Hydraulisen kallionmurton teoreettisen tutkimuksen yleiskatsaus

1.5 Hydraulisen kallionmurton teoreettisen tutkimuksen yleiskatsaus

Hydraulisen kivihiilikatkaisimen käytön aikana työkammion öljynpaine vaihtuu korkealla taajuudella suunnanventtiilin valvonnassa; öljynlähteen nesteen ominaisuuksia ei voida käsitellä yksinkertaisesti hydraulisen siirron teorian mukaan, ja hydraulisen värähtelyn teorian analy Pistonin ja hiisurin kohdalla toimiva voima nousee nollasta kymmeniin satoihin megapascaleihin muutaman kymmentä mikrosekunnin kuluessa ja laskee sitten takaisin nollaan; energian siirtymisen muoto jännitteen aaltojen avulla määrittää, että työprosessin kuvaus ei voi yksinkertaisesti käyttää statiikkaa, Tärkein osa on, että se on mahdollista, jos se on mahdollista.

Perusperusteisten oletusten ja matemaattisten mallien eroavuuksien perusteella hydraulisten kivenmurtajien tutkimus jakautuu kahteen pääluokkaan: lineaariseen mallien tutkimukseen ja ei-lineaariseen mallien tutkimukseen.

1.5.1 Lineaariset tutkimusmallit hydraulisille kallionmurtojärjestelmille

Lineaarinen tutkimus on idealisoitua tutkimusta, jossa ei-lineaarisia hydraulisia kallionmurtoja linearisoidaan oletusten avulla – lineaariset mallit saadaan oletuksesta 'vakiohydraulinen öljypaine' ja tietyt tekijät jätetään huomiotta. Tutkimuksen lähtökohtana on neuvostoaikaisen tutkijoiden OdAlimovin ja SAbasovin teoksen 'Hydrauliisten värähtelyiskukoneiden rakenneteoria' esittämä näkemys: 'Annetun iskun loppunopeuden varmistamisen ehdolla paineella täysin tasainen painesäätö on tehokkain ja siten optimaalinen säätö.' 'Vakion painesäädön' oletuksen pohjalta neuvostoaikaiset tutkijat esittivät optimaalisen suunnitteluratkaisun, jolla saavutetaan pienin huippuvaatimusvoima. Japanilainen tutkija Nakamai ym. otti tämän pohjana ja huomioi putkistovastuksen, jolloin hän suoritti teoreettista ja suunnittelua koskevaa tutkimusta pistoolin iskumatkan säätökyvystä. Pekingin tieteellisen ja teknologisen yliopiston professori Li Dazhi esitti ajatuksen optimaalisesta iskumatkan suunnittelusta. Chen Yufan ym. käyttivät iskulaiteita koskevia lineaarisia malleja ja sovelsivat dimensiotonta analyysiä optimaalisen iskumatkan menetelmällä, jolloin he suorittivat iskulaiteparametrien dimensiotonta analyysiä ja saavuttivat sarjan parametrisuhteita, joita voidaan käyttää suunnittelutyön ohjaamiseen. Pekingin tieteellisen ja teknologisen yliopiston opettaja Chen Dingyuan käytti suunnittelumuuttujana suuretta C = S/S_m (S: käyttömatka, S_m: maksimimatka) ja suoritti dimensiotonta analyysiä hydraulisille kallionmurroille; tuloksena hän sai, että optimaalinen tehokkuusalue on C = 0,75–0,850. Pekingin tieteellisen ja teknologisen yliopiston opettaja Wang Zheng käytti suunnittelumuuttujana pistoolin palautuskiihtyvyyden aikaa t ja suoritti laajan parametrianalyysin, jonka tuloksena hän sai: kun akkumulaattorin tilavuuden muutos on pienin, t = 0,406T; kun hydraulin isku on pienin, t = 0,5T. Keski-Etäläisen yliopiston opettaja He Qinghua käytti iskulaiteen rakenteellista ominaiskerrointa – pistoolin etu- ja takakammion tehollisen pinta-alan suhdetta – dimensiotonana suunnittelumuuttujana ja suoritti iskulaiteiden optimointisuunnittelua. Koska monet lineaariset tutkimukset eivät ole ottaneet huomioon pistoolin ja venttiilin välistä keskinäistä rajoittavaa suhdetta, joka vaikuttaa suoraan iskun suorituskykyyn ja akkumulaattorin tilaan, ne eivät pysty tarkasti kuvaamaan mekanismin monien rakenneparametrien välisiä vuorovaikutuksia. Vaikka niiden tutkimustarkkuus on suhteellisen heikko, niiden tulokset voivat periaatteessa heijastaa eri tekijöiden vaikutussuhdetta suorituskykyyn, mikä antaa niille tietyn käytännöllisen arvon teoreettisessa ja suunnittelua koskevassa tutkimuksessa.

1.5.2 Epälineaariset mallit hydraulisille kallionmurtojärjestelmille

Hydraulinen kallionmurtojärjestelmä on suhteellisen tyypillinen ja monimutkainen yksikappaleinen mekaaninen takaisinkytkentäseurantajärjestelmä. Kuten muissakin aloissa esiintyvät epälineaariset järjestelmät, se sisältää useita epälineaarisia ilmiöitä ja rakenteita. Epälineaarisen tutkimuksen yhteydessä on otettu huomioon kattavammin hydraulisen kallionmurtojärjestelmän liikkeeseen vaikuttavat tekijät, ja sen jännitetilaa on analysoitu suhteellisen kattavasti, mikä on johtanut korkean asteen epälineaaristen differentiaaliyhtälöryhmien saamiseen, joilla kuvataan sen liikemalleja. Yhtälöitä on kuitenkin vaikea ratkaista, niiden kuvaus ei ole intuitiivinen, ja niitä voidaan ratkaista vain numeerisesti tietokoneella. Viime vuosina tietotekniikan kehityksen ja mikrotietokoneiden yleistymisen myötä epälineaarisia matemaattisia malleja koskeva tutkimus on saanut yhä enemmän huomiota.

Jo varhain 1970-luvun alussa ulkomaiset tutkijat sovelsivat digitaalisia tietokoneita vaikutuskoneiden simulointitutkimukseen ilmapaineella toimivissa kallionporakoneissa saaden suhteellisen tarkkoja tuloksia. Vuonna 1976 japanilainen tutkija Masao Masabuchi oli ensimmäinen, joka käytti matemaattisia laskentoja hydraulisten kallionmurtojen tutkimiseen, esitti matemaattisen mallin hydrauliselle iskukokeilulaitteelle ja käytti iteroivia laskentoja voimaiskun nopeuden ja taajuuden määrittämiseen sekä vertasi tuloksia mitattuihin arvoihin. 1980-luvulla japanilaiset tutkijat Takauchi Yoshio, Tanimata Shu ym. tekivät epälineaarista tutkimusta hydraulisten kallionmurtojen suorituskyvystä ja suunnittelusta, esittäen analyyttisiä malleja, jotka sopivat hydraulisten kallionmurtojen suorituskyvyn arviointiin ja suunnitteluun sekä analyyttisen mallin johtamisteorian ja analyysimenetelmän. Vuonna 1980 Li Dazhi ja Chen Dingyuan Pekingin tiede- ja teknologiayliopistosta esittivät epälineaarisen matemaattisen mallin, jossa työpaineena käytettiin akkumulaattorin painetta, ja etsivät stabiileja numeerisia ratkaisuja. Vuonna 1983 He Qinghua Keski-Eteläisen teollisuusyliopiston tutkija teki tutkimuksen otsikolla 'Hydraulisen kallionmurron numeerinen simulointitutkimus', jossa hän käytti tilansiirtomenetelmää laajamittaisen matemaattisen mallin luomiseen, esitti 'kvasi-tasaisen kiihtyvyyden laskentamenetelmän' (PUA-menetelmä), korjasi virheitä tilansiirtokohtien yhteydessä ja paransi simulointitarkkuutta. Vuonna 1987 professori Chen Xiaozhong ja opettaja Chen Dingyuan Pekingin tiede- ja teknologiayliopistosta kehittivät iskumekanismien epälineaarisen matemaattisen mallin ja kirjoittivat simulaatio-ohjelmat BASIC-ohjelmointikielellä, saaden simulointituloksia, jotka olivat suhteellisen yhteneväisiä mitattujen tulosten kanssa. Hydraulisen kallionmurron toiminnan aikana korkean paineen, lyhyen iskukäyrän ja usein vaihtuvan öljynvirtauksen vuoksi painekammio muuttuu jatkuvasti, jolloin hydraulinen öljy tuottaa suurta määrää lämpöä kulkiessaan erilaisten välysten läpi, mikä aiheuttaa paikallisesti korkeita lämpötiloja ja vaikuttaa iskulaiteen suorituskykyyn ja paikalliseen voiteluun; kuitenkin tämä tutkimusalue on edelleen tyhjä.

Hydrauliikkaisen kallionmurtaimen liikkeen monimutkaisuuden vuoksi epälineaarisia malleja rakennetaan myös tietyin oletuksin, joten lineaaristen ja epälineaaristen mallien välillä ei ole itse asiassa suurta eroa siinä, kuinka ne kuvaavat asioiden olennaisia luonnepiirteitä – ainoastaan matemaattisten mallien ratkaisumenetelmät eroavat toisistaan. Lineaarisissa malleissa käytetään analyyttisiä ratkaisuja, kun taas epälineaariset mallit vaativat ratkaisujen saamiseksi tietokoneella suoritettavia numeerisia menetelmiä. Molemmat voivat vain approksimoida iskulaiteen liikemallia, ja tarkempien kuvausmenetelmien saavuttamiseksi laskennallisen nestefysiikan kehittämistä tarvitaan edelleen.

On huomattava, että hydrauliikkaisen kallionmurtaimen teknologian kehittyessä, erityisesti hydrauliikka-pneumaattisten yhdistelmämurtaimien ja typpikaasuun perustuvien räjähtävien hydrauliikkamurtaimien ilmestyessä, hydrauliikkaisen kallionmurtaimen työaine ei ole enää pelkkää öljyä vaan myös kaasua; lisäksi typpikaasun käyttöönotto on entisestään lisännyt teoreettisen tutkimuksen vaikeutta ja monimutkaisuutta.

1.5.3 Hydraulisten kallionmurtojärjestelmien keskeisten komponenttien tutkimus

(1) Piston tutkimus

Iskupistoolin suunnittelun ja valmistuslaatu määrittävät suurelta osin iskulaitteen suorituskyvyn. Kiinalaiset tutkijat ovat tehneet tähän liittyvää merkittävää tutkimusta. Gezhouba-sähkövoimalaitoksen opettaja Meng Suimin kehitti lineaarisen mallin pohjalta dimensiotonta analyysiä käyttäen alustavan tutkimuksen pistoolin kimpoamisnopeuden vaikutuksesta hydraulisen kallionmurron toimintaparametreihin. Xiangtan Engineering Collegessa toimiva professori Liu Deshun esitti artikkelissaan ”Kallionporakoneen pistoolin kimpoamisnopeuden laskenta” aaltodynamiikan teorian perusteella ja kallionporaamisen toimintaperiaatteen analyysin pohjalta pistoolin kimpoamistilan arviointimenetelmän sekä kimpoamisnopeuden laskentakaavat kallionporaakoneille ja saavutti seuraavat johtopäätökset: ① Pistoolin kimpoamistila ja kimpoamisnopeus riippuvat pistoolin, porakärjen ja kiven ominaisuuksista, ja niiden vaikutukset eivät ole toisistaan riippumattomia vaan keskenään yhteydessä olevia. ② Mitä pienempi on kiven purkautumisjäykkyyskerroin, sitä suurempi on kimpoamisnopeus. Mitä pienempi on kallionporaakoneen ja kiven kuormituselementtejä kuvaava kerroin γ, sitä suurempi on kimpoamisnopeus. ④ Suhteellisen ihanteellisen kallionporaamistehokkuuden saavuttamiseksi iskulaitteen suunnittelussa ominaiskerroin γ tulisi säädellä välille 1 ≤ γ ≤ 2.

Teollisuus on vähitellen muodostanut joitakin pistonsuunnittelun ohjeita:

1) Piston tulisi olla pitkänomainen ja sen poikkileikkausmuutoksia tulisi vähentää tarpeettomia, jotta energiansiirron tehokkuus ja kirkkaimen käyttöikä parantuisivat.

2) Piston iskupinnan pinta-alan tulisi olla mahdollisimman yhtä suuri tai lähellä kirkkaimen takaosan pinta-alaa, ja sen tulisi olla varustettu tietyllä kartiomaisten osien pituudella, jotta iskuaaltojen siirtyminen parantuisi.

3) Piston täysi iskumatka ja yliskumatka eivät saa vahingoittaa tiivistysrakenteita molemmissa päissä.

4) Tyhjäammuntapadun mittoja ja jokaisen piston osan tiivistyspituutta on suunniteltava huolellisesti.

5) Materiaalin valinta on tehtävä oikein – piston materiaalin on oltava korkealaatuista mekaanisesti, sen pinnan kovuuden on oltava korkea, ytimen sitkeyden hyvä ja kulutus- sekä iskukestävyyden erinomainen.

6) Pistonin ja sylinterikunnan välinen kytkeytymisvälys tulisi määrittää kohtalaisesti, ottaen huomioon sekä vuototappiot että koneistustarkkuus. Yleensä pistonin ja sylinterikunnan välinen kytkeytymisvälys on 0,04–0,06 mm ja pistonin ja tukiholkkin välillä 0,03–0,05 mm.

(2) Jakoventtiilin tutkimus

Tällä hetkellä suurin osa hydraulisista kallionmurtojärjestelmistä käyttää paikantumapalautteella ohjattuja venttiilipohjaisia pistonsysteemejä ja saavuttaa korkeanopeuden takaisin- ja eteenpäin liikkuvan pistoliikkeen muuttamalla öljyn syöttömallia tietyssä iskulaiteen kammiossa. Vaikka tämä ohjausmuoto on suhteellisen yksinkertainen, sen siirtymäprosessi on suhteellisen monimutkainen. Venttiilin vaihtoprosessin aikana aika, nopeus, iskun pituus, öljyn kulutus ja muut parametrit muuttuvat vaiheittain, mikä voi vaikuttaa merkittävästi iskulaitteen suorituskykyyn. Tätä varten Liu Wanling ja muut Beijingin tieteellisen ja teknologisen yliopiston tutkijat suorittivat teoreettisia ja kokeellisia tutkimuksia hydraulisten iskujärjestelmien ohjausventtiilien ominaisuuksista, saavuttaen tutkittavan iskulaitteen venttiilin todellisen liikeurakan, paljastaen suuntaventtiilin liikkeen säännönmukaisuudet ja määrittäen ohjausventtiilin pääparametrit, jotka vaikuttavat iskulaitteen suorituskykyyn. Qi Renjun ja muut Keski-Etela-Kiinan yliopiston tutkijat suorittivat teoreettista analyysia venttiiliohjausprosessista sekä venttiilirakenteen ja -parametrien optimointitutkimuksia ja saavuttivat joitakin hyödyllisiä säännönmukaisuustuloksia; he keskittyivät mahdolliseen nopeussaturaatioon ja kavitaatioilmiöihin suuntaventtiilin korkeanopeudessa liikkuessa ja ehdottivat tehokkaita ratkaisuja, joissa venttiilin liukusätkyä ja iskun pituutta pienennetään ja öljynkuljetuskanavan halkaisijaa lisätään sopivasti. Liu Wanling ja Gao Lanqing Beijingin rauta- ja teräskorkeakoulusta tutkimuksessaan 'Hydraulisen kallionmurtojärjestelmän suuntaventtiilin dynaamisen ominaisuuden analyysi – simulointi ja kokeellinen tutkimus' käyttivät BASIC-ohjelmointia tutkiakseen venttiilin dynaamisten ominaisuuksien parantamista ja totesivat, että nollaylityksen avautumisen kasvaessa takakammion paine laskee nopeasti, iskutyö kasvaa, iskutaajuus laskee hieman ja iskulaitteen hyötysuhde paranee; kun nollaylityksen avautuminen on liian suuri, venttiilin olkapään tiivistyspituuden vähenemisen vuoksi venttiilin toiminta muuttuu epäluotettavaksi.

(3) Akkumulaattoritutkimus

Akku on tärkeä komponentti hydraulisessa kallionmurtaimessa, ja sen rakenne vaikuttaa suoraan koko laitteen suorituskykyyn. Siksi hydraulisen kallionmurtaimen suorituskyvyn tutkimisen yhteydessä on tehty myös tutkimusta akkuista. Vuonna 1990 japanilaiset tutkijat Takauchi Yoshio, Tanimata Shu ym. suorittivat kokeellista ja teoreettista tutkimusta ja käyttivät analyyttisen mallin perusteella tilayhtälöä saadakseen laskukaavan akun typen täyttötilavuudelle; he vahvistivat kokeellisesti kaavan oikeellisuuden ja tarjosivat teoreettisen perustan optimaalisen akun suunnittelulle. Vuonna 1986 Duan Xiaohong Pekingin tiede- ja teknologiayliopistosta käytti jakautuneen parametrin menetelmää korkeapaineisten kalvoakkujen dynaamisen mallin luomiseen ja analysoi sekä kokeellisesti että laskennallisesti akkujärjestelmän taajuusominaisuuksia, keskusteli akun ja hydraulisen kallionmurtaimen optimaalisesta kytkennästä ja huomautti, että iskulaite toimii optimaalisella alueella silloin, kun akun toisen harmonisen vasteen vaikutus järjestelmän painemuutoksiin dominoi energiatasolla. Vuonna 1986 keskisen eteläisen yliopiston He Qinghua-opettaja julkaisi artikkelin ’Hydrauliikkaiskumechanismien paluuvirtaus ja paluuvirtausakku’, jossa hän huomautti, että hydraulisen kallionmurtaimen toimintapaine riippuu pääasiassa sen liikkuvien osien hitausvoimasta; tämä on merkittävä ominaisuus, joka erottaa hydraulisen kallionmurtaimen tavallisista hydraulikoneista, joiden toimintapaine riippuu pääasiassa ulkoisesta kuormasta. Paluupaine muodostuu pääasiassa siitä hydraulisesta paineesta, joka syntyy öljyn kiihdyttyä, kun männät tai venttiilit tyhjentävät öljyä paluuputkeen; lisäksi huomautettiin, että koska iskulaitteen tyhjennysvirtaus eroaa öljyn virtauksen muutoksen mallista paluuputkessa, kavitaatio syntyy silloin, kun putkeen tuleva virtaus on pienempi kuin öljyn virtaus paluuputkessa. Inertiaalisen paluupaineen vähentämiseksi ja paluukavitaation poistamiseksi ehdotettiin hydrauliseen kallionmurtaimeen asennettavan paluuvirtausakkua, ja tästä johtuen esitettiin paluuvirtausakun parametrisuunnittelumenetelmä. Viime vuosina Pekingin tiede- ja teknologiayliopisto on tutkinut hydraulisen kallionmurtaimen akkujen dynaamisia kytkentäominaisuuksia, laatinut simulointiohjelmistopaketin HRDP ja saavuttanut tuloksia optimaalisen akun dynaamisten kytkentäominaisuuksien verifiointilaskelmissa.

(4) Tutkimus tyhjäammunnoilta suojaavista laitteista ja kirkkaimen kimpoamisenergian absorboijista

Koska hydraulisen kallionmurtojärjestelmän käytön aikana tapahtuu välttämättömiä vasaran kimpoamisia ja tyhjäammunta-ilmiöitä, vasaran kimpoamisenergian absorboinnin ja tyhjäammunnan estämisen laitteiden toimintasuorituskyky vaikuttaa suuresti hydraulisen kallionmurtojärjestelmän käyttöiän kestoon. Opettaja Meng Suimin tutkimuksessa 'Kallionporakoneen pistoolin kimpoamisnopeuden analyysi' analysoi järjestelmällisesti vasaran takaosan kimpoamisen tekijöitä ja tutki vasaran kimpoamisenergian absorbointimenetelmiä. Keski-Etelä-Kiinan yliopiston Liao Yide tutkimuksessa 'Hydraulisen kallionporakoneen tyhjäammunnan estävän vaimentimen teoria ja kokeellinen tutkimus' esitti matemaattisen mallin tyhjäammunnan vaimentumisprosessista ja suoritti simulointitutkimuksen. Tohtori Liao Jianyong tutkimuksessa 'Monitasoisten hydraulisten kallionporakoneiden suunnitteluteoria ja tietokoneavusteinen suunnittelu' suoritti tietokonesimuloinnin ja optimointisuunnittelun vasaran kimpoamisenergian absorbointilaitteille ja tyhjäammunnan estämislaiteille. Keski-Etelä-Kiinan yliopiston Liu Deshun väitöskirjassa 'Iskumechanismien aaltodynamiikka-tutkimus' sovelsi aaltodynamiikan teoriaa, johti jokaisen iskumechanismin osan kimpoamisnopeuden laskentakaavat ja huomautti, että kimpoamisenergiaa voidaan hyödyntää järkevällä iskumechanismin osien suunnittelulla. Keski-Etelä-Kiinan yliopiston hydrauliikkakoneiden tutkimuslaitos kehitti kaksitasoisen tyhjäammunnan vaimentimelaiteen, joka hyödynsi täysin vasaran kimpoamisenergian absorbointilaitteen kapasiteettia – luovaa tutkimustulosta.

1.5.4 Taajuuden säätöä, energian säätöä ja ohjausteknologiaa koskeva tutkimus hydraulisille kallionmurtojärjestelmille

Hydraulisten kallionmurtojärjestelmien teknologian kehittyessä kenttätyössä on esitetty uusia vaatimuksia hydraulisille kallionmurtojärjestelmille. Tuotannon tehokkuuden tehokkaaseen parantamiseen vaaditaan, että hydraulisen kallionmurtojärjestelmän iskunenergia ja iskutaajuus voivat muuttua kallion ominaisuuksien mukaan. Toisin sanoen, kun otetaan huomioon kuljetinkoneen asennettu teho mahdollisimman täydellisesti, kovemman kallion tapauksessa hydraulinen kallionmurtojärjestelmä tuottaa suuremman iskunenergian ja alhaisemman iskutaajuuden; päinvastoin se tuottaa pienemmän iskunenergian ja korkeamman iskutaajuuden, mikä mahdollistaa korkeamman tuotannon tehokkuuden. Edellä mainittujen tavoitteiden saavuttamiseksi on tehty laajaa tutkimusta sekä kotimaassa että ulkomailla.

Teoreettisen tutkimuksen mukaan hydraulisten kallionmurtojärjestelmien tulostetta (iskuenergiaa ja taajuutta) voidaan pääasiassa säätää kolmella tavalla: ① virtauksen säätö; ② iskunpituuden säätö; ③ takaisinkytkentäpaineen säätö. Tällä hetkellä suurin osa kotimaisista ja ulkomaisista hydraulisista kallionmurtojärjestelmistä on varustettu vain yhdellä kiinteällä iskunpituudella, mikä tarkoittaa, että niiden tuloste ei ole säädettävissä. Tietenkin, jos tällaisia hydraulisia kallionmurtojärjestelmiä käytetään virtauksen säätämiseen tulosteen säätämiseksi, vaikka se olisi teoriassa mahdollista, se ei kuitenkaan ole käytännössä toteuttamiskelpoinen. Tämä johtuu siitä, että virtauksen muutokset aiheuttavat sen tulosteparametrien samanaikaisia muutoksia, jolloin riippumaton säätö ei ole mahdollista.

Vaikka joitakin kotimaisia ja ulkomaisia valmistajia ovat suunnitelleet ja tuottaneet iskunpituutta säädettäviä hydraulisia kallionmurtoja, niitä ei käyttäjät ole hyväksyneet, koska ne perustuvat jäykän rakenteen vaiheittaiseen säätöön, mikä tekee niistä erittäin epämukavia käyttää ja antaa heikkoja tuloksia. Iskunpituuden takaisinkytkentäjakaumassa lähtötyöparametrejä säädellään pääasiassa muuttamalla järjestelmän syöttövirtausta tai lisäämällä useita takaisinkytkentäsignaalireikäjä, joita ohjaamalla kunkin reiän avautumista ja sulkemista säädellään pistoolin iskunpituutta, mikä puolestaan muuttaa hydraulisen kallionmurron iskuenergiaa ja iskutaajuutta. Esimerkiksi Ruotsissa tuotettu Atlas-Copcon kolmen nopeuden hydrauliikka-kallionmurto. Keski-Etelä-Yliopiston YYG-sarjan automaattisesti vaihtelevat hydrauliset kallionmurrot — rakenteellisten rajoitusten vuoksi tämä periaate mahdollistaa ainoastaan vaiheittaisen säädön hydraulisen kallionmurron työparametreille, ja koska iskujärjestelmän paine ja virtaus ovat toisiinsa verrannollisia neliössä, iskuenergian ja iskutaajuuden samanaikainen kasvattaminen aiheuttaa hyvin suuria muutoksia kuljetinkoneen teholle, mikä rajoittaa hydraulisen kallionmurron työalueen laajentumista ja työtehokkuutta. Japanin Akita-yliopiston professori Takashi Takahashi kuvasi artikkelissaan iskunpituuden muuttamista siirtämällä takaisinkytkentäsignaaliportin sijaintia. Kokeet osoittivat, että kun pistoolin iskunpituutta kasvatettiin 10 %, iskutaajuus laski 8 %, mutta iskuenergia nousi 12 %, mikä paransi työtehokkuutta ja tarjosi teoreettista ja kokeellista näyttöä iskunpituutta säädettävien hydraulisten kallionmurtojen suunnittelulle. Keski-Etelä-Yliopiston He Qinghua-opettaja teoksessaan »Tutkimus iskunpituutta säädettävistä hydraulisista iskukoneista« vertaili useita vaihteiden vaihtotapoja ja analysoi teoreettisesti iskunpituutta säädettävien hydraulisten iskulaiteiden eri työparametrien ja vaihteiden iskunpituuden välisiä suhteita; tuloksilla on ilmeinen ohjaava merkitys vaihtelevien hydraulisten kallionmurtojen suunnittelulle ja käytölle. Tässä kirjassa esitetään käsitteet työparametrien riippumattomasta ja vaiheettomasta säädöstä painetakaisinkytkentäperiaatteen perusteella, ja tähän periaatteeseen perustuva uusi hydraulinen kallionmurto on jo tuotu markkinoille. Se säätää pääasiassa iskulaitteen yksittäistä iskuenergiaa ohjaamalla pistoolin takaisinpuristuspaineen suuruutta; samalla muuttuvan pumpun virtauksen ohjaamisella säädellään vaiheettomasti iskulaitteen taajuutta, jolloin iskuenergia ja iskutaajuus voidaan säätää toisistaan riippumatta ja vaiheettomasti suhteellisen laajalla alueella, kun taas kuljetinkoneen tehon muutokset pysyvät pieninä. Teoreettisen tutkimuksen, rakennesuunnittelun ja ohjausmenetelmien osalta tämän uuden hydraulisen iskukoneen suhteen tekijät ovat tutkineet hydraulisia iskulaiteita, joissa iskuenergia ja iskutaajuus voidaan säätää riippumattomasti ja vaiheettomasti. Tohtori Zhao Hongqiang tohtorinväitöskirjassaan »Uuden tyyppisen hydrauliikkakivenmurskaimen tutkimus riippumattomalla vaiheettomalla säätöohjauksella« rikkoi perinteisen hydraulisten kallionmurtojen iskunpituuden takaisinkytkentäohjausmenetelmän, otti käyttöön painetakaisinkytkentä- ja muuttuvan pumpun virtausohjausmenetelmät ja saavutti näin riippumattoman vaiheettomän säätöohjauksen hydraulisen kallionmurron iskuenergiassa ja iskutaajuudessa. Ding Wensi tohtorinväitöskirjassaan käytti murskaajan takaosan typpipainetta ohjausmuuttujana ja teki laajaa työtä korkean nopeuden kytkentäventtiileillä ohjattavista pakotettujen jakelujen murskaajista, saavuttaen riippumattoman taajuuden säädön ja energiansäädön murskaajille. Zhang Xin teoksessaan »Uuden tyyppisen painetakaisinkytkentähydrauliikkaiskulaitejärjestelmän tutkimus kone-elektroniikan integraation avulla« käytti yksiprosessorista mikrotietokonetta ohjattavia korkean nopeuden kytkentäventtiilejä iskulaitteen mikrotietokoneohjauksen toteuttamiseksi. Yang Guoping tohtorinväitöskirjassaan »Puhtaasti hydrauliikkaan perustuvan riippumattoman vaiheettoman taajuuden säädön ja energiansäädön hydrauliikkaiskukoneen tutkimus« ehdotti älykkäätä iskulaitea, jossa käytetään puhtaasti hydrauliikkaan perustuvaa ohjausratkaisua, joka mahdollistaa hydraulisen kallionmurron iskuenergian ja iskutaajuuden vaiheettoman säädön ohjausventtiilin käsikahvalla.

1.5.5 Hydrauliikkaisen kallionmurtoiskurin simulointiteknologian nykytila

Tuotesuunnittelun ja -kehityksen näkökulmasta mekanismien dynaamisten ominaisuuksien tutkimus on parhaiten tehtävissä tuotteen kehitys- ja suunnitteluvaiheessa. Hydrauliikkisten ohjausjärjestelmien dynaamisen vastauksen simulointi on ollut aina alaa, jota hydrauliikkateollisuus on jatkuvasti tutkinut, ja se on myös yleisesti käytetty menetelmä ohjausjärjestelmien dynaamisten vastauksen ominaisuuksien tutkimiseen.

Hydrauliisen kallionmurtaimen erityinen toimintatapa määrittää, että dynaamisen simulointianalyysin ja testauksen on toimittava mekanismien teoreettisen suunnittelun ja kehityksen perusedellytyksenä. Tietokoneiden ilmestyttyä este, joka aiheutui siitä, että tarkkoja tai luotettavia tuloksia mekanismien liikeominaisuuksista saatiin ainoastaan tuotetestauksen avulla, poistui. Tutkijat alkoivat käyttää erilaisia menetelmiä matemaattisten mallien luomiseen, joissa kuvataan hydrauliista värähtelyä ja iskukonetta, analysoidakseen hydrauliisten kallionmurtaimien parametrimuutoksia simulointiteknologian avulla sekä käyttääkseen virtuaaliprototyyppiteknologiaa iskukoneiden liikeprosessien simulointiin. Kun suunnittelutulokset on määritetty, mekanismin liikettä voidaan ymmärtää selkeästi ja lasketaan asiaankuuluvat suorituskykyparametrit, mikä tarjoaa hyvän tavan lyhentää uusien tuotteiden kehityskaaria, optimoida suunnittelua ja suorittaa dynaamisia suorituskykyanalyyssejä.

1960- ja 1970-luvuilla ulkomaiset tutkijat alkoivat käyttää digitaalisia tietokoneita iskukoneiden simulointityöhön. Nämä työt ottavat etu- ja takakammioiden paineen muuttujana, laskevat nesteen virtauksen kunkin portin kautta sisään ja ulos ja korjaavat tuloksia virtauskertoimilla; soveltavat sitten kaasun tilayhtälöä ja energiatasapainoyhtälöä sekä muodostavat mikrodifferentiaaliyhtälöt, jotka kuvaavat akkumulaattorin ja pistoni tilan muutoksia; tekevät tietyt approksimaatiot venttiililiikkeestä ja käyttävät numeerisen ratkaisun saamiseksi äärellisten erotusten menetelmää. Simulointitulokset, erityisesti suorituskykyparametrit, olivat hyvin lähellä mitattuja arvoja, ja tulokset olivat tyydyttäviä. Japanissa tutkijat keskittyivät enemmän tietokonemallien luomiseen tiettyjä hydraulisia kallionmurtoja varten tutkimusta varten sekä kokeellisista mittauksista saatujen parametrien ottamiseen simulointiin hydraulisten kallionmurtojen rakenteellisten parametrien, iskuparametrien ja suorituskyvyn optimointia varten, jolloin saatiin selville vastaavan hydraulisen kallionmurron optimaalinen paluuöljyportin pinta-ala, optimaalinen akkumulaattorin täyttötilavuus ja takakammiota kuormittava pinta-ala. Simuloitaessa japanilaiset tutkijat kiinnittivät enemmän huomiota simulointitulosten ja kokeellisten testitulosten vertailuun sekä korjasivat tietokonemalleja testitulosten perusteella. Sandvik-yhtiö otti huomioon iskupistoni muodon vaikutuksen energiansiirtoon ja suunnitteli sekä kehitti tähän alaan tietokonesimulointiohjelman. Tätä ohjelmaa käyttäen: ① voidaan simuloida iskun jokaisen osan energiansiirto-prosessia; ② voidaan simuloida eri suunnitteluratkaisuja jokaiselle järjestelmän komponentille; ③ voidaan simuloida erilaisten iskukohteiden olosuhteissa eri suunnitteluratkaisujen vaikutusta energiansiirtoon. Sandvikin tietokoneohjelma ei ainoastaan varmista optimaalisimmin tuotteiden valmistamisen, vaan se myös mittaa ja ymmärtää kaikkien parametrien vaikutusta iskujärjestelmään sekä tiettyjen parametrien muutosten vaikutusta tehokkuuteen ja tarjoaa sen käyttäjille käytännöllisenä ja tehokkaana laskentatyökaluna.

1980-luvun jälkeen kotimaiset tutkimukset simulointiteknologiasta ja sen sovelluksista myös alkoivat. Kiinalaiset tutkijat Tian Shujun, Chen Yufan ja muut kehittivät matemaattisia malleja omien menetelmiensä avulla. Tian Shujun ja muut käyttivät teho-bond-graafitekniikkaa – edistynyttä dynaamisen mallinnuksen menetelmää – yhdistettynä tila-avaruusanalyysimenetelmiin ja suorittivat pääasiassa dynaamisen simulointiohjelmiston kehittämistä liukusulkupohjaisille hydraulisille kallionmurtojärjestelmille. Tässä tutkimuksessa tutkittiin hydraulisten kallionmurtojärjestelmien dynaamisen simuloinnin mallinnusta ja ohjelmointia, mikä tarjosi menetelmän ja lähestymistavan monille myöhempille simulointiohjelmoijille. Esimerkiksi Pekingin tieteellisen ja teknologisen yliopiston professori Zhou Zhihong ohjasi opiskelijoitaan Yan Yong ja muita käyttämään teho-bond-graafeja hydraulisten kallionmurtojärjestelmien pistoneiden, suuntaventtiilien sekä eri hydraulisten virtayhtälöiden ja kaasutilayhtälöiden dynaamisten yhtälöiden muodostamiseen; tämän jälkeen he laativat tietokonekielisiä simulointiohjelmia analysoimaan kallionmurtojärjestelmän tärkeimpiä tilamuutoksia, kuten etu- ja takakammion painetta, virtausta, pisteen siirtymää ja nopeutta, mikä tarjosi alustan lisätutkimuksille hydraulisen kallionmurtojärjestelmän parametrien muutosten vaikutuksesta sen suorituskykyyn. Tietokoneiden ja ohjelmistoteknologian nopean kehityksen myötä Matlab- ja AMEsim-ohjelmistoja on sovellettu hydraulisten kallionmurtojärjestelmien mallinnukseen ja simulointiin, mikä on tarjonnut teoreettista tukea uusien mallien tutkimus- ja kehitysprosessien lyhentämiseen sekä suunnittelulaatutason parantamiseen.

1.5.6 Kokeelliset tutkimusmenetelmät

Koe on perustavanlaatuinen keino, jolla ihmiset tunnistavat luonnon ja muokkaavat objektiivista maailmaa – kokeen avulla havaitut ilmiöt ja mitatut tiedot tiivistetään ja abstrahoidaan, sisäiset yhteydet ja säännönmukaisuudet selvitetään, ja teoria muodostetaan. Koe on teorian lähtökohta; koe on ainoa tuomari, joka voi vahvistaa teorian.

Hydrauliisen kallionmurtaimen iskusuorituskyvyn parametrit ovat tärkeä mittari sen suunnittelun, valmistustason ja laadun arvioimiseksi. Pääparametrit voidaan kaikki mitata kokeellisin menetelmin, ja tulokset esitetään tiedon, käyrien tai kaavioiden muodossa. Suorituskyvyn varmistaminen perustuu pääasiassa iskunenergian, iskutaajuuden, järjestelmän paineen ja virtaaman mittaamiseen. Nämä parametrit mitataan tällä hetkellä eri menetelmillä, joita ei ole yhtenäistetty kansainvälisiksi kokeellisiksi standardeiksi. Tällä hetkellä yleisesti käytetyt hydrauliisen kallionmurtaimen iskusuorituskyvyn testausmenetelmät ovat: jännitysaaltomenetelmä, valo-optinen siirtymäeromenetelmä, sähkömagneettinen induktiomittausmenetelmä, kosketusmenetelmä, korkean nopeuden kuvaus, indikaattorikaavio-menetelmä ja energiamenetelmä jne.

Jännitysaaltomenetelmä on menetelmä iskunenergian mittaamiseksi mittaamalla kirkkaimen pinnalla syntyvää jännitysaaltoa, kun iskupistoni osuu kirkkaimen päähän. Valosähköinen menetelmä perustuu valosähköiseen muuntoperiaatteeseen; valosähköisen anturin avulla mitataan suoraan iskupiston sijaintia saadakseen pistoni liikepoikkeaman ja laskettakseen sen perusteella iskulaiteen eri suorituskykyparametrit. Valosähköinen menetelmä, joka on kosketukseton testausmenetelmä, soveltuu erinomaisesti iskukoneisiin, kuten hydraulisiin kallionmurtoihin, joissa on pitkä pistoniiskumatka, suuri halkaisija ja korkea nopeus. Sähkömagneettinen induktiomenetelmä käyttää iskupistoniin asennettua magneettitankoa ja koteloon asennettua kierrekelaa sisältävää sähkömagneettista induktioanturijärjestelmää; kelan leikatessa magneettikentän viivoja syntyy induktiojännite, kun magneettitanko liikkuu edestakaisin pistoni mukana, ja pistoni liikenopeus saadaan induktiojännitteen ja iskunopeuden kalibrointisuhteen perusteella, mistä edelleen lasketaan pistoni iskunenergia.

Kontaktimenetelmä on menetelmä iskunenergian laskemiseen käyttäen pistonaan iskettävän kohteen lopullista nopeutta. Kallionmurtoaineksen suorituskyvyn testauksessa yllä mainitut neljä menetelmää ovat suhteellisen yleisiä; muita menetelmiä ei käytetä käytännössä juurikaan joko toiminnallisesti monimutkaisten ja kalliiden menetelmien vuoksi tai siksi, että ne eivät kuvaa täysin pistonaan liiketilaa.

On huomattava, että edellä mainittu jännitysaaltomenetelmä soveltuu ainoastaan pienten iskunenergioiden vaativien iskulaitteiden testaamiseen, kuten hydraulisten kallionporakoneiden ja ilmapaineisiin työkaluihin, mutta suurien iskunenergioiden omaavien hydraulisten kallionmurtojen testaaminen on siinä vaikeampaa. Erityisesti jännitysaaltoja tutkivien tutkimusyksiköiden testauskapasiteetti on yleensä pieni, eikä se riitä suurten hydraulisten kallionmurtojen testaamiseen; lisäksi sisällä suoritettavasta testauksesta aiheutuva melu ja värinä eivät ole hyväksyttäviä. Koskee kosketusmenetelmää: vaikka sen asennus on yksinkertainen, tulokset eivät ole riittävän tarkkoja, eikä sitä voida siksi laajentaa käyttöön. Ainoastaan elektromagneettinen induktiomenetelmä hydraulisten kallionmurtojen testaamiseen katsotaan kaikilta osin kattavaksi: sitä voidaan käyttää sekä pienenergistä hydraulista kallionporakonetta että suuria, korkean iskunenergian omaavia hydraulisia kallionmurtoja varten; se mittaa suoraan pisteen liikevauhtikäyrää, mikä mahdollistaa pisteen siirtymän ja kiihtyvyyden määrittämisen, ja tämä on erinomaisen hyödyllistä niille, jotka tutkivat pisteen liikekuvioita. Ainoa heikkous on se, että magneettitanko vaurioituu helposti korkeataajuisten pisteen värähtelyjen vaikutuksesta.

Dr. Ding Wensi Keski-Etela-Yliopistosta väitöskirjassaan "Uuden tyyppisen paine-palautteen käyttävän typpiä räjäyttävän kone-sähköintegroidun hydrauliikkakivinmurtimen järjestelmän tutkimus" esitti uuden menetelmän iskulaiteen tulostusparametrien mittaamiseen — kaasupainemenetelmän. Tässä menetelmässä käytetään painesensoria mittaamaan pisteen liikkeen aikana aiheutuvaa vaikutusta suljetun typpikammion paineeseen, joka on asennettu pisteen takaosaan, ja tietokoneen avulla määritetään pisteen matka ja liikkeen nopeus, jolloin saadaan selville kaksi iskulaiteen tärkeintä tulostusparametria — iskunenergia ja iskutaajuus. Perinteisiin mittausmenetelmiin verrattuna kontaktiton kaasupainemenetelmä tarjoaa edut: vahva värähtelynsietokyky, vähäinen valmistelutyö, iskunenergian ja -taajuuden samanaikainen mittaaminen, helppo kalibrointi, pieni iskuparametrien virhe ja korkea tarkkuus. Sitä voidaan käyttää sekä laboratoriotuotteiden mittaus- ja tunnistusmenetelmänä että helposti varsinaisessa työssä suoritettavaan verkkomittaukseen. Sitä on käytetty Jingye-yhtiön hydrauliikkatestiohjelmassa ja se on otettu mukaan teollisuusstandardiin "Hydrauliikkakivinmurtimet".

1.5.7 Värähtelyn, melun ja ohjauksen tutkimus

Lisäksi iskunenergian, iskutaajuuden ja massan lisäksi hydraulisten iskukoneiden suorituskyvyn mittausindikaattoreihin kuuluvat myös melutaso, koneen rungon värähtely ja energian hyötykäyttöaste, jotka ovat tärkeitä kokonaissuorituskyvyn arvioinnin näkökohtia. Ympäristötietoisuuden kasvaessa kehittyneet maat ovat asettaneet yhä tiukempia rajoituksia laitteiden melutasolle. Markkinoiden vaatimusten mukautumiseksi hydraulisten iskukoneiden melu ja värähtely sekä pölyn tukahduttaminen muodostavat vähitellen tärkeitä liiketoimintakilpailun indikaattoreita; niiden hallintatekniikka on nyt tärkeä tutkimusaihe. Eri maiden tutkijat tutkivat kysymystä rakenteellisesta ja materiaalillisesta näkökulmasta; rakenteellisesti värähtelyn ja melun hallintaan käytetään esimerkiksi sisäisiä suojaputkia, hiljennyslaitteita tai värähtelyn vaimentavia teräslevyjä sisältäviä kerrosrakenteita. Krupp-yritys on varustanut kaikki keski- ja pienikokoiset tuotteensa äänenvaimentavilla materiaaleilla. Rammer-yritys asentaa uusiin kehitelmiinsä korkeapaineisia vesipumppuja ja sumutusruiskuja pölyn vähentämiseksi. Lisäksi sensoritekniikkaa käytetään hydraulisten kallionmurtojen tarkkaan sijoittamiseen, automaattiseen reiän poraukseen, kirkkaiden pysäyttämiseen ja takaisinvedtoon sekä työkohdetta vastaavan iskunenergian ja iskutaajuuden automaattiseen säätöön jne.