Επισκόπηση της Θεωρητικής Έρευνας για τους Υδραυλικούς Σπαστήρες Βράχων

1.5 Επισκόπηση της Θεωρητικής Έρευνας για τους Υδραυλικούς Σπαστήρες Βράχων

Κατά τη λειτουργία του υδραυλικού σπαστήρα πετρωμάτων, η πίεση του λαδιού στην εργασιακή θάλαμο αλλάζει με υψηλή συχνότητα υπό τον έλεγχο της κατευθυντικής βαλβίδας· τα χαρακτηριστικά του υγρού στον υδραυλικό αγωγό δεν μπορούν να συζητηθούν απλώς σύμφωνα με τη θεωρία της υδραυλικής μετάδοσης, αλλά πρέπει να εφαρμοστεί η ανάλυση βάσει της θεωρίας της υδραυλικής ταλάντωσης. Η δύναμη που ασκείται στο έμβολο και στο μύτη αυξάνεται από το μηδέν σε δεκάδες ή εκατοντάδες μεγαπασκάλ (MPa) εντός μερικών δεκάδων μικροδευτερολέπτων και στη συνέχεια επιστρέφει στο μηδέν· η μορφή μετάδοσης ενέργειας μέσω των κυματικών τάσεων καθορίζει ότι η περιγραφή της διαδικασίας εργασίας δεν μπορεί να βασίζεται απλώς στη στατική, τη μηχανική των στερεών σωμάτων και την κινηματική. Η αρχή λειτουργίας της πληκτικής μηχανής ανήκει στα προβλήματα δυναμικής ελαστικών σωμάτων και για την ακριβή περιγραφή της διαδικασίας μετάδοσης ενέργειας πρέπει να χρησιμοποιηθεί η θεωρία των κυμάτων.

Με βάση τις διαφορές στις βασικές υποθέσεις και τα μαθηματικά μοντέλα, η έρευνα για τους υδραυλικούς σπαστήρες πετρωμάτων διαχωρίζεται σε δύο κύριες κατηγορίες: έρευνα βασισμένη σε γραμμικά μοντέλα και έρευνα βασισμένη σε μη γραμμικά μοντέλα.

1.5.1 Γραμμικά Μοντέλα Έρευνας για Υδραυλικούς Σπαστήρες Βράχων

Η γραμμική έρευνα είναι μια ιδεατή έρευνα που διεξάγεται με τη γραμμικοποίηση μη γραμμικών υδραυλικών σπαστήρων βράχων μέσω υποθέσεων — γραμμικά μοντέλα που προκύπτουν υπό την υπόθεση «σταθερής υδραυλικής πίεσης λαδιού» και αγνοώντας ορισμένους παράγοντες. Η υπόθεση της έρευνας βασίζεται στην άποψη που πρότειναν οι σοβιετικοί ερευνητές OdAlimov και SAbasov στο έργο τους «Θεωρία Δομής Υδραυλικών Μηχανημάτων Επιδράσεως με Ταλάντωση»: «Υπό την προϋπόθεση διασφάλισης μιας καθορισμένης τελικής ταχύτητας επίπληξης, ο έλεγχος με πλήρως ισότιμη πίεση αποτελεί τον βέλτιστο έλεγχο με την υψηλότερη απόδοση». Βάσει της υπόθεσης «ελέγχου σταθερής πίεσης», οι σοβιετικοί ερευνητές πρότειναν το βέλτιστο σχεδιαστικό σχήμα για την ελαχιστοποίηση της μέγιστης ώθησης. Ο Ιάπωνας ερευνητής Nakamai κ.ά., λαμβάνοντας υπόψη την αντίσταση του αγωγού, διεξήγαγε θεωρητική και σχεδιαστική έρευνα σχετικά με τη ρυθμιστικότητα της διαδρομής του εμβόλου. Ο Καθηγητής Λι Νταζί του Πανεπιστημίου Επιστημών και Τεχνολογίας του Πεκίνου πρότεινε την ιδέα του βέλτιστου σχεδιασμού της διαδρομής. Οι Τσεν Γιουφάν κ.ά. χρησιμοποίησαν γραμμικά μοντέλα επιδραστικών μηχανισμών, εφαρμόζοντας αδιάστατη ανάλυση με τη μέθοδο της βέλτιστης διαδρομής, προκειμένου να διεξαγάγουν αδιάστατη ανάλυση των παραμέτρων των επιδραστικών μηχανισμών και να εξάγουν μια σειρά σχέσεων μεταξύ παραμέτρων που καθοδηγούν το σχεδιαστικό έργο. Ο Καθηγητής Τσεν Ντινγιουάν του Πανεπιστημίου Επιστημών και Τεχνολογίας του Πεκίνου, χρησιμοποιώντας ως μεταβλητή σχεδιασμού τον λόγο C = S/S_m (S: λειτουργική διαδρομή, S_m: μέγιστη διαδρομή), διεξήγαγε αδιάστατη ανάλυση υδραυλικών σπαστήρων βράχων και κατέληξε στο συμπέρασμα ότι η ζώνη βέλτιστης απόδοσης είναι C = 0,75 έως 0,850. Ο Καθηγητής Γουάνγκ Ζενγκ του Πανεπιστημίου Επιστημών και Τεχνολογίας του Πεκίνου, χρησιμοποιώντας ως μεταβλητή σχεδιασμού τον χρόνο t επιτάχυνσης επιστροφής του εμβόλου, διεξήγαγε ολοκληρωμένη παραμετρική ανάλυση και κατέληξε στα εξής: όταν η μεταβολή του όγκου του αποθηκευτή είναι ελάχιστη, t = 0,406T· όταν η υδραυλική επίπληξη είναι ελάχιστη, t = 0,5T. Ο Καθηγητής Χε Τσινγκχουά του Κεντρικού Νοτίου Πανεπιστημίου χρησιμοποίησε ως αδιάστατη μεταβλητή σχεδιασμού τον δομικό χαρακτηριστικό συντελεστή του επιδραστικού μηχανισμού — δηλαδή τον λόγο των αποτελεσματικών εμβαδών των μπροστινής και πίσω θαλάμων του εμβόλου — προκειμένου να διεξαγάγει βελτιστοποιημένο σχεδιασμό επιδραστικών μηχανισμών. Δεδομένου ότι πολλές γραμμικές μελέτες δεν λαμβάνουν υπόψη την αμοιβαία περιοριστική σχέση μεταξύ εμβόλου και βαλβίδας, η οποία επηρεάζει άμεσα την απόδοση της επίπληξης και την κατάσταση του αποθηκευτή, δεν μπορούν να αντικατοπτρίσουν με ακρίβεια τις αλληλεξαρτήσεις μεταξύ των πολλών δομικών παραμέτρων του μηχανισμού. Αν και η ακρίβεια των ερευνών τους είναι σχετικά χαμηλή, τα αποτελέσματά τους μπορούν βασικά να αντικατοπτρίζουν τη σχέση επιρροής των διαφόρων παραγόντων στην απόδοση και, συνεπώς, έχουν ορισμένη πρακτική αξία στη θεωρητική και σχεδιαστική έρευνα.

1.5.2 Μη Γραμμικά Μοντέλα για Υδραυλικούς Σπαστήρες Βράχων

Ως ένα σχετικά τυπικό και πολύπλοκο μονοσώματο μηχανικό σύστημα ανάδρασης και παρακολούθησης, ο υδραυλικός σπαστήρας βράχων, όπως και τα μη γραμμικά συστήματα σε άλλους τομείς, παρουσιάζει πολλά μη γραμμικά φαινόμενα και μοτίβα. Η έρευνα στον τομέα των μη γραμμικών συστημάτων έχει λάβει υπόψη της με μεγαλύτερη ολοκληρωτικότητα τους παράγοντες που επηρεάζουν την κίνηση του υδραυλικού σπαστήρα βράχων, έχει αναλύσει σχετικά ολοκληρωτικά την κατάσταση τάσης του υδραυλικού σπαστήρα βράχων και έχει καταλήξει σε σύνολα μη γραμμικών διαφορικών εξισώσεων υψηλής τάξης για την περιγραφή των μοτίβων κίνησής του. Ωστόσο, οι εξισώσεις αυτές είναι δύσκολο να λυθούν, η περιγραφή τους δεν είναι εντυπωσιακή και μπορούν να λυθούν μόνο αριθμητικά με τη χρήση υπολογιστών. Τα τελευταία χρόνια, με την ανάπτυξη της επιστήμης και της τεχνολογίας των υπολογιστών και την ευρεία διάδοση των μικροϋπολογιστών, η έρευνα σχετικά με μη γραμμικά μαθηματικά μοντέλα έχει αποκτήσει όλο και μεγαλύτερη προσοχή από την επιστημονική κοινότητα.

Ήδη από τις αρχές της δεκαετίας του 1970, ξένοι ερευνητές εφάρμοσαν ψηφιακούς υπολογιστές στην προσομοίωση μηχανών κρούσης για πνευματικά τρυπάνια βράχων, επιτυγχάνοντας σχετικά ακριβή αποτελέσματα. Το 1976, ο Ιάπωνας ερευνητής Masao Masabuchi ήταν ο πρώτος που χρησιμοποίησε μαθηματικούς υπολογισμούς για τη μελέτη υδραυλικών σπαστήρων βράχων, προτείνοντας ένα μαθηματικό μοντέλο για μια υδραυλική διάταξη δοκιμής κρούσης και χρησιμοποιώντας επαναληπτικούς υπολογισμούς για τον προσδιορισμό της ταχύτητας και της συχνότητας του ενεργού χρόνου κρούσης, στη συνέχεια συγκρίνοντας τα αποτελέσματα με τις μετρηθείσες τιμές. Κατά τη δεκαετία του 1980, οι Ιάπωνες ερευνητές Takauchi Yoshio, Tanimata Shu κ.ά. διεξήγαγαν μη γραμμική έρευνα για την απόδοση και τον σχεδιασμό υδραυλικών σπαστήρων βράχων, προτείνοντας αναλυτικά μοντέλα κατάλληλα για την αξιολόγηση της απόδοσης και τον σχεδιασμό υδραυλικών σπαστήρων βράχων, καθώς και τη θεωρία παραγωγής και τη μέθοδο ανάλυσης για το αναλυτικό μοντέλο. Το 1980, οι Li Dazhi και Chen Dingyuan του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας του Πεκίνου πρότειναν ένα μη γραμμικό μαθηματικό μοντέλο χρησιμοποιώντας την πίεση του συσσωρευτή ως εργασιακή πίεση και επέτυχαν σταθερές αριθμητικές λύσεις. Το 1983, ο He Qinghua του Κεντρικού Νότιου Πανεπιστημίου Βιομηχανικής Τεχνολογίας, στην εργασία του «Έρευνα Αριθμητικής Προσομοίωσης Υδραυλικού Σπαστήρα Βράχων», χρησιμοποίησε τη μέθοδο εναλλαγής κατάστασης για να δημιουργήσει ένα εκτενές μαθηματικό μοντέλο, πρότεινε τη «μέθοδο υπολογισμού προσεγγιστικής ομοιόμορφης επιτάχυνσης» (PUA), διόρθωσε τα σφάλματα στα σημεία μετάβασης κατάστασης και βελτίωσε την ακρίβεια της προσομοίωσης. Το 1987, ο καθηγητής Chen Xiaozhong και ο δάσκαλος Chen Dingyuan του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας του Πεκίνου κατασκεύασαν ένα μη γραμμικό μαθηματικό μοντέλο μηχανισμών κρούσης και έγραψαν προγράμματα προσομοίωσης σε BASIC, λαμβάνοντας δεδομένα προσομοίωσης που ήταν σχετικά συνεπή με τα μετρηθέντα αποτελέσματα. Κατά τη λειτουργία ενός υδραυλικού σπαστήρα βράχων, λόγω της υψηλής πίεσης, του σύντομου κύκλου κρούσης και της συχνής εναλλαγής της ροής λαδιού, υπάρχει μια συνεχώς μεταβαλλόμενη θάλαμος μεταβλητής πίεσης· ως εκ τούτου, όταν το υδραυλικό λάδι ρέει μέσω διαφόρων σχισμών, παράγεται μεγάλη ποσότητα θερμότητας, προκαλώντας τοπικές υψηλές θερμοκρασίες που επηρεάζουν την απόδοση της διάταξης κρούσης και την τοπική λίπανση· ωστόσο, η έρευνα σε αυτόν τον τομέα παραμένει ακόμη ανύπαρκτη.

Λόγω της πολυπλοκότητας της κίνησης των υδραυλικών σπαστήρων βράχων, δημιουργούνται επίσης μη γραμμικά μοντέλα με βάση ορισμένες υποθέσεις, οπότε δεν υπάρχει πραγματικά μεγάλη διαφορά μεταξύ γραμμικών και μη γραμμικών μοντέλων όσον αφορά την περιγραφή της ουσιαστικής φύσης των πραγμάτων — διαφέρουν μόνο οι μαθηματικές μέθοδοι επίλυσης των μοντέλων. Τα γραμμικά μοντέλα χρησιμοποιούν αναλυτικές λύσεις, ενώ τα μη γραμμικά μοντέλα πρέπει να επιλύονται με αριθμητικές μεθόδους μέσω υπολογιστών. Και τα δύο μπορούν να προσεγγίσουν μόνο τα μοτίβα κίνησης της συσκευής κρούσης, και για να επιτευχθούν πιο ακριβείς μέθοδοι περιγραφής, εξακολουθεί να απαιτείται η ανάπτυξη της υπολογιστικής δυναμικής ρευστών.

Πρέπει να τονιστεί ότι, με την εξέλιξη της τεχνολογίας των υδραυλικών σπαστήρων βράχων, και ειδικότερα με την εμφάνιση υδραυλικο-πνευματικών συνδυασμένων σπαστήρων και υδραυλικών σπαστήρων με έκρηξη αζώτου, το εργαζόμενο μέσο του υδραυλικού σπαστήρα βράχων δεν είναι πλέον μόνο λάδι, αλλά και αέριο· επιπλέον, η εισαγωγή αζώτου αυξάνει περαιτέρω τη δυσκολία και την πολυπλοκότητα της θεωρητικής έρευνας.

1.5.3 Έρευνα για τα Κύρια Εξαρτήματα Υδραυλικών Σπαστήρων Βράχων

(1) Έρευνα για το Έμβολο

Η σχεδίαση και η ποιότητα κατασκευής του επιδρώντος εμβόλου καθορίζουν σε μεγάλο βαθμό την απόδοση της επιδρώντος συσκευής. Κινέζοι ερευνητές έχουν διεξαγάγει σημαντική έρευνα σχετικά με αυτό. Ο καθηγητής Μενγκ Σουιμίν του Κολεγίου Υδροηλεκτρικής Μηχανικής Γκεζουμπά, βασιζόμενος στο γραμμικό μοντέλο, χρησιμοποίησε ανάλυση αδιάστατων μεγεθών για να πραγματοποιήσει προκαταρκτική διερεύνηση της επίδρασης της ταχύτητας αναπήδησης του εμβόλου στις λειτουργικές παραμέτρους του υδραυλικού σπαστήρα πετρωμάτων. Ο καθηγητής Λιου Ντεσούν του Μηχανικού Κολεγίου Σιανγκτάν, στο άρθρο «Υπολογισμός της ταχύτητας αναπήδησης του εμβόλου του τρυπανιού πετρωμάτων», εφάρμοσε τη θεωρία δυναμικής των κυμάτων και, με βάση την ανάλυση της αρχής λειτουργίας του τρυπανιού πετρωμάτων, πρότεινε τύπους για τον προσδιορισμό της κατάστασης αναπήδησης του εμβόλου και για τον υπολογισμό της ταχύτητας αναπήδησής του, καταλήγοντας στα ακόλουθα συμπεράσματα: ) Η κατάσταση αναπήδησης του εμβόλου και η ταχύτητα αναπήδησής του σχετίζονται με τις ιδιότητες του εμβόλου, του τρυπανιού και του πετρώματος, ενώ οι επιδράσεις τους δεν είναι ανεξάρτητες, αλλά αλληλοσυνδεδεμένες. ② Όσο μικρότερος είναι ο συντελεστής ακαμψίας απόφορτισης του πετρώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα αναπήδησης. Όσο μικρότερος είναι ο συντελεστής γ που χαρακτηρίζει τις ιδιότητες φόρτισης του τρυπανιού πετρωμάτων και του πετρώματος, τόσο μεγαλύτερη είναι η ταχύτητα αναπήδησης. ④ Για να επιτευχθεί σχετικά ιδανική απόδοση κατά τη διάτρηση πετρωμάτων, κατά το σχεδιασμό μιας επιδρώντος συσκευής, ο χαρακτηριστικός συντελεστής γ πρέπει να ελέγχεται στο εύρος 1 ≤ γ ≤ 2.

Η βιομηχανία έχει διαμορφώσει σταδιακά ορισμένες κατευθυντήριες γραμμές για τον σχεδιασμό εμβόλων:

1) Το έμβολο πρέπει να είναι επιμηκυμένο και να μειώνει τις περιττές αλλαγές διατομής, προκειμένου να βελτιωθεί η απόδοση της μετάδοσης ενέργειας και η διάρκεια ζωής του τσεκουριού.

2) Το εμβαδόν της επιφάνειας πλήγματος του εμβόλου πρέπει να είναι ίσο ή όσο το δυνατόν πλησιέστερο στο εμβαδόν της επιφάνειας του οπισθίου άκρου του τσεκουριού, ενώ πρέπει να υπάρχει και ορισμένο μήκος κωνικότητας, προκειμένου να βελτιωθεί η μετάδοση των κυμάτων πλήγματος.

3) Η πλήρης διαδρομή και η υπερβολική διαδρομή του εμβόλου δεν πρέπει να προκαλούν ζημιά στις σφραγιστικές δομές και στα δύο άκρα.

4) Οι διαστάσεις του υδραυλικού αμορτισέρ για λειτουργία χωρίς φορτίο (blank-firing) και τα μήκη σφράγισης κάθε τμήματος του εμβόλου πρέπει να έχουν σχεδιαστεί επακριβώς.

5) Απαιτείται η κατάλληλη επιλογή υλικού — το υλικό του εμβόλου πρέπει να παρουσιάζει υψηλές μηχανικές ιδιότητες, υψηλή σκληρότητα επιφάνειας, καλή τουγάδα του πυρήνα, καθώς και εξαιρετική αντοχή στην φθορά και στην κρούση.

6) Η ενωτική χάραξη μεταξύ εμβόλου και κυλίνδρου πρέπει να καθορίζεται λογικά, λαμβάνοντας υπόψη ενιαία τις απώλειες διαρροής και την ακρίβεια κατεργασίας. Γενικά, η ενωτική χάραξη μεταξύ εμβόλου και κυλίνδρου είναι 0,04 έως 0,06 mm, ενώ η ενωτική χάραξη μεταξύ εμβόλου και υποστηρικτικού μανδύα είναι 0,03 έως 0,05 mm.

(2) Έρευνα για τη βαλβίδα διανομής

Σήμερα, η μεγάλη πλειοψηφία των υδραυλικών σφυριών για βράχους χρησιμοποιεί συστήματα εμβόλων με έλεγχο βαλβίδας με ανάδραση θέσης και επιτυγχάνει υψηλής ταχύτητας εναλλασσόμενη κίνηση του εμβόλου με την αλλαγή του μοτίβου παροχής λαδιού σε ορισμένη θάλαμο της συσκευής κρούσης. Παρόλο που αυτή η μορφή ελέγχου είναι σχετικά απλή, η διαδικασία μετάβασής της είναι σχετικά περίπλοκη. Κατά τη διαδικασία εναλλαγής της βαλβίδας, ο χρόνος, η ταχύτητα, η διαδρομή, η κατανάλωση λαδιού και άλλες παράμετροι αλλάζουν σε στάδια, γεγονός που μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την απόδοση της συσκευής κρούσης. Για τον λόγο αυτό, οι Liu Wanling κ.ά. του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας του Πεκίνου, μέσω θεωρητικής και πειραματικής μελέτης, διεξήγαγαν ειδική έρευνα για τα χαρακτηριστικά των βαλβίδων ελέγχου στα υδραυλικά συστήματα κρούσης, αποκτώντας την πραγματική τροχιά κίνησης της μελετώμενης βαλβίδας της συσκευής κρούσης, αποκαλύπτοντας τους νόμους που διέπουν την κίνηση της κατευθυντικής βαλβίδας και καθορίζοντας τις κύριες παραμέτρους της βαλβίδας ελέγχου που επηρεάζουν την απόδοση της συσκευής κρούσης. Οι Qi Renjun κ.ά. του Πανεπιστημίου Κεντρικής Νότιας Κίνας διεξήγαγαν θεωρητική ανάλυση της διαδικασίας ελέγχου της βαλβίδας, βελτιστοποίηση της δομής και των παραμέτρων της βαλβίδας και έλαβαν ορισμένα χρήσιμα συμπεράσματα σχετικά με τους νόμους που διέπουν το φαινόμενο· στόχευαν στα δυνητικά φαινόμενα κορεσμού ταχύτητας και καβιτάσιον κατά την υψηλής ταχύτητας κίνηση της κατευθυντικής βαλβίδας και πρότειναν αποτελεσματικές λύσεις, όπως η μείωση της μάζας και της διαδρομής του εμβόλου της βαλβίδας, ενώ ταυτόχρονα αυξάνεται κατάλληλα η διάμετρος του διαύλου λαδιού. Οι Liu Wanling και Gao Lanqing του Κολεγίου Σιδήρου και Χάλυβα του Πεκίνου, στην εργασία τους «Ανάλυση Δυναμικών Χαρακτηριστικών της Κατευθυντικής Βαλβίδας Υδραυλικού Σφυριού Για Βράχους — Προσομοίωση και Πειραματική Έρευνα», χρησιμοποιώντας προγραμματισμό σε BASIC, εξερεύνησαν τον τρόπο βελτίωσης των δυναμικών χαρακτηριστικών της βαλβίδας και κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι, καθώς αυξάνεται η ανοιγμένη θέση μηδενικής επικάλυψης, η πίεση στον οπίσθιο θάλαμο μειώνεται γρήγορα, το έργο κρούσης αυξάνεται, η συχνότητα κρούσης μειώνεται ελαφρώς και η απόδοση της συσκευής κρούσης βελτιώνεται· όταν η ανοιγμένη θέση μηδενικής επικάλυψης είναι υπερβολικά μεγάλη, λόγω της μείωσης του μήκους σφράγισης στον ώμο της βαλβίδας, η λειτουργία της βαλβίδας γίνεται αναξιόπιστη.

(3) Έρευνα σχετικά με τους συσσωρευτές

Ο συσσωρευτής είναι ένα σημαντικό στοιχείο του υδραυλικού σπαστήρα βράχων, και η δομή του επηρεάζει απευθείας τη συνολική απόδοση της μηχανής. Ως εκ τούτου, κατά την έρευνα για την απόδοση του υδραυλικού σπαστήρα βράχων, πραγματοποιήθηκε επίσης έρευνα και για τους συσσωρευτές. Το 1990, οι Ιάπωνες ερευνητές Takauchi Yoshio, Tanimata Shu κ.ά. διεξήγαγαν πειραματική και θεωρητική έρευνα και, βασιζόμενοι στο αναλυτικό μοντέλο που κατασκεύασαν, χρησιμοποίησαν την εξίσωση κατάστασης για να εξαγάγουν τον υπολογιστικό τύπο του όγκου φόρτισης αζώτου του συσσωρευτή, επιβεβαιώνοντας πειραματικά την ορθότητα του τύπου και παρέχοντας έτσι μια θεωρητική βάση για τον σχεδιασμό του βέλτιστου συσσωρευτή. Το 1986, ο Duan Xiaohong του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας του Πεκίνου, χρησιμοποιώντας τη μέθοδο συγκεντρωμένων παραμέτρων, κατασκεύασε ένα δυναμικό μοντέλο υψηλής πίεσης μεμβρανικών συσσωρευτών και ανέλυσε, με πειραματικές και υπολογιστικές μεθόδους, τα συχνοτικά χαρακτηριστικά του συστήματος συσσωρευτή, συζητώντας τη βέλτιστη σύζευξη μεταξύ συσσωρευτή και υδραυλικού σπαστήρα βράχων· επισήμανε επίσης ότι η βέλτιστη λειτουργική ζώνη της συσκευής κρούσης είναι εκείνη όπου επικρατεί η ενεργειακή απόκριση δεύτερης αρμονικής του συσσωρευτή στις μεταβολές της πίεσης του συστήματος. Το 1986, ο καθηγητής He Qinghua του Κεντρικού Νοτίου Πανεπιστημίου δημοσίευσε το άρθρο «Επιστροφή Λαδιού και Συσσωρευτής Επιστροφής Λαδιού στους Υδραυλικούς Μηχανισμούς Κρούσης», υπογραμμίζοντας ότι η λειτουργική υδραυλική πίεση του υδραυλικού σπαστήρα βράχων εξαρτάται κυρίως από τη δύναμη αδράνειας των κινούμενων εξαρτημάτων του ίδιου· αυτό αποτελεί μια σημαντική χαρακτηριστική ιδιότητα του υδραυλικού σπαστήρα βράχων, η οποία τον διαφοροποιεί από τις συνηθισμένες υδραυλικές μηχανές, όπου η λειτουργική υδραυλική πίεση εξαρτάται κυρίως από το εξωτερικό φορτίο. Η πίεση επιστροφής είναι κυρίως η υδραυλική πίεση αδράνειας που δημιουργείται όταν το λάδι επιταχύνεται κατά την εκκένωσή του από εμβόλους ή βαλβίδες στον αγωγό επιστροφής λαδιού· επισημαίνεται επίσης ότι, επειδή η παροχή της συσκευής κρούσης διαφέρει από το μοτίβο μεταβολής της παροχής λαδιού στον αγωγό επιστροφής, θα προκύψει φαινόμενο καβίτησης όταν η παροχή που εισέρχεται στον αγωγό επιστροφής είναι μικρότερη από την παροχή που κινείται μέσα στον ίδιο αγωγό. Για τη μείωση της πίεσης επιστροφής λόγω αδράνειας και την εξάλειψη της καβίτησης επιστροφής, προτείνεται η εγκατάσταση συσσωρευτή επιστροφής στον υδραυλικό σπαστήρα βράχων, από την οποία προκύπτει και μια μέθοδος σχεδιασμού των παραμέτρων του συσσωρευτή επιστροφής. Τα τελευταία χρόνια, το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας του Πεκίνου διεξήγαγε έρευνα για τα δυναμικά χαρακτηριστικά σύζευξης των συσσωρευτών υδραυλικού σπαστήρα βράχων, ανέπτυξε το πακέτο λογισμικού προσομοίωσης HRDP και επέτυχε αποτελέσματα σε επαληθευτικούς υπολογισμούς για τα βέλτιστα δυναμικά χαρακτηριστικά σύζευξης του συσσωρευτή.

(4) Έρευνα για συσκευές πρόληψης εκπυρσοκρότησης χωρίς φορτίο και απορροφητήρες ενέργειας ανάκρουσης της σκαλπελόφρεζας

Επειδή κατά τη λειτουργία του υδραυλικού σπαστήρα βράχων προκύπτουν αναπόφευκτα φαινόμενα αναπήδησης της μύτης και εκπυρσοκρότησης χωρίς φορτίο, η απόδοση του απορροφητή ενέργειας αναπήδησης της μύτης και της συσκευής πρόληψης εκπυρσοκρότησης χωρίς φορτίο επηρεάζει σημαντικά τη διάρκεια ζωής του υδραυλικού σπαστήρα βράχων. Ο καθηγητής Μενγκ Σουϊμίν, στο άρθρο «Ανάλυση της ταχύτητας αναπήδησης του εμβόλου του διατρητικού βράχων», ανέλυσε συστηματικά τους παράγοντες που προκαλούν την αναπήδηση του οπισθίου τμήματος της μύτης και εξερεύνησε μεθόδους απορρόφησης της ενέργειας αναπήδησης της μύτης. Ο Λιάο Γιντέ του Πανεπιστημίου Κεντρικής Νότιας Κίνας, στο άρθρο «Θεωρητική και πειραματική έρευνα για τις υδραυλικές συσκευές απόσβεσης εκπυρσοκρότησης χωρίς φορτίο σε διατρητικά βράχων», κατασκεύασε ένα μαθηματικό μοντέλο της διαδικασίας απόσβεσης εκπυρσοκρότησης χωρίς φορτίο και πραγματοποίησε προσομοιώσεις. Ο Δρ. Λιάο Τζιανιόνγκ, στο άρθρο «Θεωρία σχεδιασμού και σχεδιασμός με υποστήριξη υπολογιστή για πολυβάθμια υδραυλικά διατρητικά βράχων», πραγματοποίησε προσομοιώσεις σε υπολογιστή και βελτιστοποιημένο σχεδιασμό συσκευών απορροφητή ενέργειας αναπήδησης μύτης και συσκευών πρόληψης εκπυρσοκρότησης χωρίς φορτίο. Ο Λιού Ντεσούν του Πανεπιστημίου Κεντρικής Νότιας Κίνας, στη διδακτορική του διατριβή «Έρευνα δυναμικής κυμάτων σε μηχανισμούς κρούσης», εφάρμοσε τη θεωρία δυναμικής κυμάτων, εξήγαγε τύπους υπολογισμού της ταχύτητας αναπήδησης για κάθε τμήμα του μηχανισμού κρούσης και υπογράμμισε ότι η ενέργεια αναπήδησης μπορεί να αξιοποιηθεί μέσω εύστοχου σχεδιασμού κάθε τμήματος του μηχανισμού κρούσης. Το Ινστιτούτο Έρευνας Υδραυλικών Μηχανημάτων Μηχανικής του Πανεπιστημίου Κεντρικής Νότιας Κίνας ανέπτυξε μια διβάθμια συσκευή απόσβεσης εκπυρσοκρότησης χωρίς φορτίο, η οποία αξιοποιεί πλήρως τη δυνατότητα του απορροφητή ενέργειας αναπήδησης της μύτης — μια δημιουργική επιστημονική επίτευξη.

1.5.4 Έρευνα για την Τεχνολογία Ρύθμισης Συχνότητας, Ρύθμισης Ενέργειας και Ελέγχου Υδραυλικών Σπαστήρων Βράχων

Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας των υδραυλικών σπαστήρων βράχων, η επιτόπια κατασκευή έχει θέσει νέες απαιτήσεις σε αυτούς. Για να βελτιωθεί αποτελεσματικά η παραγωγικότητα, απαιτείται η ενέργεια και η συχνότητα των κρούσεων του υδραυλικού σπαστήρα βράχων να μπορούν να προσαρμόζονται σύμφωνα με τις μεταβολές των ιδιοτήτων του βράχου. Δηλαδή, υπό την προϋπόθεση μεγιστοποίησης της αξιοποίησης της ονομαστικής ισχύος του μηχανήματος φορέα, όταν ο βράχος είναι σκληρότερος, ο υδραυλικός σπαστήρας βράχων παρέχει μεγαλύτερη ενέργεια κρούσης και χαμηλότερη συχνότητα κρούσης· αντιστρόφως, παρέχει μικρότερη ενέργεια κρούσης και υψηλότερη συχνότητα κρούσης, επιτυγχάνοντας έτσι υψηλότερη παραγωγικότητα. Για την επίτευξη των παραπάνω στόχων, έχουν διεξαχθεί εκτενείς έρευνες τόσο εγχώρια όσο και διεθνώς.

Από τη θεωρητική έρευνα σχετικά με τους υδραυλικούς σπαστήρες πετρωμάτων, η έξοδός τους (ενέργεια κρούσης και συχνότητα) μπορεί κυρίως να ρυθμιστεί με τρεις μεθόδους: ) ρύθμιση της παροχής· ②) ρύθμιση του διαδρόμου· ③) ρύθμιση της πίεσης ανάδρασης. Σήμερα, η μεγάλη πλειοψηφία των εγχώριων και ξένων υδραυλικών σπαστήρων πετρωμάτων διαθέτει μόνο έναν σταθερό διάδρομο — δηλαδή η έξοδός τους δεν είναι ρυθμιζόμενη. Φυσικά, εάν τέτοιοι υδραυλικοί σπαστήρες πετρωμάτων χρησιμοποιούν τη μέθοδο ρύθμισης της παροχής για τη ρύθμιση της εξόδου, παρόλο που είναι θεωρητικά εφικτό, στην πράξη δεν είναι εφαρμόσιμο. Διότι οι αλλαγές στην παροχή προκαλούν συγχρόνως αλλαγές στις παραμέτρους εξόδου τους, οπότε δεν επιτυγχάνεται ανεξάρτητη ρύθμιση.

Παρόλο που ορισμένοι εγχώριοι και ξένοι κατασκευαστές έχουν σχεδιάσει και κατασκευάσει υδραυλικά σπαστήρια βράχων με ρυθμιζόμενο διάστημα κίνησης, λόγω της σκληρής δομής τους και της βηματικής ρύθμισης, είναι εξαιρετικά αβολα στη χρήση και δίνουν κακά αποτελέσματα, γεγονός που οδηγεί στην απόρριψή τους από τους χρήστες. Για την κατανομή της ανάδρασης του διαστήματος επιστροφής, οι εξερχόμενες λειτουργικές παράμετροι ρυθμίζονται κυρίως με την αλλαγή της ροής εισόδου του συστήματος ή με την προσθήκη πολλαπλών οπών σήματος ανάδρασης για το διάστημα επιστροφής, και μέσω του ελέγχου της ενεργοποίησης/απενεργοποίησης κάθε οπής σήματος προκειμένου να ρυθμιστεί το διάστημα κίνησης του εμβόλου, με αποτέλεσμα να αλλάζει η ενέργεια κρούσης και η συχνότητα κρούσης του υδραυλικού σπαστήρα βράχων. Για παράδειγμα, το τριτάχυτο υδραυλικό σπαστήριο βράχων Atlas-Copco που παράγεται στη Σουηδία. Η σειρά YYG αυτόματων υδραυλικών σπαστήρων βράχων με αλλαγή ταχυτήτων του Πανεπιστημίου Κεντρικής Νότιας Κίνας — περιορισμένη από τη δομή της, αυτή η αρχή μπορεί να επιτύχει μόνο βηματική ρύθμιση των λειτουργικών παραμέτρων του υδραυλικού σπαστήρα βράχων, και εφόσον η πίεση και η ροή του συστήματος κρούσης είναι ανάλογες με το τετράγωνο της κάθε μίας, η ταυτόχρονη αύξηση της ενέργειας κρούσης και της συχνότητας κρούσης θα προκαλέσει πολύ μεγάλες μεταβολές στην ισχύ της μηχανής φορέα, περιορίζοντας έτσι τη δυνατότητα επέκτασης του εύρους λειτουργίας και της αποδοτικότητας του υδραυλικού σπαστήρα βράχων. Ο καθηγητής Takashi Takahashi του Πανεπιστημίου Akita της Ιαπωνίας, σε μία επιστημονική εργασία, περιέγραψε τη ρύθμιση της θέσης της οπής σήματος επιστροφής για την επίτευξη του στόχου αλλαγής του διαστήματος κίνησης του εμβόλου του υδραυλικού σπαστήρα βράχων. Πειραματικές δοκιμές απέδειξαν ότι, όταν το διάστημα κίνησης του εμβόλου αυξηθεί κατά 10%, παρόλο που η συχνότητα κρούσης μειώνεται κατά 8%, η ενέργεια κρούσης μπορεί να αυξηθεί κατά 12%, γεγονός που βελτίωσε την αποδοτικότητα λειτουργίας και παρείχε θεωρητική και πειραματική τεκμηρίωση για το σχεδιασμό υδραυλικών σπαστήρων βράχων με ρυθμιζόμενο διάστημα κίνησης. Ο κ. Ηε Τσινγχουα του Πανεπιστημίου Κεντρικής Νότιας Κίνας, στην εργασία «Έρευνα για Υδραυλικές Μηχανές Κρούσης με Ρυθμιζόμενο Διάστημα Κίνησης», σύγκρινε διάφορες μεθόδους αλλαγής ταχυτήτων και ανέλυσε θεωρητικά τις σχέσεις μεταξύ των διαφόρων λειτουργικών παραμέτρων των υδραυλικών συσκευών κρούσης με ρυθμιζόμενο διάστημα κίνησης και των διαστημάτων αλλαγής ταχυτήτων· τα αποτελέσματα έχουν σαφή καθοδηγητική σημασία για τον σχεδιασμό και τη χρήση υδραυλικών σπαστήρων βράχων με αλλαγή ταχυτήτων. Αυτό το βιβλίο προτείνει την έννοια της ανεξάρτητης και ασυνεχούς (αδιάκοπης) ρύθμισης των λειτουργικών παραμέτρων με βάση την αρχή της ανάδρασης πίεσης και έχει καθιερώσει αυτό το νέο προϊόν υδραυλικού σπαστήρα βράχων. Ρυθμίζει κυρίως την ενέργεια μίας μόνο κρούσης της συσκευής κρούσης ελέγχοντας το μέγεθος της πίεσης επιστροφής του εμβόλου· ταυτόχρονα, ελέγχοντας τη ροή της μεταβλητής αντλίας, ρυθμίζει ασυνεχώς τη συχνότητα της συσκευής κρούσης, ώστε η ενέργεια κρούσης και η συχνότητα κρούσης να μπορούν να ρυθμίζονται ανεξάρτητα και ασυνεχώς σε σχετικά ευρύ εύρος, ενώ η μεταβολή της ισχύος της μηχανής φορέα παραμένει μικρή. Σχετικά με τη θεωρητική έρευνα, τον σχεδιασμό της δομής και τις μεθόδους ελέγχου για αυτόν τον νέο τύπο υδραυλικής συσκευής κρούσης, οι συγγραφείς έχουν διεξαγάγει έρευνα σε υδραυλικές συσκευές κρούσης με ανεξάρτητη ασυνεχή ρύθμιση της ενέργειας και της συχνότητας κρούσης. Ο Δρ. Ζάο Χονγκκιάνγκ, στη διδακτορική του διατριβή «Έρευνα για Νέο Τύπο Υδραυλικού Σπαστήρα Βράχων με Ανεξάρτητη Ασυνεχή Ρύθμιση Ελέγχου», ξεπέρασε την παραδοσιακή μέθοδο ελέγχου ανάδρασης διαστήματος κρούσης των υδραυλικών σπαστήρων βράχων, υιοθετώντας μεθόδους ελέγχου ανάδρασης πίεσης και ελέγχου ροής μεταβλητής αντλίας, και κατόρθωσε έτσι τον ανεξάρτητο ασυνεχή έλεγχο ρύθμισης της ενέργειας και της συχνότητας κρούσης του υδραυλικού σπαστήρα βράχων. Ο Ντιν Γουένσι, στη διδακτορική του διατριβή, χρησιμοποιώντας την πίεση αζώτου στο πίσω μέρος του σπαστήρα ως μεταβλητή ελέγχου, πραγματοποίησε εκτενή έρευνα σε σπαστήρες τύπου εξαναγκασμένης κατανομής που ελέγχονται από βαλβίδες υψηλής ταχύτητας εναλλαγής, επιτυγχάνοντας ανεξάρτητη ρύθμιση συχνότητας και ενέργειας των σπαστήρων. Ο Τσανγκ Σιν, στην εργασία «Έρευνα για Νέο Τύπο Υδραυλικής Συσκευής Κρούσης με Ανάδραση Πίεσης και Ολοκληρωμένη Μηχανο-Ηλεκτρονική Λειτουργία», χρησιμοποίησε βαλβίδες υψηλής ταχύτητας εναλλαγής που ελέγχονται από μικροεπεξεργαστή ενός chip, προκειμένου να επιτύχει μικροϋπολογιστικό έλεγχο της συσκευής κρούσης. Ο Γιανγκ Γκουοπινγκ, στη διδακτορική του διατριβή «Έρευνα για Καθαρά Υδραυλική Ανεξάρτητη Ασυνεχή Συσκευή Κρούσης με Ρύθμιση Συχνότητας και Ενέργειας», πρότεινε μια έξυπνη συσκευή κρούσης με καθαρά υδραυλικό σχήμα ελέγχου που μπορεί να επιτύχει ασυνεχή ρύθμιση της ενέργειας και της συχνότητας κρούσης του υδραυλικού σπαστήρα βράχων μέσω ενός βαλβίδας κατανομής τύπου pilot.

1.5.5 Τρέχουσα κατάσταση της έρευνας στην τεχνολογία προσομοίωσης υδραυλικών σπαστήρων βράχων

Από την οπτική του σχεδιασμού και της ανάπτυξης προϊόντων, η έρευνα των δυναμικών χαρακτηριστικών των μηχανισμών είναι καλύτερο να πραγματοποιείται κατά το στάδιο ανάπτυξης και σχεδιασμού του προϊόντος. Η προσομοίωση της δυναμικής απόκρισης υδραυλικών συστημάτων ελέγχου έχει πάντα αποτελέσει έναν τομέα που μελετάται συνεχώς από την υδραυλική βιομηχανία και αποτελεί επίσης ένα συνηθισμένο μέσο για τη μελέτη των δυναμικών χαρακτηριστικών απόκρισης των συστημάτων ελέγχου.

Η ειδική μέθοδος λειτουργίας του υδραυλικού σπαστήρα βράχων καθορίζει ότι η δυναμική προσομοίωση και οι δοκιμές πρέπει να αποτελούν τη βασική προϋπόθεση για τον θεωρητικό σχεδιασμό και την ανάπτυξη του μηχανισμού. Μετά την εμφάνιση των υπολογιστών, καταργήθηκε το εμπόδιο που προέκυπτε από την αποκλειστική εξάρτηση από τις δοκιμές προϊόντων για την απόκτηση ακριβών ή αξιόπιστων αποτελεσμάτων σχετικά με την απόδοση κίνησης του μηχανισμού. Οι ερευνητές άρχισαν να χρησιμοποιούν διάφορες μεθόδους για τη δημιουργία μαθηματικών μοντέλων που περιγράφουν την υδραυλική ταλάντωση και την κίνηση των μηχανημάτων κρούσης, να αναλύουν τις διαδικασίες μεταβολής των παραμέτρων των υδραυλικών σπαστήρων βράχων μέσω της τεχνολογίας προσομοίωσης και να χρησιμοποιούν την τεχνολογία εικονικού πρωτοτύπου για την προσομοίωση των διαδικασιών κίνησης των μηχανημάτων κρούσης. Αφού καθοριστούν τα αποτελέσματα του σχεδιασμού, η κίνηση του μηχανισμού μπορεί να κατανοηθεί σαφώς και να υπολογιστούν οι σχετικές παράμετροι απόδοσης, προσφέροντας μια καλή προσέγγιση για τη σύντομη διάρκεια των κύκλων ανάπτυξης νέων προϊόντων, τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού και τη διεξαγωγή δυναμικής ανάλυσης απόδοσης.

Στις δεκαετίες του 1960 και του 1970, ξένοι ερευνητές άρχισαν να χρησιμοποιούν ψηφιακούς υπολογιστές για την προσομοίωση επιδράσεων σε μηχανήματα. Σε αυτές τις εργασίες, η μεταβλητή που λαμβανόταν υπόψη ήταν η πίεση στις πρόσθιες και οπίσθιες θαλάμους, υπολογίζονταν η ροή υγρού προς και από κάθε υδραυλική θύρα και εφαρμόζονταν διορθώσεις με συντελεστές ροής· στη συνέχεια, με τη χρήση της εξίσωσης κατάστασης των αερίων και της εξίσωσης ισορροπίας ενέργειας, καθιερώνονταν μικροδιαφορικές εξισώσεις που περιέγραφαν τις μεταβολές της κατάστασης του αποθηκευτήρα και του εμβόλου· μετά από ορισμένες προσεγγιστικές μεθόδους για την κίνηση της βαλβίδας, εφαρμόζονταν πεπερασμένες διαφορές για την αριθμητική επίλυση. Τα αποτελέσματα της προσομοίωσης, και ιδιαίτερα οι παράμετροι απόδοσης, ήταν πολύ κοντά στις μετρηθείσες τιμές, επιτυγχάνοντας ικανοποιητικά αποτελέσματα. Στην Ιαπωνία, οι ερευνητές επέδειξαν μεγαλύτερη έμφαση στην ανάπτυξη υπολογιστικών μοντέλων για συγκεκριμένα υδραυλικά μηχανήματα σπασίματος πετρωμάτων, ενσωματώνοντας παραμέτρους που προέκυψαν από πειραματικές δοκιμές στην προσομοίωση, προκειμένου να πραγματοποιηθεί βελτιστοποίηση των δομικών παραμέτρων, των παραμέτρων κρούσης και της απόδοσης των υδραυλικών μηχανημάτων σπασίματος πετρωμάτων, επιτυγχάνοντας έτσι τη βέλτιστη επιφάνεια της θύρας επιστροφής λαδιού, το βέλτιστο όγκο φόρτισης του αποθηκευτήρα και τη βέλτιστη επιφάνεια αντοχής πίεσης του οπίσθιου θαλάμου του αντίστοιχου υδραυλικού μηχανήματος σπασίματος πετρωμάτων. Κατά τη διεξαγωγή της προσομοίωσης, οι ιαπωνικοί ερευνητές επέδειξαν μεγαλύτερη προσοχή στη σύγκριση των αποτελεσμάτων προσομοίωσης με τα αποτελέσματα πειραματικών δοκιμών και διόρθωναν τα υπολογιστικά μοντέλα βάσει των πειραματικών δεδομένων. Η εταιρεία Sandvik, λαμβάνοντας υπόψη την επίδραση του σχήματος του εμβόλου κρούσης στον τρόπο μετάδοσης της ενέργειας, σχεδίασε και ανέπτυξε επίσης ένα πρόγραμμα υπολογιστικής προσομοίωσης σε αυτόν τον τομέα. Με τη χρήση αυτού του προγράμματος: ① μπορεί να προσομοιωθεί η διαδικασία μετάδοσης ενέργειας σε κάθε τμήμα της κρούσης· ② μπορούν να προσομοιωθούν διαφορετικοί σχεδιασμοί κάθε συστατικού του συστήματος· ③ υπό διαφορετικές συνθήκες κρούσης σε διαφορετικά αντικείμενα, μπορεί να προσομοιωθεί η επίδραση διαφόρων σχεδιασμών στη μετάδοση ενέργειας. Το υπολογιστικό πρόγραμμα της Sandvik δεν εξασφαλίζει μόνο την κατασκευή των βέλτιστων προϊόντων, αλλά μπορεί επίσης να μετρά και να κατανοεί την ικανότητα όλων των παραμέτρων να επηρεάζουν το σύστημα κρούσης και την επίδραση των αλλαγών σε ορισμένες παραμέτρους στην απόδοση, παρέχοντάς το ως ένα πρακτικό και αποτελεσματικό εργαλείο υπολογισμού στους χρήστες.

Μετά τη δεκαετία του 1980, άρχισε επίσης η εγχώρια έρευνα σχετικά με την τεχνολογία και τις εφαρμογές προσομοίωσης. Κινέζοι ερευνητές όπως οι Tian Shujun, Chen Yufan και άλλοι κατασκεύασαν μαθηματικά μοντέλα χρησιμοποιώντας αντίστοιχες μεθόδους. Οι Tian Shujun κ.ά. εφάρμοσαν το «power bond graph» — μια προηγμένη τεχνολογία δυναμικής μοντελοποίησης — σε συνδυασμό με μεθόδους ανάλυσης στο χώρο κατάστασης (state-space), και πραγματοποίησαν κυρίως έρευνα για λογισμικό δυναμικής προσομοίωσης υδραυλικών σφυριών ελεγχόμενων με ολισθαίνοντα βαλβίδιο. Η έρευνα αυτή εξερεύνησε τη δυναμική προσομοίωση, τη μοντελοποίηση και τον προγραμματισμό υδραυλικών σφυριών, παρέχοντας μια μεθοδολογία και προσέγγιση για πολλούς μεταγενέστερους προγραμματιστές προσομοίωσης, όπως ο Καθηγητής Zhou Zhihong του Πανεπιστημίου Επιστήμης και Τεχνολογίας του Πεκίνου, ο οποίος καθοδήγησε φοιτητές όπως ο Yan Yong κ.ά. στη χρήση των «power bond graphs» για την κατάρτιση δυναμικών εξισώσεων για διάφορους τύπους εμβόλων, κατευθυντικών βαλβίδων και κάθε υδραυλικής εξίσωσης ροής, καθώς και για τις εξισώσεις κατάστασης των αερίων· στη συνέχεια, συνέταξαν προγράμματα προσομοίωσης σε γλώσσα προγραμματισμού υπολογιστή για την ανάλυση των κύριων διαδικασιών μεταβολής της κατάστασης, όπως η πίεση στις εμπρόσθιες και οπίσθιες θαλάμους, η ροή, η μετατόπιση και η ταχύτητα του εμβόλου του υδραυλικού σφυριού, παρέχοντας μια πλατφόρμα για περαιτέρω έρευνα σχετικά με την επίδραση των μεταβολών των παραμέτρων του υδραυλικού σφυριού στην απόδοσή του. Με την ταχύτατη ανάπτυξη των υπολογιστών και της τεχνολογίας λογισμικού, τα προγράμματα Matlab και AMEsim έχουν εφαρμοστεί στη μοντελοποίηση και προσομοίωση των συστημάτων υδραυλικών σφυριών, παρέχοντας θεωρητική υποστήριξη για τη σύντομη διαδικασία έρευνας και ανάπτυξης και τη βελτίωση της ποιότητας σχεδιασμού νέων μοντέλων.

1.5.6 Πειραματικές Μέθοδοι Έρευνας

Το πείραμα είναι το βασικό μέσο με το οποίο οι άνθρωποι αναγνωρίζουν τη φύση και μετασχηματίζουν τον αντικειμενικό κόσμο — συνοψίζοντας και αφηρημένοντας τα φαινόμενα που παρατηρούνται και τα δεδομένα που μετρώνται μέσω πειράματος, ανακαλύπτοντας εσωτερικές συνδέσεις και μοτίβα, και διαμορφώνοντας θεωρία. Το πείραμα είναι η πηγή της θεωρίας· το πείραμα είναι ο μοναδικός κριτής για την επαλήθευση της θεωρίας.

Οι παράμετροι επιδόσεων του υδραυλικού σπαστήρα βράχων όσον αφορά την κρούση αποτελούν ένα σημαντικό δείκτη για την αξιολόγηση του σχεδιασμού, του επιπέδου κατασκευής και της ποιότητάς του. Οι κύριες παράμετροι μπορούν όλες να μετρηθούν με πειραματικές μεθόδους, ενώ τα αποτελέσματα εκφράζονται με τη μορφή αριθμητικών δεδομένων, καμπυλών ή διαγραμμάτων. Η επαλήθευση των επιδόσεων αφορά κυρίως τη μέτρηση της ενέργειας κρούσης, της συχνότητας κρούσης, της πίεσης του συστήματος και της παροχής. Οι μέθοδοι μέτρησης αυτών των παραμέτρων δεν έχουν επί του παρόντος ενιαίο διεθνές πειραματικό πρότυπο. Οι μέθοδοι δοκιμής των επιδόσεων κρούσης των υδραυλικών σπαστήρων βράχων που χρησιμοποιούνται σήμερα ευρέως είναι: η μέθοδος του κύματος τάσης, η φωτοηλεκτρική μέθοδος διαφορικής μετατόπισης, η μέθοδος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, η επαφής, η υψηλής ταχύτητας φωτογράφιση, η μέθοδος του διαγράμματος ενδείκτη και η μέθοδος της ενέργειας, κ.λπ.

Η μέθοδος του κύματος τάσης είναι μια μέθοδος μέτρησης της ενέργειας κρούσης με βάση τη μέτρηση του κύματος τάσης που δημιουργείται στο δράπανο όταν το εμβολοειδές κρούσης πλήττει το δράπανο. Η φωτοηλεκτρική μέθοδος χρησιμοποιεί την αρχή της φωτοηλεκτρικής μετατροπής· μέσω ενός φωτοηλεκτρικού αισθητήρα, λαμβάνεται η θέση του εμβολοειδούς κρούσης ως άμεση μέτρηση για την εξαγωγή της μετατόπισης κίνησης του εμβόλου, και στη συνέχεια υπολογίζονται περαιτέρω οι διάφορες παράμετροι απόδοσης της συσκευής κρούσης. Η φωτοηλεκτρική μέθοδος, ως μη επαφόμενη μέθοδος δοκιμής, είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για μηχανήματα κρούσης όπως οι υδραυλικοί σπαστήρες πετρώματος, τα οποία διαθέτουν μεγάλο διαδρομή εμβόλου, μεγάλη διάμετρο και υψηλή ταχύτητα. Η μέθοδος της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής χρησιμοποιεί το σύστημα αισθητήρων ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής, το οποίο αποτελείται από μια μαγνητική ράβδο εγκατεστημένη στο εμβολοειδές κρούσης και από μια ελικοειδή πηνίο εγκατεστημένο στο περίβλημα· χρησιμοποιεί την επαγόμενη ηλεκτροκινητική δύναμη που δημιουργείται όταν το πηνίο «κόβει» τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου καθώς η μαγνητική ράβδος κινείται εναλλάξ με το έμβολο, και εξάγει την ταχύτητα κίνησης του εμβόλου βάσει της καλιβραρισμένης σχέσης μεταξύ ηλεκτροκινητικής δύναμης και ταχύτητας κρούσης, από την οποία υπολογίζεται στη συνέχεια η ενέργεια κρούσης του εμβόλου.

Η μέθοδος επαφής είναι μια μέθοδος υπολογισμού της ενέργειας κρούσης με χρήση της τελικής ταχύτητας του εμβόλου κατά την κρούση του με το αντικείμενο που πλήττεται. Στις δοκιμές απόδοσης σπαστήρων βράχων, οι παραπάνω 4 μέθοδοι είναι σχετικά συνηθισμένες· άλλες μέθοδοι, είτε λόγω της περίπλοκης λειτουργίας και του υψηλού κόστους, είτε λόγω της ανεπαρκούς αντικατοπτρισμού της κατάστασης κίνησης του εμβόλου, σπάνια χρησιμοποιούνται στην πράξη.

Πρέπει να τονιστεί ότι η παραπάνω μέθοδος κυματικής τάσης είναι κατάλληλη μόνο για τον έλεγχο συσκευών κρούσης με σχετικά μικρή ενέργεια κρούσης, όπως οι υδραυλικοί διατρύτες βράχων και τα πνευματικά εργαλεία, ενώ αντιμετωπίζει σημαντικές δυσκολίες κατά τον έλεγχο συσκευών με μεγάλη ενέργεια κρούσης, όπως οι υδραυλικοί σπαστήρες βράχων. Η δυνατότητα δοκιμής των εξειδικευμένων ερευνητικών μονάδων που μελετούν τα κύματα τάσης είναι γενικά περιορισμένη και δεν επαρκεί για τη δοκιμή μεγάλων υδραυλικών σπαστήρων βράχων· επιπλέον, ο θόρυβος και η δόνηση που προκαλούνται κατά την εσωτερική δοκιμή δεν είναι αποδεκτά. Όσον αφορά τη μέθοδο επαφής, παρά την απλότητα εγκατάστασής της, τα αποτελέσματά της δεν είναι επαρκώς ακριβή και δεν μπορεί να εφαρμοστεί ευρέως. Μόνο η μέθοδος ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής για τον έλεγχο υδραυλικών σπαστήρων βράχων θεωρείται εξαντλητική από κάθε άποψη: μπορεί να χρησιμοποιηθεί τόσο για υδραυλικούς διατρύτες βράχων με μικρή ενέργεια κρούσης όσο και για μεγάλους υδραυλικούς σπαστήρες βράχων με υψηλή ενέργεια κρούσης· μετρά απευθείας την καμπύλη ταχύτητας κίνησης του εμβόλου, επιτρέποντας έτσι τον υπολογισμό της μετατόπισης και της επιτάχυνσης του εμβόλου, γεγονός που είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για όσους μελετούν τα μοτίβα κίνησης του εμβόλου. Το μοναδικό μειονέκτημά της είναι ότι η μαγνητική ράβδος υφίσταται εύκολα ζημιά λόγω της υψηλής συχνότητας δόνησης του εμβόλου.

Ο Δρ. Ding Wensi του Πανεπιστημίου Κεντρικής Νότιας Κίνας, στη διδακτορική του διατριβή «Έρευνα για ένα νέο τύπο υδραυλικού συστήματος θραυστήρα πετρωμάτων με ηλεκτρομηχανική ολοκλήρωση και ανάδραση πίεσης με αζωτούχο εκρηκτικό», πρότεινε μία νέα μέθοδο δοκιμής των παραμέτρων εξόδου της συσκευής κρούσης — τη μέθοδο πίεσης αερίου. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιεί αισθητήρα πίεσης για την ανίχνευση της επίδρασης στην πίεση της ερμητικά κλειστής θαλάμου αζώτου που είναι εγκατεστημένη στο πίσω μέρος του εμβόλου κατά την κίνησή του, και μέσω υπολογιστή προσδιορίζει το διάστημα κίνησης (stroke) και την ταχύτητα κίνησης του εμβόλου, προκειμένου να ληφθούν οι δύο σημαντικές παράμετροι εξόδου της συσκευής κρούσης — η ενέργεια κρούσης και η συχνότητα κρούσης. Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους δοκιμής, η μη επαφόμενη μέθοδος πίεσης αερίου παρουσιάζει τα πλεονεκτήματα ισχυρής αντοχής σε δονήσεις, ελάχιστης προετοιμασίας, ταυτόχρονης μέτρησης της ενέργειας και της συχνότητας κρούσης, εύκολης βαθμονόμησης, μικρού σφάλματος παραμέτρων κρούσης και υψηλής ακρίβειας. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί όχι μόνο ως μέθοδος μέτρησης και ταυτοποίησης προϊόντων στο εργαστήριο, αλλά και εύκολα για δοκιμές σε πραγματικό χρόνο κατά την πραγματική λειτουργία. Έχει εφαρμοστεί στο πρόγραμμα υδραυλικών δοκιμών της εταιρείας Jingye και έχει συμπεριληφθεί στο βιομηχανικό πρότυπο «Υδραυλικός Θραυστήρας Πετρωμάτων».

1.5.7 Έρευνα για την Ταλάντωση, τον Θόρυβο και τον Έλεγχο

Εκτός από την ενέργεια κρούσης, τη συχνότητα κρούσης και τη μάζα, οι δείκτες μέτρησης της απόδοσης των υδραυλικών μηχανημάτων κρούσης περιλαμβάνουν επίσης τον θόρυβο, την ταλάντωση του κυρίως σώματος της μηχανής και το ποσοστό αξιοποίησης της ενέργειας, τα οποία αποτελούν σημαντικά στοιχεία για την αξιολόγηση της συνολικής απόδοσης. Καθώς η ενημέρωση για το περιβάλλον αυξάνεται, οι ανεπτυγμένες χώρες επιβάλλουν ολοένα και αυστηρότερους περιορισμούς σχετικά με τον θόρυβο των μηχανημάτων. Για να προσαρμοστούν στις ανάγκες της αγοράς, ο θόρυβος και η ταλάντωση των υδραυλικών μηχανημάτων κρούσης, καθώς και η καταστολή της σκόνης, καθίστανται σταδιακά σημαντικοί δείκτες ανταγωνισμού στις επιχειρήσεις· η τεχνολογία ελέγχου τους αποτελεί πλέον ένα σημαντικό αντικείμενο έρευνας. Ερευνητές από διάφορες χώρες διεξάγουν έρευνες από δομικής και υλικής πλευράς· δομικά, εφαρμόζονται μέτρα όπως ενσωματωμένες εσωτερικές μανσέτες, συσκευές απόσβεσης θορύβου ή ενσωμάτωση πλακών απόσβεσης ταλαντώσεων μεταξύ δύο λαμαρινών. Η εταιρεία Krupp έχει εφοδιάσει όλα τα μεσαία και μικρότερα προϊόντα της με υλικά απορρόφησης θορύβου. Η εταιρεία Rammer εγκαθιστά υψηλής πίεσης αντλίες νερού και ακροφύσια ατομοποίησης στα νέα της προϊόντα για την επίτευξη αποτελεσμάτων μείωσης της σκόνης. Επιπλέον, χρησιμοποιώντας τεχνολογία αισθητήρων για την επίτευξη ακριβούς εντοπισμού των υδραυλικών σπαστήρων βράχων, την αυτόματη διάνοιξη οπών, την αυτόματη διακοπή και ανάκληση των σφυριών, καθώς και την αυτόματη ρύθμιση της ενέργειας κρούσης και της συχνότητας κρούσης βάσει του αντικειμένου εργασίας, κ.ο.κ.