Resumen de la investigación teórica sobre los rompedores hidráulicos de roca

1.5 Resumen de la investigación teórica sobre los rompedores hidráulicos de roca

Durante el funcionamiento del rompedor hidráulico de rocas, la presión del aceite en la cámara de trabajo conmuta a alta frecuencia bajo el control de la válvula direccional; las características del fluido en el conducto de aceite no pueden analizarse simplemente según la teoría de transmisión hidráulica, sino que debe aplicarse el análisis de la teoría de vibraciones hidráulicas. La fuerza que actúa sobre el pistón y la punta aumenta desde cero hasta decenas o cientos de megapascales en unas pocas decenas de microsegundos, para luego volver a cero; la forma de transmisión de energía mediante ondas de tensión determina que la descripción del proceso de trabajo no pueda basarse únicamente en la estática, la mecánica de cuerpos rígidos y la cinemática. El principio de funcionamiento de la máquina de impacto pertenece a los problemas de dinámica de cuerpos elásticos, por lo que debe utilizarse la teoría de ondas para describir con precisión su proceso de transmisión de energía.

Según las diferencias en los supuestos básicos y los modelos matemáticos, la investigación sobre rompedores hidráulicos de rocas se divide en dos grandes categorías: investigación basada en modelos lineales e investigación basada en modelos no lineales.

1.5.1 Modelos lineales de investigación para rompedores hidráulicos de roca

La investigación lineal es una investigación idealizada que se lleva a cabo linealizando martillos hidráulicos no lineales mediante suposiciones: se obtienen modelos lineales bajo el supuesto de 'presión constante del aceite hidráulico' y se ignoran ciertos factores. Su premisa investigadora es la propuesta por los académicos de la era soviética OdAlimov y SAbasov en su obra 'Teoría estructural de las máquinas hidráulicas de vibración e impacto': 'Bajo la condición de garantizar una velocidad final de impacto determinada, el control de presión totalmente igualada constituye el control óptimo con la máxima eficiencia'. Sobre la base del supuesto de 'control de presión constante', los académicos de la era soviética propusieron el esquema de diseño óptimo para minimizar la fuerza de empuje pico. El académico japonés Nakamai y otros, partiendo de este fundamento y considerando la resistencia de la tubería, realizaron investigaciones teóricas y de diseño sobre la ajustabilidad de la carrera del pistón. El profesor Li Dazhi de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín propuso la idea de un diseño óptimo de la carrera. Chen Yufan y otros emplearon modelos lineales de dispositivos de impacto, aplicando análisis adimensional con el método de la carrera óptima, para llevar a cabo un análisis adimensional de los parámetros del dispositivo de impacto, obteniendo así una serie de expresiones relacionales entre parámetros que sirven de guía para el trabajo de diseño. El profesor Chen Dingyuan de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín, utilizando como variable de diseño C = S/S_m (donde S es la carrera de funcionamiento y S_m es la carrera máxima), realizó un análisis adimensional de los martillos hidráulicos para rocas y concluyó que la zona de eficiencia óptima corresponde a C = 0,75–0,850. El profesor Wang Zheng de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín, tomando como variable de diseño el tiempo t de la aceleración de retorno del pistón, llevó a cabo un análisis integral de parámetros y obtuvo los siguientes resultados: cuando el cambio de volumen del acumulador es mínimo, t = 0,406T; y cuando el impacto hidráulico es mínimo, t = 0,5T. El profesor He Qinghua de la Universidad Central del Sur utilizó como variable de diseño adimensional el coeficiente característico estructural del dispositivo de impacto —es decir, la relación entre las áreas efectivas de las cámaras delantera y trasera del pistón— para realizar un diseño de optimización de los dispositivos de impacto. Debido a que numerosos estudios lineales no han tenido en cuenta la relación de restricción mutua entre el pistón y la válvula, que afecta directamente al rendimiento del impacto y al estado del acumulador, dichos estudios no pueden reflejar con precisión las interrelaciones entre los múltiples parámetros estructurales del mecanismo. Aunque su precisión investigadora es relativamente limitada, sus resultados sí reflejan, de forma general, las relaciones de influencia entre diversos factores y el rendimiento, poseyendo, por tanto, cierto valor práctico en la investigación teórica y de diseño.

1.5.2 Modelos no lineales para rompedores hidráulicos de roca

Como un sistema de seguimiento mecánico con retroalimentación de un solo cuerpo relativamente típico y complejo, el rompedor hidráulico de roca presenta, al igual que otros sistemas no lineales en distintos campos, numerosos fenómenos y patrones no lineales. La investigación sobre la no linealidad ha considerado de forma más exhaustiva los factores que influyen en el movimiento del rompedor hidráulico de roca, ha analizado de manera relativamente completa el estado tensional de dicho rompedor e incluso ha obtenido conjuntos de ecuaciones diferenciales no lineales de orden superior para describir sus patrones de movimiento. Sin embargo, dichas ecuaciones son difíciles de resolver, su descripción no resulta intuitiva y solo pueden resolverse numéricamente mediante computadoras. En los últimos años, con el desarrollo de la ciencia y la tecnología informáticas y la popularización de las microcomputadoras, la investigación sobre modelos matemáticos no lineales ha ido adquiriendo una atención creciente por parte de los especialistas.

Ya a principios de la década de 1970, investigadores extranjeros aplicaron computadoras digitales a la investigación de simulación de máquinas de impacto sobre perforadoras neumáticas de roca, obteniendo resultados relativamente precisos. En 1976, el investigador japonés Masao Masabuchi fue el primero en utilizar cálculos matemáticos para estudiar rompepedras hidráulicos, proponiendo un modelo matemático para un dispositivo de ensayo de impacto hidráulico y empleando cálculos iterativos para determinar la velocidad y la frecuencia del recorrido de potencia, comparándolos posteriormente con los valores medidos. En la década de 1980, los investigadores japoneses Takauchi Yoshio, Tanimata Shu, entre otros, realizaron investigaciones no lineales sobre el rendimiento y el diseño de rompepedras hidráulicos, proponiendo modelos analíticos adecuados para la evaluación del rendimiento y el diseño de rompepedras hidráulicos, así como la teoría de derivación y el método de análisis correspondiente al modelo analítico. En 1980, Li Dazhi y Chen Dingyuan, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín, propusieron un modelo matemático no lineal que utilizaba la presión del acumulador como presión de trabajo y buscaron soluciones numéricas estables. En 1983, He Qinghua, de la Universidad Industrial del Sur Central, en su trabajo «Investigación sobre la simulación numérica de rompepedras hidráulicos», utilizó el método de conmutación de estado para establecer un modelo matemático integral, propuso el «método de cálculo de aceleración cuasiuniforme» (método PUA), corrigió los errores en los puntos de transición de estado y mejoró la precisión de la simulación. En 1987, el profesor Chen Xiaozhong y el profesor Chen Dingyuan, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín, establecieron un modelo matemático no lineal de mecanismos de impacto y desarrollaron programas de simulación en BASIC, obteniendo datos de simulación relativamente coherentes con los resultados medidos. Durante el funcionamiento de un rompepedras hidráulico, debido a la alta presión, al corto ciclo de impacto y a la frecuente conmutación del flujo de aceite, existe una cámara de presión variable en constante cambio; por lo tanto, cuando el aceite hidráulico fluye a través de diversas holguras se genera una gran cantidad de calor, provocando temperaturas locales elevadas que afectan tanto el rendimiento del dispositivo de impacto como la lubricación local; sin embargo, la investigación en este ámbito sigue siendo inexistente.

Debido a la complejidad del movimiento del martillo hidráulico para rocas, también se construyen modelos no lineales sobre la base de ciertas suposiciones; por lo tanto, en realidad no existe una diferencia significativa entre los modelos lineales y no lineales en cuanto a la descripción de la naturaleza esencial de los fenómenos: únicamente difieren los métodos matemáticos empleados para resolverlos. Los modelos lineales utilizan soluciones analíticas, mientras que los modelos no lineales requieren métodos numéricos implementados mediante computadoras. Ambos tipos de modelo solo pueden aproximar los patrones de movimiento del dispositivo de impacto, y para obtener métodos de descripción más precisos, sigue siendo necesaria la evolución de la dinámica computacional de fluidos.

Debe señalarse que, con el desarrollo de la tecnología de los martillos hidráulicos para rocas —especialmente con la aparición de martillos hidráulicos combinados hidráulico-neumáticos y martillos hidráulicos con explosión de nitrógeno—, el medio de trabajo del martillo hidráulico para rocas ya no es únicamente aceite, sino que también incluye gas; además, la introducción de nitrógeno ha incrementado aún más la dificultad y la complejidad de la investigación teórica.

1.5.3 Investigación sobre componentes clave de los rompedores hidráulicos de roca

(1) Investigación del pistón

La calidad del diseño y de la fabricación del pistón de impacto determina, en gran medida, el rendimiento del dispositivo de impacto. Investigadores chinos han llevado a cabo una investigación significativa sobre este tema. El profesor Meng Suimin, del Colegio de Ingeniería Hidroeléctrica de Gezhouba, partiendo del modelo lineal, utilizó el análisis adimensional para realizar una exploración preliminar de la influencia de la velocidad de rebote del pistón sobre los parámetros operativos del rompedor hidráulico de rocas. El profesor Liu Deshun, del Colegio de Ingeniería de Xiangtan, en su artículo «Cálculo de la velocidad de rebote del pistón de una perforadora de rocas», aplicó la teoría de la dinámica de ondas y, tras analizar el principio de funcionamiento de la perforación de rocas, propuso fórmulas para juzgar el estado de rebote del pistón y para calcular su velocidad de rebote, obteniendo las siguientes conclusiones: ① El estado de rebote del pistón y su velocidad de rebote dependen de las propiedades del pistón, la barra de perforación y la roca, y dichas influencias no son independientes, sino interrelacionadas. ② Cuanto menor sea el coeficiente de rigidez de descarga de la roca, mayor será la velocidad de rebote. Cuanto menor sea el coeficiente γ que caracteriza las propiedades de carga de la perforadora de rocas y de la roca, mayor será la velocidad de rebote. ④ Para lograr una eficiencia de perforación de rocas relativamente óptima, al diseñar un dispositivo de impacto se debe controlar el coeficiente característico γ dentro del rango 1 ≤ γ ≤ 2.

La industria ha ido estableciendo gradualmente algunas directrices para el diseño de pistones:

1) El pistón debe ser alargado y reducir los cambios innecesarios en su sección transversal, para favorecer la eficiencia de transmisión de energía y la vida útil de la barrena.

2) El área de la cara de impacto del pistón debe ser igual o lo más cercana posible al área de la cara terminal de la barrena, y debe existir una cierta longitud de conicidad, para favorecer la transmisión de las ondas de impacto.

3) La carrera completa y la sobrecarrera del pistón no deben dañar las estructuras de sellado en ambos extremos.

4) Las dimensiones de la almohadilla hidráulica para disparos en vacío y las longitudes de sellado de cada segmento del pistón deben diseñarse adecuadamente.

5) Se requiere una selección correcta de materiales: el material del pistón debe poseer elevadas prestaciones mecánicas, alta dureza superficial, buena tenacidad en el núcleo, así como una excelente resistencia al desgaste y a los impactos.

6) El juego de acoplamiento entre el pistón y el cuerpo del cilindro debe determinarse de forma razonable, teniendo en cuenta de manera integral las pérdidas por fugas y la precisión de mecanizado. Por lo general, el juego de acoplamiento entre el pistón y el cuerpo del cilindro es de 0,04 a 0,06 mm, y el juego de acoplamiento entre el pistón y el manguito de soporte es de 0,03 a 0,05 mm.

(2) Investigación sobre la válvula distribuidora

Actualmente, la gran mayoría de los rompedores hidráulicos de roca utilizan sistemas de pistón controlados por válvulas con retroalimentación de posición y logran el movimiento alternativo de alta velocidad del pistón mediante la modificación del patrón de suministro de aceite en una determinada cámara del dispositivo de impacto. Aunque esta forma de control es relativamente sencilla, su proceso de transición es bastante complejo. Durante el proceso de conmutación de la válvula, parámetros como el tiempo, la velocidad, la carrera, el consumo de aceite y otros varían por etapas, lo que puede afectar considerablemente el rendimiento del dispositivo de impacto. Al respecto, Liu Wanling y otros investigadores de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín llevaron a cabo, mediante análisis teórico y experimental, una investigación específica sobre las características de las válvulas de control en los sistemas hidráulicos de impacto, obteniendo la trayectoria real de movimiento de la válvula del dispositivo de impacto estudiada, revelando los patrones del movimiento de la válvula direccional y determinando los principales parámetros de la válvula de control que influyen en el rendimiento del dispositivo de impacto. Qi Renjun y otros investigadores de la Universidad del Sur Central realizaron un análisis teórico del proceso de control de la válvula, una investigación de optimización de la estructura y los parámetros de la válvula, y obtuvieron algunas conclusiones útiles sobre regularidades; además, ante posibles fenómenos de saturación de velocidad y cavitación durante el movimiento a alta velocidad de la válvula direccional, propusieron soluciones eficaces consistente en reducir la masa y la carrera del émbolo de la válvula, incrementando al mismo tiempo, de forma adecuada, el diámetro del paso de aceite. Liu Wanling y Gao Lanqing de la Escuela de Hierro y Acero de Pekín, en su trabajo «Análisis de las características dinámicas de la válvula direccional de los rompedores hidráulicos de roca: investigación mediante simulación y experimentación», utilizando programación en BASIC, exploraron mejoras en las características dinámicas de la válvula, concluyendo que, al aumentar la apertura sin solapamiento en posición neutra, la presión en la cámara trasera disminuye rápidamente, el trabajo de impacto aumenta, la frecuencia de impacto disminuye ligeramente y la eficiencia del dispositivo de impacto mejora; no obstante, cuando dicha apertura sin solapamiento es excesivamente grande, debido a la reducción de la longitud de sellado en el hombro de la válvula, el funcionamiento de esta se vuelve poco fiable.

(3) Investigación sobre acumuladores

El acumulador es un componente importante del rompedor hidráulico de rocas, y su estructura afecta directamente el rendimiento general de la máquina. Por lo tanto, mientras se investigaba el rendimiento del rompedor hidráulico de rocas, también se llevó a cabo investigación sobre los acumuladores. En 1990, los investigadores japoneses Takauchi Yoshio, Tanimata Shu y otros realizaron una investigación experimental y teórica; basándose en el modelo analítico establecido, utilizaron la ecuación de estado para obtener la fórmula de cálculo del volumen de carga de nitrógeno del acumulador y verificaron experimentalmente la corrección de dicha fórmula, aportando así una base teórica para el diseño del acumulador óptimo. En 1986, Duan Xiaohong, de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín, mediante el método de parámetros concentrados, estableció un modelo dinámico de acumuladores de membrana de alta presión y utilizó tanto métodos experimentales como computacionales para analizar las características de frecuencia del sistema acumulador; asimismo, analizó el acoplamiento óptimo entre el acumulador y el rompedor hidráulico de rocas, señalando que la zona de funcionamiento óptima del dispositivo de impacto corresponde a aquella en la que predomina, desde el punto de vista energético, la respuesta armónica secundaria del acumulador ante los cambios de presión del sistema. En 1986, el profesor He Qinghua, de la Universidad del Sur de China Central, publicó un artículo titulado «Aceite de retorno y acumulador de aceite de retorno en mecanismos hidráulicos de impacto», en el que señaló que la presión hidráulica de funcionamiento del rompedor hidráulico de rocas depende principalmente de la fuerza de inercia de sus propias piezas móviles; esta es una característica significativa que distingue al rompedor hidráulico de rocas de las máquinas hidráulicas convencionales, cuya presión hidráulica de trabajo depende fundamentalmente de la carga externa. La presión de retroceso del aceite de retorno es principalmente la presión hidráulica inercial generada por la aceleración del aceite cuando los pistones o las válvulas descargan aceite hacia la tubería de retorno; además, se indicó que, debido a que el caudal de descarga del dispositivo de impacto difiere del patrón de variación del caudal de aceite en la tubería de retorno, cuando el caudal que entra en dicha tubería es menor que el caudal de aceite que circula por ella, se produce cavitación. Para reducir la presión de retroceso inercial y eliminar la cavitación en el retorno, se propuso instalar un acumulador de retorno en el rompedor hidráulico de rocas, proponiéndose, a partir de ello, un método de diseño de los parámetros del acumulador de retorno. En los últimos años, la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín ha realizado investigaciones sobre las características dinámicas de acoplamiento de los acumuladores del rompedor hidráulico de rocas, desarrollando el paquete de software de simulación HRDP y obteniendo resultados en los cálculos de verificación de las características dinámicas óptimas de acoplamiento del acumulador.

(4) Investigación sobre dispositivos de prevención de disparos en vacío y absorbentes de energía de rebote de cinceles

Debido a que durante la operación del rompedor hidráulico de rocas ocurren inevitables fenómenos de rebote de la punta y disparos en vacío, el rendimiento funcional del absorbedor de energía de rebote de la punta y del dispositivo de prevención de disparos en vacío tiene una gran influencia sobre la vida útil del rompedor hidráulico de rocas. El profesor Meng Suimin, en el artículo «Análisis de la velocidad de rebote del pistón de perforación de rocas», analizó sistemáticamente los factores que provocan el rebote de la cola de la punta y exploró métodos de absorción de la energía de rebote de la punta. Liao Yide, de la Universidad del Sur Central, en el artículo «Investigación teórica y experimental sobre dispositivos amortiguadores para disparos en vacío en perforadoras hidráulicas de rocas», estableció un modelo matemático del proceso de amortiguación ante disparos en vacío y realizó investigaciones mediante simulación. El doctor Liao Jianyong, en el artículo «Teoría de diseño y diseño asistido por ordenador de perforadoras hidráulicas de rocas de múltiples etapas», llevó a cabo simulaciones por ordenador y diseño optimizado de dispositivos absorbedores de energía de rebote de la punta y de dispositivos de prevención de disparos en vacío. Liu Deshun, de la Universidad del Sur Central, en su tesis doctoral «Investigación sobre la dinámica de ondas en mecanismos de impacto», aplicó la teoría de la dinámica de ondas, dedujo fórmulas de cálculo de la velocidad de rebote para cada componente del mecanismo de impacto y señaló que la energía de rebote puede aprovecharse mediante un diseño racional de cada parte del mecanismo de impacto. El Instituto de Investigación de Maquinaria Hidráulica de Obras de Ingeniería de la Universidad del Sur Central desarrolló un dispositivo amortiguador de dos etapas para disparos en vacío, que aprovechó plenamente la capacidad del absorbedor de energía de rebote de la punta: un logro investigador innovador.

1.5.4 Investigación sobre la tecnología de sintonización de frecuencia, sintonización de energía y control para rompedores hidráulicos de roca

Con el desarrollo de la tecnología de rompedores hidráulicos de roca, la construcción en campo ha planteado nuevos requisitos para estos equipos. Para mejorar eficazmente la eficiencia productiva, se exige que la energía de impacto y la frecuencia de impacto del rompedor hidráulico de roca puedan variar según los cambios en las propiedades de la roca. Es decir, bajo la premisa de aprovechar al máximo la potencia instalada de la máquina portadora, cuando la roca es más dura, el rompedor hidráulico de roca debe generar una mayor energía de impacto y una menor frecuencia de impacto; por el contrario, genera una menor energía de impacto y una mayor frecuencia de impacto, logrando así una mayor eficiencia productiva. Para alcanzar los objetivos anteriores, se han llevado a cabo amplias investigaciones tanto a nivel nacional como internacional.

A partir de la investigación teórica sobre los rompedores hidráulicos de roca, su salida (energía de impacto y frecuencia) puede ajustarse principalmente mediante tres métodos: ① ajuste del caudal; ② ajuste de la carrera; ③ ajuste de la presión de retroalimentación. Actualmente, la inmensa mayoría de los rompedores hidráulicos de roca nacionales y extranjeros tienen una única carrera fija, es decir, su salida no es ajustable. Por supuesto, si dichos rompedores hidráulicos de roca utilizan el método de ajuste del caudal para regular su salida, aunque teóricamente es factible, en la práctica no resulta viable, ya que los cambios en el caudal provocan variaciones sincrónicas en sus parámetros de salida, lo que impide lograr un ajuste independiente.

Aunque algunos fabricantes nacionales y extranjeros han diseñado y producido rompedores hidráulicos de roca con recorrido ajustable, debido a que se trata de ajustes escalonados de estructura rígida y muy incómodos de usar, con resultados deficientes, no son bien recibidos por los usuarios. En cuanto a la distribución de retroalimentación del recorrido, sus parámetros de funcionamiento de salida se ajustan principalmente modificando el caudal de entrada al sistema o añadiendo múltiples orificios de señal de retroalimentación del recorrido de retorno, y controlando la apertura y cierre de cada orificio de señal para ajustar el recorrido del pistón, modificando así la energía de impacto y la frecuencia de impacto del rompedor hidráulico de roca. Por ejemplo, el taladro hidráulico de roca de tres velocidades Atlas-Copco, fabricado en Suecia. Los rompedores hidráulicos de roca automáticos de cambio de marchas de la serie YYG de la Universidad Central del Sur —limitados por su estructura—, este principio solo permite un ajuste escalonado de los parámetros de funcionamiento del rompedor hidráulico de roca; además, como la presión y el caudal del sistema de impacto son proporcionales al cuadrado uno del otro, el aumento simultáneo de la energía de impacto y la frecuencia de impacto provoca cambios muy grandes en la potencia de la máquina portadora, lo que limita la ampliación del rango de trabajo y la eficiencia operativa del rompedor hidráulico de roca. El profesor Takashi Takahashi de la Universidad de Akita, en Japón, describió en un artículo el ajuste de la posición del orificio de señal del recorrido de retorno para lograr el objetivo de modificar el recorrido del pistón del rompedor hidráulico de roca. Experimentos demostraron que, al incrementar el recorrido del pistón un 10 %, aunque la frecuencia de impacto disminuye un 8 %, la energía de impacto puede aumentar un 12 %, lo que mejora la eficiencia operativa y aporta evidencia teórica y experimental para el diseño de rompedores hidráulicos de roca con recorrido ajustable. El profesor He Qinghua de la Universidad Central del Sur, en su obra «Investigación sobre máquinas hidráulicas de impacto con recorrido ajustable», comparó varios tipos de métodos de cambio de marchas y analizó teóricamente las relaciones entre diversos parámetros de funcionamiento de los dispositivos hidráulicos de impacto con recorrido ajustable y los recorridos de cambio de marchas; los resultados tienen una clara relevancia orientadora para el diseño y la utilización de rompedores hidráulicos de roca con cambio de marchas. Este libro propone el concepto de ajuste independiente y continuo (sin escalones) de los parámetros de funcionamiento basado en el principio de retroalimentación de presión, y ha lanzado este nuevo producto de rompedor hidráulico de roca. Principalmente ajusta la energía de impacto individual del dispositivo de impacto mediante el control de la magnitud de la presión de retorno del pistón; simultáneamente, mediante el control del caudal de la bomba variable, ajusta de forma continua la frecuencia del dispositivo de impacto, permitiendo así que tanto la energía de impacto como la frecuencia de impacto puedan ajustarse de forma independiente y continua dentro de un rango relativamente amplio, mientras que la variación de la potencia de la máquina portadora es mínima. En cuanto a la investigación teórica, el diseño estructural y los métodos de control para este nuevo tipo de máquina hidráulica de impacto, los autores han llevado a cabo estudios sobre dispositivos hidráulicos de impacto con ajuste independiente y continuo de la energía y la frecuencia de impacto. El doctor Zhao Hongqiang, en su tesis doctoral «Investigación sobre una nueva trituradora hidráulica de piedra con control de ajuste independiente y continuo», superó el método tradicional de control por retroalimentación del recorrido empleado en los rompedores hidráulicos de roca, adoptando métodos de retroalimentación de presión y de control del caudal de la bomba variable, logrando así un control de ajuste independiente y continuo de la energía y la frecuencia de impacto del rompedor hidráulico de roca. Ding Wensi, en su tesis doctoral, utilizando la presión de nitrógeno en la parte trasera de la trituradora como variable de control, realizó un amplio trabajo sobre trituradoras de tipo distribución forzada controladas mediante válvulas de conmutación de alta velocidad, logrando el ajuste independiente de la frecuencia y de la energía de las trituradoras. Zhang Xin, en su obra «Investigación sobre un nuevo sistema de dispositivo hidráulico de impacto con retroalimentación de presión e integración mecatrónica», empleó válvulas de conmutación de alta velocidad controladas por microcontrolador para lograr el control informático del dispositivo de impacto. Yang Guoping, en su tesis doctoral «Investigación sobre un dispositivo hidráulico de impacto puramente hidráulico con ajuste continuo independiente de la frecuencia y la energía», propuso un dispositivo de impacto inteligente con un esquema de control puramente hidráulico capaz de realizar un ajuste continuo de la energía y la frecuencia de impacto del rompedor hidráulico de roca mediante una válvula distribuidora pilotada.

1.5.5 Estado actual de la investigación sobre la tecnología de simulación de rompedores hidráulicos de roca

Desde una perspectiva de diseño y desarrollo de productos, la investigación de las características dinámicas de los mecanismos se lleva a cabo mejor durante la fase de desarrollo y diseño del producto. La simulación de la respuesta dinámica de los sistemas de control hidráulico siempre ha sido un campo objeto de estudio continuo por parte de la industria hidráulica y también constituye un medio habitual para estudiar las características de respuesta dinámica de los sistemas de control.

El método de trabajo especial del rompedor hidráulico de rocas determina que el análisis y la prueba de simulación dinámica deben servir como premisa básica para el diseño y desarrollo teóricos del mecanismo. Tras la aparición de los ordenadores, se superó el obstáculo de depender únicamente de las pruebas del producto para obtener resultados precisos o fiables del comportamiento cinemático del mecanismo. Los investigadores comenzaron a utilizar diversos métodos para establecer modelos matemáticos que describieran la vibración e impacto hidráulicos, analizando mediante tecnología de simulación los procesos de variación de los parámetros del rompedor hidráulico de rocas y empleando la tecnología de prototipo virtual para simular los procesos de movimiento de las máquinas de impacto. Una vez definidos los resultados del diseño, puede comprenderse claramente el movimiento del mecanismo y calcularse los correspondientes parámetros de rendimiento, lo que proporciona una excelente vía para acortar los ciclos de desarrollo de nuevos productos, optimizar el diseño y realizar análisis del rendimiento dinámico.

En las décadas de 1960 y 1970, investigadores extranjeros comenzaron a aplicar computadoras digitales al trabajo de simulación de máquinas de impacto. Estos trabajos tomaron como variable la presión en las cámaras delantera y trasera, calcularon el caudal de entrada y salida de fluido por cada orificio, corrigiendo con coeficientes de flujo; luego aplicaron la ecuación de estado de los gases y la ecuación de balance energético para establecer ecuaciones diferenciales microscópicas que describieran los cambios de estado del acumulador y del pistón; tras realizar ciertas aproximaciones sobre el movimiento de la válvula, emplearon métodos de diferencias finitas para la resolución numérica. Los resultados de la simulación, especialmente los parámetros de rendimiento, se acercaron mucho a los valores medidos, obteniéndose resultados satisfactorios. En Japón, los investigadores pusieron mayor énfasis en el desarrollo de modelos informáticos específicos para rompedores hidráulicos de roca, e introdujeron parámetros obtenidos experimentalmente en la simulación para optimizar los parámetros estructurales, los parámetros de impacto y el rendimiento de dichos rompedores hidráulicos, logrando determinar el área óptima del orificio de retorno de aceite, el volumen óptimo de carga del acumulador y el área efectiva de soporte de presión en la cámara trasera del rompedor hidráulico correspondiente. Al llevar a cabo la simulación, los investigadores japoneses prestaron especial atención a comparar los resultados de la simulación con los resultados de ensayos experimentales, y corrigieron los modelos informáticos según los datos obtenidos en los ensayos. La empresa Sandvik, tras considerar el efecto de la forma del pistón de impacto sobre el método de transmisión de energía, también diseñó y desarrolló un programa informático de simulación en este ámbito. Mediante dicho programa: ① se puede simular el proceso de transmisión de energía en cada parte del impacto; ② se pueden simular distintos diseños de cada componente del sistema; ③ bajo distintas condiciones del objeto sometido al impacto, se puede simular el efecto de diversos diseños sobre la transmisión de energía. El programa informático de Sandvik no solo garantiza la fabricación de productos óptimos, sino que también permite medir y comprender la influencia de todos los parámetros sobre el sistema de impacto, así como el efecto que producen los cambios en ciertos parámetros sobre la eficiencia, ofreciéndolo a los usuarios como una herramienta de cálculo práctica y eficaz.

Después de la década de 1980, también comenzó la investigación nacional sobre tecnología y aplicaciones de simulación. Los investigadores chinos Tian Shujun, Chen Yufan y otros establecieron modelos matemáticos mediante sus respectivos métodos. Tian Shujun y colaboradores aplicaron el gráfico de enlace de potencia —una tecnología avanzada de modelado dinámico— combinando métodos de análisis en el espacio de estados, centrándose principalmente en la investigación de software de simulación dinámica para rompedores hidráulicos de roca con control por válvula deslizante. Esta investigación exploró la modelización y programación dinámicas de rompedores hidráulicos de roca, aportando un método y una metodología para muchos programadores posteriores de simulación, como el profesor Zhou Zhihong de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Pekín, quien orientó a sus estudiantes Yan Yong y otros en el uso de gráficos de enlace de potencia para establecer ecuaciones dinámicas de varios tipos de pistones, válvulas direccionales y ecuaciones hidráulicas de flujo, así como ecuaciones de estado del gas en rompedores hidráulicos de roca; posteriormente, desarrollaron programas de simulación en lenguaje informático para analizar los principales procesos de cambio de estado, tales como la presión en las cámaras delantera y trasera, el caudal, el desplazamiento y la velocidad del pistón del rompedor hidráulico de roca, proporcionando una plataforma para investigaciones ulteriores sobre el efecto de los cambios de parámetros del rompedor hidráulico de roca en su rendimiento. Con el rápido desarrollo de los ordenadores y de la tecnología de software, los programas Matlab y AMEsim se han aplicado a la modelización y simulación del sistema de rompedores hidráulicos de roca, brindando apoyo teórico para acortar los ciclos de investigación y desarrollo y mejorar la calidad del diseño de nuevos modelos.

1.5.6 Métodos de investigación experimental

El experimento es el medio fundamental mediante el cual las personas conocen la naturaleza y transforman el mundo objetivo: mediante el experimento se sintetizan y abstraen los fenómenos observados y los datos medidos, se identifican las conexiones internas y los patrones, y se formula una teoría. El experimento es la fuente de la teoría; el experimento es el único juez para verificarla.

Los parámetros de rendimiento del impacto de los rompepiedras hidráulicos son un indicador importante para evaluar su diseño, nivel de fabricación y calidad. Los principales parámetros pueden medirse todos mediante métodos experimentales, y los resultados se expresan en forma de datos, curvas o gráficos. La verificación del rendimiento se centra principalmente en la medición de la energía de impacto, la frecuencia de impacto, la presión del sistema y el caudal. Actualmente no existen normas experimentales internacionales unificadas para los métodos de medición de estos parámetros. Los métodos de ensayo actualmente más utilizados para evaluar el rendimiento del impacto de los rompepiedras hidráulicos son: el método de onda de tensión, el método fotoeléctrico de desplazamiento diferencial, el método de inducción electromagnética, el método de contacto, la fotografía de alta velocidad, el método del diagrama indicador y el método energético, entre otros.

El método de onda de tensión es un procedimiento para medir la energía de impacto mediante la medición de la onda de tensión generada en la punta cuando el pistón de impacto golpea dicha punta. El método fotoeléctrico se basa en el principio de conversión fotoeléctrica; mediante un sensor fotoeléctrico, toma la posición del pistón de impacto como medición directa para obtener el desplazamiento del movimiento del pistón y, posteriormente, calcular cada parámetro de rendimiento del dispositivo de impacto. Al ser un método de ensayo sin contacto, el método fotoeléctrico resulta muy adecuado para máquinas de impacto como los rompedores hidráulicos de roca, que presentan largas carreras de pistón, grandes diámetros y altas velocidades. El método de inducción electromagnética emplea un sistema de sensores de inducción electromagnética compuesto por una varilla magnética instalada en el pistón de impacto y una bobina helicoidal montada en la carcasa; utiliza la fuerza electromotriz inducida generada cuando la bobina corta las líneas del campo magnético mientras la varilla magnética realiza un movimiento alternativo junto con el pistón, y obtiene la velocidad de movimiento del pistón a partir de la relación de calibración entre la fuerza electromotriz y la velocidad de impacto, calculando así la energía de impacto del pistón.

El método de contacto es un procedimiento para calcular la energía de impacto mediante la velocidad final del pistón al impactar el objeto golpeado. En las pruebas de rendimiento de rompedores de roca, los cuatro métodos anteriores son relativamente comunes; otros métodos, ya sea por su complejidad operativa y alto costo, o bien porque no reflejan de forma completa el estado de movimiento del pistón, rara vez se utilizan en la práctica.

Debe señalarse que el método de onda de tensión anteriormente descrito solo es adecuado para ensayar dispositivos de impacto con energía de impacto relativamente baja, como perforadoras hidráulicas de roca y herramientas neumáticas, y presenta mayores dificultades al ensayar dispositivos con alta energía de impacto, como rompedores hidráulicos de roca. La capacidad de ensayo de las unidades de investigación especializadas en ondas de tensión suele ser limitada y no permite ensayar rompedores hidráulicos de roca de gran tamaño; además, el ruido y la vibración generados durante los ensayos en interiores tampoco son aceptables. En cuanto al método de contacto, aunque su instalación es sencilla, los resultados obtenidos no son lo suficientemente precisos como para poder generalizar su uso. Únicamente el método de inducción electromagnética para el ensayo de rompedores hidráulicos de roca se considera integral en todos los aspectos: puede utilizarse tanto para perforadoras hidráulicas de roca de baja energía de impacto como para rompedores hidráulicos de roca de gran tamaño y alta energía de impacto; mide directamente la curva de velocidad de movimiento del pistón, permitiendo así obtener el desplazamiento y la aceleración del pistón, lo cual resulta muy útil para quienes estudian los patrones de movimiento del pistón. Su única desventaja es que la varilla magnética se daña fácilmente bajo la vibración de alta frecuencia del pistón.

El Dr. Ding Wensi, de la Universidad del Sur Central, en su tesis doctoral titulada «Investigación sobre un nuevo sistema integrado hidráulico de trituradora de rocas con retroalimentación de presión y accionamiento neumático por nitrógeno», propuso un nuevo método para ensayar los parámetros de salida de los dispositivos de impacto: el método de presión de gas. Este método utiliza un sensor de presión para detectar el efecto sobre la presión de la cámara sellada de nitrógeno instalada en la parte trasera del pistón durante su movimiento, y mediante un ordenador determina la carrera y la velocidad de movimiento del pistón, obteniendo así los dos parámetros de salida fundamentales del dispositivo de impacto: energía de impacto y frecuencia de impacto. En comparación con los métodos tradicionales de ensayo, el método no invasivo de presión de gas presenta ventajas como una elevada resistencia a las vibraciones, una preparación mínima, la medición simultánea de la energía y la frecuencia de impacto, una calibración sencilla, un bajo error en los parámetros de impacto y una alta precisión. No solo puede utilizarse como método de medición e identificación de productos en laboratorio, sino que también permite realizar fácilmente ensayos en línea durante el trabajo real. Ha sido aplicado en el programa de ensayos hidráulicos de la empresa Jingye y ha sido incorporado a la norma industrial «Trituradora hidráulica de rocas».

1.5.7 Investigación sobre vibración, ruido y control

Además de la energía de impacto, la frecuencia de impacto y la masa, los indicadores para medir el rendimiento de las martillas hidráulicas también incluyen el nivel de ruido, la vibración del cuerpo de la máquina y la tasa de aprovechamiento energético, aspectos importantes para evaluar el rendimiento general. A medida que aumenta la concienciación ambiental, los países desarrollados imponen restricciones cada vez más estrictas respecto al ruido de los equipos. Para adaptarse a las necesidades del mercado, el ruido y la vibración de las martillas hidráulicas, así como la supresión del polvo, se están convirtiendo progresivamente en indicadores clave de la competencia empresarial; su tecnología de control es actualmente un tema de investigación importante. Investigadores de diversos países realizan estudios desde los puntos de vista estructural y de materiales; desde el punto de vista estructural, se adoptan medidas tales como mangas interiores integradas, dispositivos silenciadores o placas de acero amortiguadoras de vibraciones en configuración sándwich para controlar la vibración y el ruido. La empresa Krupp ha equipado todos sus productos medianos y pequeños con materiales absorbentes de sonido. La empresa Rammer instala bombas de agua de alta presión y boquillas atomizadoras en sus nuevos productos para lograr efectos de reducción del polvo. Además, mediante la tecnología de sensores se consigue una posicionamiento preciso de las rompedoras hidráulicas, perforación automática de agujeros, detención automática de las escoplas, retracción automática de las escoplas y ajuste automático de la energía de impacto y la frecuencia de impacto según el objeto de trabajo, entre otras funciones.