Aperçu des recherches théoriques sur les brise-roches hydrauliques

1.5 Aperçu des recherches théoriques sur les brise-roches hydrauliques

Pendant le fonctionnement d’un brise-roche hydraulique, la pression de l’huile dans la chambre de travail commute à haute fréquence sous le contrôle de la valve de distribution ; les caractéristiques du fluide dans le circuit hydraulique ne peuvent pas être simplement analysées selon la théorie de la transmission hydraulique, et une analyse fondée sur la théorie des vibrations hydrauliques s’impose. La force agissant sur le piston et sur le burin passe de zéro à plusieurs dizaines, voire centaines de mégapascals en quelques dizaines de microsecondes, puis retombe à zéro ; la forme de transmission de l’énergie par ondes de contrainte implique que la description du processus de travail ne peut pas reposer uniquement sur la statique, la mécanique du solide rigide ou la cinématique. Le principe de fonctionnement de la machine à chocs relève des problèmes de dynamique des corps élastiques, et la théorie des ondes doit être utilisée pour décrire avec précision son processus de transmission d’énergie.

En raison des différences dans les hypothèses fondamentales et les modèles mathématiques, la recherche sur les brise-roches hydrauliques se divise en deux grandes catégories : la recherche fondée sur des modèles linéaires et celle fondée sur des modèles non linéaires.

1.5.1 Modèles de recherche linéaires pour les brise-roches hydrauliques

La recherche linéaire est une recherche idéalisée, menée en linéarisant des brise-roches hydrauliques non linéaires au moyen d’hypothèses — les modèles linéaires obtenus sous l’hypothèse d’une « pression constante d’huile hydraulique » et en négligeant certains facteurs. Son postulat de recherche repose sur la conception proposée par les chercheurs soviétiques OdAlimov et SAbasov dans leur ouvrage « Théorie de la structure des machines hydrauliques à vibration et à impact » : « À condition d’assurer une vitesse finale donnée à l’extrémité d’impact, le contrôle de pression pleinement égalisée constitue le contrôle optimal offrant le rendement le plus élevé. » Sur la base de l’hypothèse d’un « contrôle à pression constante », les chercheurs soviétiques ont proposé un schéma de conception optimal permettant de minimiser la force de poussée maximale. Le chercheur japonais Nakamai et ses collaborateurs, s’appuyant sur cette hypothèse mais en intégrant la résistance des conduites, ont mené des recherches théoriques et de conception portant sur la réglabilité de la course du piston. Le professeur Li Dazhi de l’Université des sciences et technologies de Pékin a formulé l’idée d’une conception optimale de la course. Chen Yufan et ses collaborateurs ont utilisé des modèles linéaires d’appareils à impact, appliquant une analyse sans dimension fondée sur la méthode de la course optimale, afin d’effectuer une analyse sans dimension des paramètres des appareils à impact et d’obtenir ainsi une série d’expressions relationnelles entre paramètres destinées à guider les travaux de conception. Le professeur Chen Dingyuan de l’Université des sciences et technologies de Pékin, prenant comme variable de conception le rapport C = S/S_m (où S désigne la course de fonctionnement et S_m la course maximale), a réalisé une analyse sans dimension des brise-roches hydrauliques et a établi que la zone de rendement optimal correspond à C = 0,75 à 0,850. Le professeur Wang Zheng de l’Université des sciences et technologies de Pékin, utilisant comme variable de conception le temps t d’accélération de retour du piston, a mené une analyse globale des paramètres et a obtenu les résultats suivants : lorsque la variation du volume de l’accumulateur est minimale, t = 0,406T ; lorsque l’impact hydraulique est minimal, t = 0,5T. Le professeur He Qinghua de l’Université du Centre-Sud a utilisé comme variable de conception sans dimension le coefficient caractéristique de la structure de l’appareil à impact — à savoir le rapport des aires effectives des chambres avant et arrière du piston — afin de réaliser une conception optimale des appareils à impact. Comme de nombreuses études linéaires n’ont pas pris en compte la relation de contrainte mutuelle entre le piston et la soupape, qui affecte directement les performances d’impact, ni l’état de l’accumulateur, elles ne peuvent pas refléter avec précision les interrelations entre les nombreux paramètres structurels du mécanisme. Bien que leur précision de recherche soit relativement faible, leurs résultats permettent toutefois de rendre compte, de façon générale, des relations d’influence entre les divers facteurs et les performances, ce qui confère à ces travaux une certaine valeur pratique dans les domaines de la recherche théorique et de la conception.

1.5.2 Modèles non linéaires pour les brise-roches hydrauliques

En tant que système de suivi mécanique à rétroaction mono-corps relativement typique et complexe, le brise-roche hydraulique présente, tout comme les systèmes non linéaires d'autres domaines, de nombreux phénomènes et comportements non linéaires. La recherche sur les systèmes non linéaires a pris en compte de façon plus complète les facteurs influençant le mouvement du brise-roche hydraulique, analysé de manière relativement exhaustive l’état de contrainte auquel il est soumis, et établi des systèmes d’équations différentielles non linéaires d’ordre élevé afin de décrire ses modes de mouvement. Toutefois, ces équations sont difficiles à résoudre, leur interprétation n’est pas intuitive, et ne peuvent être résolues que numériquement à l’aide d’ordinateurs. Ces dernières années, avec le développement des sciences et technologies informatiques ainsi que la généralisation des micro-ordinateurs, les recherches portant sur les modèles mathématiques non linéaires ont suscité une attention croissante.

Dès le début des années 1970, des chercheurs étrangers ont appliqué des ordinateurs numériques à la recherche de simulation des machines d’impact sur les perforatrices pneumatiques, obtenant des résultats relativement précis. En 1976, le chercheur japonais Masao Masabuchi a été le premier à utiliser le calcul mathématique pour étudier les brise-roches hydrauliques, proposant un modèle mathématique pour un dispositif d’essai d’impact hydraulique et recourant à des calculs itératifs afin de déterminer la vitesse et la fréquence de la course de puissance, puis comparant ces valeurs avec les mesures expérimentales. Dans les années 1980, les chercheurs japonais Takauchi Yoshio, Tanimata Shu et al. ont mené des recherches non linéaires sur les performances et la conception des brise-roches hydrauliques, proposant des modèles analytiques adaptés à l’évaluation des performances et à la conception des brise-roches hydrauliques, ainsi que la théorie de dérivation et la méthode d’analyse associées à ce modèle analytique. En 1980, Li Dazhi et Chen Dingyuan de l’Université des sciences et technologies de Pékin ont proposé un modèle mathématique non linéaire utilisant la pression de l’accumulateur comme pression de fonctionnement, et ont recherché des solutions numériques stables. En 1983, He Qinghua de l’Université industrielle du Centre-Sud, dans son article « Recherche sur la simulation numérique des brise-roches hydrauliques », a établi un modèle mathématique complet à l’aide de la méthode de commutation d’état, a proposé la « méthode de calcul d’accélération quasi-uniforme » (méthode PUA), corrigé les erreurs aux points de transition d’état et amélioré ainsi la précision de la simulation. En 1987, le professeur Chen Xiaozhong et le professeur Chen Dingyuan de l’Université des sciences et technologies de Pékin ont établi un modèle mathématique non linéaire des mécanismes d’impact et rédigé des programmes de simulation en BASIC, obtenant des données de simulation relativement cohérentes avec les résultats mesurés. Pendant le fonctionnement d’un brise-roche hydraulique, en raison de la forte pression, du cycle d’impact très court et des fréquentes commutations du débit d’huile, la chambre de pression varie constamment ; ainsi, lorsque l’huile hydraulique traverse divers jeux, elle génère une quantité importante de chaleur, provoquant des températures locales élevées qui affectent à la fois les performances du dispositif d’impact et la lubrification locale ; toutefois, les recherches dans ce domaine restent encore inexistantes.

En raison de la complexité du mouvement des brise-roches hydrauliques, des modèles non linéaires sont également établis sur la base de certaines hypothèses ; il n’existe donc pas réellement de grande différence entre les modèles linéaires et non linéaires en ce qui concerne la description de la nature essentielle des phénomènes — seules les méthodes de résolution des modèles mathématiques diffèrent. Les modèles linéaires utilisent des solutions analytiques, tandis que les modèles non linéaires doivent recourir à des méthodes numériques impliquant l’usage d’ordinateurs. Les deux types de modèles ne peuvent qu’approximer les schémas de mouvement du dispositif de percussion, et pour obtenir des méthodes de description plus précises, le développement de la mécanique des fluides numérique reste nécessaire.

Il convient de souligner que, avec l’évolution de la technologie des brise-roches hydrauliques, notamment l’apparition des brise-roches hydrauliques combinés hydraulique-pneumatique et des brise-roches hydrauliques à explosion azotée, le fluide de travail du brise-roche hydraulique n’est plus uniquement de l’huile, mais comprend également des gaz ; l’introduction de l’azote accroît encore la difficulté et la complexité des recherches théoriques.

1.5.3 Recherche sur les composants clés des brise-roches hydrauliques

(1) Recherche sur le piston

La qualité de conception et de fabrication du piston d'impact détermine dans une large mesure les performances du dispositif d'impact. Des chercheurs chinois ont mené des recherches approfondies sur ce sujet. Le professeur Meng Suimin du Collège d'ingénierie hydroélectrique de Gezhouba, s'appuyant sur le modèle linéaire, a utilisé l'analyse sans dimension pour explorer préliminairement l'influence de la vitesse de rebond du piston sur les paramètres de fonctionnement du brise-roche hydraulique. Le professeur Liu Deshun du Collège d'ingénierie de Xiangtan, dans son article intitulé « Calcul de la vitesse de rebond du piston d’un perforateur », a appliqué la théorie de la dynamique des ondes et, sur la base de l’analyse du principe de fonctionnement du perforateur, a proposé des critères de jugement du rebond du piston ainsi que des formules de calcul de sa vitesse de rebond, aboutissant aux conclusions suivantes : ① L’état de rebond du piston et sa vitesse de rebond dépendent des propriétés du piston, de la pointe et de la roche ; ces influences ne sont pas indépendantes, mais interdépendantes. ② Plus le coefficient de raideur de déchargement de la roche est faible, plus la vitesse de rebond est élevée. Plus le coefficient γ, caractérisant les propriétés de chargement du perforateur et de la roche, est faible, plus la vitesse de rebond est élevée. ④ Pour obtenir une efficacité de forage relativement optimale, lors de la conception d’un dispositif d’impact, le coefficient caractéristique γ doit être maintenu dans la plage 1 ≤ γ ≤ 2.

Le secteur a progressivement établi certaines lignes directrices pour la conception des pistons :

1) Le piston doit être allongé et présenter le moins de variations inutiles possible de sa section transversale, afin d’optimiser l’efficacité de la transmission de l’énergie et la durée de vie du burin.

2) La surface d’impact du piston doit être aussi égale que possible, ou au moins très proche, de la surface de l’extrémité arrière du burin, et une certaine longueur de cône doit être prévue afin d’optimiser la transmission des ondes de choc.

3) La course complète et la course excessive du piston ne doivent pas endommager les structures d’étanchéité situées aux deux extrémités.

4) Les dimensions du tampon hydraulique en cas de tir à blanc ainsi que les longueurs d’étanchéité de chaque segment du piston doivent être soigneusement conçues.

5) Une sélection appropriée des matériaux est requise : le matériau du piston doit présenter de hautes performances mécaniques, une grande dureté superficielle, une bonne ténacité du cœur, ainsi qu’une excellente résistance à l’abrasion et aux chocs.

6) Le jeu de montage entre le piston et le corps du cylindre doit être déterminé de manière raisonnable, en tenant compte de façon globale des pertes par fuite et de la précision d’usinage. En général, le jeu de montage entre le piston et le corps du cylindre est compris entre 0,04 et 0,06 mm, et le jeu de montage entre le piston et la douille de support est compris entre 0,03 et 0,05 mm.

(2) Recherche sur la vanne de distribution

Actuellement, la grande majorité des brise-roches hydrauliques utilisent des systèmes à piston commandés par des vannes à rétroaction de position, et réalisent un mouvement alternatif à haute vitesse du piston en modifiant le schéma d’alimentation en huile dans une chambre déterminée du dispositif de percussion. Bien que cette forme de commande soit relativement simple, son processus de transition est assez complexe. Pendant la commutation de la vanne, des paramètres tels que le temps, la vitesse, la course, la consommation d’huile, etc., évoluent par étapes, ce qui peut fortement influencer les performances du dispositif de percussion. À ce sujet, Liu Wanling et al. de l’Université des sciences et technologies de Pékin ont mené, par la théorie et l’expérimentation, une recherche spécifique sur les caractéristiques des vannes de commande dans les systèmes hydrauliques de percussion, obtenant ainsi la trajectoire réelle du mouvement de la vanne étudiée dans le dispositif de percussion, mettant en évidence les lois régissant le déplacement de la vanne à commande directionnelle, et identifiant les principaux paramètres de la vanne de commande qui affectent les performances du dispositif de percussion. Qi Renjun et al. de l’Université du Centre-Sud ont réalisé une analyse théorique du processus de commande par vanne, une recherche d’optimisation portant sur la structure et les paramètres de la vanne, et tiré certaines conclusions utiles sur les lois régissant ce phénomène ; s’agissant des phénomènes possibles de saturation de vitesse et de cavitation durant le déplacement à haute vitesse de la vanne à commande directionnelle, ils ont proposé des solutions efficaces consistant à réduire la masse et la course du tiroir de la vanne tout en augmentant de façon appropriée le diamètre des passages d’huile. Liu Wanling et Gao Lanqing du Collège de métallurgie et d’acier de Pékin, dans leur article « Analyse des caractéristiques dynamiques de la vanne à commande directionnelle d’un brise-roche hydraulique — Recherche par simulation et expérimentale », utilisant le langage de programmation BASIC, ont étudié l’amélioration des caractéristiques dynamiques de la vanne, concluant que, lorsque l’ouverture sans chevauchement à zéro augmente, la pression dans la chambre arrière chute rapidement, le travail de percussion augmente, la fréquence de percussion diminue légèrement et l’efficacité du dispositif de percussion s’améliore ; toutefois, si l’ouverture sans chevauchement à zéro devient trop importante, la longueur d’étanchéité au niveau de l’épaule de la vanne diminue, rendant le fonctionnement de celle-ci peu fiable.

(3) Recherche sur les accumulateurs

L'accumulateur est un composant essentiel du brise-roche hydraulique, et sa structure influe directement sur les performances globales de l'appareil. Par conséquent, tout en étudiant les performances du brise-roche hydraulique, des recherches ont également été menées sur les accumulateurs. En 1990, les chercheurs japonais Takauchi Yoshio, Tanimata Shu et al. ont mené des études expérimentales et théoriques ; à partir du modèle analytique établi, ils ont utilisé l'équation d'état pour obtenir la formule de calcul du volume de gaz (azote) à charger dans l'accumulateur, puis ont vérifié expérimentalement la justesse de cette formule, fournissant ainsi une base théorique pour la conception de l'accumulateur optimal. En 1986, Duan Xiaohong de l'Université des sciences et technologies de Pékin a établi, à l'aide de la méthode des paramètres concentrés, un modèle dynamique des accumulateurs à membrane haute pression, et a analysé, par des méthodes expérimentales et numériques, les caractéristiques fréquentielles du système accumulateur ; il a également étudié le couplage optimal entre l'accumulateur et le brise-roche hydraulique, soulignant que la zone de fonctionnement optimale de l'appareil de percussion correspond à la zone où la réponse harmonique secondaire de l'accumulateur aux variations de pression du système domine en termes d'énergie. En 1986, le professeur He Qinghua de l'Université centrale du Sud a publié un article intitulé « Huile de retour et accumulateur de retour pour les mécanismes de percussion hydraulique », dans lequel il indique que la pression hydraulique de fonctionnement du brise-roche hydraulique dépend principalement de la force d'inertie des pièces mobiles de l'appareil lui-même ; il s'agit là d'une caractéristique distinctive du brise-roche hydraulique, qui le différencie des machines hydrauliques classiques, dont la pression hydraulique de fonctionnement dépend essentiellement de la charge externe. La contre-pression de retour provient principalement de la pression hydraulique d'inertie générée par l'accélération de l'huile lors de son évacuation vers la canalisation de retour par les pistons ou les valves ; l'article précise également que, comme le débit d'évacuation de l'appareil de percussion diffère du profil de variation du débit d'huile dans la canalisation de retour, une cavitation se produit lorsque le débit entrant dans la canalisation de retour est inférieur au débit d'huile circulant dans celle-ci. Afin de réduire la contre-pression d'inertie de retour et d'éliminer la cavitation de retour, l'article propose d'installer un accumulateur de retour sur le brise-roche hydraulique, et en déduit une méthode de conception des paramètres de cet accumulateur de retour. Ces dernières années, l'Université des sciences et technologies de Pékin a mené des recherches sur les caractéristiques dynamiques de couplage entre l'accumulateur et le brise-roche hydraulique, développé le logiciel de simulation HRDP, et obtenu des résultats probants lors des calculs de vérification relatifs aux caractéristiques dynamiques optimales de couplage de l'accumulateur.

(4) Recherche sur les dispositifs anti-détonation et les absorbeurs d’énergie de rebond des burins

En raison des phénomènes inévitables de rebond de la pointe et de tir à blanc survenant pendant le fonctionnement d’un brise-roche hydraulique, les performances en service de l’absorbeur d’énergie de rebond de la pointe et du dispositif de prévention du tir à blanc ont une grande incidence sur la durée de vie du brise-roche hydraulique. Le professeur Meng Suimin, dans son article « Analyse de la vitesse de rebond du piston de perforateur rocheux », a analysé systématiquement les facteurs responsables du rebond de la queue de la pointe et étudié des méthodes d’absorption de l’énergie de rebond de la pointe. Liao Yide, de l’Université du Centre-Sud, dans son article « Recherche théorique et expérimentale sur les dispositifs amortisseurs de tir à blanc pour perforateurs rocheux hydrauliques », a établi un modèle mathématique du processus d’amortissement du tir à blanc et mené des recherches par simulation. Le docteur Liao Jianyong, dans son article « Théorie de conception et conception assistée par ordinateur des perforateurs rocheux hydrauliques à plusieurs étages », a réalisé des simulations informatiques ainsi qu’une conception optimisée des dispositifs d’absorption de l’énergie de rebond de la pointe et des dispositifs de prévention du tir à blanc. Liu Deshun, de l’Université du Centre-Sud, dans sa thèse de doctorat intitulée « Recherche en dynamique des ondes des mécanismes de percussion », a appliqué la théorie de la dynamique des ondes, dérivé des formules de calcul de la vitesse de rebond pour chaque composant du dispositif de percussion, et souligné que l’énergie de rebond peut être exploitée grâce à une conception rationnelle de chacun des composants du dispositif de percussion. L’Institut de recherche sur les machines hydrauliques du génie civil de l’Université du Centre-Sud a mis au point un dispositif amortisseur de tir à blanc à deux étages, qui exploite pleinement les capacités de l’absorbeur d’énergie de rebond de la pointe — une réalisation de recherche novatrice.

1.5.4 Recherche sur les technologies de réglage de la fréquence, de réglage de l’énergie et de commande des brise-roches hydrauliques

Avec le développement de la technologie des brise-roches hydrauliques, les chantiers de construction ont formulé de nouvelles exigences à leur égard. Afin d’améliorer efficacement la productivité, il est requis que l’énergie de choc et la fréquence de choc du brise-roche hydraulique puissent varier en fonction des propriétés de la roche. Autrement dit, dans la mesure où l’on exploite au maximum la puissance installée de la machine porteuse, lorsque la roche est plus dure, le brise-roche hydraulique délivre une énergie de choc plus élevée et une fréquence de choc plus faible ; inversement, il délivre une énergie de choc plus faible et une fréquence de choc plus élevée, permettant ainsi d’atteindre une productivité supérieure. Pour atteindre ces objectifs, des recherches approfondies ont été menées tant au niveau national qu’international.

À partir de recherches théoriques sur les brise-roches hydrauliques, leur sortie (énergie de choc et fréquence) peut principalement être ajustée selon trois méthodes : ① régler le débit ; ② régler la course ; ③ régler la pression de rétroaction. Actuellement, la grande majorité des brise-roches hydrauliques nationaux et étrangers possèdent une course fixe unique, c’est-à-dire que leur sortie n’est pas réglable. Bien entendu, si de tels brise-roches hydrauliques utilisent la méthode de réglage du débit pour modifier leur sortie, bien qu’elle soit théoriquement réalisable, elle n’est pas applicable en pratique, car les variations du débit entraînent des changements synchrones de leurs paramètres de sortie, rendant ainsi impossible tout ajustement indépendant.

Bien que certains fabricants nationaux et étrangers aient conçu et produit des brise-roches hydrauliques à course réglable, ceux-ci ne sont pas bien accueillis par les utilisateurs en raison de leur structure rigide, de leurs réglages par paliers très peu pratiques et de leurs performances médiocres. Concernant la distribution par rétroaction de la course de retour, les paramètres de fonctionnement en sortie sont principalement ajustés en modifiant le débit d'entrée du système ou en ajoutant plusieurs orifices de signal de rétroaction pour la course de retour, puis en contrôlant l’ouverture/fermeture de chaque orifice afin d’ajuster la course du piston, ce qui permet ainsi de modifier l’énergie de frappe et la fréquence de frappe du brise-roche hydraulique. Par exemple, le perforateur hydraulique à trois vitesses Atlas-Copco, fabriqué en Suède. Les brise-roches hydrauliques à changement automatique de vitesse de la série YYG de l’Université centrale du Sud — limités par leur conception, ce principe ne permet qu’un réglage par paliers des paramètres de fonctionnement du brise-roche hydraulique ; or, comme la pression et le débit du système de frappe sont proportionnels au carré l’un de l’autre, une augmentation simultanée de l’énergie de frappe et de la fréquence de frappe entraîne des variations très importantes de la puissance de la machine porteuse, ce qui limite l’élargissement de la plage de travail et de l’efficacité opérationnelle du brise-roche hydraulique. Le professeur Takashi Takahashi de l’Université d’Akita (Japon), dans un article, a décrit le déplacement de la position du port de signal de course de retour afin d’obtenir une modification de la course du piston du brise-roche hydraulique. Des expériences ont prouvé que, lorsque la course du piston augmente de 10 %, bien que la fréquence de frappe diminue de 8 %, l’énergie de frappe peut augmenter de 12 %, améliorant ainsi l’efficacité opérationnelle et fournissant des preuves théoriques et expérimentales pour la conception de brise-roches hydrauliques à course réglable. Le professeur He Qinghua de l’Université centrale du Sud, dans son ouvrage « Recherche sur les machines hydrauliques à impact à course réglable », a comparé plusieurs types de méthodes de changement de vitesse et analysé théoriquement les relations entre divers paramètres de fonctionnement des dispositifs hydrauliques à impact à course réglable et les courses de changement de vitesse ; ces résultats revêtent une signification directive évidente pour la conception et l’utilisation des brise-roches hydrauliques à changement de vitesse. Cet ouvrage propose le concept d’un réglage indépendant et continu (sans paliers) des paramètres de fonctionnement fondé sur le principe de rétroaction de pression, et a lancé ce nouveau produit de brise-roche hydraulique. Celui-ci ajuste principalement l’énergie de frappe individuelle du dispositif d’impact en contrôlant l’intensité de la pression de retour du piston ; simultanément, en régulant le débit de la pompe variable, il ajuste de façon continue la fréquence du dispositif d’impact, permettant ainsi d’ajuster indépendamment et de façon continue, dans une plage relativement étendue, tant l’énergie de frappe que la fréquence de frappe, tout en maintenant faible la variation de la puissance de la machine porteuse. En ce qui concerne la recherche théorique, la conception structurelle et les méthodes de commande de ce nouveau type de machine hydraulique à impact, les auteurs ont mené des recherches sur les dispositifs hydrauliques à impact dotés d’un réglage indépendant et continu de l’énergie et de la fréquence de frappe. Le Dr Zhao Hongqiang, dans sa thèse de doctorat intitulée « Recherche sur un nouveau type de concasseur hydraulique de pierres avec commande de réglage indépendant et continu », a rompu avec la méthode traditionnelle de commande par rétroaction de course des brise-roches hydrauliques, adoptant à la place des méthodes de commande par rétroaction de pression et par régulation du débit de pompe variable, réalisant ainsi une commande de réglage indépendant et continu de l’énergie et de la fréquence de frappe du brise-roche hydraulique. Ding Wensi, dans sa thèse de doctorat, en utilisant la pression d’azote à l’extrémité arrière du concasseur comme variable de commande, a mené des travaux approfondis sur des concasseurs à distribution forcée commandés par des électrovalves à commutation haute vitesse, réalisant ainsi un réglage indépendant de la fréquence et de l’énergie des concasseurs. Zhang Xin, dans son ouvrage « Recherche sur un nouveau système de dispositif hydraulique à impact à rétroaction de pression intégrant mécanique et électronique », a utilisé des électrovalves à commutation haute vitesse commandées par microcontrôleur pour réaliser une commande informatique du dispositif d’impact. Yang Guoping, dans sa thèse de doctorat intitulée « Recherche sur un dispositif hydraulique à impact pur à réglage indépendant et continu de la fréquence et de l’énergie », a proposé un dispositif d’impact intelligent reposant sur une solution de commande entièrement hydraulique, capable de réaliser un réglage continu de l’énergie et de la fréquence de frappe du brise-roche hydraulique via une vanne de distribution pilotée.

1.5.5 État actuel des recherches sur la technologie de simulation des brise-roches hydrauliques

Du point de vue de la conception et du développement de produits, la recherche sur les caractéristiques dynamiques des mécanismes est mieux réalisée durant la phase de développement et de conception du produit. La simulation de la réponse dynamique des systèmes de commande hydraulique a toujours constitué un domaine continuellement étudié par l’industrie hydraulique et constitue également un moyen couramment utilisé pour étudier les caractéristiques de réponse dynamique des systèmes de commande.

La méthode de travail particulière du brise-roche hydraulique détermine que l'analyse et les essais de simulation dynamique doivent constituer le fondement théorique de la conception et du développement des mécanismes. Après l'apparition des ordinateurs, l'obstacle consistant à ne pouvoir compter que sur les essais produits pour obtenir des résultats précis ou fiables concernant les performances cinématiques des mécanismes a été levé. Les chercheurs ont commencé à utiliser diverses méthodes pour établir des modèles mathématiques décrivant les vibrations hydrauliques et le mouvement des machines à impact, à analyser, au moyen de la technologie de simulation, les processus d'évolution des paramètres des brise-roches hydrauliques, et à recourir à la technologie des prototypes virtuels pour simuler les processus de mouvement des machines à impact. Une fois les résultats de conception définis, le mouvement du mécanisme peut être clairement compris et les paramètres de performance pertinents calculés, ce qui ouvre une voie prometteuse pour raccourcir les cycles de développement de nouveaux produits, optimiser la conception et réaliser l'analyse des performances dynamiques.

Dans les années 1960 et 1970, des chercheurs étrangers ont commencé à utiliser des ordinateurs numériques pour la simulation des machines à percussion. Ces travaux prenaient comme variable la pression dans les chambres avant et arrière, calculaient l’écoulement entrant et sortant de chaque orifice, puis corrigeaient ces calculs à l’aide de coefficients de débit ; ils appliquaient ensuite l’équation d’état des gaz et l’équation de bilan énergétique afin d’établir des équations différentielles microscopiques décrivant les variations d’état de l’accumulateur et du piston ; après avoir effectué certaines approximations concernant le mouvement de la soupape, ils adoptaient des méthodes aux différences finies pour la résolution numérique. Les résultats de la simulation, en particulier les paramètres de performance, étaient très proches des valeurs mesurées, ce qui a permis d’obtenir des résultats satisfaisants. Au Japon, les chercheurs ont davantage mis l’accent sur l’établissement de modèles informatiques spécifiques aux brise-roches hydrauliques afin de mener des recherches, et ont introduit dans la simulation des paramètres obtenus expérimentalement pour optimiser les paramètres structurels, les paramètres de percussion et les performances des brise-roches hydrauliques, aboutissant ainsi à la détermination de la surface optimale de l’orifice de retour d’huile, du volume optimal de charge de l’accumulateur et de la surface portante de pression dans la chambre arrière du brise-roche hydraulique correspondant. Lors de la réalisation de simulations, les chercheurs japonais accordaient une attention particulière à la comparaison des résultats de simulation avec ceux des essais expérimentaux, et corrigeaient les modèles informatiques en fonction des données expérimentales. La société Sandvik, après avoir pris en compte l’influence de la forme du piston de percussion sur le mode de transmission de l’énergie, a également conçu et développé un programme de simulation informatique dans ce domaine. À l’aide de ce programme : ① le processus de transmission de l’énergie dans chaque partie de la percussion peut être simulé ; ② différentes conceptions de chaque composant du système peuvent être simulées ; ③ dans des conditions variées d’objet percuté, les effets de diverses conceptions sur la transmission de l’énergie peuvent être simulés. Le programme informatique de Sandvik ne garantit pas seulement la fabrication des produits optimaux, mais permet également de mesurer et de comprendre l’influence de tous les paramètres sur le système de percussion, ainsi que l’effet des variations de certains paramètres sur l’efficacité, et il est mis à la disposition des utilisateurs comme un outil de calcul pratique et efficace.

Après les années 1980, des recherches nationales sur la technologie et les applications de la simulation ont également commencé. Des chercheurs chinois tels que Tian Shujun, Chen Yufan et d’autres ont tous établi des modèles mathématiques à l’aide de leurs propres méthodes. Tian Shujun et al. ont appliqué le « power bond graph » — une technologie avancée de modélisation dynamique — en combinant des méthodes d’analyse dans l’espace d’état, menant principalement des travaux de recherche sur un logiciel de simulation dynamique destiné aux brise-roches hydrauliques à commande par clapet glissant. Cette recherche a exploré la modélisation et la programmation dynamiques des brise-roches hydrauliques, fournissant ainsi une méthode et une approche utiles à de nombreux programmeurs de simulation ultérieurs, comme le professeur Zhou Zhihong de l’Université des sciences et technologies de Pékin, qui a encadré ses étudiants Yan Yong et al. dans l’utilisation des « power bond graphs » pour établir les équations dynamiques de plusieurs types de pistons de brise-roches hydrauliques, de clapets directionnels, ainsi que des équations d’écoulement hydraulique et des équations d’état des gaz ; puis ils ont rédigé des programmes de simulation dans un langage informatique afin d’analyser les principaux processus d’évolution des grandeurs d’état, tels que la pression et le débit dans les chambres avant et arrière, le déplacement et la vitesse du piston du brise-roche hydraulique, offrant ainsi une plateforme pour des recherches ultérieures sur l’impact des variations des paramètres du brise-roche hydraulique sur ses performances. Avec le développement rapide des ordinateurs et des technologies logicielles, les logiciels Matlab et AMEsim ont été appliqués à la modélisation et à la simulation des systèmes de brise-roches hydrauliques, apportant un soutien théorique permettant de raccourcir les cycles de recherche et développement et d’améliorer la qualité de conception des nouveaux modèles.

1.5.6 Méthodes de recherche expérimentale

L’expérience est le moyen fondamental par lequel les êtres humains connaissent la nature et transforment le monde objectif — en résumant et en abstrayant les phénomènes observés et les données mesurées au cours de l’expérience, en identifiant les liens internes et les régularités, et en élaborant des théories. L’expérience est la source de la théorie ; l’expérience est le seul juge permettant de vérifier une théorie.

Les paramètres de performance d'impact des brise-roches hydrauliques constituent un indicateur important pour évaluer leur conception, leur niveau de fabrication et leur qualité. Les principaux paramètres peuvent tous être mesurés par des moyens expérimentaux, les résultats étant exprimés sous forme de données, de courbes ou de graphiques. La vérification des performances concerne principalement la mesure de l'énergie d'impact, de la fréquence d'impact, de la pression du système et du débit. Les méthodes de mesure de ces paramètres ne font actuellement l'objet d'aucune norme expérimentale internationale uniforme. Les méthodes couramment utilisées actuellement pour tester la performance d'impact des brise-roches hydrauliques sont notamment : la méthode des ondes de contrainte, la méthode photoélectrique de déplacement différentiel, la méthode d'induction électromagnétique, la méthode de contact, la photographie à haute vitesse, la méthode du diagramme indicateur et la méthode énergétique.

La méthode de l'onde de contrainte est une méthode permettant de mesurer l'énergie de choc en détectant l'onde de contrainte générée sur le burin lorsque le piston de choc frappe ce dernier. La méthode photoélectrique repose sur le principe de conversion photoélectrique : à l’aide d’un capteur photoélectrique, la position du piston de choc est mesurée directement afin d’obtenir le déplacement du piston, puis les paramètres de performance de l’appareil de choc sont calculés ultérieurement. En tant que méthode de mesure sans contact, la méthode photoélectrique convient particulièrement aux machines de choc telles que les brise-roches hydrauliques, caractérisées par une course longue du piston, un diamètre important et une grande vitesse. La méthode d’induction électromagnétique utilise un système de capteurs à induction électromagnétique composé d’une tige magnétique fixée sur le piston de choc et d’une bobine hélicoïdale montée sur le carter ; elle exploite la force électromotrice induite dans la bobine lorsqu’elle coupe les lignes de champ magnétique pendant le mouvement alternatif de la tige magnétique avec le piston, détermine la vitesse de déplacement du piston à partir de la relation d’étalonnage entre la force électromotrice et la vitesse de choc, puis en déduit l’énergie de choc du piston.

La méthode de contact est une méthode permettant de calculer l’énergie d’impact à partir de la vitesse finale du piston au moment où il entre en contact avec l’objet frappé. Dans les essais de performance des brise-roches, les quatre méthodes mentionnées ci-dessus sont relativement courantes ; d’autres méthodes, soit en raison de leur complexité opérationnelle et de leur coût élevé, soit parce qu’elles ne reflètent pas intégralement l’état de mouvement du piston, sont rarement utilisées dans la pratique.

Il convient de souligner que la méthode ci-dessus basée sur l’onde de contrainte n’est adaptée qu’aux essais d’appareils à percussion dotés d’une énergie de percussion relativement faible, tels que les perforatrices hydrauliques et les outils pneumatiques, et qu’elle présente des difficultés accrues lors des essais de brise-roches hydrauliques à forte énergie de percussion. La capacité d’essai des unités de recherche spécialisées dans l’étude des ondes de contrainte est généralement limitée et ne permet pas de tester des brise-roches hydrauliques de grande taille ; par ailleurs, le bruit et les vibrations générés lors d’essais en intérieur ne sont pas non plus acceptables. En ce qui concerne la méthode de contact, bien qu’elle soit simple à installer, ses résultats manquent de précision et ne peuvent donc pas être généralisés. Seule la méthode d’induction électromagnétique pour les essais des brise-roches hydrauliques est considérée comme globalement complète : elle s’applique aussi bien aux perforatrices hydrauliques à faible énergie de percussion qu’aux brise-roches hydrauliques de grande taille à haute énergie de percussion ; elle mesure directement la courbe de vitesse de déplacement du piston, permettant ainsi d’obtenir le déplacement et l’accélération du piston, ce qui s’avère très utile pour les chercheurs étudiant les schémas de mouvement du piston. Son seul inconvénient réside dans le fait que la tige magnétique est facilement endommagée sous l’effet des vibrations à haute fréquence du piston.

Le Dr Ding Wensi de l’Université du Sud-Central, dans sa thèse de doctorat intitulée « Recherche sur un nouveau système hydraulique intégré machine-électrique pour broyeur de roches à explosion azotée avec rétroaction de pression », a proposé une nouvelle méthode d’essai des paramètres de sortie des dispositifs de percussion — la méthode de pression gazeuse. Cette méthode utilise un capteur de pression pour détecter l’effet exercé sur la pression de la chambre d’azote scellée installée à l’extrémité arrière du piston pendant le déplacement de ce dernier, et détermine, à l’aide d’un ordinateur, la course et la vitesse de déplacement du piston, permettant ainsi d’obtenir les deux paramètres de sortie essentiels du dispositif de percussion : l’énergie de percussion et la fréquence de percussion. Par rapport aux méthodes d’essai traditionnelles, la méthode non intrusive de pression gazeuse présente les avantages suivants : forte résistance aux vibrations, préparation minimale, mesure simultanée de l’énergie et de la fréquence de percussion, étalonnage aisé, faible erreur sur les paramètres de percussion et haute précision. Elle peut non seulement servir de méthode de mesure et d’identification pour les produits en laboratoire, mais aussi être aisément utilisée pour des essais en ligne dans des conditions réelles de travail. Elle a été appliquée dans le programme d’essais hydrauliques de la société Jingye et intégrée à la norme industrielle « Broyeur hydraulique de roches ».

1.5.7 Recherche sur les vibrations, le bruit et la commande

En plus de l'énergie de choc, de la fréquence de choc et de la masse, les indicateurs permettant d'évaluer les performances des marteaux hydrauliques comprennent également le niveau sonore, les vibrations du corps de la machine et le taux d'utilisation de l'énergie, qui constituent des aspects essentiels pour apprécier les performances globales. À mesure que la sensibilisation environnementale s'accroît, les pays développés imposent des restrictions de plus en plus strictes concernant le bruit émis par les équipements. Pour s'adapter aux exigences du marché, le niveau sonore et les vibrations des marteaux hydrauliques, ainsi que la suppression des poussières, deviennent progressivement des indicateurs clés de la concurrence commerciale ; leur maîtrise technologique constitue aujourd'hui un sujet de recherche important. Des chercheurs issus de divers pays mènent des travaux portant sur les aspects structurels et matériels : sur le plan structurel, des mesures telles que l'intégration de manchons intérieurs, de dispositifs silencieux ou de plaques d'acier amortisseuses en sandwich sont adoptées afin de contrôler les vibrations et le bruit. La société Krupp a équipé l'ensemble de ses produits de taille moyenne et petite de matériaux absorbants acoustiques. La société Rammer installe, sur ses nouveaux produits, des pompes à eau haute pression et des buses pulvérisatrices afin d'obtenir un effet de réduction des poussières. Par ailleurs, l'utilisation de la technologie des capteurs permet d'assurer un positionnement précis des brise-roches hydrauliques, de percer automatiquement des trous, d'arrêter et de rentrer automatiquement les burins, ainsi que d'ajuster automatiquement l'énergie de choc et la fréquence de choc en fonction de l'objet de travail, etc.