Oversigt over teoretisk forskning i hydrauliske stenknusere

1.5 Oversigt over teoretisk forskning i hydrauliske stenknusere

Under drift af hydraulisk stenbryder skifter oliepresset i arbejdskammeret med høj frekvens under styring af retningssventilen; egenskaberne for væsken i oliekredsløbet kan ikke simpelt diskuteres ud fra teorien om hydraulisk transmission, og der skal anvendes analyse baseret på teorien om hydraulisk vibration. Den kraft, der virker på kolben og mejslen, stiger fra nul til tiere til hundreder af megapascal inden for få tiendedele mikrosekund og falder derefter tilbage til nul; den form for energioverførsel, der sker via spændingsbølger, betyder, at beskrivelsen af arbejdsprocessen ikke kan foretages udelukkende ved hjælp af statik, stive-legeme-mekanik og kinematik. Principperne for stødmaskinen hører under dynamikproblemer for elastiske legemer, og bølgeteori skal anvendes for at beskrive dens energioverførselsproces præcist.

Ud fra forskelle i grundlæggende antagelser og matematiske modeller inddeles forskningen i hydrauliske stenbrydere i to store kategorier: forskning i lineære modeller og forskning i ikke-lineære modeller.

1.5.1 Lineære forskningsmodeller for hydrauliske stenknusere

Lineær forskning er idealiseret forskning, der udføres ved at linearisere ikke-lineære hydrauliske stenknusere gennem antagelser – lineære modeller, der opnås under antagelsen om 'konstant hydraulisk oliepres' og ved at ignorere visse faktorer. Forskningsgrundlaget er den opfattelse, som sovjettidens forskere OdAlimov og SAbasov fremsatte i værket 'Teori for struktur af hydrauliske vibrationspåvirkningsmaskiner': 'Under betingelsen af at sikre en given endelighedshastighed for påvirkningen er tryk-fuld-lige-trykstyring den optimale styring med højeste effektivitet.' På grundlag af antagelsen om 'konstant trykstyring' foreslog sovjettidens forskere det optimale designskema for minimal spidstrykraft. Den japanske forsker Nakamai m.fl. udførte på dette grundlag, idet de også inddrog rørledningsmodstand, teoretisk og konstruktionsmæssig forskning på justerbarheden af kolbestroken. Professor Li Dazhi fra Beijing University of Science and Technology fremsatte idéen om optimal strokedesign. Chen Yufan m.fl. anvendte lineære modeller af påvirkningsudstyr og udførte dimensionsløs analyse ved hjælp af metoden til optimal strod, hvilket resulterede i en dimensionsløs analyse af parametrene for påvirkningsudstyret og frembragte en række parameterrelationer til vejledning af konstruktionsarbejdet. Lektor Chen Dingyuan fra Beijing University of Science and Technology udførte en dimensionsløs analyse af hydrauliske stenknusere ved at anvende C = S/S_m (S: arbejdsstrok, S_m: maksimal strod) som designvariabel og fandt, at den optimale effektivitetszone ligger ved C = 0,75–0,850. Lektor Wang Zheng fra Beijing University of Science and Technology udførte en omfattende parameteranalyse ved at anvende tiden t for kolbens accelererende returbevægelse som designvariabel og nåede frem til følgende resultater: når akkumulatorvolumenændringen er mindst mulig, er t = 0,406T; når den hydrauliske påvirkning er mindst mulig, er t = 0,5T. Professor He Qinghua fra Central South University anvendte den strukturelle karakteristiske koefficient for påvirkningsudstyret – forholdet mellem effektive arealer i kolbens forreste og bageste kammer – som dimensionsløs designvariabel til at udføre optimeringsdesign af påvirkningsudstyr. Da mange lineære undersøgelser ikke har taget højde for den gensidige begrænsningsrelation mellem kolben og ventilen, som direkte påvirker påvirkningsydelsen og tilstanden af akkumulatoren, kan de ikke præcist afspejle de indbyrdes relationer mellem de mange konstruktionsparametre i mekanismen. Selvom deres forskningspræcision er relativt lav, kan deres resultater dog i vidt omfang afspejle indflydelsesrelationerne mellem de enkelte faktorer og ydelsen og har derfor en vis praktisk værdi inden for teoretisk og konstruktionsmæssig forskning.

1.5.2 Ikke-lineære modeller for hydrauliske stenknusere

Som et relativt typisk og komplekst enkelt-legeme-mekanisk feedback-styringssystem har den hydrauliske stenknuser, ligesom ikke-lineære systemer inden for andre områder, mange ikke-lineære fænomener og mønstre. Ikke-lineær forskning har mere omfattende taget hensyn til de påvirkende faktorer for bevægelsen af den hydrauliske stenknuser, har relativt omfattende analyseret spændingstilstanden i den hydrauliske stenknuser og har opnået sæt af ikke-lineære differentialligninger af højere orden til at beskrive dens bevægelsesmønstre. Men ligningerne er svære at løse, beskrivelsen er ikke intuitiv, og de kan kun løses numerisk ved hjælp af computere. I de senere år har forskningen i ikke-lineære matematiske modeller fået stigende opmærksomhed fra folk, parallelt med udviklingen inden for datalogi og teknologi samt udbredelsen af mikrocomputere.

Allerede i begyndelsen af 1970'erne anvendte udenlandske forskere digitale computere til simulering af virkningen af pneumatiske bjergboremaskiner, hvilket resulterede i relativt præcise resultater. I 1976 var den japanske forsker Masao Masabuchi den første til at anvende matematisk beregning til undersøgelse af hydrauliske bjergknusere, hvor han fremsatte en matematisk model for en hydraulisk stødpåvirkningsprøveanordning og brugte iterativ beregning til at bestemme kraftstødets hastighed og frekvens, som derefter blev sammenlignet med målte værdier. I 1980'erne udførte japanske forskere som Takauchi Yoshio, Tanimata Shu m.fl. ikke-lineær forskning på hydrauliske bjergknuseres ydeevne og design, hvor de fremsatte analytiske modeller, der er velegnede til vurdering af hydrauliske bjergknuseres ydeevne og til design samt udledningsteori og analysemetode for den analytiske model. I 1980 fremsatte Li Dazhi og Chen Dingyuan fra Beijing University of Science and Technology en ikke-lineær matematisk model, der anvendte akkumulatortrykket som arbejdstryk, og søgte stabile numeriske løsninger. I 1983 anvendte He Qinghua fra Central South Industrial University i sin afhandling 'Numerisk simulering af hydrauliske bjergknusere' metoden med tilstandsskift til at opstille en omfattende matematisk model, fremsatte 'metoden til kvasi-uniform acceleration' (PUA-metoden), rettede fejl ved tilstandsovergangspunkter og forbedrede simuleringens nøjagtighed. I 1987 opstillede professor Chen Xiaozhong og lærer Chen Dingyuan fra Beijing University of Science and Technology en ikke-lineær matematisk model for stødmekanismer og skrev simuleringsprogrammer i BASIC, hvilket resulterede i simuleringsdata, der relativt godt stemte overens med målte resultater. Under driften af en hydraulisk bjergknuser opstår der på grund af det høje tryk, den korte stødcyklus og den hyppige omskiftning af oliestrøm en konstant ændrende sig variabel trykkammer, så når hydraulikolie strømmer gennem forskellige spalter, genereres der en stor mængde varme, hvilket fører til lokale høje temperaturer og påvirker stødanordningens ydeevne samt lokal smøring; forskning inden for dette område er dog stadig en blank side.

På grund af kompleksiteten i hydraulisk stenbryders bevægelse opstilles ikke-lineære modeller også på baggrund af bestemte antagelser, så der er faktisk ikke stor forskel mellem lineære og ikke-lineære modeller, når det gælder beskrivelsen af tingenes væsentlige natur – kun løsningsmetoderne for de matematiske modeller adskiller sig. Lineære modeller anvender analytiske løsninger, mens ikke-lineære modeller kræver numeriske metoder via computere til at blive løst. Begge kan kun approximere bevægelsesmønstrene for støddelen, og for at opnå mere præcise beskrivelsesmetoder er der stadig behov for udvikling inden for beregningsstrømningsdynamik.

Det skal understreges, at med udviklingen inden for hydraulisk stenbryderteknologi – især med fremkomsten af hydraulisk-pneumatiske kombinerede stenbrydere samt nitrogen-eksplosive hydrauliske stenbrydere – er det hydrauliske stenbryders arbejdsmiddel ikke længere udelukkende olie, men også gas; og indførelsen af nitrogen har yderligere øget sværhedsgraden og kompleksiteten af den teoretiske forskning.

1.5.3 Forskning på nøglekomponenter til hydrauliske stenknusere

(1) Stempelforskning

Design og fremstillingskvaliteten af stødpistonen bestemmer i høj grad ydeevnen af stødanordningen. Kinesiske forskere har udført omfattende forskning på dette område. Lærer Meng Suimin fra Gezhouba Hydroelectric Engineering College udviklede, ud fra det lineære model, en dimensionsløs analyse til en indledende undersøgelse af indflydelsen af pistons tilbageløbshastighed på hydraulisk stødbryders driftsparametre. Professor Liu Deshun fra Xiangtan Engineering College anvendte i artiklen 'Beregning af stødbor-pistons tilbageløbshastighed' bølgedynamikteori og fremsatte, ud fra en analyse af stødborens arbejdsprincip, formler til vurdering af pistons tilbageløbstilstand og beregning af tilbageløbshastigheden for stødbore, hvilket resulterede i følgende konklusioner: ① Pistons tilbageløbstilstand og tilbageløbshastighed er relateret til egenskaberne for piston, mejsel og bjergart, og deres indflydelse er ikke uafhængig, men gensidigt forbundet. ② Jo mindre aflastningsstivhedskoefficienten for bjergarten er, jo større er tilbageløbshastigheden. Jo mindre koefficienten γ, der karakteriserer belastningsegenskaberne for stødboren og bjergarten, er, jo større er tilbageløbshastigheden. ④ For at opnå en relativt ideel stødboreeffektivitet bør den karakteristiske koefficient γ ved udformningen af en stødanordning holdes inden for intervallet 1 ≤ γ ≤ 2.

Branchen har gradvist udviklet nogle kolbdesignvejledninger:

1) Kolben skal være forlænget og have så få unødvendige tværsnitsændringer som muligt, for at forbedre energioverførsels-effektiviteten og mejselens levetid.

2) Arealet af kolbens slagflade skal være lig med eller tæt på arealet af mejselens bagside, og der skal være en bestemt konisk længde, for at sikre god overførsel af slagbølger.

3) Kolbens fuldstændige slaglængde og overslag må ikke beskadige tætningskonstruktionerne i begge ender.

4) Dimensionerne af hydraulikpuden til tomgang og tætningslængderne for hver kolbesegment skal dimensioneres korrekt.

5) Der kræves korrekt materialevalg — kolbematerialet skal have høj mekanisk styrke, høj overfladehårdhed, god kernehårdhed, samt meget god slidstærk og slagstærk egenskaber.

6) Spillet mellem stempel og cylinderkrop skal fastlægges rimeligt, idet der tages hensyn til både lækageforhold og bearbejdningsnøjagtighed. Generelt er spillet mellem stempel og cylinderkrop 0,04–0,06 mm, og spillet mellem stempel og understøtningshylster er 0,03–0,05 mm.

(2) Fordelingsventilforskning

I øjeblikket anvender langt den overvejende del af hydrauliske stenknusere positionstilbagemeldingsventilstyrede kolbesystemer og opnår højhastighedsoscillerende kolbebevægelser ved at ændre olieleveringsmønstret i en bestemt kammer i støddelen. Selvom denne styringsform er relativt simpel, er dens overgangsproces relativt kompliceret. Under ventilskifteprocessen ændres tid, hastighed, slaglængde, olieforbrug og andre parametre trinvis, hvilket kan have en betydelig indflydelse på støddelens ydeevne. I forbindelse hermed har Liu Wanling m.fl. fra Beijing University of Science and Technology gennem teoretisk og eksperimentel analyse udført specifik forskning i forhold til egenskaberne for styringsventiler i hydrauliske stødsystemer, hvilket har resulteret i bestemmelsen af den faktiske bevægelsesbane for den undersøgte støddelventil, afsløringen af mønstrene for retningsventilens bevægelse samt fastlæggelsen af de primære parametre for styringsventilen, der påvirker støddelens ydeevne. Qi Renjun m.fl. fra Central South University har udført teoretisk analyse af ventilstyringsprocessen samt optimeringsforskning i forhold til ventilkonstruktion og -parametre og har derved nået frem til nogle nyttige regelmæssighedskonklusioner; med henblik på mulige hastighedsudsattheds- og kavitationsfænomener under højhastighedsbevægelse af retningsventilen foreslog de effektive løsninger, der indebærer reduktion af ventilstempelmasse og -slaglængde samt passende forøgelse af oliegangens diameter. Liu Wanling og Gao Lanqing fra Beijing Iron and Steel College har i artiklen 'Dynamic Characteristic Analysis of Hydraulic Rock Breaker Directional Valve — Simulation and Experimental Research' ved hjælp af BASIC-programmering undersøgt mulighederne for at forbedre ventilegenskaberne, og konkluderer, at når nul-overlægningsåbningen øges, falder trykket i bagkammeret hurtigt, stødarbejdet stiger, stødfrekvensen falder lidt, og støddelens effektivitet forbedres; hvis nul-overlægningsåbningen bliver for stor, bliver ventilen imidlertid upålidelig på grund af den reducerede tætningslængde ved ventilskulderen.

(3) Akkumulatorforskning

Akumulatoren er en vigtig komponent i den hydrauliske stenbryder, og dens konstruktion påvirker direkte den samlede maskinydelse for den hydrauliske stenbryder. Derfor er der, mens der forskes i ydelsen af den hydrauliske stenbryder, også udført forskning på akumulatorer. I 1990 foretog de japanske forskere Takauchi Yoshio, Tanimata Shu m.fl. eksperimentel og teoretisk forskning og udledte, ud fra den opstillede analytiske model, ved hjælp af tilstandslikningen en beregningsformel for nitrogenfyldningsvolumen i akumulatoren, som blev verificeret eksperimentelt for korrekthed, hvilket gav et teoretisk grundlag for design af den optimale akumulator. I 1986 opstillede Duan Xiaohong fra Beijing University of Science and Technology ved hjælp af den samlede parametermetode en dynamisk model af højtryksmembranakumulatorer og analyserede ved både eksperimentelle og beregningsmæssige metoder frekvenskarakteristikken for akumulatorsystemet, diskuterede den optimale kobling mellem akumulatoren og den hydrauliske stenbryder og påpegede, at det optimale arbejdsområde for stødanordningen er karakteriseret ved, at den sekundære harmoniske respons fra akumulatoren på systemtrykændringer dominerer i energien. I 1986 publicerede professor He Qinghua fra Central South University artiklen 'Returolie og returolieakumulator for hydrauliske stødanordninger', hvor han påpegede, at det arbejdshydrauliske tryk for den hydrauliske stenbryder primært afhænger af inertialkraften fra dets egne bevægelige dele; dette er en væsentlig karakteristik for den hydrauliske stenbryder, der adskiller den fra almindelige hydrauliske maskiner, hvor det arbejdshydrauliske tryk primært afhænger af den eksterne belastning. Det tilbagevendende tryk skyldes primært det inertiale hydrauliske tryk, der dannes, når olie accelereres af kolber eller ventiler, der leder olie til returolieledningen; og det påpeges, at da strømningshastigheden fra stødanordningen adskiller sig fra mønsteret for oliestrømmens variation i returledningen, vil kavitetsdannelse opstå, når strømmen, der træder ind i returledningen, er mindre end oliestrømmen, der bevæger sig i returledningen. For at reducere det inertiale returtryk og eliminere returkavitation foreslås det at installere en returakumulator i den hydrauliske stenbryder, og heraf udledes en metode til dimensionering af returakumulatorparametre. I de seneste år har Beijing University of Science and Technology udført forskning på de dynamiske koblingskarakteristika for akumulatorer i hydrauliske stenbrydere, udviklet softwarepakken HRDP til simulering og opnået resultater ved verifikationsberegninger af de optimale dynamiske koblingskarakteristika for akumulatorer.

(4) Forskning i våben uden skudmulighed og energiabsorberende borstødbeskyttelser

Da uundgåelige mejselstød og tomfyringsfænomener opstår under drift af hydrauliske stenbrydere, har den arbejdsmæssige ydeevne af mejselstødenergiabsorberen og tomfyringsforebyggelsesenheden stor indflydelse på levetiden for den hydrauliske stenbryder. Professor Meng Suimin analyserede systematisk faktorerne bag mejselens bagside-stød i artiklen 'Analyse af stenborpistons stødhastighed' og undersøgte metoder til absorption af mejselstødenergi. Liao Yide fra Central South University opstillede i artiklen 'Teoretisk og eksperimentel forskning om hydrauliske stenbor-tomfyringsdæmpningsenheder' en matematisk model af tomfyringsdæmpningsprocessen og udførte simulationsforskning. Dr. Liao Jianyong udførte i artiklen 'Design-teori og computerstøttet design af flertrins hydrauliske stenbor' computersimulation og optimeret design af mejselstødenergiabsorberende enheder samt tomfyringsforebyggelsesenheder. Liu Deshun fra Central South University anvendte i sin doktorafhandling 'Bølgedynamisk forskning af stødmekanismer' bølgedynamisk teori, udledte beregningsformler for stødhastigheden for hver del af stødenheden og påpegede, at stødenergien kan udnyttes gennem en rationel konstruktion af hver enkelt del af stødenheden. Institut for hydraulisk maskinteknik ved Central South University udviklede en totrins tomfyringsdæmpningsenhed, som fuldt ud udnyttede kapaciteten af mejselstødenergiabsorberen – en kreativ forskningspræstation.

1.5.4 Forskning i frekvensafstemning, energi-afstemning og styringsteknologi til hydrauliske stenknusere

Med udviklingen af hydraulisk stenknuserteknologi har feltkonstruktionen stillet nye krav til hydrauliske stenknusere. For at effektivt forbedre produktionshastigheden kræves det, at stødnenergien og stødfrekvensen fra den hydrauliske stenknuser kan ændres i henhold til ændringer i stenens egenskaber. Det vil sige, at under forudsætning af maksimal udnyttelse af den bærende maskines installerede kapacitet skal den hydrauliske stenknuser levere større stødnenergi og lavere stødfrekvens, når stenen er hårdere, og omvendt mindre stødnenergi og højere stødfrekvens, hvilket dermed opnår en højere produktionshastighed. For at nå disse mål er der foretaget omfattende forskning både nationalt og internationalt.

Fra teoretisk forskning på hydrauliske stenknusere kan deres ydelse (stødningsenergi og frekvens) primært justeres på tre måder: ① justering af strømningshastigheden; ② justering af slaglængden; ③ justering af feedback-trykket. I dag har langt den overvejende del af både indenlandske og udenlandske hydrauliske stenknusere kun én fast slaglængde – det vil sige, at deres ydelse ikke er justerbar. Selvfølgelig kan sådanne hydrauliske stenknusere teoretisk set bruge strømningsjustering til at justere ydelsen, men i praksis er dette ikke anvendeligt. Fordi ændringer i strømningshastigheden vil medføre synkrone ændringer i ydelsesparametrene, hvilket gør en uafhængig justering umulig.

Selvom nogle indenlandske og udenlandske producenter har udviklet og fremstillet hydrauliske stenknusere med justerbar slaglængde, er disse på grund af deres stive konstruktion og trinvis justering meget ubekvemme at bruge og giver dårlige resultater, hvorfor de ikke er populære blandt brugerne. Ved tilbageslagfeedback-distribution justeres de udførende arbejdsparametre primært ved at ændre systemets indstrømning eller ved at tilføje flere huller til tilbageslagfeedback-signaler og ved at styre åbning og lukning af hvert enkelt signalhul for at justere pistonslaglængden, hvorefter stødenergien og stødfrekvensen for den hydrauliske stenknuser ændres. For eksempel den svenske trehastigheds-hydrauliske stenborer fra Atlas-Copco. Den automatiske gearskifte-hydrauliske stenknuser YYG-serien fra Central South University – begrænset af konstruktionen kan denne principielle metode kun opnå trinvis justering af de hydrauliske stenknusers arbejdsparametre, og da tryk og strøm i stødsystemet er proportionale med hinandens kvadrat, vil en samtidig forøgelse af både stødenergi og stødfrekvens medføre meget store ændringer i bæremaskinens effekt, hvilket begrænser udvidelsen af den hydrauliske stenknusers arbejdsområde og arbejdseffektivitet. Professor Takashi Takahashi fra Akita University i Japan beskrev i en artikel justering af placeringen af tilbageslag-signalporten for at opnå formålet med at ændre pistonslaglængden i den hydrauliske stenknuser. Forsøg viste, at når pistonslaglængden øges med 10 %, falder stødfrekvensen selvom med 8 %, mens stødenergien kan stige med 12 %, hvilket forbedrer arbejdseffektiviteten og giver teoretisk og eksperimentelt grundlag for udformningen af hydrauliske stenknusere med justerbar slaglængde. Lektor He Qinghua fra Central South University skrev i "Forskning i hydrauliske stødmaskiner med justerbar slaglængde" en sammenligning af flere typer gearskiftemetoder samt en teoretisk analyse af sammenhængene mellem forskellige arbejdsparametre for hydrauliske stødanordninger med justerbar slaglængde og gearskifteslaglængder; resultaterne har tydelig vejledende betydning for udformningen og anvendelsen af gearskifte-hydrauliske stenknusere. Denne bog introducerer begrebet om uafhængig og trinløs justering af arbejdsparametre baseret på trykfeedback-princippet og har lanceret dette nye produkt af hydrauliske stenknusere. Det justerer primært den enkelte stødenergi for stødanordningen ved at styre størrelsen af pistons tilbageslagstrykket; samtidig justeres stødanordningens frekvens trinløst ved at styre variabelpumpens strøm, således at stødenergi og stødfrekvens hver især kan justeres uafhængigt og trinløst inden for et relativt stort område, mens ændringen i bæremaskinens effekt forbliver lille. Med hensyn til teoretisk forskning, konstruktionsudformning og styringsmetoder for denne nye type hydraulisk stødanordning har forfatterne foretaget forskning på hydrauliske stødanordninger med uafhængig trinløs justering af stødenergi og stødfrekvens. Dr. Zhao Hongqiang undersøgte i sin doktorafhandling "Forskning i nytype hydraulisk stenknyser med uafhængig trinløs justeringskontrol" den traditionelle tilbageslagfeedback-styringsmetode for hydrauliske stenknusere og erstattede den med trykfeedback- og variabelpumpestrømstyringsmetoder, hvilket muliggjorde uafhængig trinløs justeringskontrol af stødenergi og stødfrekvens for den hydrauliske stenknuser. Ding Wensi udførte i sin doktorafhandling omfattende arbejde med tvungent fordelt-type stenknusere, der styres af hurtigtskiftende ventiler, idet han brugte kvælstoftrykket i stenknuserens bagende som styringsvariabel, og realiserede dermed uafhængig frekvenstuning og energituning af stenknuserne. Zhang Xin undersøgte i "Forskning i nyt type trykfeedback-hydraulisk stødanordningssystem med maskin-elektronisk integration" brugen af mikrocomputerstyrede hurtigtskiftende ventiler til at realisere mikrocomputerstyring af stødanordningen. Yang Guoping foreslog i sin doktorafhandling "Forskning i ren hydraulisk uafhængig trinløs frekvenstuning og energituning af hydraulisk stødanordning" en intelligent stødanordning med en ren hydraulisk styringsløsning, der kan realisere trinløs justering af stødenergi og stødfrekvens for den hydrauliske stenknuser gennem en pilotstyret fordelingsventilhåndtag.

1.5.5 Nuværende stand af forskningen inden for simuleringsteknologi for hydrauliske stenknusere

Fra et produktudviklings- og designperspektiv er det bedst at udføre dynamisk karakteristisk forskning på mekanismer i produktudviklings- og designfasen. Dynamisk responssimulation af hydrauliske styresystemer har altid været et område, der løbende undersøges af den hydrauliske industri, og er også en almindeligt anvendt metode til at studere dynamiske responskarakteristika for styresystemer.

Den hydrauliske stenbryders særlige arbejdsmetode betyder, at dynamisk simulationsanalyse og afprøvning skal udgøre det grundlæggende udgangspunkt for teoretisk mekanisk design og udvikling. Efter computere blev introduceret blev hindringen ved at skulle afhænge udelukkende af produktafprøvning for at opnå præcise eller pålidelige resultater for mekanismens bevægelsesydelse overvundet. Forskere begyndte at anvende forskellige metoder til at opstille matematiske modeller, der beskriver den hydrauliske vibration og slagmaskines bevægelse, analysere parametervariationsprocesserne for hydrauliske stenbrydere ved hjælp af simulationsteknologi og anvende virtuel prototypeteknologi til at simulere bevægelsesprocesserne for slagmaskiner. Når designresultaterne er fastlagt, kan mekanismens bevægelse tydeligt forstås, og relevante ydelsesparametre beregnes, hvilket giver en god vej til forkortelse af nye produkters udviklingscyklus, optimering af designet og gennemførelse af dynamisk ydelsesanalyse.

I 1960'erne og 1970'erne begyndte udenlandske forskere at anvende digitale computere til simulering af virkningmaskiner. Disse arbejder tog trykket i for- og bagkammeret som variabel, beregnede væskestrømmen ind og ud fra hver port og korrigerede med strømningskoefficienter; derefter anvendte de gasens tilstandsligning og energibalanceligningen og opstillede mikrodifferentielligninger, der beskrev tilstandsændringerne i akkumulatoren og kolben; efter at have foretaget visse tilnærmelsesmæssige behandlinger af ventilmotionen anvendte de endelig differensmetoder til numerisk løsning. Simuleringsresultaterne, især ydelsesparametrene, var meget tæt på målte værdier og gav tilfredsstillende resultater. I Japan lagde forskere større vægt på at opstille computermodeller for specifikke hydrauliske stenknusere til forskningsformål samt at indføre eksperimentelt opnåede parametre i simuleringen for at optimere konstruktionsparametre, virkningsparametre og ydelse for hydrauliske stenknusere, hvilket resulterede i bestemmelsen af den optimale returolieportareal, det optimale akkumulatorfyldningsvolumen og den bagkammerets trykbærende areal for den pågældende hydrauliske stenknuser. Under simuleringen lagde japanske forskere større vægt på at sammenligne simuleringsresultaterne med eksperimentelle testresultater og korrigerede computermodellerne i henhold til testdata. Sandviks virksomhed udviklede efter at have overvejet effekten af virkningskolbens form på energioverførselsmetoden også et computerprogram til simulering inden for dette område. Ved hjælp af dette program: ① kan energioverførselsprocessen i hver del af virkningen simuleres; ② kan forskellige design af hver systemkomponent simuleres; ③ kan effekten af forskellige designs på energioverførslen under forskellige typer af virkningsobjekter simuleres. Sandviks computerprogram sikrer ikke kun fremstillingen af de optimale produkter, men kan også måle og forstå, hvordan alle parametre påvirker virkningssystemet, samt effekten af ændringer i bestemte parametre på effektiviteten, og stilles som et praktisk og effektivt beregningsværktøj til rådighed for brugerne.

Efter 1980'erne begyndte også indenlandsk forskning inden for simuleringsteknologi og anvendelser. Kinesiske forskere som Tian Shujun, Chen Yufan og andre opstillede alle matematiske modeller ved hjælp af deres respektive metoder. Tian Shujun m.fl. anvendte power bond graph – en avanceret teknik til dynamisk modellering – i kombination med tilstandsrumanalysemetoder og udførte primært forskning inden for dynamisk simuleringsoftware til hydrauliske stødbrydere med skydeventilstyring. Denne forskning undersøgte dynamisk simuleringmodellering og programmering af hydrauliske stødbrydere og leverede en metode og en tilgang, som mange senere simuleringsprogrammører kunne bygge videre på; eksempelvis professor Zhou Zhihong fra Beijing University of Science and Technology, som vejlede sine studerende Yan Yong m.fl. i at anvende power bond graphs til at opstille dynamiske ligninger for flere typer hydrauliske stødbryderpistoner, rettningsventiler samt hver enkelt hydraulisk strømningsligning og gasstatusligning; herefter udviklede de simulationsprogrammer i et computersprog og udførte analyse af de vigtigste tilstandsændringsprocesser, såsom tryk i for- og bagkammer, strømning, kolbeafstand og -hastighed for den hydrauliske stødbryder, hvilket skabte en platform for yderligere forskning i, hvordan ændringer af parametrene for den hydrauliske stødbryder påvirker dens ydeevne. Med den hurtige udvikling inden for computere og softwareteknologi er Matlab og AMEsim nu blevet anvendt til modellering og simulering af systemer for hydrauliske stødbrydere, hvilket har leveret teoretisk støtte til forkortelse af forsknings- og udviklingscyklusserne samt forbedring af designkvaliteten for nye modeller.

1.5.6 Eksperimentelle forskningsmetoder

Eksperiment er det grundlæggende middel, hvormed mennesker erkender naturen og transformerer den objektive verden – ved at opsummere og abstrahere fænomener, der er observeret, samt målte data, identificere indre sammenhænge og mønstre og udforme teorier. Eksperimentet er kilden til teori; eksperimentet er den eneste dommer, der kan verificere teorier.

Hydrauliske stenknusere's slagpræstationsparametre er en vigtig indikator for at vurdere deres design, fremstillingsniveau og kvalitet. De primære parametre kan alle måles ved eksperimentelle metoder, og resultaterne udtrykkes i form af data, kurver eller diagrammer. Præstationsverificering handler hovedsageligt om måling af slagenergi, slagfrekvens, systemtryk og strømningshastighed. Der findes i dag ingen fælles internationale eksperimentelle standarder for måling af disse parametre. De i dag almindeligt anvendte metoder til test af hydrauliske stenknusere's slagpræstation er: spændingsbølge-metoden, fotoelektrisk forskydningsdifferensmetode, elektromagnetisk induktionsmetode, kontaktmetoden, high-speed-fotografering, indikatordiagrammetode og energimetoden osv.

Stressbølge-metoden er en metode til måling af stødningsenergi ved at måle stressbølgen, der genereres på mejslen, når stødpistonen rammer mejslen. Fotoelektrisk metode anvender fotoelektrisk konverteringsprincippet; ved hjælp af en fotoelektrisk sensor måles stødpistons position direkte for at bestemme pistons bevægelsesforskydning, hvorefter de enkelte ydeevneparametre for stødanordningen beregnes yderligere. Den fotoelektriske metode, som er en kontaktløs testmetode, er meget velegnet til stødmaskiner såsom hydrauliske kløver, der har lange pistonslag, store diametre og høj hastighed. Metoden baseret på elektromagnetisk induktion anvender et elektromagnetisk induktionssensorsystem, der består af en magnetstang monteret på stødpistonen og en spiralformet spole monteret på huset; den inducerede elektromotoriske kraft, som opstår, når spolen skærer magnetfeltlinjerne under magnetstangens reciprokerende bevægelse sammen med pistonen, anvendes til at bestemme pistons bevægelseshastighed ud fra kalibreringsforholdet mellem elektromotorisk kraft og stødhastighed, og herudfra beregnes stødpistons energi.

Kontaktmetoden er en metode til beregning af stødningsenergi ved hjælp af stødpistons endelige hastighed, når den rammer det pågældende objekt. Ved udførelse af ydeevnetests på stenknusere er de ovennævnte fire metoder relativt almindelige; andre metoder ses sjældent i praktisk brug, enten på grund af operativ kompleksitet og høje omkostninger eller fordi de ikke fuldt ud afspejler stødpistons bevægelsestilstand.

Det skal understreges, at ovennævnte spændingsbølge-metode kun er velegnet til afprøvning af støddrevne værktøjer med relativt lav stødenergi, såsom hydrauliske stenbor og pneumatiske værktøjer, og at det er langt mere besværligt at anvende metoden til afprøvning af hydrauliske stenknusere med stor stødenergi. Testkapaciteten hos specialiserede forskningsenheder, der arbejder med spændingsbølger, er generelt begrænset og kan ikke håndtere afprøvning af store hydrauliske stenknusere; desuden er støjen og vibrationerne fra indendørs afprøvning også uacceptabelt høje. Vedrørende kontaktmetoden, selvom den er simpel at montere, er resultaterne ikke præcise nok, og metoden kan derfor ikke anbefales. Kun elektromagnetisk induktionsmetode til afprøvning af hydrauliske stenknusere anses for at være omfattende i alle henseender: Den kan anvendes både til hydrauliske stenbor med lille stødenergi og til store hydrauliske stenknusere med høj stødenergi; den måler direkte kolbens bevægelseshastighedskurve og giver dermed mulighed for at bestemme kolbens forskydning og acceleration, hvilket er meget nyttigt for personer, der studerer kolbebevægelsesmønstre. Den eneste ulempe er, at den magnetiske stang nemt beskadiges ved højfrekvent kolbevibration.

Dr. Ding Wensi fra Central South University fremlagde i sin doktorafhandling 'Forskning i et nytype trykfbaseret kvælstofeksplosiv maskin-elektrisk integreret hydraulisk stenknusningssystem' en ny metode til test af udstødningsparametre for støddanvendte enheder – gastryksmetoden. Denne metode bruger en tryksensor til at registrere virkningen på trykket i den tæt lukkede kvælstofkammer, der er monteret i enden af stemlen under stemlens bevægelse, og bestemmer via en computer stemlens slaglængde og bevægelseshastighed, hvorefter de to vigtige udstødningsparametre for stødenheden – stødenergi og stødfrekvens – kan beregnes. I forhold til traditionelle testmetoder har den kontaktløse gastryksmetode fordele som høj vibrationstålmodighed, minimal forberedelsesarbejde, samtidig måling af stødenergi og stødfrekvens, praktisk kalibrering, lille fejlmargin for stødparametre og høj præcision. Den kan ikke kun anvendes som en måle- og identificeringsmetode for laboratorieprodukter, men kan også let anvendes til online-test i faktisk drift. Metoden er blevet anvendt i Jingye-selskabets hydrauliske testprogram og indarbejdet i branchestandarden 'Hydraulisk stenknusningsenhed'.

1.5.7 Forskning om vibration, støj og kontrol

Ud over stødningsenergi, stødningsfrekvens og masse omfatter indikatorerne for måling af hydrauliske stødningsmaskiners ydeevne også støj, maskinens kropsvibration og energiudnyttelsesgrad, hvilket er vigtige aspekter ved vurdering af den samlede ydeevne. Da bevidstheden om miljøspørgsmål stiger, har udviklede lande stadig strengere begrænsninger for udstyrets støjniveau. For at tilpasse sig markedskravene bliver støj og vibration fra hydrauliske stødningsmaskiner samt støvbekæmpelse gradvist vigtige konkurrenceparametre; deres kontrolteknologi er nu et vigtigt forskningsemne. Videnskabsmænd fra forskellige lande foretager forskning fra strukturelle og materielle synspunkter; strukturelt anvendes foranstaltninger såsom indbyggede foringshylser, lyddæmpende enheder eller mellemlagte vibrationsdæmpende stålplader til kontrol af vibration og støj. Krupp-virksomheden har udstyret alle sine mellemstore og mindre produkter med lydabsorberende materialer. Rammer-virksomheden monterer højtryksvandspumper og atomiserende dyser på sine nyudviklede produkter for at opnå støbreduktionsvirkning. Desuden anvendes sensorteknologi til præcis positionering af hydrauliske kløver, automatisk boring af huller, automatisk stop af mejsler og automatisk tilbagetrækning af mejsler samt automatisk justering af stødningsenergi og stødningsfrekvens i henhold til det arbejdsobjekt, der behandles.