Überblick über die theoretische Forschung zum hydraulischen Felsbrecher

1.5 Überblick über die theoretische Forschung zum hydraulischen Felsbrecher

Während des Betriebs eines hydraulischen Felsbrechers wechselt der Öldruck in der Arbeitskammer unter Steuerung des Wegeventils mit hoher Frequenz; die Eigenschaften der Flüssigkeit in der Ölleitung können nicht einfach gemäß der Theorie der hydraulischen Kraftübertragung diskutiert werden, sondern es muss eine Analyse nach der Theorie der hydraulischen Schwingungen angewandt werden. Die auf Kolben und Meißel wirkende Kraft steigt innerhalb weniger zehn Mikrosekunden von null auf mehrere bis hundert Megapascal an und fällt anschließend wieder auf null ab; die Art der Energieübertragung durch Spannungswellen bestimmt, dass die Beschreibung des Arbeitsprozesses nicht einfach auf Grundlage der Statik, der Mechanik starrer Körper und der Kinematik erfolgen kann. Das Prinzip der Schlagmaschine gehört zu den Problemen der Dynamik elastischer Körper, weshalb zur genauen Beschreibung ihres Energieübertragungsprozesses die Wellentheorie herangezogen werden muss.

Aufgrund der Unterschiede in den zugrunde liegenden Annahmen und mathematischen Modellen lässt sich die Forschung zum hydraulischen Felsbrecher in zwei Hauptkategorien einteilen: die Forschung zu linearen Modellen und die Forschung zu nichtlinearen Modellen.

1.5.1 Lineare Forschungsmodelle für hydraulische Felsbrecher

Die lineare Forschung ist eine idealisierte Forschung, bei der nichtlineare hydraulische Gesteinsbrecher durch Annahmen linearisiert werden – es entstehen lineare Modelle unter der Annahme eines „konstanten hydraulischen Öldrucks“ unter Vernachlässigung bestimmter Faktoren. Ihre Forschungsvoraussetzung beruht auf der von sowjetzeitlichen Wissenschaftlern OdAlimov und SAbasov in ihrem Werk „Theorie der Struktur hydraulischer Schwingungs- und Schlagmaschinen“ vorgeschlagenen Auffassung: „Unter der Bedingung, dass eine vorgegebene Endgeschwindigkeit des Schlages gewährleistet ist, stellt die Druck-vollgleichförmige Drucksteuerung die optimale Steuerung mit dem höchsten Wirkungsgrad dar.“ Auf der Grundlage der Annahme einer „Konstantdrucksteuerung“ schlugen sowjetzeitliche Wissenschaftler das optimale Konstruktionskonzept für die minimale Spitzenstoßkraft vor. Der japanische Wissenschaftler Nakamai et al. führte auf dieser Grundlage unter Berücksichtigung des Rohrleitungswiderstands theoretische und konstruktive Untersuchungen zur Einstellbarkeit des Kolbenhubes durch. Professor Li Dazhi der Universität für Wissenschaft und Technologie Peking entwickelte die Idee einer optimalen Hubgestaltung. Chen Yufan et al. verwendeten lineare Modelle von Schlaggeräten und führten mittels dimensionsloser Analyse nach der Methode des optimalen Hubs eine dimensionslose Analyse der Parameter von Schlaggeräten durch, wodurch eine Reihe von parameterbezogenen Beziehungen zur Unterstützung der Konstruktionsarbeit ermittelt wurde. Herr Chen Dingyuan der Universität für Wissenschaft und Technologie Peking verwendete als Entwurfsvariable C = S/S_m (S: Betriebshub, S_m: maximaler Hub) und führte eine dimensionslose Analyse hydraulischer Gesteinsbrecher durch; dabei ergab sich ein optimaler Wirkungsgradbereich von C = 0,75 bis 0,850. Herr Wang Zheng der Universität für Wissenschaft und Technologie Peking verwendete als Entwurfsvariable die Zeit t der Beschleunigung des Kolbens beim Rücklauf und führte eine umfassende Parameteranalyse durch; hierbei ergab sich: bei minimalem Volumenwechsel des Speichers t = 0,406T; bei minimalem hydraulischem Schlag t = 0,5T. Herr He Qinghua der Zentral-Süd-Universität verwendete den strukturellen Kennwert des Schlaggeräts – das Verhältnis der wirksamen Flächen des Kolbens im vorderen und hinteren Raum – als dimensionslose Entwurfsvariable und führte damit eine Optimierungskonstruktion für Schlaggeräte durch. Da viele lineare Untersuchungen die gegenseitige Wechselbeziehung zwischen Kolben und Ventil, die unmittelbar die Schlagleistung sowie den Zustand des Speichers beeinflusst, nicht berücksichtigt haben, können sie die wechselseitigen Zusammenhänge zwischen den zahlreichen konstruktiven Parametern des Mechanismus nicht genau widerspiegeln. Obwohl ihre Forschungspräzision relativ gering ist, spiegeln ihre Ergebnisse grundsätzlich die Einflussbeziehungen verschiedener Faktoren auf die Leistung wider und besitzen daher einen gewissen praktischen Wert für theoretische und konstruktive Forschungsarbeiten.

1.5.2 Nichtlineare Modelle für hydraulische Felsbrecher

Als ein relativ typisches und komplexes mechanisches Ein-Körper-Feedback-Regelsystem weist der hydraulische Felsbrecher – ähnlich wie nichtlineare Systeme in anderen Bereichen – zahlreiche nichtlineare Phänomene und Verhaltensmuster auf. Die nichtlineare Forschung hat die Einflussfaktoren der Bewegung des hydraulischen Felsbrechers umfassender berücksichtigt, den Spannungszustand des hydraulischen Felsbrechers vergleichsweise umfassend analysiert und hochgradig nichtlineare Differentialgleichungssysteme zur Beschreibung seiner Bewegungsmuster abgeleitet. Diese Gleichungen sind jedoch schwer zu lösen, ihre Beschreibung ist nicht anschaulich und lässt sich nur numerisch mithilfe von Computern lösen. In den letzten Jahren hat die Forschung zu nichtlinearen mathematischen Modellen aufgrund der Entwicklung der Informatik und der zunehmenden Verbreitung von Mikrocomputern immer mehr Aufmerksamkeit erfahren.

Bereits in den frühen 1970er-Jahren wandten ausländische Wissenschaftler digitale Computer auf die Simulation von Schlagmaschinen für pneumatische Bohrgeräte an und erzielten dabei relativ genaue Ergebnisse. 1976 war der japanische Wissenschaftler Masao Masabuchi der Erste, der mathematische Berechnungen zur Untersuchung hydraulischer Bohrhämmer einsetzte; er stellte ein mathematisches Modell für eine hydraulische Schlagprüfvorrichtung vor und verwendete iterative Berechnungen, um Geschwindigkeit und Frequenz des Arbeitshubs zu ermitteln, anschließend verglich er diese mit gemessenen Werten. In den 1980er-Jahren führten japanische Wissenschaftler wie Takauchi Yoshio und Tanimata Shu u. a. nichtlineare Untersuchungen zur Leistung und Konstruktion hydraulischer Bohrhämmer durch; sie entwickelten analytische Modelle, die sich für die Leistungsbewertung und Konstruktion hydraulischer Bohrhämmer eignen, sowie die Herleitungstheorie und Analysemethodik für das analytische Modell. 1980 schlugen Li Dazhi und Chen Dingyuan von der Universität für Wissenschaft und Technologie Peking ein nichtlineares mathematisches Modell vor, das den Druck im Speicher als Betriebsdruck nutzt, und ermittelten stabile numerische Lösungen. 1983 verwendete He Qinghua von der Zentralchinesischen Industrie-Universität in seiner Arbeit ‚Numerische Simulation hydraulischer Bohrhämmer‘ die Zustandswechselmethode, um ein umfassendes mathematisches Modell aufzustellen; er entwickelte die ‚Quasi-gleichmäßige Beschleunigungsmethode‘ (PUA-Methode), korrigierte Fehler an den Zustandsübergangspunkten und verbesserte so die Simulationsgenauigkeit. 1987 erstellten Professor Chen Xiaozhong und Dozent Chen Dingyuan von der Universität für Wissenschaft und Technologie Peking ein nichtlineares mathematisches Modell für Schlagmechanismen und verfassten Simulationsprogramme in BASIC, wobei die erhaltenen Simulationsdaten relativ gut mit den Messwerten übereinstimmten. Während des Betriebs eines hydraulischen Bohrhammers entsteht aufgrund des hohen Drucks, des kurzen Schlagzyklus und des häufigen Umschaltens des Ölflusses ständig eine variierende Druckkammer; wenn hydraulisches Öl daher durch verschiedene Spalte strömt, entsteht eine große Wärmemenge, was zu lokalen Hochtemperaturen führt und sowohl die Leistung des Schlaggeräts als auch die lokale Schmierung beeinträchtigt; Forschung zu diesem Aspekt befindet sich jedoch nach wie vor in einem weitgehenden Forschungsdesiderat.

Aufgrund der Komplexität der Bewegung hydraulischer Felsbrecher werden nichtlineare Modelle ebenfalls auf der Grundlage bestimmter Annahmen erstellt; daher besteht zwischen linearen und nichtlinearen Modellen im Hinblick auf die Beschreibung der wesentlichen Natur der Dinge tatsächlich kaum ein Unterschied – lediglich die mathematischen Lösungsverfahren für die Modelle unterscheiden sich. Lineare Modelle verwenden analytische Lösungen, während nichtlineare Modelle numerische Verfahren mittels Computer erfordern. Beide können das Bewegungsverhalten des Schlaggeräts nur annähernd beschreiben; um genauere Beschreibungsmethoden zu erhalten, ist weiterhin die Entwicklung der numerischen Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics) erforderlich.

Es muss betont werden, dass sich mit der Weiterentwicklung der Technologie hydraulischer Felsbrecher – insbesondere durch das Aufkommen hydraulisch-pneumatischer Kombinationsbrecher sowie stickstoffexplosiver hydraulischer Felsbrecher – das Arbeitsmedium des hydraulischen Felsbrechers nicht mehr allein aus Öl, sondern auch aus Gas zusammensetzt; die Einbindung von Stickstoff erhöht zudem die Schwierigkeit und Komplexität der theoretischen Forschung weiter.

1.5.3 Forschung zu Schlüsselkomponenten hydraulischer Felsbrecher

(1) Kolbenforschung

Die Konstruktions- und Fertigungsqualität des Schlagkolbens bestimmt in hohem Maße die Leistung des Schlaggeräts. Chinesische Wissenschaftler haben hierzu umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt. Herr Meng Suimin von der Hochschule für Wasserkrafttechnik Gezhouba untersuchte auf der Grundlage des linearen Modells mittels dimensionsloser Analyse vorläufig den Einfluss der Kolben-Rückprallgeschwindigkeit auf die Betriebsparameter von hydraulischen Gesteinshämmern. Professor Liu Deshun von der Hochschule für Technik Xiangtan stellte in seiner Arbeit „Berechnung der Rückprallgeschwindigkeit des Bohrkolbens“ unter Anwendung der Wellendynamiktheorie und auf der Grundlage einer Analyse des Arbeitsprinzips des Gesteinsbohrers Formeln zur Beurteilung des Kolben-Rückpralls sowie zur Berechnung der Rückprallgeschwindigkeit des Kolbens auf und gelangte zu folgenden Schlussfolgerungen: ① Der Zustand des Kolben-Rückpralls und die Rückprallgeschwindigkeit hängen von den Eigenschaften des Kolbens, des Meißels und des Gesteins ab; ihre Einflüsse sind nicht unabhängig voneinander, sondern wechselseitig verknüpft. ② Je kleiner der Entlastungssteifigkeitskoeffizient des Gesteins ist, desto größer ist die Rückprallgeschwindigkeit. Je kleiner der Koeffizient γ ist, der die Belastungseigenschaften des Gesteinsbohrers und des Gesteins charakterisiert, desto größer ist die Rückprallgeschwindigkeit. ④ Um eine relativ ideale Gesteinsbohrleistung zu erzielen, sollte beim Entwurf eines Schlaggeräts der charakteristische Koeffizient γ im Bereich 1 ≤ γ ≤ 2 gehalten werden.

Die Branche hat nach und nach einige Richtlinien für die Kolbengestaltung entwickelt:

1) Der Kolben sollte langgestreckt sein und unnötige Querschnittsänderungen reduzieren, um die Effizienz der Energieübertragung und die Lebensdauer des Meißels zu verbessern.

2) Die Fläche der Kolben-Aufschlagfläche sollte der Fläche des Meißel-Endquerschnitts möglichst entsprechen oder dieser nahekommen; zudem muss eine gewisse Taperlänge vorhanden sein, um die Übertragung der Schlagwellen zu optimieren.

3) Ein Vollhub und ein Überschlag des Kolbens dürfen die Dichtungsstrukturen an beiden Enden nicht beschädigen.

4) Die Abmessungen der hydraulischen Leerlaufdämpfung und die Dichtungslängen jedes Kolbenabschnitts müssen sorgfältig ausgelegt werden.

5) Eine korrekte Werkstoffauswahl ist erforderlich – der Kolbenwerkstoff muss hohe mechanische Festigkeit, hohe Oberflächenhärte, gute Kerntoughness sowie sehr gute Verschleiß- und Schlagfestigkeit aufweisen.

6) Die Eingriffsspiel zwischen Kolben und Zylinderkörper sollte unter umfassender Berücksichtigung von Leckverlusten und Bearbeitungsgenauigkeit angemessen festgelegt werden. Üblicherweise beträgt das Eingriffsspiel zwischen Kolben und Zylinderkörper 0,04 bis 0,06 mm, und das Eingriffsspiel zwischen Kolben und Stützhülse liegt bei 0,03 bis 0,05 mm.

(2) Forschung zum Verteilungsventil

Derzeit verwenden die überwiegende Mehrheit der hydraulischen Felsbrecher Kolbensysteme mit positionsgeführter Ventilsteuerung und realisieren eine hochgeschwindigkeitswechselnde Kolbenbewegung durch gezielte Änderung des Ölzufuhrmusters in einer bestimmten Kammer der Schlagvorrichtung. Obwohl diese Steuerungsform relativ einfach ist, gestaltet sich ihr Übergangsprozess vergleichsweise komplex. Während des Ventilumschaltvorgangs ändern sich Zeit, Geschwindigkeit, Hub, Ölverbrauch und andere Parameter stufenweise, was erhebliche Auswirkungen auf die Leistung der Schlagvorrichtung haben kann. Hierzu führten Liu Wanling et al. von der Universität für Wissenschaft und Technologie Peking mittels theoretischer und experimenteller Untersuchungen spezielle Forschungen zu den Eigenschaften von Steuerventilen in hydraulischen Schlagsystemen durch; sie ermittelten die tatsächliche Bewegungsbahn des untersuchten Ventils der Schlagvorrichtung, enthüllten die Muster der Wegeventilbewegung und bestimmten die wesentlichen Ventilparameter, die die Leistung der Schlagvorrichtung beeinflussen. Qi Renjun et al. von der Zentral-Süd-Universität führten eine theoretische Analyse des Ventilsteuerungsprozesses sowie Optimierungsforschungen zur Ventilstruktur und zu Ventilparametern durch und gewannen einige nützliche Erkenntnisse zu Regelmäßigkeiten; bezüglich möglicher Geschwindigkeitssättigung und Kavitationserscheinungen während der Hochgeschwindigkeitsbewegung des Wegeventils schlugen sie wirksame Lösungen vor, nämlich die Reduzierung der Ventilspulemasse und des Ventilhubs bei gleichzeitiger angemessener Vergrößerung des Öldurchlassquerschnitts. Liu Wanling und Gao Lanqing von der Pekinger Hochschule für Eisen- und Stahltechnik analysierten in ihrer Arbeit „Dynamische Kennwertanalyse des Wegeventils eines hydraulischen Felsbrechers – Simulation und experimentelle Untersuchung“ unter Verwendung der Programmiersprache BASIC Möglichkeiten zur Verbesserung der dynamischen Kennwerte des Ventils und kamen zu folgenden Schlussfolgerungen: Mit zunehmender Nullüberlappungsöffnung sinkt der Druck in der hinteren Kammer rasch ab, die Schlagarbeit steigt an, die Schlagfrequenz nimmt leicht ab und der Wirkungsgrad der Schlagvorrichtung verbessert sich; ist die Nullüberlappungsöffnung jedoch zu groß, so verringert sich infolge der verkürzten Dichtlänge am Ventilschulter die Betriebssicherheit des Ventils.

(3) Akkumulatorforschung

Der Speicher ist eine wichtige Komponente des hydraulischen Felsbrechers, und seine Konstruktion beeinflusst direkt die Gesamtleistung des hydraulischen Felsbrechers. Daher wurde bei der Erforschung der Leistungsfähigkeit hydraulischer Felsbrecher auch die Forschung zu Speichern durchgeführt. Im Jahr 1990 führten die japanischen Wissenschaftler Takauchi Yoshio, Tanimata Shu u. a. experimentelle und theoretische Untersuchungen durch und leiteten auf der Grundlage des erstellten analytischen Modells mithilfe der Zustandsgleichung eine Berechnungsformel für das Stickstofffüllvolumen des Speichers ab; die Richtigkeit dieser Formel wurde experimentell verifiziert und lieferte somit eine theoretische Grundlage für die Auslegung des optimalen Speichers. Im Jahr 1986 entwickelte Duan Xiaohong von der Universität für Wissenschaft und Technologie Peking unter Verwendung der konzentrierten-Parameter-Methode ein dynamisches Modell hochdruckfester Membranspeicher und analysierte mittels sowohl experimenteller als auch rechnerischer Methoden die Frequenzeigenschaften des Speichersystems. Ferner wurde die optimale Kopplung zwischen Speicher und hydraulischem Felsbrecher diskutiert, wobei hervorgehoben wurde, dass der optimale Arbeitsbereich des Schlaggeräts durch die sekundäre harmonische Antwort des Speichers auf Druckänderungen im System energiemäßig dominiert wird. Im Jahr 1986 veröffentlichte Professor He Qinghua von der Zentral-Süd-Universität den Aufsatz ‚Rücklauföl und Rücklaufölspeicher hydraulischer Schlagmechanismen‘, in dem festgestellt wurde, dass der betriebliche hydraulische Druck des hydraulischen Felsbrechers hauptsächlich von der Trägheitskraft seiner eigenen beweglichen Teile abhängt – dies ist ein wesentliches Merkmal des hydraulischen Felsbrechers, das ihn von gewöhnlichen hydraulischen Maschinen unterscheidet, bei denen der betriebliche hydraulische Druck vorwiegend von der äußeren Last abhängt. Der Rücklaufdruck resultiert hauptsächlich aus dem trägheitsbedingten hydraulischen Druck, der entsteht, wenn Öl durch Kolben oder Ventile beschleunigt in die Rücklaufleitung entlassen wird; zudem wurde darauf hingewiesen, dass aufgrund der Abweichung des Förderstroms des Schlaggeräts vom Strömungsmuster des Öls in der Rücklaufleitung Kavitation auftreten kann, sobald der in die Rücklaufleitung eintretende Strom geringer ist als der im Rücklaufrohr bewegte Ölstrom. Um den trägheitsbedingten Rücklaufdruck zu verringern und Kavitation im Rücklauf zu vermeiden, wird die Installation eines Rücklaufspeichers im hydraulischen Felsbrecher vorgeschlagen, wobei hieraus eine Methode zur Bemessung der Parameter des Rücklaufspeichers abgeleitet wird. In jüngster Zeit hat die Universität für Wissenschaft und Technologie Peking Untersuchungen zu den dynamischen Kopplungseigenschaften von Speichern hydraulischer Felsbrecher durchgeführt, das Simulationssoftwarepaket HRDP erstellt und bei der Validierungsberechnung optimaler dynamischer Kopplungseigenschaften des Speichers erste Ergebnisse erzielt.

(4) Forschung zu Schussverhinderungsgeräten und Energiespeichern für Meißelrückstöße

Da während des Betriebs eines hydraulischen Felsbrechers unvermeidbare Meißel-Rückschlag- und Leerlauf-Phänomene auftreten, wirkt sich die Leistungsfähigkeit des Meißel-Rückschlag-Energieabsorbers und der Leerlauf-Verhinderungseinrichtung stark auf die Lebensdauer des hydraulischen Felsbrechers aus. Herr Professor Meng Suimin analysierte in seiner Arbeit „Analyse der Rückschlaggeschwindigkeit des Bohrmeißelpistons“ systematisch die Faktoren des Rückschlags am Meißelende und untersuchte Methoden zur Absorption der Meißel-Rückschlagenergie. Liao Yide von der Central South University stellte in seiner Arbeit „Theorie und experimentelle Untersuchung hydraulischer Felsbohrer-Leerlauf-Puffervorrichtungen“ ein mathematisches Modell des Leerlauf-Pufferprozesses auf und führte Simulationsuntersuchungen durch. Dr. Liao Jianyong untersuchte in seiner Arbeit „Konstruktionstheorie und rechnergestützte Konstruktion mehrstufiger hydraulischer Felsbohrer“ mittels Computersimulation und Optimierungsdesign Meißel-Rückschlag-Energieabsorber sowie Leerlauf-Verhinderungseinrichtungen. Liu Deshun von der Central South University wandte in seiner Doktorarbeit „Forschung zur Wellendynamik von Schlagmechanismen“ die Theorie der Wellendynamik an, leitete Formeln zur Berechnung der Rückschlaggeschwindigkeit für jeden Teil des Schlagmechanismus ab und wies darauf hin, dass die Rückschlagenergie durch eine gezielte Auslegung jedes Teils des Schlagmechanismus genutzt werden kann. Das Forschungsinstitut für hydraulische Maschinenbauanlagen der Central South University entwickelte eine zweistufige Leerlauf-Puffervorrichtung, die die Leistungsfähigkeit des Meißel-Rückschlag-Energieabsorbers vollständig ausschöpft – ein kreatives Forschungsergebnis.

1.5.4 Forschung zu Frequenzabstimmung, Energieabstimmung und Steuerungstechnologie für hydraulische Felsbrecher

Mit der Weiterentwicklung der Technologie hydraulischer Felsbrecher hat der Einsatz vor Ort neue Anforderungen an diese Geräte gestellt. Um die Produktivität effektiv zu steigern, muss die Schlagenergie und die Schlagfrequenz des hydraulischen Felsbrechers an die jeweiligen Gesteinseigenschaften angepasst werden können. Das heißt: Unter der Voraussetzung einer möglichst vollständigen Ausnutzung der installierten Leistung der Trägermaschine soll bei härterem Gestein eine höhere Schlagenergie und eine niedrigere Schlagfrequenz ausgegeben werden; umgekehrt soll bei weicheren Gesteinen eine geringere Schlagenergie und eine höhere Schlagfrequenz ausgegeben werden, um so eine höhere Produktivität zu erreichen. Um diese Ziele zu verwirklichen, wurden sowohl national als auch international umfangreiche Forschungsarbeiten durchgeführt.

Aus der theoretischen Forschung zu hydraulischen Felsbrechern ergibt sich, dass deren Ausgangsleistung (Schlagenergie und Schlagfrequenz) hauptsächlich auf drei Arten angepasst werden kann: ① Durch Anpassung des Durchflusses; ② Durch Anpassung des Hubes; ③ Durch Anpassung des Rückführdrucks. Derzeit verfügen die überwiegende Mehrheit der heimischen und ausländischen hydraulischen Felsbrecher nur über einen festen Hub – das heißt, ihre Ausgangsleistung ist nicht einstellbar. Selbstverständlich ist es zwar theoretisch möglich, bei solchen hydraulischen Felsbrechern die Ausgangsleistung durch Anpassung des Durchflusses zu regulieren; praktisch ist dieses Vorgehen jedoch nicht realisierbar, da Änderungen des Durchflusses synchron zu entsprechenden Änderungen der Ausgangsparameter führen und daher keine unabhängige Einstellung möglich ist.

Obwohl einige heimische und ausländische Hersteller hubverstellbare hydraulische Felsbrecher konstruiert und produziert haben, werden diese aufgrund ihrer starren, stufenförmigen Hubanpassung und der damit verbundenen starken Benutzerunfreundlichkeit sowie der schlechten Ergebnisse von den Anwendern nicht akzeptiert. Bei der Hub-Rückmeldungsteuerung erfolgt die Anpassung der Ausgangs-Arbeitsparameter hauptsächlich durch Änderung des Systemzulaufstroms oder durch Hinzufügen mehrerer Rückhub-Rückmeldelöcher; zudem wird über die Steuerung des Ein- und Ausschaltens jedes einzelnen Signallochs der Kolbenhub justiert, wodurch sich die Schlagenergie und die Schlagfrequenz des hydraulischen Felsbrechers verändern. Ein Beispiel hierfür ist der in Schweden hergestellte dreigängige hydraulische Felsbohrer von Atlas-Copco. Die automatischen, stufenlos schaltenden hydraulischen Felsbrecher der YYG-Serie der Zentral-Süd-Universität – aufgrund struktureller Einschränkungen lässt dieses Prinzip lediglich eine stufenförmige Anpassung der Arbeitsparameter des hydraulischen Felsbrechers zu; da Druck und Durchfluss im Schlagsystem zueinander quadratisch proportional sind, führt eine gleichzeitige Erhöhung von Schlagenergie und Schlagfrequenz zu sehr starken Leistungsänderungen der Trägermaschine, was die Erweiterung des Einsatzbereichs und der Arbeitseffizienz des hydraulischen Felsbrechers einschränkt. Professor Takashi Takahashi von der Akita-Universität in Japan beschrieb in einer Veröffentlichung die Anpassung der Position des Rückhub-Signalanschlusses, um den Kolbenhub des hydraulischen Felsbrechers zu verändern. Experimente bewiesen, dass bei einer Erhöhung des Kolbenhubs um 10 % zwar die Schlagfrequenz um 8 % sinkt, die Schlagenergie jedoch um 12 % steigt – dies verbesserte die Arbeitseffizienz und lieferte theoretische sowie experimentelle Belege für die Konstruktion hubverstellbarer hydraulischer Felsbrecher. Herr He Qinghua von der Zentral-Süd-Universität untersuchte in seiner Arbeit „Forschung zu hubverstellbaren hydraulischen Schlagmaschinen“ verschiedene Arten von Getriebeschaltverfahren und analysierte theoretisch die Zusammenhänge zwischen verschiedenen Arbeitsparametern hubverstellbarer hydraulischer Schlagvorrichtungen und den jeweiligen Schaltstufen; die Ergebnisse besitzen eine deutliche Leitfunktion für Konstruktion und Einsatz stufenweise schaltender hydraulischer Felsbrecher. Dieses Buch stellt das Konzept einer unabhängigen, stufenlosen Anpassung der Arbeitsparameter auf Basis des Druckrückmeldeprinzips vor und hat dieses neue Produkt eines hydraulischen Felsbrechers auf den Markt gebracht. Dabei wird die Einzelschlagenergie der Schlagvorrichtung hauptsächlich durch Steuerung der Größe des Kolben-Rückstaudrucks justiert; gleichzeitig erfolgt durch Steuerung des variablen Pumpendurchflusses eine stufenlose Anpassung der Schlagfrequenz der Schlagvorrichtung, sodass sowohl Schlagenergie als auch Schlagfrequenz jeweils unabhängig und stufenlos innerhalb eines relativ großen Bereichs eingestellt werden können, während die Leistungsänderung der Trägermaschine gering bleibt. Hinsichtlich der theoretischen Forschung, der konstruktiven Gestaltung und der Steuerungsverfahren für diese neuartige hydraulische Schlagmaschine haben die Autoren Untersuchungen an hydraulischen Schlagvorrichtungen mit unabhängiger, stufenloser Anpassung von Schlagenergie und Schlagfrequenz durchgeführt. Dr. Zhao Hongqiang entwickelte in seiner Dissertation „Forschung zu einem neuartigen hydraulischen Steinbrecher mit unabhängiger, stufenloser Regelung“ die traditionelle Hub-Rückmeldesteuerung hydraulischer Felsbrecher weiter, indem er Druckrückmeldung und variable Pumpendurchflusssteuerung einsetzte und dadurch eine unabhängige, stufenlose Regelung von Schlagenergie und Schlagfrequenz des hydraulischen Felsbrechers realisierte. Ding Wensi führte in seiner Doktorarbeit umfangreiche Arbeiten zu zwangsverteilter Brechtechnik mittels Hochgeschwindigkeits-Schalventechnik durch, wobei er den Stickstoffdruck am Ende des Brechers als Steuervariable nutzte und dadurch eine unabhängige Frequenzeinstellung und Energieeinstellung der Brecher realisierte. Zhang Xin verwendete in seiner Arbeit „Forschung zu einem neuartigen druckrückgemeldeten hydraulischen Schlagvorrichtungssystem mit elektromechanischer Integration“ hochgeschwindigkeitsgesteuerte Schalventechnik mit Mikrocontrollersteuerung, um eine computergesteuerte Regelung der Schlagvorrichtung zu ermöglichen. Yang Guoping schlug in seiner Doktorarbeit „Forschung zu einer rein hydraulischen, unabhängig stufenlos frequenz- und energiejustierbaren hydraulischen Schlagvorrichtung“ eine intelligente Schlagvorrichtung mit rein hydraulischem Steuerkonzept vor, die über ein vorgesteuertes Verteilerventil eine stufenlose Anpassung von Schlagenergie und Schlagfrequenz des hydraulischen Felsbrechers ermöglicht.

1.5.5 Aktueller Stand der Forschung zur Simulationstechnologie für hydraulische Felsbrecher

Aus Sicht der Produktentwicklung und des Produktdesigns ist die Untersuchung der dynamischen Eigenschaften von Mechanismen am besten während der Entwicklungs- und Designphase durchzuführen. Die dynamische Antwortsimulation hydraulischer Steuerungssysteme war stets ein kontinuierlich erforschtes Gebiet innerhalb der Hydraulikindustrie und stellt zudem ein gängiges Mittel zur Untersuchung der dynamischen Antwortcharakteristiken von Steuerungssystemen dar.

Die spezielle Arbeitsweise des hydraulischen Felsbrechers bestimmt, dass dynamische Simulationsanalysen und Tests als grundlegende Voraussetzung für die theoretische Konstruktion und Entwicklung des Mechanismus dienen müssen. Nach dem Erscheinen der Computer wurde die Hürde überwunden, ausschließlich auf Produkttests angewiesen zu sein, um genaue oder zuverlässige Ergebnisse zur Bewegungsleistung des Mechanismus zu erhalten. Forscher begannen, verschiedene Methoden einzusetzen, um mathematische Modelle zur Beschreibung der hydraulischen Schwingung und der Bewegung von Schlagmaschinen aufzustellen, analysierten mittels Simulationstechnologie die Parameteränderungsprozesse hydraulischer Felsbrecher und nutzten die Technologie virtueller Prototypen, um die Bewegungsabläufe von Schlagmaschinen zu simulieren. Sobald die Konstruktionsergebnisse festgelegt sind, kann die Bewegung des Mechanismus klar verstanden und die zugehörigen Leistungsparameter berechnet werden, was einen guten Weg zur Verkürzung der Entwicklungszyklen neuer Produkte, zur Optimierung der Konstruktion sowie zur Durchführung dynamischer Leistungsanalysen bietet.

In den 1960er und 1970er Jahren begannen ausländische Wissenschaftler, digitale Computer für die Simulation von Schlagmaschinen einzusetzen. Diese Arbeiten verwendeten den Druck in den vorderen und hinteren Kammern als Variable, berechneten den Fluidzu- und -abfluss an jedem Anschluss unter Berücksichtigung von Durchflusskoeffizienten; anschließend wurden die Zustandsgleichung des Gases und die Energiebilanzgleichung angewandt, um mikrodifferenzielle Gleichungen aufzustellen, die die Zustandsänderungen des Speichers und des Kolbens beschreiben. Nach bestimmten Näherungsannahmen zur Ventilbewegung erfolgte die numerische Lösung mittels Differenzenverfahren. Die Simulationsresultate – insbesondere die Leistungsparameter – lagen sehr nahe an den gemessenen Werten und erbrachten zufriedenstellende Ergebnisse. In Japan legten Forscher stärkeren Wert darauf, für spezifische hydraulische Felsbrecher Computermodelle zu erstellen und experimentell ermittelte Parameter in die Simulation einzuführen, um strukturelle Parameter, Schlagparameter und die Leistung hydraulischer Felsbrecher zu optimieren; hierdurch konnten die optimale Fläche des Rücklaufölanschlusses, das optimale Ladevolumen des Speichers sowie die optimale drucktragende Fläche der hinteren Kammer des jeweiligen hydraulischen Felsbrechers bestimmt werden. Bei der Durchführung von Simulationen achteten japanische Forscher besonders darauf, die Simulationsresultate mit den Ergebnissen experimenteller Prüfungen zu vergleichen und die Computermodelle entsprechend den Testdaten anzupassen. Das Unternehmen Sandvik entwickelte nach Berücksichtigung des Einflusses der Form des Schlagkolbens auf die Energieübertragung ebenfalls ein Computer-Simulationsprogramm für diesen Bereich. Mit diesem Programm lässt sich: ① der Energieübertragungsprozess jedes Teils des Schlages simulieren; ② unterschiedliche Auslegungen einzelner Systemkomponenten simulieren; ③ unter verschiedenen Bedingungen bezüglich des zu bearbeitenden Materials die Auswirkungen verschiedener Konstruktionen auf die Energieübertragung simulieren. Das Computerprogramm von Sandvik gewährleistet nicht nur die Herstellung optimaler Produkte, sondern ermöglicht zudem die Messung und das Verständnis der Auswirkung sämtlicher Parameter auf das Schlagsystem sowie der Effekte von Änderungen einzelner Parameter auf die Effizienz und stellt es den Anwendern als praktisches und effektives Berechnungswerkzeug zur Verfügung.

Nach den 1980er-Jahren begann auch die einheimische Forschung zu Simulationstechnologie und deren Anwendungen. Chinesische Wissenschaftler wie Tian Shujun, Chen Yufan und andere stellten jeweils mit ihren eigenen Methoden mathematische Modelle auf. Tian Shujun et al. wandten das Leistungs-Bond-Graph-Verfahren – eine fortschrittliche Technik zur dynamischen Modellierung – unter Kombination mit Zustandsraum-Analysemethoden an und führten vorwiegend Untersuchungen zur dynamischen Simulation von hydraulischen Felsbrechern mit Schieberventilsteuerung durch. Diese Arbeit untersuchte die dynamische Simulationsmodellierung und Programmierung hydraulischer Felsbrecher und lieferte damit eine Methode sowie einen Ansatz für zahlreiche spätere Simulationsprogrammierer; so leitete beispielsweise Professor Zhou Zhihong von der Universität für Wissenschaft und Technologie Peking seine Studierenden Yan Yong et al. dabei an, mithilfe von Leistungs-Bond-Graphs dynamische Gleichungen für verschiedene Typen hydraulischer Felsbrecherkolben, Richtventile sowie sämtliche hydraulischen Strömungsgleichungen und Gaszustandsgleichungen aufzustellen; anschließend wurden Simulationsprogramme in einer Computersprache erstellt, um die wichtigsten Zustandsänderungsprozesse hydraulischer Felsbrecher – wie Druck in vorderer und hinterer Kammer, Durchfluss, Kolbenweg und Kolbengeschwindigkeit – zu analysieren; dies schuf eine Grundlage für weitere Forschungsarbeiten zum Einfluss von Parameteränderungen hydraulischer Felsbrecher auf deren Leistungsfähigkeit. Mit der rasanten Entwicklung von Computern und Softwaretechnologien wurden zunehmend Matlab- und AMEsim-Software zur Modellierung und Simulation hydraulischer Felsbrechersysteme eingesetzt, was eine theoretische Grundlage für die Verkürzung von Entwicklungszyklen und die Verbesserung der Konstruktionsqualität neuer Modelle liefert.

1.5.6 Experimentelle Forschungsmethoden

Das Experiment ist das grundlegende Mittel, mit dem Menschen die Natur erkennen und die objektive Welt verändern – durch das Zusammenfassen und Abstrahieren von beobachteten Phänomenen und gemessenen Daten, das Aufdecken innerer Zusammenhänge und Muster sowie die Bildung von Theorien. Das Experiment ist die Quelle der Theorie; das Experiment ist der einzige Maßstab zur Überprüfung einer Theorie.

Die Leistungsparameter des hydraulischen Felsbrechers bei Stößen sind ein wichtiger Indikator zur Bewertung seines Konstruktions-, Fertigungs- und Qualitätsniveaus. Alle Hauptparameter können experimentell gemessen werden, wobei die Ergebnisse in Form von Daten, Kurven oder Diagrammen dargestellt werden. Die Leistungsverifikation befasst sich hauptsächlich mit der Messung der Schlagenergie, der Schlagfrequenz, des Systemdrucks und des Durchflusses. Für diese Parameter existieren derzeit keine einheitlichen internationalen Prüfnormen. Die derzeit üblichen Prüfverfahren für die Stoßleistung hydraulischer Felsbrecher sind: die Spannungswellenmethode, die photoelektrische Differenzverdrängungsmethode, die elektromagnetische Induktionsmethode, die Kontaktmethode, die Hochgeschwindigkeitsfotografie, die Indikatordiagrammmethode sowie die Energiemethode usw.

Die Spannungswellenmethode ist ein Verfahren zur Messung der Schlagenergie durch Erfassung der Spannungswelle, die am Meißel erzeugt wird, wenn der Schlagkolben auf den Meißel trifft. Bei der photoelektrischen Methode wird das Prinzip der photoelektrischen Umwandlung genutzt; mithilfe eines photoelektrischen Sensors wird die Position des Schlagkolbens als direkte Messgröße erfasst, um die Kolbenwegstrecke zu bestimmen, woraus anschließend sämtliche Leistungsparameter der Schlagvorrichtung berechnet werden. Die photoelektrische Methode ist als berührungsloses Messverfahren besonders gut geeignet für Schlagmaschinen wie hydraulische Felsbrecher mit langen Kolbenhubwegen, großen Durchmessern und hoher Geschwindigkeit. Bei der elektromagnetischen Induktionsmethode kommt ein elektromagnetisches Induktionssensorsystem zum Einsatz, das aus einem am Schlagkolben befestigten Magneten und einer spiralförmigen Spule besteht, die im Gehäuse montiert ist; dabei wird die induzierte elektromotorische Kraft genutzt, die entsteht, wenn die Spule beim Hin- und Herbewegen des Magneten mit dem Kolben magnetische Feldlinien schneidet. Auf Grundlage des Kalibrierungsverhältnisses zwischen elektromotorischer Kraft und Schlaggeschwindigkeit wird die Kolbengeschwindigkeit ermittelt und daraus die Schlagenergie des Kolbens berechnet.

Die Kontaktmethode ist eine Methode zur Berechnung der Schlagenergie mithilfe der Endgeschwindigkeit des Kolbens beim Aufprall auf das zu bearbeitende Objekt. Bei der Leistungsprüfung von Felsbrechern sind die oben genannten vier Methoden relativ verbreitet; andere Methoden werden in der Praxis kaum angewendet, entweder aufgrund ihrer komplexen Handhabung und hohen Kosten oder weil sie den Bewegungszustand des Kolbens nicht vollständig widerspiegeln.

Es ist darauf hinzuweisen, dass das oben beschriebene Spannungswellenverfahren nur für die Prüfung von Schlagwerkzeugen mit relativ geringer Schlagenergie, wie hydraulischen Bohrhammern und pneumatischen Werkzeugen, geeignet ist und bei der Prüfung von hydraulischen Brechhammern mit hoher Schlagenergie deutlich größere Schwierigkeiten aufweist. Die Prüfkraft spezialisierter Forschungseinheiten, die sich mit Spannungswellen befassen, ist im Allgemeinen begrenzt und reicht nicht aus, um große hydraulische Brechhämmer zu prüfen; zudem sind Geräusch- und Vibrationsbelastungen, die bei einer Innenraumprüfung entstehen, ebenfalls nicht akzeptabel. Was die Kontaktmethode betrifft, so ist diese zwar einfach zu installieren, liefert jedoch keine ausreichend genauen Ergebnisse und ist daher nicht weiter verbreitbar. Einzig die elektromagnetische Induktionsmethode zur Prüfung hydraulischer Brechhämmer gilt in allen Aspekten als umfassend: Sie kann sowohl für hydraulische Bohrhammer mit geringer Schlagenergie als auch für große hydraulische Brechhämmer mit hoher Schlagenergie eingesetzt werden; sie misst direkt die Kolbengeschwindigkeitskurve und ermöglicht damit die Bestimmung von Kolbenweg und -beschleunigung – was für Untersuchungen zum Kolbenbewegungsmuster äußerst nützlich ist. Der einzige Nachteil besteht darin, dass der Magnetstab bei hochfrequenter Kolbenvibration leicht beschädigt wird.

Dr. Ding Wensi von der Central South University schlug in seiner Doktorarbeit „Forschung zu einem neuartigen druckgeführten, stickstoffbetriebenen maschinenelektrisch integrierten hydraulischen Steinbrecher-System“ eine neue Methode zur Prüfung der Ausgangsparameter von Schlagwerkzeugen vor – die Gasdruckmethode. Bei dieser Methode wird mittels eines Drucksensors die Auswirkung auf den Druck der am Kolbenende installierten abgedichteten Stickstoffkammer während der Kolbenbewegung erfasst; über einen Computer werden dann Hub und Geschwindigkeit des Kolbens bestimmt, wodurch die beiden wichtigen Ausgangsparameter des Schlagwerkzeugs – Schlagenergie und Schlagfrequenz – ermittelt werden. Im Vergleich zu herkömmlichen Prüfmethoden bietet die berührungslose Gasdruckmethode folgende Vorteile: hohe Vibrationsfestigkeit, geringer Vorbereitungsaufwand, simultane Messung von Schlagenergie und -frequenz, einfache Kalibrierung, geringe Messfehler bei den Schlagparametern sowie hohe Genauigkeit. Sie eignet sich nicht nur als Mess- und Identifikationsmethode für Laborprodukte, sondern lässt sich auch problemlos für die Online-Prüfung im praktischen Einsatz einsetzen. Die Methode wurde bereits im hydraulischen Prüfprogramm des Unternehmens Jingye angewandt und in den branchenweiten Industriestandard „Hydraulischer Steinbrecher“ aufgenommen.

1.5.7 Forschung zu Schwingungen, Geräuschen und Regelung

Neben der Schlagenergie, der Schlagfrequenz und der Masse umfassen die Kenngrößen zur Messung der Leistung hydraulischer Schlagmaschinen auch Geräuschentwicklung, Maschinenkörper-Schwingungen und Energieausnutzungsgrad, die wichtige Aspekte bei der Bewertung der Gesamtleistung darstellen. Mit zunehmendem Umweltbewusstsein gelten in Industrieländern immer strengere Vorschriften für Geräuschentwicklung von Maschinen. Um sich an die Marktanforderungen anzupassen, gewinnen Geräusch- und Schwingungskontrolle sowie Staubunterdrückung bei hydraulischen Schlagmaschinen zunehmend an Bedeutung als Wettbewerbskriterien; ihre Steuerungstechnologie ist mittlerweile ein wichtiges Forschungsthema. Wissenschaftler verschiedener Länder untersuchen hierzu strukturelle und materialbezogene Ansätze; strukturell werden beispielsweise Maßnahmen wie eingebaute Futterbuchsen, Schalldämpfer oder schwingungsdämpfende Stahlbleche in Sandwich-Bauweise eingesetzt, um Schwingungen und Geräusche zu kontrollieren. Das Unternehmen Krupp hat sämtliche seine mittleren und kleineren Produkte mit schallabsorbierenden Materialien ausgestattet. Die Firma Rammer installiert bei ihren neu entwickelten Produkten Hochdruck-Wasserpumpen und Zerstäuberdüsen, um eine staubmindernde Wirkung zu erzielen. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz von Sensortechnik eine präzise Positionierung hydraulischer Bohrhämmer, das automatische Bohren von Löchern, das automatische Stoppen und Zurückziehen des Meißels sowie die automatische Anpassung von Schlagenergie und Schlagfrequenz entsprechend dem jeweiligen Arbeitsobjekt.