A hidraulikus kőtörő elméleti kutatásának áttekintése

1.5 A hidraulikus kőtörő elméleti kutatásának áttekintése

A hidraulikus kőtörő működése során a munkakamra olajnyomása nagy frekvenciával váltakozik a vezérelt irányítószelep hatására; az olajvezetékben lévő folyadék jellemzőit nem lehet egyszerűen a hidraulikus átvitel elméletének megfelelően tárgyalni, hanem a hidraulikus rezgéselméleti elemzést kell alkalmazni. A dugattyúra és a kifogóra ható erő néhány tíz mikroszekundum alatt nulláról tíz-tízszáz megapascalra nő, majd ismét nullára csökken; az energiaátvitel feszültséghullám-formája meghatározza, hogy a munkafolyamat leírása nem alkalmazhatja egyszerűen a statikát, a merev testek mechanikáját és a kinematikát. Az ütőgép elve az rugalmas testek dinamikai problémáihoz tartozik, és az energiaátviteli folyamat pontos leírásához hullámelméletet kell alkalmazni.

Az alapfeltevések és matematikai modellek különbségei alapján a hidraulikus kőtörők kutatása két fő kategóriába sorolható: lineáris modell-kutatás és nemlineáris modell-kutatás.

1.5.1 Lineáris kutatási modellek hidraulikus kőtörőkhöz

A lineáris kutatás az ideálisított kutatás, amelyet a nemlineáris hidraulikus kőtörők linearizálásával végeznek bizonyos feltételezések alapján – a 'konstans hidraulikus olajnyomás' feltételezése mellett nyert lineáris modellekkel, és egyes tényezők figyelmen kívül hagyásával. Kutatási kiindulópontja az O. D. Alimov és S. Abasov szovjet korszakbeli kutatók által a 'Hidraulikus rezgés-ütközéses gépek szerkezeti elmélete' című műben megfogalmazott nézet: 'Adott ütővégsebesség biztosítása mellett a nyomás teljesen egyenletes szabályozása a legmagasabb hatásfokkal rendelkező optimális szabályozási módszer.' A 'konstans nyomásszabályozás' feltételezése alapján a szovjet korszakbeli kutatók javasolták a minimális csúcsnyomóerő eléréséhez szükséges optimális tervezési sémát. A japán kutató Nakamai és munkatársai ezen alapulva, figyelembe véve a csővezeték-ellenállást, elméleti és tervezési kutatást folytattak a dugattyú úthosszának beállíthatóságáról. Li Dazhi professzor, a Pekingi Tudomány- és Technológiai Egyetem kutatója, az optimális úthossz-tervezés ötletét vetítette elő. Chen Yufan és munkatársai az ütőberendezések lineáris modelljeit használva, az optimális úthossz-módszert alkalmazva dimenziómentes analízist végeztek az ütőberendezés paramétereire, és számos, a tervezési munkát segítő paraméterkapcsolati kifejezést kaptak. Chen Dingyuan tanár, a Pekingi Tudomány- és Technológiai Egyetem kutatója, a C = S/S_m (ahol S: működési úthossz, S_m: maximális úthossz) arányszámot tervezési változóként használva dimenziómentes analízist végzett hidraulikus kőtörőkre, és azt találta, hogy az optimális hatásfok-tartomány C = 0,75–0,850 között van. Wang Zheng tanár, a Pekingi Tudomány- és Technológiai Egyetem kutatója, a dugattyú visszatérési gyorsulásának t idejét tervezési változóként használva komplex paraméteranalízist végzett, és az alábbi eredményeket kapta: amikor az akkumulátor térfogatváltozása minimális, t = 0,406T; amikor a hidraulikus ütés minimális, t = 0,5T. He Qinghua tanár, a Közép-Déli Egyetem kutatója, az ütőberendezés szerkezeti jellemző együtthatóját – a dugattyú elülső és hátsó kamrájának hatékony felületarányát – dimenziómentes tervezési változóként alkalmazva optimalizációs tervezést folytatott az ütőberendezésekre. Mivel számos lineáris kutatás nem vette figyelembe a dugattyú és a szelep közötti kölcsönös korlátozási viszonyt, amely közvetlenül befolyásolja az ütési teljesítményt és az akkumulátor állapotát, ezért nem képes pontosan tükrözni a mechanizmusban szereplő sok szerkezeti paraméter egymáshoz való kapcsolódását. Bár kutatásaik pontossága viszonylag alacsony, eredményeik alapvetően tükrözik a különböző tényezők teljesítményre gyakorolt hatásának összefüggését, így elméleti és tervezési kutatásokban bizonyítottan gyakorlati értékkel bírnak.

1.5.2 Nemlineáris modellek hidraulikus kőtörőkhöz

A hidraulikus kőtörő egy viszonylag tipikus és összetett, egytestes mechanikai visszacsatolásos követőrendszer, amely – mint más területeken lévő nemlineáris rendszerek – számos nemlineáris jelenséget és mintát mutat. A nemlineáris kutatások összehasonlítóan átfogóbban vizsgálták a hidraulikus kőtörő mozgását befolyásoló tényezőket, viszonylag alaposan elemezték a hidraulikus kőtörő feszültségállapotát, és magasabb rendű nemlineáris differenciálegyenlet-rendszereket állítottak fel mozgásmintáinak leírására. Azonban ezek az egyenletek nehezen megoldhatók, leírásuk nem szemléletes, és csak numerikusan, számítógéppel oldhatók meg. Az utóbbi években a számítástechnika és az információs technológia fejlődésével, valamint a mikroszámítógépek elterjedésével a nemlineáris matematikai modellek kutatása egyre nagyobb figyelmet kap az emberek körében.

Már az 1970-es évek elején külföldi kutatók digitális számítógépeket alkalmaztak a légnyomásos kőfúrók ütőgép-szimulációs kutatására, és viszonylag pontos eredményeket értek el. 1976-ban a japán kutató Masao Masabuchi volt az első, aki matematikai számításokat használt a hidraulikus kőtörők tanulmányozására, és egy matematikai modellt javasolt egy hidraulikus ütővizsgáló eszközre, valamint iterációs számítással határozta meg az ütőmozgás sebességét és frekvenciáját, majd összehasonlította a mért értékekkel. A 80-as években a japán kutatók, Takauchi Yoshio, Tanimata Shu és társai nemlineáris kutatásokat végeztek a hidraulikus kőtörők teljesítményével és tervezésével kapcsolatban, és olyan analitikus modelleket javasoltak, amelyek alkalmasak a hidraulikus kőtörők teljesítményértékelésére és tervezésére, valamint levezették az analitikus modell elméletét és elemzési módszerét. 1980-ban Li Dazhi és Chen Dingyuan a Pekingi Tudomány- és Technológiaegyetemről egy nemlineáris matematikai modellt javasoltak, amelyben az akkumulátor nyomását működési nyomásként használták, és stabil numerikus megoldásokat kerestek. 1983-ban He Qinghua a Közép-Déli Ipari Egyetemről a „Hidraulikus kőtörő számítógépes szimulációs kutatása” című munkájában az állapotváltási módszert alkalmazva állított fel egy átfogó matematikai modellt, és javasolta a „kvázi-egyenletes gyorsulás számítási módszerét” (PUA-módszer), amellyel korrigálták a váltási pontoknál fellépő hibákat, és javították a szimuláció pontosságát. 1987-ben a Pekingi Tudomány- és Technológiaegyetem professzora, Chen Xiaozhong, és tanára, Chen Dingyuan egy nemlineáris matematikai modellt állítottak fel az ütóművek mechanizmusára, és BASIC nyelven írtak szimulációs programokat, amelyekből kapott szimulációs adatok viszonylag jól egyeztek a mért eredményekkel. A hidraulikus kőtörő működése során a magas nyomás, a rövid ütőciklus és a gyakori olajáram-átváltás miatt folyamatosan változó nyomású kamra alakul ki; ezért, amikor a hidraulikus olaj különböző résrésekön átáramlik, nagy mennyiségű hő keletkezik, ami helyi magas hőmérsékletet okoz, és negatívan befolyásolja az ütőberendezés teljesítményét és a helyi kenést; ezen terület kutatása azonban jelenleg még hiányzik.

A hidraulikus kőtörő mozgásának összetettsége miatt nemlineáris modellek is bizonyos feltételezések alapján készülnek, így a lineáris és a nemlineáris modellek között valójában nem nagy a különbség a dolgok lényegi természetének leírásában – csupán a matematikai modell megoldási módszerei különböznek. A lineáris modellek analitikus megoldásokat használnak, míg a nemlineáris modellek esetében a megoldáshoz számítógépes numerikus módszerekre van szükség. Mindkét modell csak közelítőleg tudja leírni az ütőeszköz mozgásmintáit, és pontosabb leírási módszerek eléréséhez további fejlesztésre van szükség a számítógépes folyadékdinamika területén.

Meg kell említeni, hogy a hidraulikus kőtörő technológia fejlődésével, különösen a hidraulikus-pneumatikus kombinált és a nitrogénrobbanásos hidraulikus kőtörők megjelenésével a hidraulikus kőtörő munkaközege nemcsak olaj, hanem gáz is; a nitrogén bevezetése tovább növelte a elméleti kutatás nehézségét és összetettségét.

1.5.3 A hidraulikus kőtörők kulcsfontosságú alkatrészeinek kutatása

(1) A dugattyú kutatása

Az ütőpiston tervezése és gyártási minősége nagymértékben meghatározza az ütőeszköz teljesítményét. Kínai kutatók jelentős kutatásokat végeztek ebben a témában. Meng Suimin tanár, a Gezhouba Hidroelektromos Mérnöki Főiskola oktatója, a lineáris modellre építve dimenziómentes analízist alkalmazott az ütőpiston visszapattanási sebességének hatására a hidraulikus kőtörő működési paramétereire való kezdeti vizsgálat céljából. Liu Deshun professzor, a Xiangtan Mérnöki Főiskola oktatója a „Kőfúró piston visszapattanási sebességének számítása” című tanulmányában a hullámmechanika elméletét alkalmazta, és a kőfúrás munkaelvét elemezve javaslatot tett a kőfúrók pistonjának visszapattanási állapotának megítélésére és visszapattanási sebességének kiszámítására, valamint a következő következtetéseket fogalmazta meg: ① A piston visszapattanási állapota és visszapattanási sebessége összefüggésben áll a piston, a kifogó és a kő tulajdonságaival, és ezek a hatások nem függetlenek egymástól, hanem egymással összefüggnek. ② Minél kisebb a kő leterhelési merevségi együtthatója, annál nagyobb a visszapattanási sebesség. Minél kisebb a γ együttható, amely a kőfúró és a kő terhelési tulajdonságait jellemez, annál nagyobb a visszapattanási sebesség. ④ A viszonylag ideális kőfúrási hatékonyság elérése érdekében az ütőeszköz tervezésekor a jellemző együtthatót (γ) 1 ≤ γ ≤ 2 tartományban kell szabályozni.

Az iparág fokozatosan kialakított néhány dugattyútervezési irányelvet:

1) A dugattyúnak megnyúltnak kell lennie, és el kell kerülni a felesleges keresztmetszeti változásokat, hogy javítsa az energiaátvitel hatékonyságát és a kalapács élettartamát.

2) A dugattyú ütőfelületének területének egyenlőnek vagy a kalapács farvégének végfelületéhez minél közelebbi területnek kell lennie, valamint bizonyos kúpos hossznak is léteznie kell az ütési hullámok átvitelének elősegítésére.

3) A dugattyú teljes lökethossza és túllökése nem sérítheti a két végén található tömítési szerkezeteket.

4) A szabadlövéses hidraulikus párna méreteit és minden dugattyúszegmens tömítési hosszát gondosan kell megtervezni.

5) Megfelelő anyagválasztás szükséges – a dugattyú anyagának magas mechanikai tulajdonságokkal, magas felületi keménységgel, jó magtoughness-szal (mag-ütésállósággal), kiváló kopásállósággal és ütésállósággal kell rendelkeznie.

6) A dugattyú és a henger test közötti illesztési hézagot ésszerűen kell meghatározni, figyelembe véve a szivárgási veszteségeket és a megmunkálási pontosságot. Általában a dugattyú és a henger test közötti illesztési hézag 0,04–0,06 mm, míg a dugattyú és a támasztó hüvely közötti illesztési hézag 0,03–0,05 mm.

(2) Elosztószelep-kutatás

Jelenleg a hidraulikus kőtörők nagy többsége pozíció-helyvisszajelzéses szelepszabályozású dugattyús rendszert alkalmaz, és a becsapódó berendezés egy bizonyos kamrájában az olajellátás mintázatának megváltoztatásával éri el a gyors ütődugattyú ingadozó mozgását. Bár ez a szabályozási forma viszonylag egyszerű, átmeneti folyamata viszonylag összetett. A szelep átkapcsolásának folyamata során az idő, a sebesség, a lökethossz, az olajfogyasztás és egyéb paraméterek lépcsőzetesen változnak, amelyek jelentős hatással lehetnek a becsapódó berendezés teljesítményére. Ennek vizsgálatára Liu Wanling és munkatársai a Pekingi Tudomány- és Technikatudományi Egyetemről elméleti és kísérleti úton külön kutatást végeztek a hidraulikus becsapódó rendszerekben alkalmazott szabályozószelepek jellemzőiről, meghatározták a tanulmányozott becsapódó berendezés szelepének tényleges mozgás-pályáját, feltárva a irányítószelepek mozgásának törvényszerűségeit, valamint meghatározva a becsapódó berendezés teljesítményét befolyásoló szabályozószelep fő paramétereit. Qi Renjun és munkatársai a Közép-Déli Egyetemről elméleti elemzést végeztek a szelepszabályozási folyamatról, valamint a szelep szerkezetének és paramétereinek optimalizálásáról, és néhány hasznos törvényszerűséget állapítottak meg; a irányítószelep nagysebességű mozgása során felléphető sebesség-szaturáció és kavitáció jelenségekkel szemben hatékony megoldásként javasolták a szeleptömb tömegének és lökethosszának csökkentését, miközben az olajáramlás keresztmetszetét megfelelően növelték. Liu Wanling és Gao Lanqing a Pekingi Vas- és Acélkollégiumtól a 'Hidraulikus kőtörő irányítószelepének dinamikai jellemzőinek elemzése – szimulációs és kísérleti kutatás' című tanulmányukban a BASIC programozási nyelvet alkalmazva vizsgálták a szelep dinamikai jellemzőinek javításának lehetőségeit, és arra a következtetésre jutottak, hogy a nulla átfedésű nyitás növekedésével a hátsó kamra nyomása gyorsan csökken, az ütómunka nő, az ütésfrekvencia kissé csökken, és a becsapódó berendezés hatásfoka javul; ha azonban a nulla átfedésű nyitás túlságosan nagy, akkor a szelep vállának csökkenő tömítési hossza miatt a szelep működése megbízhatatlanná válik.

(3) Akkumulátor-kutatás

Az akkumulátor a hidraulikus kőtörő egy fontos összetevője, és szerkezete közvetlenül befolyásolja a hidraulikus kőtörő teljes gépi teljesítményét. Ezért a hidraulikus kőtörő teljesítményének kutatása mellett az akkumulátorokra is kiterjedt kutatás folyt. 1990-ben a japán kutatók, Takauchi Yoshio és Tanimata Shu társai kísérleti és elméleti kutatást végeztek, és az általuk létrehozott analitikai modell alapján az állapotegyenlet segítségével meghatározták az akkumulátorba töltendő nitrogén térfogatának számítási képletét, majd kísérletileg igazolták a képlet helyességét, így elméleti alapot nyújtva az optimális akkumulátor tervezéséhez. 1986-ban Duan Xiaohong a Pekingi Tudomány- és Technológiai Egyetemről a koncentrált paraméteres módszerrel létrehozott egy dinamikus modellt a nagynyomású membrános akkumulátorokról, és kísérleti valamint számítási módszerekkel elemezte az akkumulátorrendszer frekvenciajellemzőit, megvitatva az akkumulátor és a hidraulikus kőtörő közötti optimális csatolást, valamint rámutatva arra, hogy az ütőberendezés optimális működési tartománya az a zóna, ahol az akkumulátor másodrendű harmonikus válasza a rendszer nyomásváltozásaira dominál az energiában. 1986-ban He Qinghua tanár a Közép-Déli Egyetemről megjelentette a „Hidraulikus ütőmechanizmusok visszatérő olaj- és visszatérő olaj-akkumulátora” című tanulmányát, amelyben rámutatott, hogy a hidraulikus kőtörő működési hidraulikus nyomása főként saját mozgó alkatrészeinek tehetetlenségi erejétől függ; ez a hidraulikus kőtörő egy jelentős jellemzője, amely megkülönbözteti azoktól a hagyományos hidraulikus gépektől, amelyeknél a működési hidraulikus nyomás főként a külső terheléstől függ. A visszatérő nyomás főként az olaj gyorsulásából származó tehetetlenségi hidraulikus nyomás, amely akkor keletkezik, amikor a dugattyúk vagy szelepek olajat engednek ki a visszatérő olajcsőbe; továbbá megállapították, hogy mivel az ütőberendezés kifolyási árama eltér az olajáram változási mintázatától a visszatérő csőben, ha a visszatérő csőbe belépő áram kisebb, mint a visszatérő csőben mozgó olajáram, kavitáció lép fel. A tehetetlenségi visszatérő nyomás csökkentése és a visszatérő kavitáció megszüntetése érdekében javasolt a visszatérő akkumulátor beépítése a hidraulikus kőtörőbe, és ebből kiindulva egy visszatérő akkumulátor-paraméter-tervezési módszert dolgoztak fel. Az utóbbi években a Pekingi Tudomány- és Technológiai Egyetem kutatást folytatott a hidraulikus kőtörő akkumulátorainak dinamikus csatolási jellemzőiről, elkészítette az HRDP szimulációs szoftvercsomagot, és eredményeket ért el az optimális akkumulátor dinamikus csatolási jellemzőire vonatkozó ellenőrző számításokban.

(4) Üres lövés megelőzésére szolgáló eszközök és csiszoló visszapattanási energiáját elnyelő berendezések kutatása

Mivel a hidraulikus kőtörő működése során elkerülhetetlenül fellépnek a csiszoló visszapattanása és a szabadlövés jelenségei, ezért a csiszoló visszapattanási energiáját elnyelő berendezés és a szabadlövés megelőzésére szolgáló eszköz munkavégzési teljesítménye nagy hatással van a hidraulikus kőtörő élettartamára. Meng Suimin tanár úr a „Kőfúró dugattyú visszapattanási sebességének elemzése” című tanulmányában rendszerszerűen elemezte a csiszoló farokrészének visszapattanását okozó tényezőket, és vizsgálta a csiszoló visszapattanási energiájának elnyelésének módszereit. Liao Yide a Közép-Déli Egyetemről a „Hidraulikus kőfúró szabadlövési fékberendezésének elméleti és kísérleti kutatása” című tanulmányában matematikai modellt állított fel a szabadlövési fék folyamatára, és szimulációs kutatást folytatott. Liao Jianyong doktor úr a „Többfokozatú hidraulikus kőfúrók tervezési elmélete és számítógéppel segített tervezése” című tanulmányában számítógépes szimulációt és optimalizációs tervezést végezett a csiszoló visszapattanási energiáját elnyelő berendezésekre és a szabadlövés megelőzésére szolgáló eszközökre. Liu Deshun a Közép-Déli Egyetemről doktori értekezésében, amelynek címe „Ütő mechanizmusok hullámdinamikai kutatása”, a hullámdinamikai elméletet alkalmazva levezette az ütőberendezés egyes részeinek visszapattanási sebességére vonatkozó képleteket, és rámutatott arra, hogy az ütőberendezés egyes részeinek racionalizált tervezésével a visszapattanási energiát ki lehet használni. A Közép-Déli Egyetem Hidraulikus Mérnöki Gépek Kutatóintézete kifejlesztett egy kétfokozatú szabadlövési fékberendezést, amely teljes mértékben kihasználja a csiszoló visszapattanási energiáját elnyelő berendezés képességét – ez egy alkotó kutatási eredmény.

1.5.4 Frekvencia-beállítási, energiabeállítási és vezérlési technológia kutatása hidraulikus kőtörőkhöz

A hidraulikus kőtörők technológiájának fejlődésével a terepi építési munkák új követelményeket támasztanak ezekkel szemben. Az értékesítési hatékonyság hatékony növelése érdekében szükséges, hogy a hidraulikus kőtörő ütőenergiája és ütésfrekvenciája a kőzet tulajdonságainak megváltozásával együtt változzon. Ez azt jelenti, hogy a hordozógép telepített teljesítményének maximális kihasználása mellett – amikor a kőzet keményebb – a hidraulikus kőtörő nagyobb ütőenergiát és alacsonyabb ütésfrekvenciát biztosít; ennek ellentéte esetén pedig kisebb ütőenergiát és magasabb ütésfrekvenciát, ezzel elérve a magasabb termelési hatékonyságot. A fenti célok elérése érdekében mind hazai, mind nemzetközi szinten kiterjedt kutatások folytak.

A hidraulikus kőtörők elméleti kutatásából következően kimenetüket (ütésenergiát és frekvenciát) főként három módszerrel lehet szabályozni: ① áramlásmennyiség szabályozása; ② ütésút szabályozása; ③ visszacsatolási nyomás szabályozása. Jelenleg a hazai és külföldi hidraulikus kőtörők túlnyomó többsége csak egyetlen, rögzített ütésúttal rendelkezik – azaz kimenetük nem szabályozható. Természetesen, ha ilyen hidraulikus kőtörők az áramlásmennyiség szabályozásával próbálnák módosítani a kimenetet, bár elméletileg lehetséges, gyakorlatilag nem alkalmazható. Mivel az áramlásmennyiség változása szinkron változásokat eredményez kimeneti paramétereiben, így független szabályozás nem érhető el.

Bár néhány hazai és külföldi gyártó tervezett és gyártott ütés-hossz szabályozható hidraulikus kőtörőket, ezek a merev szerkezetű, fokozatos beállítású eszközök nagyon kényelmetlenek a használatban, és eredményeik is gyengék, ezért a felhasználók körében nem váltak népszerűvé. Az ütés-hossz visszacsatolásos elosztásnál a kimeneti munkaparamétereket főként a rendszer bemeneti áramlásának változtatásával, illetve több visszatérő ütés visszacsatolási jelzőnyílás hozzáadásával állítják be, és az egyes jelzőnyílások be- és kikapcsolásával szabályozzák a dugattyú ütés-hosszát, így módosítva a hidraulikus kőtörő ütésenergiáját és ütésfrekvenciáját. Például a svédországi Atlas-Copco által gyártott háromsebességű hidraulikus kőfúró. A Közép-Dél-Kínai Egyetem YYG sorozatú, automatikus sebességváltós hidraulikus kőtörői – szerkezeti korlátozások miatt – ezen elv csak fokozatosan szabályozható hidraulikus kőtörő munkaparamétereket tesz lehetővé; továbbá, mivel az ütésrendszer nyomása és áramlása egymással négyzetesen arányos, az ütésenergia és az ütésfrekvencia egyidejű növelése rendkívül nagy változást eredményez a hordozógép teljesítményében, ami korlátozza a hidraulikus kőtörő munkaterületének és munkahatékonyságának kibővítését. Takahashi Takashi professzor, az akita-i egyetem (Japán) kutatója egy tanulmányában azt írta le, hogy az ütés-hossz változtatásának célját a visszatérő ütés jelzőnyílásának helyzetének módosításával érhetjük el. Kísérletek igazolták, hogy ha a dugattyú ütés-hossza 10%-kal nő, bár az ütésfrekvencia 8%-kal csökken, az ütésenergia 12%-kal növekszik, ami javítja a munkahatékonyságot, és elméleti és kísérleti alapot nyújt a ütés-hossz szabályozható hidraulikus kőtörők tervezéséhez. He Qinghua tanár, a Közép-Dél-Kínai Egyetemről, a „Ütés-hossz szabályozható hidraulikus ütőgépek kutatása” című munkájában összehasonlított többféle sebességváltási módszert, és elméletileg elemezte a ütés-hossz szabályozható hidraulikus ütőberendezések különféle munkaparamétereinek és a sebességváltás ütés-hosszának kapcsolatát; az eredmények nyilvánvaló iránymutatást nyújtanak a sebességváltós hidraulikus kőtörők tervezéséhez és alkalmazásához. Ez a könyv a nyomás-visszacsatolási elv alapján vezeti be az önálló, folyamatosan szabályozható munkaparaméterek fogalmát, és ezt az új típusú hidraulikus kőtörő terméket is piacra dobta. Főként a rugóerő hatására történő dugattyú visszatérő nyomás nagyságának szabályozásával állítja be az ütőberendezés egyedi ütésenergiáját; egyidejűleg a változó sebességű szivattyú áramlásának szabályozásával folyamatosan szabályozza az ütőberendezés frekvenciáját, így az ütésenergia és az ütésfrekvencia mindegyike folyamatosan, önállóan szabályozható viszonylag széles tartományban, miközben a hordozógép teljesítményváltozása minimális. A jelen új típusú hidraulikus ütőgép elméleti kutatásával, szerkezeti tervezésével és vezérlési módszereivel kapcsolatban a szerzők kutatást végeztek olyan hidraulikus ütőberendezésekről, amelyek ütésenergiáját és ütésfrekvenciáját folyamatosan, önállóan szabályozhatják. Zhao Hongqiang doktor, a „Folyamatosan szabályozható ütésenergiájú és ütésfrekvenciájú új típusú hidraulikus kőtörő kutatása” című doktori értekezésében áttörést ért el a hidraulikus kőtörők hagyományos ütés-hossz visszacsatolásos vezérlési módszerén, és a nyomás-visszacsatolásos valamint a változó sebességű szivattyú áramlásszabályozásos módszereket alkalmazva megvalósította a hidraulikus kőtörő ütésenergiájának és ütésfrekvenciájának önálló, folyamatos szabályozását. Ding Wensi doktori értekezésében a törőgép farokrészében lévő nitrogénnyomást vezérlő változóként használva kiterjedt munkát végzett a nagysebességű kapcsoló szelepekkel vezérelt kényszerelt elosztású törőgépekről, és megvalósította a törőgépek önálló frekvencia- és energiabeállítását. Zhang Xin a „Gép-elektronika integrációs új típusú nyomás-visszacsatolásos hidraulikus ütőberendezés-rendszer kutatása” című munkájában egyetlen chip mikrovezérlővel vezérelt nagysebességű kapcsoló szelepeket alkalmazott az ütőberendezés mikroszámítógépes vezérlésének megvalósítására. Yang Guoping doktori értekezésében, a „Tiszta hidraulikus, önálló, folyamatos frekvencia- és energiabeállítású hidraulikus ütőberendezés kutatása” című munkájában egy intelligens ütőberendezést javasolt, amely tiszta hidraulikus vezérlési sémával képes a hidraulikus kőtörő ütésenergiájának és ütésfrekvenciájának folyamatos szabályozására egy pilóta-szelep kezelőelem segítségével.

1.5.5 A hidraulikus kőtörő szimulációs technológia kutatásának jelenlegi állapota

A terméktervezés és -fejlesztés szempontjából a mechanizmusok dinamikai jellemzőinek vizsgálata a legjobban a termékfejlesztés és -tervezés fázisában végezhető el. A hidraulikus vezérlőrendszerek dinamikai válaszának szimulációja mindig is egy olyan terület volt, amelyet folyamatosan kutat a hidraulikai ipar, és ugyanakkor gyakran alkalmazott módszer a vezérlőrendszerek dinamikai válaszjellemzőinek tanulmányozására.

A hidraulikus kőtörő speciális működési módszere meghatározza, hogy a dinamikus szimulációs elemzés és tesztelés az alapvető feltétele legyen a mechanizmus elméleti tervezésének és fejlesztésének. A számítógépek megjelenése után megszűnt az akadály, amely korábban csak a terméktesztekre támaszkodva akadályozta a pontos vagy megbízható mechanizmusmozgás-teljesítmény-jellemzők megszerzését. A kutatók különböző módszerekkel kezdtek matematikai modelleket létrehozni a hidraulikus rezgés- és ütőgépek mozgásának leírására, a hidraulikus kőtörők paraméterváltozás-folyamatait szimulációs technológiával elemezték, és virtuális prototípus-technológiát alkalmaztak az ütőgépek mozgásfolyamatainak szimulálására. Miután a tervezési eredmények meghatározásra kerültek, a mechanizmus mozgása egyértelműen érthetővé válik, és a kapcsolódó teljesítményparaméterek kiszámíthatók, így jó útvonalat nyújtva az új termékek fejlesztési ciklusának lerövidítéséhez, a tervezés optimalizálásához és a dinamikus teljesítményelemzés végrehajtásához.

Az 1960-as és 1970-es években külföldi kutatók elkezdték a digitális számítógépek alkalmazását az ütőgépek szimulációjában. Ezekben a munkákban a front- és hátsó kamra nyomását választották változónak, kiszámították a folyadék áramlását minden porton keresztül (be- és kilépő áramlás), majd kiigazították az áramlási együtthatókkal; ezután a gáztörvényt és az energiamérleg-egyenletet alkalmazva mikrodifferenciálegyenleteket állítottak fel az akkumulátor és a dugattyú állapotváltozásainak leírására; bizonyos közelítő kezelést követően véges differenciák módszerét alkalmazták a numerikus megoldáshoz. A szimulációs eredmények – különösen a teljesítményparaméterek – nagyon közel álltak a mért értékekhez, és kielégítő eredményeket értek el. Japánban a kutatók inkább az adott hidraulikus kőtörők számítógépes modellezésére helyezték a hangsúlyt, és a kísérletekből nyert paramétereket bevezették a szimulációba annak érdekében, hogy optimalizálják a hidraulikus kőtörők szerkezeti paramétereit, ütési paramétereit és teljesítményét, így meghatározták az optimális visszatérő olajport területét, az optimális akkumulátor töltetmennyiségét és a megfelelő hidraulikus kőtörő hátsó kamrájának nyomásálló felületét. A szimuláció mellett a japán kutatók nagyobb figyelmet fordítottak a szimulációs eredmények és a kísérleti vizsgálatok eredményeinek összehasonlítására, és a teszteredmények alapján korrigálták a számítógépes modelleket. A Sandvik cég – figyelembe véve a becsapódó dugattyú alakjának hatását az energiaátviteli módszerre – szintén kifejlesztett és kialakított egy számítógépes szimulációs programot ezen a területen. Ezzel a programmal: ① az ütés minden részének energiaátviteli folyamata szimulálható; ② minden rendszerelem különböző tervei szimulálhatók; ③ különböző típusú ütött tárgyak esetén szimulálható, hogy az egyes tervek milyen hatással vannak az energiaátvitelre. A Sandvik számítógépes programja nemcsak az optimális termékek gyártását garantálja, hanem lehetővé teszi az összes paraméter hatásának mérését és megértését az ütésrendszerre, valamint bizonyos paraméterek változásának hatásának elemzését a hatékonyságra, és felhasználóknak gyakorlatias és hatékony számítási eszközként is rendelkezésre bocsátja.

Az 1980-as évek után megkezdődött a hazai szimulációs technológiák és alkalmazások kutatása is. A kínai kutatók, például Tian Shujun, Chen Yufan és mások matematikai modelleket állítottak fel saját módszereikkel. Tian Shujun és munkatársai az úgynevezett teljesítmény-kapcsolati gráfot – egy fejlett dinamikus modellezési technológiát – alkalmazták, amelyet állapottér-analízis módszerekkel kombináltak, és főként csúszka-szeleppel szabályozott hidraulikus kőtörők dinamikus szimulációs szoftverének fejlesztésén dolgoztak. Ez a kutatás a hidraulikus kőtörők dinamikus szimulációs modellezését és programozását vizsgálta, és módszertani alapot nyújtott számos későbbi szimulációs programozónak. Ilyen például Zhou Zhihong professzor (Pekingi Tudomány- és Technológiaegyetem), aki Yan Yong és társai hallgatókat vezetett arra, hogy teljesítmény-kapcsolati gráfok segítségével dinamikus egyenleteket állítsanak fel többféle hidraulikus kőtörő dugattyújára, irányítószelepére, valamint minden egyes hidraulikus áramlási és gázállapot-egyenletre; majd számítógépes nyelven szimulációs programokat írtak, hogy elemezzék a hidraulikus kőtörő fő állapotváltozási folyamatait – például az elülső és hátsó kamrák nyomását, az áramlást, a dugattyú elmozdulását és sebességét –, és ezzel platformot biztosítottak további kutatásokhoz a hidraulikus kőtörő paramétereinek változásának hatásáról a berendezés teljesítményére. A számítógépek és szoftvertechnológiák gyors fejlődésével a Matlab és az AMEsim szoftvereket is alkalmazni kezdték a hidraulikus kőtörő rendszerek modellezésére és szimulációjára, amely elméleti alapokat biztosított az új típusok kutatási és fejlesztési ciklusainak lerövidítéséhez és tervezési minőségük javításához.

1.5.6 Kísérletes kutatási módszerek

A kísérlet az alapvető eszköz, amellyel az emberek megismerik a természetet és átalakítják a tárgyi világot – a kísérlet során megfigyelt jelenségek és mért adatok összegyűjtése és absztrahálása, belső összefüggések és mintázatok felfedezése, valamint elmélet kialakítása. A kísérlet az elmélet forrása; a kísérlet az egyetlen bíró, amely igazolja az elméletet.

A hidraulikus kőtörő ütési teljesítményének paraméterei fontos mutatószámok a tervezési, gyártási szint és a minőség értékeléséhez. A fő paraméterek mindegyike kísérleti úton mérhető, és az eredmények adatok, görbék vagy diagramok formájában fejezhetők ki. A teljesítmény-ellenőrzés főként az ütési energia, az ütési frekvencia, a rendszer nyomása és a térfogatáram mérését jelenti. Ezeknek a paramétereknek a mérési módszerei jelenleg nem rendelkeznek egységes nemzetközi kísérleti szabvánnyal. A jelenleg leggyakrabban alkalmazott hidraulikus kőtörő ütési teljesítményének vizsgálati módszerei a következők: feszültséghullám-módszer, fényelektromos elmozdulás-különbség-módszer, elektromágneses indukciós módszer, érintéses módszer, nagysebességű fényképezés, indikátordiagram-módszer és energiamódszer stb.

A feszültséghullám-módszer egy olyan eljárás, amellyel az ütőpistont a csiszolóra gyakorolt ütés energiáját mérjük a csiszolón keletkező feszültséghullám mérésével. A fényelektromos módszer a fényelektromos átalakítás elvét alkalmazza; egy fényelektromos érzékelő segítségével közvetlenül a mérés tárgyaként az ütőpiston helyzetét határozzuk meg, így meghatározható a piston mozgásának elmozdulása, majd ebből további számításokkal meghatározhatók az ütőberendezés egyes teljesítményparaméterei. A fényelektromos módszer, mint érintésmentes mérési eljárás, kiválóan alkalmas olyan ütőgépek – például hidraulikus kőtörők – vizsgálatára, amelyeknél a piston úthossza hosszú, átmérője nagy, és sebessége magas. Az elektromágneses indukciós módszer egy elektromágneses indukciós érzékelőrendszert használ, amelyet egy a csapágyazott ütőpistonra szerelt mágnesrúd és egy a házra szerelt spirális tekercs alkot. Amikor a mágnesrúd a pistonnal együtt reciprokközben mozog, a tekercs mágneses erővonalainak vágása révén indukált elektromotoros erő keletkezik; az indukált elektromotoros erő és az ütési sebesség közötti kalibrációs összefüggés alapján meghatározható a piston mozgási sebessége, és ebből számítható az ütőpiston ütési energiája.

A kontakt módszer egy olyan módszer, amellyel az ütőpofa végsebességének ismeretében számítható ki az ütési energia akkor, amikor az ütőpofa az ütött tárgyba ütközik. A kőtörők teljesítményének vizsgálatánál a fenti négy módszer viszonylag gyakran használt; más módszerek – akár működési bonyolultságuk és magas költségük miatt, akár az ütőpofa mozgásállapotát nem teljesen tükröző jellege miatt – gyakorlatban ritkán fordulnak elő.

Meg kell említeni, hogy a fenti feszültséghullám-módszer kizárólag olyan ütőeszközök vizsgálatára alkalmas, amelyek relatíve kis ütőenergiával rendelkeznek, például hidraulikus szikafúrók és nehezített levegővel működő szerszámok; nagyobb ütőenergiájú hidraulikus szikatörők vizsgálata ennél a módszernél lényegesen nehezebb. A feszültséghullámokkal foglalkozó szakosodott kutatóegységek vizsgálati kapacitása általában nem elegendő a nagy méretű hidraulikus szikatörők tesztelésére; emellett a beltéri vizsgálat során keletkező zaj és rezgés is elfogadhatatlan. A kontakt módszer esetében bár a felszerelés egyszerű, az eredmények nem elég pontosak, ezért nem javasolható széles körű alkalmazása. Csak az elektromágneses indukciós módszer bizonyult teljes körűen megfelelőnek a hidraulikus szikatörők vizsgálatára: egyaránt alkalmazható kis ütőenergiájú hidraulikus szikafúrók és nagy ütőenergiájú, magas teljesítményű hidraulikus szikatörők esetében; közvetlenül méri a dugattyú mozgássebesség-görbéjét, így meghatározható a dugattyú elmozdulása és gyorsulása is – ami különösen hasznos azok számára, akik a dugattyú mozgásmintázatait tanulmányozzák. Az egyetlen hátránya, hogy a mágnesrúd könnyen megsérülhet a magas frekvenciájú dugattyúrezgés hatására.

Ding Wensi doktor, a Közép-Déli Egyetem kutatója, doktori értekezésében, amelynek címe: „Új típusú nyomás-visszacsatolási nitrogénrobbanó gép-elektromos integrált hidraulikus kőtörő rendszer kutatása”, egy új módszert javasolt az ütőberendezés kimeneti paramétereinek mérésére – a gáznyomás-módszert. Ez a módszer egy nyomásszenzort használ a dugattyú mozgása során a dugattyú farokrészén elhelyezett zárt nitrogénkamrában létrejövő nyomásváltozás érzékelésére, és egy számítógép segítségével meghatározza a dugattyú útját és mozgási sebességét, így megkapva az ütőberendezés két fontos kimeneti paraméterét – az ütőenergiát és az ütési frekvenciát. A hagyományos mérési módszerekkel összehasonlítva a nem érintkezéses gáznyomás-módszer több előnnyel bír: erős rezgáscsillapító képesség, minimális előkészítési munka, az ütőenergia és az ütési frekvencia egyidejű mérése, kényelmes kalibrálhatóság, kis ütési paraméter-hiba és magas pontosság. Nemcsak laboratóriumi termékek mérésére és azonosítására használható, hanem gyakorlati munkavégzés közben is kényelmesen alkalmazható online mérésre. A módszert már alkalmazták a Jingye cég hidraulikus tesztprogramjában, és bevezették a „Hidraulikus kőtörő” ipari szabványba.

1.5.7 Rezgés-, zaj- és vezérlési kutatás

A hidraulikus ütőgépek teljesítményének mérésére szolgáló jellemzők közé – az ütőenergián, az ütési frekvencián és a tömegen túl – a zajszint, a gép testének rezgése és az energiafelhasználási hatásfok is tartozik, amelyek fontos tényezők az általános teljesítmény értékelésében. A környezettudatosság növekedésével a fejlett országok egyre szigorúbb korlátozásokat vezetnek be a berendezések zajszintjére vonatkozóan. A piaci igényekhez való alkalmazkodás érdekében a hidraulikus ütőgépek zaj- és rezgésmentessége, valamint a porcsapás is fokozatosan fontos versenyelőnyöket biztosító mutatókká válnak; ezek szabályozásának technológiája jelenleg egy fontos kutatási terület. Különböző országokból származó kutatók szerkezeti és anyagi szempontból is vizsgálódnak; szerkezeti megoldásként például beépített bélés hüvelyeket, zajcsendesítő eszközöket vagy rezgéselnyelő acéllemezeket használnak a rezgés és a zaj csökkentésére. A Krupp cég minden közepes és kisebb méretű termékét hangelnyelő anyagokkal látja el. A Rammer cég újonnan fejlesztett termékeire nagynyomású vízpumpákat és porlasztó fúvókákat szerel, hogy porcsapási hatást érjen el. Ezen felül a szenzortechnológia alkalmazásával pontos pozícionálás érhető el a hidraulikus kőtörőknél, automatikusan fúrhatók lyukak, megállíthatók és visszahúzhatók a kifogók, valamint az üzemelési körülményeknek megfelelően automatikusan szabályozható az ütőenergia és az ütési frekvencia.