Přehled teoretického výzkumu hydraulických kamenolomů

1.5 Přehled teoretického výzkumu hydraulických kamenolomů

Během provozu hydraulického kamenolomu se tlak oleje v pracovní komoře mění s vysokou frekvencí pod kontrolou směrového ventilu; vlastnosti kapaliny v olejových potrubích nelze jednoduše diskutovat na základě teorie hydraulického přenosu, a proto je nutné použít analýzu podle teorie hydraulických vibrací. Síla působící na píst a dlahu stoupá z nuly na desítky až stovky megapascalů během několika desítek mikrosekund a poté klesne zpět na nulu; forma přenosu energie prostřednictvím napěťových vln určuje, že popis pracovního procesu nelze založit pouze na statice, mechanice tuhého tělesa a kinematice. Princip nárazového stroje patří do oblasti dynamiky pružných těles a pro přesný popis procesu přenosu energie je nutné použít vlnovou teorii.

Na základě rozdílů v základních předpokladech a matematických modelech lze výzkum hydraulických kamenolomů rozdělit do dvou hlavních kategorií: výzkum lineárních modelů a výzkum nelineárních modelů.

1.5.1 Lineární výzkumné modely pro hydraulické kamenolamy

Lineární výzkum je idealizovaný výzkum, který se provádí linearizací nelineárních hydraulických kamenolomů za použití předpokladů – lineární modely získané za předpokladu „konstantního tlaku hydraulického oleje“ a s ignorováním určitých faktorů. Výchozím předpokladem tohoto výzkumu je názor sovětských odborníků OdAlimova a SAbasova uvedený v knize „Teorie konstrukce hydraulických vibračních nárazových strojů“: „Za podmínky zajištění dané koncové rychlosti nárazu je řízení plným tlakem (tj. řízení při plném tlaku) optimální řídicí metodou s nejvyšší účinností.“ Na základě předpokladu „řízení konstantním tlakem“ navrhli sovětští odborníci optimální návrhové řešení pro minimální špičkovou tlačnou sílu. Japonský odborník Nakamai a kol., který tento přístup rozšířil o zohlednění odporu potrubí, provedl teoretický a návrhový výzkum nastavitelnosti zdvihu pístu. Profesor Li Dazhi z Pekingské univerzity věd a technologií navrhl myšlenku optimálního návrhu zdvihu. Chen Yufan a kol. použili lineární modely nárazových zařízení a pomocí bezrozměrné analýzy s metodou optimálního zdvihu provedli bezrozměrnou analýzu parametrů nárazových zařízení, čímž získali řadu vztahů mezi parametry sloužících jako vodítko pro návrhovou činnost. Docent Chen Dingyuan z Pekingské univerzity věd a technologií použil jako návrhovou proměnnou poměr C = S/S_m (S: pracovní zdvih, S_m: maximální zdvih), provedl bezrozměrnou analýzu hydraulických kamenolomů a zjistil, že optimální oblast účinnosti odpovídá hodnotám C = 0,75 až 0,850. Docent Wang Zheng z Pekingské univerzity věd a technologií použil jako návrhovou proměnnou čas t zrychlení pístu při návratu a provedl komplexní parametrickou analýzu, z níž vyplývá: pokud je změna objemu akumulátoru minimální, pak t = 0,406T; pokud je hydraulický náraz minimální, pak t = 0,5T. Prof. He Qinghua ze Středojihokinské univerzity použil jako bezrozměrnou návrhovou proměnnou konstrukční charakteristický koeficient nárazového zařízení – poměr efektivních ploch předního a zadního prostoru pístu – a provedl optimalizační návrh nárazových zařízení. Protože mnoho lineárních studií nepovažuje v úvahu vzájemný omezení mezi pístem a ventilem, které přímo ovlivňují výkon nárazu, ani stav akumulátoru, nemohou tyto studie přesně zachytit vzájemné vztahy mezi mnoha konstrukčními parametry v mechanismu. Ačkoli je přesnost jejich výzkumu relativně nízká, jejich výsledky základně odrážejí vliv jednotlivých faktorů na výkon a mají proto určitou praktickou hodnotu jak ve vědecké teorii, tak i v návrhovém výzkumu.

1.5.2 Nelineární modely pro hydraulické kamenolamy

Jako relativně typický a složitý jednotělový mechanický systém se zpětnou vazbou sledující pohyb má hydraulický kamenolam, podobně jako jiné nelineární systémy v dalších oblastech, mnoho nelineárních jevů a vzorů. Výzkum nelinearity komplexněji zohlednil vlivné faktory pohybu hydraulického kamenolamu, relativně komplexně analyzoval napěťový stav hydraulického kamenolamu a odvodil soubory nelineárních diferenciálních rovnic vyššího řádu pro popis jeho pohybových vzorů. Tyto rovnice jsou však obtížné vyřešit, jejich popis není intuitivní a lze je řešit pouze numericky pomocí počítačů. V posledních letech se s rozvojem informatiky a technologií a s rozšířením mikropočítačů stává výzkum nelineárních matematických modelů stále více předmětem zájmu odborné veřejnosti.

Již na počátku 70. let 20. století použili zahraniční vědci digitální počítače pro simulaci nárazových strojů při výzkumu pneumatických vrtných kladiv a dosáhli poměrně přesných výsledků. V roce 1976 byl japonský vědec Masao Masabuchi prvním, kdo matematickými výpočty zkoumal hydraulické krusičky hornin; navrhl matematický model zařízení pro hydraulické nárazové zkoušky a pomocí iteračních výpočtů určil rychlost a frekvenci pracovního zdvihu, následně porovnal výsledky s naměřenými hodnotami. V 80. letech 20. století provedli japonský vědci Takauchi Yoshio, Tanimata Shu a další nelineární výzkum výkonu a návrhu hydraulických krusiček hornin, navrhli analytické modely vhodné pro hodnocení výkonu a návrh hydraulických krusiček hornin a odvodili teorii a analytickou metodu pro tyto analytické modely. V roce 1980 Li Dazhi a Chen Dingyuan z Pekingské univerzity vědy a technologie navrhli nelineární matematický model, ve kterém byl tlak akumulátoru použit jako pracovní tlak, a hledali stabilní numerická řešení. V roce 1983 He Qinghua z Jihozápadní průmyslové univerzity v práci „Numerická simulace hydraulických krusiček hornin“ použil metodu přepínání stavu k sestavení komplexního matematického modelu, navrhl „metodu výpočtu kvazirovnoměrného zrychlení“ (metoda PUA), opravil chyby v bodech přechodu mezi stavy a zlepšil přesnost simulace. V roce 1987 profesor Chen Xiaozhong a učitel Chen Dingyuan z Pekingské univerzity vědy a technologie vytvořili nelineární matematický model nárazových mechanismů a napsali simulační programy v jazyce BASIC, čímž získali simulační data, která byla poměrně konzistentní s naměřenými výsledky. Během provozu hydraulické krusičky hornin dochází v důsledku vysokého tlaku, krátkého nárazového cyklu a častého přepínání toku oleje k neustálému měnění tlakové komory s proměnným tlakem; při průtoku hydraulického oleje jednotlivými štěrbinami se proto vytváří velké množství tepla, což způsobuje lokální zvýšení teploty a negativně ovlivňuje výkon nárazového zařízení i místní mazání; výzkum v této oblasti je však stále zcela neprobádaný.

Z důvodu složitosti pohybu hydraulického kamenolomu jsou nelineární modely rovněž sestavovány na základě určitých předpokladů, takže mezi lineárními a nelineárními modely neexistuje ve skutečnosti velký rozdíl, pokud jde o popis podstatné povahy jevů – liší se pouze matematické metody řešení modelů. Lineární modely využívají analytických řešení, zatímco pro nelineární modely je nutné použít numerické metody prostřednictvím počítačů. Oba typy modelů mohou pouze přibližně popsat pohybové vzorce nárazového zařízení a pro získání přesnějších popisných metod je stále nutný další rozvoj výpočetní dynamiky tekutin.

Je třeba zdůraznit, že s rozvojem technologie hydraulických kamenolomů, zejména s výskytem kombinovaných hydraulicko-pneumatických a dusíko-výbušných hydraulických kamenolomů, není pracovní prostředí hydraulického kamenolomu tvořeno pouze olejem, ale také plynem; zavedení dusíku navíc dále zvyšuje obtížnost a složitost teoretického výzkumu.

1.5.3 Výzkum klíčových komponent hydraulických krušičů hornin

(1) Výzkum pístu

Návrh a výrobní kvalita nárazového pístu určují do značné míry výkon nárazového zařízení. Čínští odborníci na tento téma provedli rozsáhlý výzkum. Profesor Meng Suimin z Gezhouba College of Hydroelectric Engineering, který vycházel z lineárního modelu, použil bezrozměrnou analýzu k předběžnému zkoumání vlivu rychlosti odrazu pístu na provozní parametry hydraulického krušiče hornin. Profesor Liu Deshun z Xiangtan Engineering College ve svém článku „Výpočet rychlosti odrazu pístu v krušiči hornin“ aplikoval teorii vlnové dynamiky a na základě analýzy principu činnosti krušiče hornin navrhl kritéria pro posouzení odrazu pístu a vzorce pro výpočet rychlosti jeho odrazu, přičemž dospěl k následujícím závěrům: ① Stav odrazu pístu a jeho rychlost odrazu souvisí se vlastnostmi pístu, kladiva a horniny; jejich vliv není nezávislý, nýbrž vzájemně propojený. ② Čím je koeficient tuhosti při odlehčení horniny menší, tím je rychlost odrazu větší. Čím je menší koeficient γ charakterizující zatěžovací vlastnosti krušiče hornin a horniny, tím je rychlost odrazu větší. ④ Aby bylo dosaženo relativně ideální účinnosti krušení hornin, je při návrhu nárazového zařízení nutné charakteristický koeficient γ udržovat v rozmezí 1 ≤ γ ≤ 2.

Průmysl postupně vytvořil některé pokyny pro návrh pístů:

1) Píst by měl být prodloužený a měl by minimalizovat zbytečné změny průřezu, aby se zvýšila účinnost přenosu energie a prodloužila životnost kladiva.

2) Plocha nárazové plochy pístu by měla být stejná nebo co nejblíže ploše zadního konce kladiva a měla by být přítomna určitá délka kuželové části, aby se zlepšil přenos nárazových vln.

3) Plný zdvih a přejetí pístu nesmí poškodit těsnicí konstrukce na obou koncích.

4) Rozměry hydraulického tlumivého prvku pro prázdné výstřely a délky těsnění jednotlivých segmentů pístu musí být důkladně navrženy.

5) Je nutný správný výběr materiálu – materiál pístu musí mít vysoký mechanický výkon, vysokou povrchovou tvrdost, dobrou houževnatost jádra a vynikající odolnost proti opotřebení i nárazu.

6) Montážní vůle mezi pístem a válcovým tělesem by měla být rozumně stanovena s ohledem na úniky a přesnost obrábění. Obvykle činí montážní vůle mezi pístem a válcovým tělesem 0,04 až 0,06 mm a montážní vůle mezi pístem a opěrnou objímkou 0,03 až 0,05 mm.

(2) Výzkum rozváděcího ventilu

V současné době využívá většina hydraulických kamenolomných nářadí polohově zpětnovazebních systémů s pístem řízeným šoupátkem a dosahuje vysokorychlostního zdvihového pohybu pístu změnou vzoru přívodu oleje do určité komory nárazového zařízení. Ačkoli je tento způsob řízení poměrně jednoduchý, jeho přechodný proces je poměrně složitý. Během přepínání šoupátka se postupně mění čas, rychlost, zdvih, spotřeba oleje a další parametry, což může výrazně ovlivnit výkon nárazového zařízení. K tomuto problému provedli Liu Wanling a kol. z Pekingské univerzity věd a technologií prostřednictvím teoretické i experimentální analýzy speciální výzkum charakteristik řídících ventilů v hydraulických nárazových systémech, získali skutečnou trajektorii pohybu ventilu zkoumaného nárazového zařízení, odhalili zákonitosti pohybu směrového ventilu a stanovili hlavní parametry řídícího ventilu ovlivňující výkon nárazového zařízení. Qi Renjun a kol. z Univerzity Středního jihu provedli teoretickou analýzu procesu řízení ventilem, optimalizační výzkum konstrukce a parametrů ventilu a získali některé užitečné závěry týkající se pravidelností; zaměřili se na možné jevy nasycení rychlosti a kavitace při vysokorychlostním pohybu směrového ventilu a navrhli účinná řešení spočívající v redukci hmotnosti a zdvihu uzavíracího kužele ventilu a zároveň v přiměřeném zvětšení průměru olejových kanálů. Liu Wanling a Gao Lanqing z Pekingského institutu železa a oceli v práci „Analýza dynamických vlastností směrového ventilu hydraulického kamenolomného nářadí – simulace a experimentální výzkum“ pomocí programovacího jazyka BASIC prozkoumali možnosti zlepšení dynamických vlastností ventilu a dospěli k závěru, že s rostoucím nulovým překrytím se tlak v zadní komoře rychle snižuje, nárazová práce se zvyšuje, nárazová frekvence mírně klesá a účinnost nárazového zařízení se zlepšuje; pokud je však nulové překrytí příliš velké, snižuje se délka těsnění na ramenu ventilu a provoz ventilu se stává nepolehlivým.

(3) Výzkum akumulátorů

Akumulátor je důležitou součástí hydraulického kamenolomu a jeho konstrukce přímo ovlivňuje celkový výkon hydraulického kamenolomu. Proto při výzkumu výkonu hydraulického kamenolomu probíhá také výzkum akumulátorů. V roce 1990 provedli japonskí vědci Takauchi Yoshio, Tanimata Shu a kol. experimentální i teoretický výzkum a na základě navrženého analytického modelu využili stavovou rovnici k odvození výpočtového vzorce pro objem dusíkového náplně akumulátoru, který experimentálně ověřili a tím poskytli teoretický základ pro návrh optimálního akumulátoru. V roce 1986 vytvořil Duan Xiaohong z Pekingské univerzity věd a technologií pomocí metody soustředěných parametrů dynamický model vysokotlakých membránových akumulátorů a pomocí experimentálních i výpočtových metod analyzoval frekvenční charakteristiky systému akumulátoru; dále diskutoval optimální vazbu mezi akumulátorem a hydraulickým kamenolomem a upozornil na to, že optimální pracovní pásmo nárazového zařízení je charakterizováno převahou energie sekundární harmonické odezvy akumulátoru na změny tlaku v systému. V roce 1986 publikoval profesor He Qinghua z Jihočínské univerzity článek „Návratový olej a návratový akumulátor hydraulických nárazových mechanismů“, ve kterém zdůraznil, že provozní hydraulický tlak hydraulického kamenolomu závisí především na setrvačné síle jeho vlastních pohyblivých částí; jedná se o významnou vlastnost hydraulického kamenolomu, která ho odlišuje od běžných hydraulických strojů, jejichž provozní hydraulický tlak závisí především na vnější zátěži. Návratový protitlak je především setrvačný hydraulický tlak vznikající zrychlením oleje při vypouštění oleje písty nebo ventily do návratového potrubí; dále bylo uvedeno, že protože průtok oleje z nárazového zařízení se liší od průtokového vzoru oleje v návratovém potrubí, může dojít k kavitaci v případě, že průtok vstupující do návratového potrubí je menší než průtok oleje v návratovém potrubí. Aby se snížil setrvačný návratový tlak a odstranila návratová kavitace, je navrženo instalovat návratový akumulátor do hydraulického kamenolomu a na tomto základě je navržena metoda návrhu parametrů návratového akumulátoru. V posledních letech provedla Pekingská univerzita věd a technologií výzkum dynamických vazebních charakteristik akumulátorů hydraulických kamenolomů, vyvinula simulační softwarový balíček HRDP a dosáhla výsledků při ověřovacích výpočtech optimálních dynamických vazebních charakteristik akumulátoru.

(4) Výzkum zařízení pro prevenci výstřelů do prázdna a tlumičů energie odrazu dláta

Protože během provozu hydraulického kamenolomu dochází k nevyhnutelnému odrazu dlabacího nástroje a jevu prázdného výstřelu, má pracovní výkon tlumiče odrazové energie dlabacího nástroje a zařízení pro prevenci prázdného výstřelu významný vliv na životnost hydraulického kamenolomu. Profesor Meng Suimin ve své práci „Analýza rychlosti odrazu pístu kamenolomu“ systematicky analyzoval faktory způsobující odraz zadní části dlabacího nástroje a zkoumal metody absorpce odrazové energie dlabacího nástroje. Liao Yide z Jihočínské univerzity ve své práci „Teoretický a experimentální výzkum tlumivých zařízení pro prevenci prázdného výstřelu u hydraulických kamenolomů“ vytvořil matematický model procesu tlumení prázdného výstřelu a provedl simulační výzkum. Dr. Liao Jianyong ve své práci „Návrhová teorie a počítačově podporovaný návrh vícestupňových hydraulických kamenolomů“ provedl počítačovou simulaci a optimalizační návrh zařízení pro absorpci odrazové energie dlabacího nástroje a zařízení pro prevenci prázdného výstřelu. Liu Deshun z Jihočínské univerzity ve své doktorské disertační práci „Výzkum vlnové dynamiky nárazových mechanismů“ aplikoval teorii vlnové dynamiky, odvodil vzorce pro výpočet rychlosti odrazu jednotlivých částí nárazového zařízení a upozornil, že odrazovou energii lze využít prostřednictvím racionálního návrhu jednotlivých částí nárazového zařízení. Výzkumný ústav hydraulických stavebních strojů Jihočínské univerzity vyvinul dvoustupňové tlumivé zařízení pro prevenci prázdného výstřelu, které plně využívá schopnosti tlumiče odrazové energie dlabacího nástroje – toto je inovativní výzkumný výsledek.

1.5.4 Výzkum technologie ladění frekvence, ladění energie a řízení hydraulických kamenolomných strojů

S rozvojem technologie hydraulických kamenolomných strojů vyžaduje polní výstavba od těchto strojů nové požadavky. Aby bylo možné účinně zvýšit výrobní účinnost, musí být nárazová energie a nárazová frekvence hydraulického kamenolomného stroje přizpůsobitelné změnám vlastností horniny. To znamená, že za předpokladu maximálního využití instalované kapacity nosného stroje vydává hydraulický kamenolomný stroj při tvrdší hornině vyšší nárazovou energii a nižší nárazovou frekvenci; naopak při měkčí hornině vydává nižší nárazovou energii a vyšší nárazovou frekvenci, čímž dosahuje vyšší výrobní účinnosti. K dosažení výše uvedených cílů byl uskutečněn rozsáhlý výzkum jak doma, tak v zahraničí.

Z teoretického výzkumu hydraulických kamenolomů vyplývá, že jejich výstup (nárazová energie a frekvence) lze hlavně upravit třemi způsoby: ① úpravou průtoku; ② úpravou zdvihu; ③ úpravou zpětného tlaku. V současné době má většina domácích i zahraničních hydraulických kamenolomů pouze jeden pevný zdvih – to znamená, že jejich výstup není nastavitelný. Samozřejmě, pokud takové hydraulické kamenolomy využívají k úpravě výstupu úpravu průtoku, je to sice teoreticky možné, avšak prakticky neuskutečnitelné. Změny průtoku totiž způsobují současnou změnu všech výstupních parametrů, a proto nelze dosáhnout nezávislé úpravy.

Ačkoli některé domácí i zahraniční výrobci navrhli a vyrobili hydraulické kamenolomy s nastavitelnou zdvihovou délkou, nejsou tyto zařízení uživateli příliš oblíbená, protože jejich nastavení je tuhé, stupňovité a velmi nepohodlné v provozu, přičemž výsledky jsou neuspokojivé. U systémů se zpětnou vazbou ze zdvihu se pracovní výstupní parametry upravují především změnou průtoku vstupního systému nebo přidáním více otvorů pro zpětnou vazbu ze zdvihu zpětného chodu a řízením zapínání a vypínání jednotlivých signálních otvorů za účelem úpravy zdvihu pístu, čímž se mění impaktní energie a impaktní frekvence hydraulického kamenolomu. Například třírychlostní hydraulický kamenolom Atlas-Copco vyrobený ve Švédsku. Automatické hydraulické kamenolomy řady YYG z Centrální jižní univerzity – kvůli konstrukčním omezením lze touto metodou dosáhnout pouze stupňovitého nastavení pracovních parametrů hydraulického kamenolomu; navíc, protože tlak a průtok v impaktním systému jsou navzájem úměrné druhé mocnině, současné zvýšení impaktní energie i impaktní frekvence způsobí velmi výraznou změnu výkonu nosné strojní jednotky, což omezuje rozšíření pracovního rozsahu a pracovní účinnosti hydraulického kamenolomu. Profesor Takashi Takahashi z Akita University v Japonsku v jednom článku popsal nastavení polohy signálního otvoru pro zpětný zdvih za účelem změny zdvihu pístu hydraulického kamenolomu. Experimenty prokázaly, že při zvýšení zdvihu pístu o 10 % sice klesne impaktní frekvence o 8 %, avšak impaktní energie může vzrůst o 12 %, čímž se zlepší pracovní účinnost a poskytnou se teoretické i experimentální důkazy pro návrh hydraulických kamenolomů se stupňovitě nastavitelným zdvihem. Docent He Qinghua z Centrální jižní univerzity ve své práci „Výzkum hydraulických impaktních strojů se stupňovitě nastavitelným zdvihem“ porovnal několik typů převodových metod a teoreticky analyzoval vztahy mezi různými pracovními parametry hydraulických impaktních zařízení se stupňovitě nastavitelným zdvihem a zdvihem převodového stupně; výsledky mají zřetelný směrodatný význam pro návrh a provoz hydraulických kamenolomů s převodovým stupněm. Tato kniha předkládá koncept nezávislého a plynule (bezstupňového) nastavení pracovních parametrů na základě principu zpětné vazby z tlaku a uvádí na trh tento nový typ hydraulického kamenolomu. Hlavní úprava jednotlivé impaktní energie impaktního zařízení se provádí řízením velikosti tlaku při zpětném chodu pístu; současně se frekvence impaktního zařízení plynule (bezstupňově) upravuje řízením průtoku proměnného čerpadla, takže impaktní energie i impaktní frekvence lze nezávisle a plynule (bezstupňově) nastavovat v relativně širokém rozsahu, přičemž změna výkonu nosné strojní jednotky je malá. Co se týče teoretického výzkumu, konstrukčního návrhu a řídicích metod pro tento nový typ hydraulického impaktního stroje, autoři provedli výzkum hydraulických impaktních zařízení s nezávislým bezstupňovým nastavením impaktní energie a impaktní frekvence. Dr. Zhao Hongqiang ve své doktorské disertační práci „Výzkum nového typu hydraulického kamenolomu s nezávislým bezstupňovým řízením nastavení“ překonal tradiční metodu řízení hydraulických kamenolomů se zpětnou vazbou ze zdvihu a místo toho použil metody řízení se zpětnou vazbou z tlaku a řízení průtoku proměnného čerpadla, čímž umožnil nezávislé bezstupňové řízení impaktní energie a impaktní frekvence hydraulického kamenolomu. Ding Wensi ve své doktorské disertační práci, přičemž jako řídicí proměnnou použil tlak dusíku na zadní straně kamenolomu, provedl rozsáhlou práci na kamenolomech s nuceným rozdělováním řízených rychlospínacími ventily a dosáhl tak nezávislého ladění frekvence i energie kamenolomu. Zhang Xin ve své práci „Výzkum nového typu hydraulického impaktního zařízení se zpětnou vazbou z tlaku a integrovanou elektromechanickou konstrukcí“ použil jednočipový mikropočítač pro řízení rychlospínacích ventilů a umožnil tak mikropočítačové řízení impaktního zařízení. Yang Guoping ve své doktorské disertační práci „Výzkum čistě hydraulického nezávislého bezstupňového impaktního zařízení s laděním frekvence a energie“ navrhl inteligentní impaktní zařízení s čistě hydraulickým řídicím schématem, které umožňuje bezstupňové nastavení impaktní energie a impaktní frekvence hydraulického kamenolomu prostřednictvím řídicí páky pilotního rozdělovacího ventilu.

1.5.5 Současný stav výzkumu technologie simulace hydraulických kamenolomů

Z hlediska návrhu a vývoje výrobku je výzkum dynamických vlastností mechanismů nejlépe provádět v průběhu fáze vývoje a návrhu výrobku. Simulace dynamické odezvy hydraulických řídicích systémů byla vždy oblastí, kterou hydraulický průmysl neustále zkoumá, a je také běžným prostředkem pro studium dynamických odezvových charakteristik řídicích systémů.

Zvláštní pracovní způsob hydraulického kamenolomu určuje, že dynamická simulační analýza a testování musí sloužit jako základní předpoklad pro teoretický návrh a vývoj mechanismu. Po objevení počítačů byla odstraněna překážka spočívající v tom, že se pro získání přesných nebo spolehlivých výsledků pohybových vlastností mechanismu mohlo spoléhat pouze na testování výrobků. Výzkumníci začali používat různé metody k vytvoření matematických modelů popisujících hydraulické kmitání a pohyb nárazových strojů, analyzovali procesy změny parametrů hydraulických kamenolomů pomocí simulační technologie a využívali technologii virtuálního prototypu k simulaci pohybových procesů nárazových strojů. Po určení výsledků návrhu lze pohyb mechanismu jasně pochopit a vypočítat příslušné provozní parametry, čímž se vytváří vhodná cesta ke zkrácení vývojových cyklů nových výrobků, optimalizaci návrhu a provádění dynamické analýzy provozních vlastností.

V letech 60. a 70. minulého století začali zahraniční vědci používat digitální počítače pro simulaci práce nárazových strojů. Tyto práce považovaly tlak ve vpředu a vzadu umístěných komorách za proměnnou, vypočítaly přítok a odtok kapaliny z každého připojení a korekci provedli pomocí průtokových součinitelů; poté aplikovali stavovou rovnici plynu a rovnici energetické bilance a sestavili mikrodiferenciální rovnice popisující změny stavu akumulátoru a pístu; po provedení určitých přibližných úprav pohybu ventilu použili numerické řešení metodou konečných diferencí. Výsledky simulace, zejména provozní parametry, byly velmi blízké naměřeným hodnotám a dosáhly uspokojivých výsledků. V Japonsku se výzkumníci více zaměřovali na vytváření počítačových modelů konkrétních hydraulických kamenolomných kladiv pro výzkum a do simulace zaváděli parametry získané z experimentů, čímž prováděli optimalizaci konstrukčních parametrů, nárazových parametrů a výkonu hydraulických kamenolomných kladiv; takto získali optimální plochu vratného olejového připojení, optimální objem náplně akumulátoru a optimální plochu zadní komory působící tlakem pro dané hydraulické kamenolomné kladivo. Při provádění simulací japonským výzkumníkům více záleželo na porovnání výsledků simulace s výsledky experimentálních zkoušek a počítačové modely korigovali podle získaných testovacích dat. Společnost Sandvik, po zohlednění vlivu tvaru nárazového pístu na způsob přenosu energie, navrhla a vyvinula také počítačový simulační program v tomto oboru. Pomocí tohoto programu lze: ① simulovat proces přenosu energie jednotlivými částmi nárazového zařízení; ② simulovat různé návrhy jednotlivých komponent systému; ③ simulovat vliv různých návrhů na přenos energie za různých podmínek nárazu na různé materiály. Počítačový program společnosti Sandvik nejen zajišťuje výrobu optimálních výrobků, ale také umožňuje měřit a porozumět vlivu všech parametrů na nárazový systém a účinku změn jednotlivých parametrů na účinnost; poskytuje jej uživatelům jako praktický a účinný výpočetní nástroj.

Po roce 1980 začaly v Číně také domácí výzkumy simulační technologie a jejích aplikací. Čínští vědci Tian Shujun, Chen Yufan a další vytvořili matematické modely pomocí svých vlastních metod. Tian Shujun a kol. použili tzv. výkonový spojový graf – pokročilou technologii dynamického modelování – ve spojení s metodami analýzy stavového prostoru a zaměřili se především na výzkum dynamického simulačního softwaru pro hydraulické krušičky řízené posuvnými šoupátky. Tento výzkum zkoumal dynamické simulační modelování a programování hydraulických krušiček, čímž poskytl metodu a přístup pro mnoho pozdějších simulačních programátorů, například profesora Zhou Zhihonga z Pekingské univerzity věd a techniky, který vedl studenty Yan Yonga a kol. při vytváření dynamických rovnic pro několik typů pístů hydraulických krušiček, směrových ventilů a jednotlivých rovnic hydraulického průtoku i rovnic stavu plynu; následně byly tyto rovnice převedeny do počítačového jazyka a sestaveny simulační programy pro analýzu hlavních procesů změny stavu, jako jsou tlaky v přední a zadní komoře, průtok, posun a rychlost pístu hydraulické krušičky, čímž byla vytvořena platforma pro další výzkum vlivu změn parametrů hydraulické krušičky na její výkon. Díky rychlému rozvoji počítačů a softwarových technologií byly pro modelování a simulaci systémů hydraulických krušiček využity softwary Matlab a AMEsim, což poskytlo teoretickou podporu pro zkrácení vývojových cyklů a zlepšení kvality návrhu nových modelů.

1.5.6 Experimentální výzkumné metody

Experiment je základní prostředek, kterým lidé poznávají přírodu a přeměňují objektivní svět – shrnováním a abstrahováním jevů pozorovaných a dat naměřených prostřednictvím experimentu, nalezením vnitřních souvislostí a vzorů a formulováním teorií. Experiment je zdrojem teorie; experiment je jediným soudcem pro ověření teorie.

Parametry účinnosti hydraulického krušiče hornin jsou důležitým ukazatelem pro posouzení jeho návrhu, výrobní úrovně a kvality. Hlavní parametry lze všechny změřit experimentálními metodami a výsledky vyjádřit ve formě číselných hodnot, křivek nebo grafů. Ověřování výkonu se především zaměřuje na měření nárazové energie, nárazové frekvence, tlaku v systému a průtoku. Metody měření těchto parametrů zatím nemají sjednocené mezinárodní experimentální normy. V současnosti běžně používané metody zkoušení účinnosti hydraulického krušiče hornin jsou: metoda tlakové vlny, fotoelektrická metoda diferenčního posunutí, metoda elektromagnetické indukce, kontaktní metoda, snímkování ve vysoké rychlosti, metoda indikátorového diagramu a energetická metoda apod.

Metoda napěťové vlny je způsob měření nárazové energie, při němž se měří napěťová vlna vznikající na dlabacím nástroji v okamžiku nárazu nárazového pístu na tento nástroj. Fotoelektrická metoda využívá principu fotoelektrické přeměny; pomocí fotoelektrického senzoru se přímo měří poloha nárazového pístu za účelem získání posunutí pohybu pístu a následně se na základě tohoto údaje vypočítají jednotlivé provozní parametry nárazového zařízení. Fotoelektrická metoda, jako nekontaktní způsob měření, je velmi vhodná pro nárazové stroje, jako jsou hydraulické kamenolomy, které mají dlouhé zdvihy pístu, velké průměry a vysokou rychlost. Metoda elektromagnetické indukce využívá systém senzorů založený na elektromagnetické indukci, který se skládá z magnetické tyče umístěné na nárazovém pístu a šroubovice namontované na pouzdře; při pohybu magnetické tyče spolu s pístem dopředu a dozadu protíná tato tyč siločáry magnetického pole a ve šroubovici se tak indukuje elektromotorické napětí. Na základě kalibračního vztahu mezi indukovaným elektromotorickým napětím a rychlostí nárazu se určuje rychlost pohybu pístu a z ní se následně vypočítá energie nárazu pístu.

Kontaktní metoda je metoda pro výpočet nárazové energie pomocí konečné rychlosti pístu v okamžiku nárazu na nárazový předmět. Při zkouškách výkonu kamenolomových nářadí jsou výše uvedené čtyři metody poměrně běžné; jiné metody se v praxi téměř nepoužívají buď kvůli provozní složitosti a vysokým nákladům, nebo proto, že nedostatečně popisují stav pohybu pístu.

Je třeba zdůraznit, že výše uvedená metoda měření napěťové vlny je vhodná pouze pro testování nárazových zařízení s relativně malou nárazovou energií, jako jsou hydraulické kamenolamy a pneumatické nářadí, a představuje větší obtíž při testování hydraulických kamenolamů s velkou nárazovou energií. Zkušební kapacita specializovaných výzkumných jednotek zabývajících se napěťovými vlnami je obecně omezená a nedokáže zvládnout testování velkých hydraulických kamenolamů; navíc hluk a vibrace vznikající při laboratorním testování jsou také nepřijatelné. Co se týče kontaktní metody, i když je její instalace jednoduchá, výsledky nejsou dostatečně přesné a tuto metodu nelze proto šířeji uplatňovat. Jedinou metodou, která je pro testování hydraulických kamenolamů považována za komplexní ve všech ohledech, je elektromagnetická indukční metoda: lze ji použít jak pro hydraulické kamenolamy s malou nárazovou energií, tak pro velké hydraulické kamenolamy s vysokou nárazovou energií; přímo měří křivku rychlosti pohybu pístu, čímž umožňuje získat údaje o posunutí a zrychlení pístu – což je velmi užitečné pro osoby zkoumající pohybové vzorce pístu. Jedinou nevýhodou je skutečnost, že magnetická tyč je při vysokofrekvenčním vibracím pístu snadno poškozitelná.

Dr. Ding Wensi z Univerzity Středního Jižního Číny ve své doktorské disertační práci „Výzkum nového typu hydraulického kamenolomného zařízení s integrovaným elektrickým pohonem a zpětnou vazbou tlaku na bázi dusíku“ navrhl novou metodu pro měření výstupních parametrů nárazového zařízení – tzv. metodu měření tlaku plynu. Tato metoda využívá tlakového senzoru ke zjištění změn tlaku v uzavřené dusíkové komoře umístěné na konci pístu během pohybu pístu; pomocí počítače se následně určují zdvih pístu a jeho rychlost pohybu, čímž se získají dva důležité výstupní parametry nárazového zařízení – nárazová energie a nárazová frekvence. Oproti tradičním metodám měření má bezkontaktní metoda měření tlaku plynu výhody jako vysoká odolnost proti vibracím, minimální přípravná práce, současné měření nárazové energie i frekvence, snadná kalibrace, malá chyba měřených nárazových parametrů a vysoká přesnost. Lze ji použít nejen jako metodu měření a identifikace v laboratorních podmínkách, ale také v praxi pohodlně využít pro online testování během reálného provozu. Byla již aplikována v hydraulickém testovacím programu společnosti Jingye a začleněna do průmyslového standardu „Hydraulický kamenolomný stroj“.

1.5.7 Výzkum vibrací, hluku a řízení

Kromě úderové energie, úderové frekvence a hmotnosti patří mezi ukazatele hodnotící výkon hydraulických úderových strojů také hluk, vibrace strojního těla a účinnost využití energie, což jsou důležité aspekty pro posouzení celkového výkonu. S rostoucím ekologickým vědomím zavádějí rozvinuté země stále přísnější omezení týkající se hluku zařízení. Aby se výrobky přizpůsobily požadavkům trhu, stávají se hluk a vibrace hydraulických úderových strojů, stejně jako potlačení prachu, postupně důležitými ukazateli konkurenceschopnosti podniků; technologie jejich řízení je nyní významným výzkumným tématem. Vědci z různých zemí provádějí výzkum ze strukturálních i materiálových hledisek; strukturálně se k omezení vibrací a hluku používají opatření, jako jsou například vestavěné vložkové pouzdra, tlumiče hluku nebo mezi vrstvy tlumící ocelové desky. Společnost Krupp vybavila všechny své střední a menší produkty absorbujícími hluk materiály. Společnost Rammer instaluje na nově vyvíjené produkty vysokotlaké vodní čerpadla a rozprašovací trysky za účelem snížení prachu. Kromě toho se pomocí senzorové technologie dosahuje přesného polohování hydraulických krušiček hornin, automatického vrtání otvorů, automatického zastavení a zasunutí dláta, stejně jako automatického nastavení úderové energie a úderové frekvence podle zpracovávaného objektu apod.