الگوهای حرکت پیستون

۴.۳ الگوهای حرکت پیستون

از تحلیل فوق نمودار سرعت، نتیجه‌گیری‌های زیر دربارهٔ الگوهای حرکت پیستون قابل استخراج است.

(۱) نمودار سرعت پیستون از دو مثلث تشکیل شده است: یک مثلث قائم‌الزاویه برای نمودار سرعت زمان stroke قدرت، و یک مثلث عمومی (غیرقائم‌الزاویه) برای نمودار سرعت زمان stroke بازگشت.

(۲) از آنجا که طول stroke قدرت برابر با طول stroke بازگشت است، مساحت دو مثلث باید برابر باشد.

(3) سرعت در طول فاز ترمزگیری حرکت بازگشتی و فاز حرکت قدرتی، در نمودار سرعت از یک خط راست منفرد پیروی می‌کند. این امر به این دلیل است که پس از اینکه شیر پیستون در حین حرکت بازگشتی فعال می‌شود، در طول فاز ترمزگیری حرکت بازگشتی و فاز حرکت قدرتی، موقعیت شیر ثابت باقی می‌ماند و نیروی وارد بر پیستون نیز یکسان است.

(4) یک اصل کلیدی در طراحی شکن‌های هیدرولیکی سنگ: در تمام طرح‌های امکان‌پذیر، بیشینه سرعت پیستون ولت _م (انرژی ضربه‌ای W _H ) و زمان چرخه ت (فرکانس ضربه‌ای f _H ) باید مقادیر ثابتی باشند، زیرا این پارامترها توسط وظیفه طراحی تعیین شده‌اند و غیرقابل تغییر هستند.

(5) پارامترهای سینماتیکی: فاصله شتاب‌گیری در حرکت بازگشتی اس _جی , زمان شتاب‌گیری در حرکت بازگشتی ت ₂^′, و بیشینه سرعت حرکت بازگشتی ولت _م همگی برای کنترل شکن هیدرولیکی سنگ بسیار مفید هستند، زیرا همه آن‌ها دقیقاً در نقطه تغییر وضعیت شیر در حین حرکت بازگشتی قرار دارند. برای شکن‌های هیدرولیکی سنگ با بازخورد از حرکت (Stroke-feedback) اس _جی پایه‌ای برای تعیین موقعیت سوراخ بازخورد است و در طراحی شکست‌دهنده‌های هیدرولیکی سنگ بسیار مفید می‌باشد. اما در مورد ت ₂^′و ولت _م ، در حال حاضر هیچ محصول شکست‌دهنده هیدرولیکی سنگی از این دو پارامتر برای کنترل شکست‌دهنده استفاده نمی‌کند، اما این روش از نظر امکان‌پذیری قابل اجرا است و ارزش تحقیق دارد.

(۶) مقایسه تمام طرح‌های امکان‌پذیر از دیدگاه سینماتیکی (یعنی نقطه P و نقطه F در موقعیت‌های مختلف)، ولت _م و ت در تمام طرح‌ها یکسان هستند. تنها تفاوت در نسبت ت ₁به ت ₂در ت (P روی من قرار دارد)، همچنین سرعت‌های حداکثری بازگشتی متفاوت ناشی از آن ولت _م .

بر اساس تحلیل فوق، اگر طرحی را از دیدگاه سینماتیکی بررسی کنیم، از آنجا که ولت _م و ت هر دو توسط پارامترهای عملکردی تعیین می‌شوند، طراح آزادی بسیار محدودی دارد. یک «طرح» به اصطلاح، صرفاً مسئله توزیع صحیح است ت ₁و ت ₂درون ت در حالی که ولت _م و ت ثابت — هیچ چیز بیشتر. به این ترتیب، طراحی شکست‌دهندهٔ هیدرولیکی سنگ بسیار ساده می‌شود: کافی است چرخهٔ حرکت پیستون را به دو قسمت تقسیم کنید ت و طرحی قابل اجرا به دست می‌آورید. اما تعیین این نسبت تقسیم، عمق فنی قابل توجهی دارد که شامل مسئلهٔ بهینه‌سازی در طراحی نیز می‌شود. پس از آنکه این نسبت تقسیم تعیین شد، کل طراحی به‌طور کامل مشخص می‌گردد. بنابراین نسبت زمانی ضربهٔ توان‌بخش α تنها پارامتری است که می‌تواند یک طرح قابل اجرا را نمایندگی کند و کاربرد جهانی دارد.

نسبت زمانی ضربهٔ توان‌بخش α همچنین معمولاً «ضریب ویژگی سینماتیکی» نامیده می‌شود. از آنجا که ضریب ویژگی سینماتیکی α بی‌بعد است و ویژگی‌های سینماتیکی را بیان می‌کند، به‌عنوان یک متغیر طراحی انتزاعی تعریف می‌شود؛ هر مقدار خاصی از آن نمایندهٔ یک طرح است و ویژگی‌هایی که بیان می‌کند، به‌طور کامل برای تمام شکست‌دهنده‌های هیدرولیکی سنگ با هر اندازه و مدلی قابل اعمال است.

پژوهش‌های فوق نشان می‌دهد که تمام پارامترهای سینماتیکی توابعی از α همچنین پارامترهای پویایی، پارامترهای ساختاری و غیره همگی می توانند به صورت تابع های α . پس چه خواص دیگر انجام می دهد α خود را داشته باشد و دامنه ارزش های آن چیست؟ از شکل 4-1 و معادله (4.5) ، می توان به وضوح مشاهده کرد:

1) چه زمانی ت ₁= 0 α = 0؛ این در شکل 4-1 به صورت نقطه نشان داده شده است P با نقطه هم زمان است ا . مساحت △ENK، یعنی ضربه اس = 0؛ حرکت صفر ضربه ( α = 0) در واقع وجود ندارد اس = ۰ هیچ معنای فیزیکی ندارد.

۲) هنگامی که ولت _م = ولت _م ، از معادلهٔ (۴٫۶) داریم: α = ۰٫۵. در شکل ۴-۱ این مورد با نقطهٔ P با نقطه هم زمان است م نشان داده شده است؛ نقطهٔ K به‌طور دقیق پاره‌خط O –ا را نصف می‌کند، یعنی: ت ₁= ½ ت . در شکل ۴-۱ نقطهٔ F با نقطهٔ O منطبق است و نتیجه می‌شود: ت ₂^′= ۰، یعنی زمان شتاب بازگشتی صفر است — این حالت نیز غیرممکن بوده و هیچ مفهوم فیزیکی ندارد.

۳) هنگامی که زمان شتاب بازگشتی برابر با زمان ترمز بازگشتی باشد، یعنی ت ₂^′ = ت ₂^″، نمودار سرعت بازگشتی به‌وضوح یک مثلث متساویالساقین است. ضریب مشخصه سینماتیکی برای این نمودار سرعت با فرم خاص برابر است با α = ۰٫۴۱۴۲. از شکل ۴-۱، α = ۰٫۴۱۴۲ را بدون دشواری قابل استخراج است. این نتیجه در مطالعات شکستن سنگ توسط شکستدهندههای هیدرولیکی مبتنی بر انفجار نیتروژن نیز کاربرد دارد.

از این رو آشکار میشود که محدودهٔ α از ۰ تا ۰٫۵ است؛ و ازآنجاکه α = ۰ و α = ۰٫۵ هر دو هیچ مفهوم فیزیکی ندارند، باید داشته باشیم: ۰ < α < ۰٫۵. متغیر طراحی انتزاعی بهینهحاصل از اهداف بهینهسازی مختلف نیز باید این شرط را برآورده کند: ۰ < α _شما < ۰٫۵.