدّ الطرق الأربع المذكورة أعلاه شائعة نسبيًّا؛ أما الطرق الأخرى، فهي نادرًا ما تُستخدم عمليًّا إما بسبب تعقيد تشغيلها وتكلفتها العالية، أو بسبب عدم قدرتها على التعبير الكامل عن حالة حركة المكبس.

يجب التأكيد على أن طريقة موجة الإجهاد المذكورة أعلاه مناسبة فقط لاختبار أجهزة التصادم ذات طاقة التصادم الصغيرة نسبيًّا، مثل المثاقب الصخرية الهيدروليكية والأدوات الهوائية، بينما تواجه صعوبات أكبر عند اختبار أجهزة كسر الصخور الهيدروليكية ذات طاقة التصادم الكبيرة. وبشكل عام، لا تكون القدرة الاختبارية للوحدات البحثية المتخصصة في دراسة موجات الإجهاد كبيرةً بما يكفي، ولا يمكنها التعامل مع اختبار أجهزة كسر الصخور الهيدروليكية الكبيرة؛ كما أن الضوضاء والاهتزاز الناتجين عن الاختبارات الداخلية غير مقبولة أيضًا. أما بالنسبة لطريقة التلامس، فهي وإن كانت سهلة التركيب، فإن نتائجها ليست دقيقةً بما يكفي ولا يمكن تعميم استخدامها. وتعتبر طريقة الاستقراء الكهرومغناطيسي الوحيدة المُستخدمة في اختبار أجهزة كسر الصخور الهيدروليكية شاملةً من جميع الجوانب: فهي قابلة للتطبيق سواءً على المثاقب الصخرية الهيدروليكية ذات طاقة التصادم الصغيرة أو على أجهزة كسر الصخور الهيدروليكية الكبيرة ذات طاقة التصادم العالية جدًّا؛ كما أنها تقيس مباشرةً منحنى سرعة حركة المكبس، مما يسمح باستنتاج إزاحة المكبس وتسارعه، وهي معلومةٌ بالغة الفائدة للباحثين في أنماط حركة المكبس. أما العيب الوحيد لهذه الطريقة فهو أن القضيب المغناطيسي يتأثر بسهولة ويُصاب بالتلف تحت تأثير اهتزاز المكبس عالي التردد.

اقترح الدكتور دينغ ونسي من جامعة جنوب وسط الصين، في أطروحته للدكتوراه المعنونة «بحثٌ حول نظام كاسر حجري هيدروليكي متكامل جديد النوع لآلة التفجير النيتروجيني مع تغذية ضغط عكسية»، طريقةً جديدةً لاختبار معايير إخراج جهاز التصادم — وهي «طريقة الضغط الغازي». وتستخدم هذه الطريقة مستشعر ضغطٍ لكشف التأثير الواقع على ضغط غرفة النيتروجين المغلقة المُركَّبة عند ذيل المكبس أثناء حركة المكبس، ومن ثم تُحدَّد عبر الحاسوب مسافة سير المكبس وسرعته الحركية، وبذلك يُحصل على المعلَّمتين المهمتين لإخراج جهاز التصادم: طاقة التصادم وتكرار التصادم. وبالمقارنة مع الطرق التقليدية للاختبار، تتميَّز طريقة الضغط الغازي غير التماسكية بمزايا تشمل مقاومة عالية للاهتزازات، وقلة متطلبات التحضير، والقدرة على قياس طاقة التصادم وتكراره في آنٍ واحد، وسهولة المعايرة، وانخفاض خطأ معايير التصادم، ودقة عالية. كما يمكن استخدامها ليس فقط كوسيلة لقياس وتحديد مواصفات المنتجات في المختبر، بل ويمكن أيضًا توظيفها بسهولة في الاختبارات التشغيلية المباشرة أثناء العمل الفعلي. وقد جرى تطبيق هذه الطريقة في برنامج الاختبارات الهيدروليكية لدى شركة جينغيه، وأُدرجت في المعيار الصناعي «الكاسر الهيدروليكي للصخور».

1.5.7 بحث حول الاهتزاز والضوضاء والتحكم

وبجانب طاقة التصادم، وتكرار التصادم، والكتلة، تشمل المؤشرات التي تُقاس بها أداء آلات التصادم الهيدروليكية أيضًا الضوضاء، واهتزاز جسم الآلة، ومعدل استغلال الطاقة، وهي جوانب هامة لتقييم الأداء الكلي. ومع تنامي الوعي البيئي، أصبحت القيود المفروضة على ضوضاء المعدات في البلدان المتقدمة أكثر صرامةً بشكلٍ متزايد. وللتكيف مع احتياجات السوق، باتت الضوضاء والاهتزاز في آلات التصادم الهيدروليكية، بالإضافة إلى كبح الغبار، مؤشراتٍ متزايدة الأهمية في المنافسة التجارية؛ وأصبحت تقنيات التحكم فيها الآن موضوع بحثٍ علميٍ مهم. ويقوم الباحثون من مختلف الدول بإجراء دراساتٍ من جوانب التصميم والمواد؛ فعلى الصعيد الهيكلي، تُتخذ تدابير مثل تركيب بطانات داخلية أسطوانية، أو أجهزة كابحة للضوضاء، أو تضمين صفائح فولاذية ماصة للاهتزاز بين طبقات الهيكل للتحكم في الاهتزاز والضوضاء. وقد زوّدت شركة Krupp جميع منتجاتها المتوسطة والصغيرة بمواد ماصة للصوت. أما شركة Rammer فقد زودت منتجاتها الجديدة بمضخات مياه ذات ضغط عالٍ وفوهة رشٍ ذرية لتحقيق تأثير خفض الغبار. وبالإضافة إلى ذلك، يُستخدم تقنية أجهزة الاستشعار لتحقيق تحديد دقيق لموقع المكابس الهيدروليكية لكسر الصخور، والحفر التلقائي للثقوب، وإيقاف المطرقة وسحبها تلقائيًا، والضبط التلقائي لطاقة التصادم وتكرار التصادم وفقًا لطبيعة الجسم العامل.