Suunnittelulaskelmien teoreettinen perusta

2.3 Suunnittelulaskelmien teoreettinen perusta

2.3.1 Pisteen liikkeen analyysi

Hydraulisen kallionmurton suunnittelu tarkoittaa rakenteellisten parametrien laskemista siten, että ne täyttävät suunnitteluspesifikaation määrittelemät suoritusvaatimukset. Näillä rakenteellisilla parametreillä hydraulinen kallionmurtaja saavuttaa vaaditun iskunenergian ja iskutaajuuden.

On korostettava erityisen voimakkaasti, että hydraulinen kallionmurtaja tuottaa iskunenergian ja iskutaajuuden pisteen edistävän ja taantuvan liikkeen avulla kiinteällä iskumatkalla. S sylinterikappaleen sisällä. Tämän kiinteän iskun aikana liukusätkä liikkuu jatkuvassa sykliä: paluuiskun kiihtyminen → paluuiskun hidastuminen (jarrutus) → paluuiskun nopeus laskee nollaan → työiskun kiihtyminen → saavuttaa iskupisteen maksiminopeudella v _m → osuu kirkkaimen takaosaan (tuottaa iskunenergiaa) → pysähtyy ja aloittaa seuraavan syklin. Tätä kiinteää iskua S kutsutaan liukusätkän iskuksi; se on tärkeä perusta sylinterikappaleen mittojen määrittämiselle.

Liukusätkä liikkuu edestakaisin sylinterikappaleen sisällä. Iskupisteestä lähtien se kiihtyy paluuiskulla saavuttaakseen suurimman paluuiskun nopeuden v _mo , jonka jälkeen se alkaa hidastua venttiilin vaihtumisen vuoksi; nopeus laskee nopeasti v _mo nollaan — pistoni pysähtyy yläkuolinkohdassa. Piston kulkema matka kutsutaan paluuliikkeeksi. Tässä vaiheessa, koska venttiili on edelleen alkuperäisessä asennossaan, pistoni alkaa kiihtyä voimaliikkeessä, kunnes se osuu iskupisteeseen. Kun pistoni koskettaa kirkkaimen takaosaa, sen nopeus on saavuttanut maksimiarvonsa — tämä kutsutaan pistoniin liittyväksi maksimi-iskunopeudeksi v _m . Piston kulkema matka yläkuolinkohdasta kirkkaimen takaosaan kutsutaan voimaliikkeeksi. Selvästi paluuliike ja voimaliike ovat yhtä pitkiä.

Hydrauliikkaisen kallionmurtojärjestelmän suunnitteluteorian syvällisempää tutkimista varten on hyödyllistä ymmärtää ensin pistoniin liittyvä nopeus, eri kammioihin kohdistuvat paineet sekä virtausjakautuma ja sen muutokset käytön aikana. Käytön aikana työparametrien muutosten syyt ja suunnat esitetään kuvassa 2–4.

p ₀on akkumulaattorin typpi-esilatauspaine; Q:n on pumppun kiertopumpun toimittama virtaus hydrauliikkaiseen kallionmurtojärjestelmään; Q:n ₁on akkumulaattorin imuvirtaus (+) ja puristusvirtaus (−); Q:n ₂on pisteen etukammion imuvirtaus (+) ja puristusvirtaus (−), jossa Q:n = Q:n ₁ + Q:n ₂. Q:n ₃on pisteen takakammion imuvirtaus (+) ja puristusvirtaus (−); p on järjestelmän paine.

Kuva 2–4 esittää pistettä paluuliikkeen alussa. Pumppuvirtaus Q:n tulee järjestelmään; osa siitä ( Q:n ₂) tulee pisteen etukammioon ja ajaa sen paluuliikettä, kun taas takakammio purkaa öljyä säiliöön ( Q:n ₃); toinen osa ( Q:n ₁) tulee akkumulaattoriin ja puristaa typpeä, joten järjestelmän paine p alkaa akkumulaattorin esilatauspaineesta p ₀ja nousee jatkuvasti, kun Q:n ₁virtaa sisään. Hydrauliikkaisen kallionmurtojärjestelmän liike, joka perustuu pisteen työtilaan, voidaan yleensä jakaa kolmeen vaiheeseen, jotka kuvaillaan seuraavassa:

(1) Pisteen paluuliikkeen kiihtyminen

Piste aloittaa paluuliikkeensä iskupisteestä. Kun pumppu injektoi jatkuvasti nestettä, järjestelmän paine p ↑ → pisteen nopeus v ↑ → Q:n ₂↑ → Q:n ₁↓ → Q:n ₃↑, ja öljyä jatkaa poistumista säiliöön. Koska pisteen nopeus v ↑ → Q:n ₂↑ → Q:n ₁↓, kunnes Q:n ₁= 0. Tämän ajanjakson ominaisuus on v ↑ ja p ↑. Kun Q:n ₁= 0, ilmestyy käännepiste: paine p ei enää kasva, mutta pisteen nopeus jatkaa kasvua (koska pisteen paluuliikkeen ajovaikutus on edelleen olemassa). Tämän käännepisteen jälkeen, koska v ↑, pumppun virtaus Q:n ei enää pysty täyttämään pisteen liikkeen vaatimaa virtausta, eli Q:n ₂ > Q:n . Pisteen etukammion virtaustarpeen täyttämiseksi akkumulaattorin on nyt tyhjennettävä öljyä täydentääkseen pumppun puutetta. Virtatasapainoperiaatteen mukaan Q:n ₂ = Q:n + Q:n ₁; tällöin Q:n ₁on akkumulaattorista virtaava ja pisteen etukammioon tuleva virtaus, kunnes v ↑ kohti v = v _mo , venttiili vaihtaa asentoa ja työntäjä siirtyy paluuliikkeen hidastumisvaiheeseen.

(2) Työntäjän paluuliikkeen hidastuminen

Paluuliikkeen aikana, koska työntäjän etupäätä on kulkenut takaisinkytkentäaukon ohi, venttiili vaihtaa asentoa ja kääntää työntäjään kohdistuvan voiman suunnan; ajovoima kohdistuu työntäjään vastakkaiseen suuntaan, ja työntäjä alkaa hidastua, kunnes v = 0. Paluuliike on nyt valmis; työntäjä on saavuttanut yläkuolopisteen ja kulkenut koko iskun matkan S , ja on valmis aloittamaan työiskun.

(3) Työntäjän työisku

Kun työntäjän nopeus laskee arvoon v = 0, työntäjään kohdistuva voima kääntyy, jolloin työntäjän nopeus v myös kääntyy, muuttuen '+'-merkistä '−'-merkiksi. Työntäjä alkaa sitten kiihtyä työiskun aikana kääntyneen voiman vaikutuksesta. Työiskun kiihdytysvaiheen alussa työntäjän nopeus lähtee arvosta v = 0, jolloin työntäjän öljynkulutus Q:n ₃= 0; kaikki pumppujen purkut Q:n virtaavat akkumulaattoriin, Q:n ₁ = Q:n , Q:n ₂= 0. Kun voimaviestin nopeus v ↑ → Q:n ₃↑ → Q:n ₁↓ → Q:n ₂(−)↑. Tässä on huomattava, että koska etukammion pinta-ala A ₂on pienempi kuin takakammion pinta-ala A ₁, virtatasapainoperiaatteen mukaan täytyy olla Q:n ₃ = Q:n ₂ + Q:n − Q:n ₁, jossa v ↑ ja Q:n ₁↓, kunnes Q:n ₁= 0. Tämä tarkoittaa, että v ↑; tällöin kaikki pumppujen purkut Q:n syötetään kokonaan pistoolin takakammioon, ts. Q:n ₃ = Q:n , Q:n ₁= 0, mutta pistoolin nopeus v ei ole vielä saavuttanut maksiminopeutta v _m . Piston kiihtyvyys jatkuu; pumppun virtaus Q:n ei enää pysty täyttämään kysyntää, joten akkumulaattori alkaa täydentää virtausta, eli Q:n ₃ = Q:n + Q:n ₁(−), kunnes piston osuu vasarapäähän maksiminopeudella v _m . Törmäyshetkellä pisteen nopeus muuttuu äkisti v = 0, ja piston tuottaa iskunenergiaa L ulkopuolelle, mikä täyttää yhden työkierroksen.

Koska akkumulaattorin sisään-/ulosvirtaus Q:n ₁muuttuu, myös järjestelmän paine p muuttuu vastaavasti. Kun akkumulaattoria ladataan, Q:n ₁= '+', järjestelmän paine p ↑; kun akkumulaattori purkautuu ulospäin, Q:n ₁= '−', järjestelmän paine p ↓. Toisin sanoen hydraulisen kallionmurtaimen toimintaprosessiin liittyy aina järjestelmän paineen muutoksia. Kun akkumulaattoriin on täytetty eniten öljyä, järjestelmän paine on korkeimmillaan. Kun työntöpää on saavuttanut iskupisteen, akkumulaattori on purkautunut eniten öljyä — tämä on hetki, jolloin järjestelmän paine on alhaisimmillaan. Siksi hydraulisen kallionmurtaimen käynnistymisestä sen vakiotilanteeseen pääsemiseen järjestelmän työpaine p vaihtelee aina maksimipaineen p _max ja minimipaineen p _min välillä, eikä sitä voida millään tavalla pitää vakiona ja muuttumattomana. Kuva 2-5 esittää kaikkien järjestelmän parametrien vaihtelua hydraulisen kallionmurtaimen toimiessa.

Kuva 2–5 Järjestelmäparametrien vaihtelu hydraulisen kallionmurtaimen toiminnan aikana [Selite: varjostettu = akkumin lataus; ruutuvarjostettu = akkumin purku; valkoinen = pistoolin öljyn kulutus]

Yllä kuvattu työprosessi osoittaa, että työparametrien vaihtelu on melko monimutkainen – kyseessä on epälineaarinen järjestelmä. Tämä aiheuttaa merkittäviä vaikeuksia syvälliselle teoreettiselle analyysille ja tutkimukselle. Itse asiassa tämä on yksi tärkeimmistä syistä, miksi hydraulisten kallionmurtaimien teoreettinen tutkimus on jäänyt tuotekehityksen taakse.

2.3.2 Teoreettisen tutkimuksen nykytila

Tutkijat ympäri maailmaa ovat yleisesti ottaen käyttäneet kahta eri teknistä lähestymistapaa hydraulisten iskulaiteiden (hydraulisten kallionmurtaimien) teoreettiseen tutkimukseen: lineaarisen järjestelmäteorian perusteella tehtävää tutkimusta ja epälineaarisen järjestelmäteorian perusteella tehtävää tutkimusta.

1) Lineaarisen järjestelmäteorian perusteella tehty tutkimus olettaa, että männän kohdistuva voima on vakio, männän nopeus kasvaa lineaarisesti tasaisella tahdilla ja tietyt vaikutustekijät jätetään huomiotta; tähän perustuen rakennetaan teoreettiseen tutkimukseen lineaarinen matemaattinen malli. Tämä tutkimusmenetelmä on selvästi yksinkertainen ja kykenee ratkaisemaan joitakin käytännön ongelmia, mutta se ei ole kovin tarkka ja sisältää merkittäviä virheitä.

2) Epälineaarisen järjestelmäteorian perusteella tehty tutkimus käyttää korkean asteen epälineaarisia differentiaaliyhtälöitä kuvaamaan hydraulisen kallionmurton liikemallia ja kuvaa tarkemmin hydraulisen kallionmurton männän kinematiikkaa ja dynamiikkaa. Tämä epälineaarinen tutkimus on tarkempi kuin lineaarinen tutkimus, mutta se perustuu edelleen joillekin oletuksille. Vaikka se pystyy kuvaamaan tarkemmin joitakin hydraulisen iskun fysikaalisia ilmiöitä, sen ratkaiseminen on vaikeaa, tulosten tulkinta ei ole helppoa ja se tuottaa vain numeerisia ratkaisuja tietokoneella laskettuna, mikä tekee siitä käytännössä hankalan käyttää.

Näiden kahden lähestymistavan lisäksi kirjoittajat esittivät monien vuosien omistautuneen tutkimuksen jälkeen Abstraktin muuttujan suunnitteluteorian hydraulisille kallionmurtojärjestelmille (hydrauliikkaiset iskumekanismit). Abstraktin muuttujan suunnitteluteorian avulla voidaan löytää analyyttisiä ratkaisuja hydraulisille kallionmurtojärjestelmille, mikä mahdollistaa hydraulisten kallionmurtojärjestelmien liikkeen sisäisten säännönmukaisuuksien syvällisen paljastamisen ja tarjoaa teoreettisen perustan käyttäjien tekniselle innovaatiolle.

Hydrauliikkakivinmurtaimen tutkimusmenetelmä abstraktien muuttujien suunnitteluteorian perusteella: tunnustetaan hydrauliikkakivinmurtaimen toimintaparametrien epälineaarisuus, mutta käytetään ekvivalenttisen voiman muunnosta epälineaarisen järjestelmän lineaarisointiin, jotta sitä voidaan tutkia lineaaristen järjestelmien menetelmin ja saada analyyttisiä ratkaisuja. Tällä menetelmällä saadut hydrauliikkakivinmurtaimen toimintaparametrit ja rakenneparametrit ovat varsin tarkkoja, ja laskenta on yksinkertaista. Hydrauliikkakivinmurtaimen abstraktien muuttujien suunnitteluteoria käsitellään erityisesti myöhemmissä luvuissa.