Panoramica della ricerca teorica sui frantumatori idraulici per roccia

1.5 Panoramica della ricerca teorica sui frantumatori idraulici per roccia

Durante il funzionamento del frantumatore idraulico per roccia, la pressione dell’olio nella camera di lavoro commuta ad alta frequenza sotto il controllo della valvola direzionale; le caratteristiche del fluido nel condotto oleodinamico non possono essere semplicemente analizzate secondo la teoria della trasmissione idraulica, ma è necessario applicare l’analisi della teoria delle vibrazioni idrauliche. La forza agente sul pistone e sull’utensile passa da zero a decine o centinaia di megapascal in poche decine di microsecondi, per poi ridiscendere nuovamente a zero; la forma di trasmissione dell’energia mediante onde di tensione implica che la descrizione del processo lavorativo non può basarsi semplicemente sulla statica, sulla meccanica dei corpi rigidi e sulla cinematica. Il principio di funzionamento della macchina ad impatto rientra nei problemi di dinamica dei corpi elastici e per descrivere con precisione il processo di trasmissione dell’energia è necessario ricorrere alla teoria delle onde.

Sulla base delle differenze negli assunti fondamentali e nei modelli matematici, la ricerca sui frantumatori idraulici per roccia si suddivide in due grandi categorie: ricerca basata su modelli lineari e ricerca basata su modelli non lineari.

1.5.1 Modelli lineari di ricerca per frantumatori idraulici per roccia

La ricerca lineare è una ricerca idealizzata condotta linearizzando frantumatori idraulici per roccia non lineari mediante ipotesi — modelli lineari ottenuti sotto l’assunzione di 'pressione costante dell’olio idraulico' e ignorando alcuni fattori. Il presupposto della sua ricerca è la tesi proposta dagli studiosi sovietici OdAlimov e SAbasov nell’opera 'Teoria strutturale delle macchine idrauliche a vibrazione e impatto': 'Nelle condizioni di garanzia di una data velocità finale dell’urto, il controllo a pressione completamente uniforme rappresenta il controllo ottimale con la massima efficienza.' Sulla base dell’ipotesi di 'controllo a pressione costante', gli studiosi sovietici proposero lo schema di progettazione ottimale per la forza di spinta di picco minima. Lo studioso giapponese Nakamai e colleghi, partendo da tale fondamento e tenendo conto della resistenza della tubazione, condussero ricerche teoriche e progettuali sull’aggiustabilità della corsa del pistone. Il professor Li Dazhi dell’Università delle Scienze e delle Tecnologie di Pechino propose l’idea di una progettazione ottimale della corsa. Chen Yufan e colleghi utilizzarono modelli lineari di dispositivi d’urto, applicando un’analisi adimensionale con il metodo della corsa ottimale, per condurre un’analisi adimensionale dei parametri del dispositivo d’urto, ottenendo una serie di espressioni relazionali tra i parametri utili a guidare il lavoro progettuale. Il docente Chen Dingyuan dell’Università delle Scienze e delle Tecnologie di Pechino, assumendo come variabile di progettazione il rapporto C = S/S_m (dove S è la corsa operativa e S_m è la corsa massima), condusse un’analisi adimensionale dei frantumatori idraulici per roccia, ricavando che la zona di efficienza ottimale corrisponde a C = 0,75–0,850. Il docente Wang Zheng dell’Università delle Scienze e delle Tecnologie di Pechino, utilizzando come variabile di progettazione il tempo t dell’accelerazione di ritorno del pistone, condusse un’analisi completa dei parametri e ottenne i seguenti risultati: quando la variazione del volume dell’accumulatore è minima, t = 0,406T; quando l’urto idraulico è minimo, t = 0,5T. Il docente He Qinghua dell’Università Centrale del Sud utilizzò come variabile di progettazione adimensionale il coefficiente caratteristico strutturale del dispositivo d’urto — ossia il rapporto tra le aree efficaci delle camere anteriore e posteriore del pistone — per effettuare una progettazione ottimizzata dei dispositivi d’urto. Poiché numerosi studi lineari non hanno considerato la relazione di vincolo reciproco tra pistone e valvola, che influisce direttamente sulle prestazioni d’urto e sullo stato dell’accumulatore, essi non riescono a riflettere accuratamente le interrelazioni tra i molti parametri strutturali del meccanismo. Sebbene la precisione della loro ricerca sia relativamente limitata, i risultati ottenuti riescono comunque a descrivere in modo sostanziale le relazioni di influenza tra i diversi fattori e le prestazioni, rivestendo pertanto un certo valore pratico nella ricerca teorica e progettuale.

1.5.2 Modelli non lineari per frantumatori idraulici per roccia

Come sistema di tracciamento a retroazione meccanica monoblocco relativamente tipico e complesso, il frantumatore idraulico per roccia, analogamente ad altri sistemi non lineari in diversi ambiti, presenta numerosi fenomeni e comportamenti non lineari. La ricerca sui sistemi non lineari ha preso in considerazione in modo più completo i fattori che influenzano il moto del frantumatore idraulico per roccia, analizzando in maniera relativamente esaustiva lo stato di sollecitazione del dispositivo e ottenendo sistemi di equazioni differenziali non lineari di ordine superiore per descriverne i modelli di movimento. Tuttavia, tali equazioni sono difficili da risolvere, la loro descrizione non è intuitiva e possono essere risolte solo numericamente mediante calcolatore. Negli ultimi anni, con lo sviluppo delle scienze e delle tecnologie informatiche e la diffusione dei microcomputer, la ricerca sui modelli matematici non lineari ha ricevuto un’attenzione crescente da parte degli studiosi.

Già all'inizio degli anni '70, studiosi stranieri applicarono calcolatori digitali alla simulazione di macchine per la rottura della roccia a percussione pneumatica, ottenendo risultati relativamente accurati. Nel 1976, lo studioso giapponese Masao Masabuchi fu il primo ad utilizzare il calcolo matematico per studiare i frantumatori idraulici per la roccia, proponendo un modello matematico per un dispositivo sperimentale di impatto idraulico e impiegando un calcolo iterativo per determinare la velocità e la frequenza della corsa di potenza, confrontandole quindi con i valori misurati. Negli anni '80, gli studiosi giapponesi Takauchi Yoshio, Tanimata Shu e altri condussero ricerche non lineari sulle prestazioni e sulla progettazione dei frantumatori idraulici per la roccia, proponendo modelli analitici adatti alla valutazione delle prestazioni e alla progettazione dei frantumatori idraulici per la roccia, nonché la teoria di derivazione e il metodo di analisi per tali modelli analitici. Nel 1980, Li Dazhi e Chen Dingyuan dell'Università delle Scienze e delle Tecnologie di Pechino proposero un modello matematico non lineare in cui la pressione dell'accumulatore veniva utilizzata come pressione di lavoro, ricercando soluzioni numeriche stabili. Nel 1983, He Qinghua dell'Università Industriale del Sud della Cina, nel suo studio 'Ricerca sulla simulazione numerica dei frantumatori idraulici per la roccia', utilizzò il metodo di commutazione di stato per stabilire un modello matematico completo, proponendo il 'metodo di calcolo di accelerazione quasi-uniforme' (metodo PUA), correggendo gli errori nei punti di transizione di stato e migliorando così l'accuratezza della simulazione. Nel 1987, il professor Chen Xiaozhong e il docente Chen Dingyuan dell'Università delle Scienze e delle Tecnologie di Pechino svilupparono un modello matematico non lineare dei meccanismi d'impatto e scrissero programmi di simulazione in BASIC, ottenendo dati di simulazione relativamente coerenti con i risultati misurati. Durante il funzionamento di un frantumatore idraulico per la roccia, a causa dell'elevata pressione, del breve ciclo d'impatto e della frequente commutazione del flusso d'olio, si genera una camera di pressione variabile in continuo cambiamento; pertanto, quando l'olio idraulico scorre attraverso varie strozzature, si genera una notevole quantità di calore, causando temperature localmente elevate che influenzano le prestazioni del dispositivo d'impatto e la lubrificazione locale; tuttavia, la ricerca in questo ambito rimane tuttora un campo ancora inesplorato.

A causa della complessità del movimento dei frantumatori idraulici per roccia, anche i modelli non lineari vengono costruiti sulla base di determinate ipotesi; pertanto, in realtà non vi è una grande differenza tra modelli lineari e non lineari nel descrivere la natura essenziale dei fenomeni: differiscono soltanto i metodi matematici utilizzati per risolvere i modelli. I modelli lineari impiegano soluzioni analitiche, mentre per i modelli non lineari è necessario ricorrere a metodi numerici eseguiti tramite calcolatore. Entrambi possono soltanto approssimare i modelli di movimento del dispositivo d’urto; per ottenere metodi descrittivi più accurati, è tuttora necessario sviluppare la dinamica dei fluidi computazionale.

Va sottolineato che, con l’evoluzione della tecnologia dei frantumatori idraulici per roccia — in particolare con l’introduzione dei frantumatori idraulico-pneumatici combinati e dei frantumatori idraulici ad esplosione azotata — il mezzo di lavoro del frantumatore idraulico non è più costituito unicamente dall’olio, ma include anche gas; l’introduzione dell’azoto ha ulteriormente accresciuto la difficoltà e la complessità della ricerca teorica.

1.5.3 Ricerca sui componenti chiave degli spezzatori idraulici per roccia

(1) Ricerca sul pistone

La qualità della progettazione e della produzione del pistone d'impatto determina in larga misura le prestazioni del dispositivo ad impatto. Studiosi cinesi hanno condotto ricerche significative su questo argomento. Il professore Meng Suimin del Collegio di Ingegneria Idroelettrica di Gezhouba, partendo dal modello lineare, ha utilizzato l'analisi adimensionale per effettuare un'esplorazione preliminare dell'influenza della velocità di rimbalzo del pistone sui parametri operativi del frantumatore idraulico per roccia. Il professor Liu Deshun del Collegio di Ingegneria di Xiangtan, nel saggio «Calcolo della velocità di rimbalzo del pistone nei perforatori per roccia», ha applicato la teoria della dinamica delle onde e, sulla base dell'analisi del principio di funzionamento della perforazione rocciosa, ha proposto formule per la valutazione dello stato di rimbalzo del pistone e per il calcolo della sua velocità di rimbalzo nei perforatori per roccia, giungendo alle seguenti conclusioni: ① Lo stato di rimbalzo del pistone e la sua velocità di rimbalzo dipendono dalle proprietà del pistone, della punta e della roccia, e tali influenze non sono indipendenti, bensì interconnesse. ② Minore è il coefficiente di rigidezza di scarico della roccia, maggiore risulta la velocità di rimbalzo. Minore è il coefficiente γ che caratterizza le proprietà di carico del perforatore per roccia e della roccia, maggiore risulta la velocità di rimbalzo. ④ Per ottenere un'efficienza di perforazione rocciosa relativamente ottimale, nella progettazione di un dispositivo ad impatto il coefficiente caratteristico γ deve essere mantenuto nell'intervallo 1 ≤ γ ≤ 2.

Il settore ha gradualmente definito alcune linee guida per la progettazione dei pistoni:

1) Il pistone deve essere allungato e ridurre al minimo le variazioni superflue della sezione trasversale, al fine di migliorare l’efficienza della trasmissione dell’energia e la durata dell’incudine.

2) L’area della superficie d’urto del pistone deve essere uguale o quanto più vicina possibile all’area della superficie terminale della coda dell’incudine, ed è necessario prevedere una certa lunghezza di conicità, per ottimizzare la trasmissione delle onde d’urto.

3) La corsa completa e la corsa in eccesso del pistone non devono danneggiare le strutture di tenuta poste alle due estremità.

4) Le dimensioni del cuscinetto idraulico per lo sparo a vuoto e le lunghezze di tenuta di ciascun segmento del pistone devono essere progettate accuratamente.

5) È necessaria una corretta scelta del materiale: il materiale del pistone deve possedere elevate prestazioni meccaniche, elevata durezza superficiale, buona tenacità del nucleo, nonché eccellente resistenza all’usura e all’urto.

6) Il gioco di accoppiamento tra pistone e corpo del cilindro deve essere determinato in modo ragionevole, tenendo conto in modo completo delle perdite per dispersione e della precisione di lavorazione. In generale, il gioco di accoppiamento tra pistone e corpo del cilindro è compreso tra 0,04 e 0,06 mm, mentre il gioco di accoppiamento tra pistone e manicotto di supporto è compreso tra 0,03 e 0,05 mm.

(2) Ricerca sulla valvola di distribuzione

Attualmente, la stragrande maggioranza dei frantumatori idraulici per roccia utilizza sistemi a pistone controllati da valvole con retroazione di posizione, realizzando il moto alternato ad alta velocità del pistone modificando lo schema di alimentazione dell’olio in una determinata camera del dispositivo d’urto. Sebbene questa forma di controllo sia relativamente semplice, il suo processo di transizione è piuttosto complesso. Durante il passaggio della valvola, parametri quali tempo, velocità, corsa e consumo d’olio variano in modo graduale, influenzando notevolmente le prestazioni del dispositivo d’urto. A tale proposito, Liu Wanling et al. dell’Università delle Scienze e delle Tecnologie di Pechino, mediante analisi teorica ed esperimenti, hanno condotto una ricerca specifica sulle caratteristiche delle valvole di controllo nei sistemi idraulici d’urto, ottenendo la traiettoria reale di movimento della valvola del dispositivo d’urto oggetto di studio, rivelando i comportamenti tipici del movimento delle valvole direzionali e identificando i principali parametri della valvola di controllo che influenzano le prestazioni del dispositivo d’urto. Qi Renjun et al. dell’Università del Sud della Cina hanno effettuato un’analisi teorica del processo di controllo della valvola, una ricerca di ottimizzazione della struttura e dei parametri della valvola, ottenendo alcune conclusioni utili sulle regolarità osservate; in particolare, mirando ai possibili fenomeni di saturazione della velocità e di cavitazione durante il movimento ad alta velocità della valvola direzionale, hanno proposto soluzioni efficaci quali la riduzione della massa e della corsa dello spool della valvola, nonché un opportuno aumento del diametro dei condotti dell’olio. Liu Wanling e Gao Lanqing del Beijing Iron and Steel College, nel lavoro 'Analisi delle caratteristiche dinamiche della valvola direzionale di un frantumatore idraulico per roccia — Ricerca mediante simulazione e sperimentazione', utilizzando il linguaggio di programmazione BASIC, hanno indagato su come migliorare le caratteristiche dinamiche della valvola, giungendo alla conclusione che, all’aumentare dell’apertura a sovrapposizione zero, la pressione nella camera posteriore diminuisce rapidamente, il lavoro d’urto aumenta, la frequenza d’urto diminuisce leggermente e l’efficienza del dispositivo d’urto migliora; tuttavia, qualora l’apertura a sovrapposizione zero risulti eccessiva, a causa della riduzione della lunghezza di tenuta alla spalla della valvola, il funzionamento della valvola diventa poco affidabile.

(3) Ricerca sugli accumulatori

L'accumulatore è un componente importante del frantumatore idraulico per rocce e la sua struttura influisce direttamente sulle prestazioni complessive del frantumatore idraulico per rocce. Pertanto, nel corso delle ricerche sulle prestazioni del frantumatore idraulico per rocce, sono state condotte anche indagini sugli accumulatori. Nel 1990, gli studiosi giapponesi Takauchi Yoshio, Tanimata Shu e altri hanno effettuato ricerche sperimentali e teoriche; sulla base del modello analitico sviluppato, hanno utilizzato l'equazione di stato per ottenere la formula di calcolo del volume di carica di azoto dell'accumulatore, verificandone sperimentalmente la correttezza e fornendo così una base teorica per la progettazione dell'accumulatore ottimale. Nel 1986, Duan Xiaohong dell'Università delle Scienze e della Tecnologia di Pechino, mediante il metodo dei parametri concentrati, ha elaborato un modello dinamico degli accumulatori a membrana ad alta pressione e ha analizzato, con metodi sia sperimentali che computazionali, le caratteristiche in frequenza del sistema accumulatore, discutendo l'accoppiamento ottimale tra accumulatore e frantumatore idraulico per rocce; inoltre ha evidenziato che la zona operativa ottimale del dispositivo d'impatto è quella in cui la risposta armonica secondaria dell'accumulatore alle variazioni di pressione del sistema prevale in termini di energia. Nel 1986, il Prof. He Qinghua dell'Università Centrale del Sud ha pubblicato un articolo intitolato 'Olio di ritorno e accumulatore di ritorno nei meccanismi idraulici d'impatto', sottolineando che la pressione idraulica operativa del frantumatore idraulico per rocce dipende principalmente dalla forza d'inerzia delle sue parti mobili; questa è una caratteristica significativa che distingue il frantumatore idraulico per rocce dalle comuni macchine idrauliche, nelle quali la pressione idraulica operativa dipende prevalentemente dal carico esterno. La pressione di ritorno è principalmente costituita dalla pressione idraulica d'inerzia generata dall'accelerazione dell'olio durante lo scarico da parte dei pistoni o delle valvole verso la tubazione di ritorno; inoltre si osserva che, poiché la portata di scarico del dispositivo d'impatto differisce dal profilo di variazione della portata d'olio nella tubazione di ritorno, si verifica la cavitazione quando la portata entrante nella tubazione di ritorno è inferiore alla portata d'olio che scorre all'interno di tale tubazione. Per ridurre la pressione di ritorno d'inerzia ed eliminare la cavitazione di ritorno, viene proposto l'installazione di un accumulatore di ritorno nel frantumatore idraulico per rocce e, da ciò, viene formulato un metodo per la progettazione dei parametri dell'accumulatore di ritorno. Negli ultimi anni, l'Università delle Scienze e della Tecnologia di Pechino ha condotto ricerche sulle caratteristiche di accoppiamento dinamico degli accumulatori del frantumatore idraulico per rocce, sviluppando il pacchetto software di simulazione HRDP e ottenendo risultati validati nei calcoli di verifica delle caratteristiche ottimali di accoppiamento dinamico dell'accumulatore.

(4) Ricerca su dispositivi antirinculo per armi ad aria compressa e assorbitori di energia di rimbalzo per scalpelli

Poiché durante il funzionamento del demolitore idraulico per roccia si verificano inevitabilmente fenomeni di rimbalzo della scalpella e di scatto a vuoto, le prestazioni operative dell’assorbitore di energia da rimbalzo della scalpella e del dispositivo di prevenzione dello scatto a vuoto influenzano notevolmente la durata di vita del demolitore idraulico per roccia. Il professore Meng Suimin, nel saggio «Analisi della velocità di rimbalzo del pistone del perforatore per roccia», ha analizzato in modo sistematico i fattori che causano il rimbalzo della parte posteriore della scalpella ed ha esplorato metodi per l’assorbimento dell’energia derivante da tale rimbalzo. Liao Yide dell’Università Centrale del Sud, nel saggio «Ricerca teorica e sperimentale sui dispositivi tampone per lo scatto a vuoto nei perforatori idraulici per roccia», ha elaborato un modello matematico del processo di ammortizzazione dello scatto a vuoto e ha condotto ricerche di simulazione. Il dottor Liao Jianyong, nel saggio «Teoria progettuale e progettazione assistita da computer per perforatori idraulici per roccia a più stadi», ha effettuato simulazioni al computer e progettazione ottimizzata dei dispositivi assorbitori di energia da rimbalzo della scalpella e dei dispositivi di prevenzione dello scatto a vuoto. Liu Deshun dell’Università Centrale del Sud, nella sua tesi di dottorato «Ricerca sulla dinamica delle onde nei meccanismi d’urto», ha applicato la teoria della dinamica delle onde, ha ricavato formule di calcolo per la velocità di rimbalzo di ciascuna parte del meccanismo d’urto e ha evidenziato che l’energia di rimbalzo può essere sfruttata mediante una progettazione razionale di ciascuna componente del meccanismo d’urto. L’Istituto di Ricerca sulle Macchine Idrauliche per Ingegneria dell’Università Centrale del Sud ha sviluppato un dispositivo tampone a due stadi per lo scatto a vuoto, sfruttando pienamente le capacità dell’assorbitore di energia da rimbalzo della scalpella: un risultato di ricerca innovativo.

1.5.4 Ricerca sulle tecnologie di sintonizzazione della frequenza, di sintonizzazione dell’energia e di controllo per frantumatori idraulici per roccia

Con lo sviluppo della tecnologia dei frantumatori idraulici per roccia, i cantieri hanno formulato nuovi requisiti nei confronti di tali apparecchiature. Per migliorare efficacemente l’efficienza produttiva, è richiesto che l’energia d’urto e la frequenza d’urto del frantumatore idraulico per roccia possano variare in funzione delle caratteristiche della roccia. In altre parole, nel rispetto del massimo sfruttamento della potenza installata della macchina portatrice, quando la roccia è più dura il frantumatore idraulico per roccia eroga un’energia d’urto maggiore e una frequenza d’urto minore; viceversa, eroga un’energia d’urto minore e una frequenza d’urto maggiore, consentendo così di raggiungere un’efficienza produttiva superiore. Per conseguire gli obiettivi sopra indicati, sono state condotte ampie ricerche sia a livello nazionale che internazionale.

Dalla ricerca teorica sugli spezzarocce idraulici, la loro uscita (energia d’urto e frequenza) può essere regolata principalmente in tre modi: ① regolando la portata; ② regolando la corsa; ③ regolando la pressione di retroazione. Attualmente, la stragrande maggioranza degli spezzarocce idraulici nazionali ed esteri dispone di una sola corsa fissa, ossia la loro uscita non è regolabile. Naturalmente, se tali spezzarocce idraulici utilizzassero la regolazione della portata per modificare l’uscita, sebbene teoricamente fattibile, tale soluzione non risulterebbe praticabile. Infatti, le variazioni della portata causerebbero cambiamenti sincroni nei relativi parametri di uscita, rendendo impossibile una regolazione indipendente.

Sebbene alcuni produttori nazionali e stranieri abbiano progettato e realizzato frantumatori idraulici per roccia con corsa regolabile, questi ultimi, essendo dotati di regolazioni rigide a gradini, risultano molto scomodi da utilizzare e forniscono prestazioni scadenti, rendendoli poco apprezzati dagli utenti. Per quanto riguarda la distribuzione con feedback della corsa di ritorno, i parametri di lavoro in uscita vengono regolati principalmente modificando la portata di ingresso del sistema oppure aggiungendo più fori di segnale per il feedback della corsa di ritorno, controllando quindi l’apertura e la chiusura di ciascun foro di segnale per regolare la corsa del pistone, modificando così l’energia d’urto e la frequenza d’urto del frantumatore idraulico per roccia. Ad esempio, il trapano idraulico per roccia a tre velocità Atlas-Copco prodotto in Svezia. I frantumatori idraulici per roccia a cambio automatico della serie YYG dell’Università Centrale del Sud — limitati dalla struttura — possono realizzare soltanto una regolazione a gradini dei parametri di lavoro del frantumatore idraulico per roccia; inoltre, poiché la pressione e la portata del sistema d’urto sono proporzionali al quadrato l’una dell’altra, un aumento contemporaneo dell’energia d’urto e della frequenza d’urto provoca variazioni molto elevate della potenza della macchina portante, limitando così l’espansione del campo di impiego e dell’efficienza operativa del frantumatore idraulico per roccia. Il professor Takashi Takahashi dell’Università di Akita, in Giappone, in un articolo ha descritto la regolazione della posizione del foro di segnale per la corsa di ritorno al fine di modificare la corsa del pistone del frantumatore idraulico per roccia. Esperimenti hanno dimostrato che, aumentando la corsa del pistone del 10%, sebbene la frequenza d’urto diminuisca dell’8%, l’energia d’urto può aumentare del 12%, migliorando così l’efficienza operativa e fornendo evidenze teoriche e sperimentali per la progettazione di frantumatori idraulici per roccia con corsa regolabile. Il docente He Qinghua dell’Università Centrale del Sud, nel lavoro 'Ricerca sui frantumatori idraulici ad impatto con corsa regolabile', ha confrontato diversi tipi di metodi di cambio e ha analizzato teoricamente le relazioni tra vari parametri di lavoro dei dispositivi idraulici ad impatto con corsa regolabile e le corse di cambio; i risultati ottenuti rivestono un chiaro valore orientativo per la progettazione e l’utilizzo dei frantumatori idraulici per roccia a cambio. Questo libro introduce il concetto di regolazione indipendente e continua (senza gradini) dei parametri di lavoro basato sul principio del feedback di pressione, lanciando così un nuovo prodotto di frantumatore idraulico per roccia. Esso regola principalmente l’energia d’urto singola del dispositivo d’urto controllando l’entità della pressione di ritorno del pistone; contemporaneamente, regolando la portata della pompa variabile, consente di modificare in modo continuo la frequenza del dispositivo d’urto, permettendo così di regolare in modo indipendente e continuo sia l’energia d’urto sia la frequenza d’urto entro un ampio intervallo, con variazioni minime della potenza della macchina portante. Per quanto riguarda la ricerca teorica, la progettazione strutturale e i metodi di controllo relativi a questo nuovo tipo di dispositivo idraulico ad impatto, gli autori hanno condotto studi su dispositivi idraulici ad impatto con regolazione indipendente e continua dell’energia d’urto e della frequenza d’urto. Il dott. Zhao Hongqiang, nella tesi di dottorato 'Ricerca su un nuovo tipo di frantumatore idraulico per pietre con controllo indipendente e continuo', ha superato il tradizionale metodo di controllo con feedback della corsa applicato ai frantumatori idraulici per roccia, adottando invece metodi di controllo basati sul feedback di pressione e sulla regolazione della portata della pompa variabile, realizzando così un controllo indipendente e continuo dell’energia d’urto e della frequenza d’urto del frantumatore idraulico per roccia. Ding Wensi, nella sua tesi di dottorato, utilizzando la pressione di azoto presente nella parte posteriore del frantumatore come variabile di controllo, ha condotto un ampio lavoro sui frantumatori di tipo a distribuzione forzata controllati da valvole ad alta velocità di commutazione, realizzando una regolazione indipendente della frequenza e dell’energia del frantumatore. Zhang Xin, nel lavoro 'Ricerca su un nuovo tipo di sistema di dispositivo idraulico ad impatto con feedback di pressione e integrazione meccanico-elettrica', ha adottato valvole ad alta velocità di commutazione controllate da microcontrollore per realizzare il controllo del dispositivo d’urto mediante microcomputer. Yang Guoping, nella tesi di dottorato 'Ricerca su un dispositivo idraulico ad impatto puramente idraulico con regolazione indipendente e continua della frequenza e dell’energia', ha proposto un dispositivo d’urto intelligente con uno schema di controllo puramente idraulico capace di realizzare una regolazione continua dell’energia d’urto e della frequenza d’urto del frantumatore idraulico per roccia tramite una leva di distribuzione di tipo pilota.

1.5.5 Stato attuale della ricerca sulla tecnologia di simulazione dei frantumatori idraulici per roccia

Dal punto di vista della progettazione e dello sviluppo del prodotto, la ricerca sulle caratteristiche dinamiche dei meccanismi va condotta preferibilmente nella fase di sviluppo e progettazione del prodotto. La simulazione della risposta dinamica dei sistemi di controllo idraulico è sempre stata un settore oggetto di studio continuo da parte del settore idraulico ed è altresì un metodo comunemente utilizzato per analizzare le caratteristiche di risposta dinamica dei sistemi di controllo.

Il particolare metodo di funzionamento del frantumatore idraulico per rocce determina che l’analisi e la sperimentazione mediante simulazione dinamica debbano costituire il presupposto fondamentale per la progettazione teorica e lo sviluppo del meccanismo. Dopo l’introduzione dei calcolatori, fu superato l’ostacolo rappresentato dalla necessità di basarsi esclusivamente sui test sui prodotti per ottenere risultati accurati o affidabili sulle prestazioni cinematiche del meccanismo. I ricercatori iniziarono a utilizzare diversi metodi per costruire modelli matematici che descrivessero le vibrazioni e gli urti idraulici nonché il moto delle macchine ad impatto, analizzando i processi di variazione dei parametri dei frantumatori idraulici per rocce mediante tecnologia di simulazione e impiegando la tecnologia del prototipo virtuale per simulare i processi di movimento delle macchine ad impatto. Una volta definiti i risultati della progettazione, il moto del meccanismo può essere compreso chiaramente e i relativi parametri prestazionali possono essere calcolati, offrendo un valido percorso per accorciare i cicli di sviluppo di nuovi prodotti, ottimizzare la progettazione ed effettuare analisi delle prestazioni dinamiche.

Negli anni '60 e '70, studiosi stranieri iniziarono ad applicare i calcolatori digitali alla simulazione di macchine per la frantumazione. Questi studi consideravano come variabile la pressione nelle camere anteriore e posteriore, calcolavano il flusso di fluido in entrata e in uscita da ciascun orifizio, correggendo i risultati con coefficienti di portata; quindi applicavano l’equazione di stato dei gas e l’equazione del bilancio energetico, stabilendo equazioni differenziali microscopiche che descrivevano le variazioni di stato dell’accumulatore e del pistone; dopo aver effettuato determinate approssimazioni sul moto della valvola, adottavano metodi alle differenze finite per la risoluzione numerica. I risultati della simulazione, in particolare i parametri prestazionali, erano molto vicini ai valori misurati, ottenendo risultati soddisfacenti. In Giappone, i ricercatori diedero maggiore enfasi alla costruzione di modelli informatici specifici per frantumatori idraulici, utilizzandoli a fini di ricerca e introducendo nei modelli parametri ottenuti sperimentalmente per ottimizzare i parametri strutturali, i parametri d’urto e le prestazioni dei frantumatori idraulici, individuando così l’area ottimale del porto di ritorno olio, il volume ottimale di carica dell’accumulatore e l’area di superficie resistente alla pressione nella camera posteriore del frantumatore idraulico corrispondente. Durante la simulazione, i ricercatori giapponesi prestarono particolare attenzione al confronto tra i risultati della simulazione e quelli dei test sperimentali, correggendo i modelli informatici sulla base dei dati sperimentali. La società Sandvik, dopo aver preso in considerazione l’effetto della forma del pistone d’urto sul metodo di trasmissione dell’energia, progettò e sviluppò anch’essa un programma di simulazione informatica in questo ambito. Utilizzando tale programma: ① è possibile simulare il processo di trasmissione dell’energia in ciascuna parte dell’urto; ② è possibile simulare diverse configurazioni di ciascun componente del sistema; ③ è possibile simulare, in condizioni di diversi tipi di oggetti urtati, gli effetti delle varie configurazioni sulla trasmissione dell’energia. Il programma informatico di Sandvik non solo garantisce la produzione di prodotti ottimali, ma consente anche di misurare e comprendere l’influenza di tutti i parametri sul sistema d’urto e l’effetto delle variazioni di determinati parametri sull’efficienza, fornendolo agli utenti come uno strumento di calcolo pratico ed efficace.

Dopo gli anni '80, anche la ricerca nazionale sulla tecnologia e le applicazioni della simulazione ha avuto inizio. Gli studiosi cinesi Tian Shujun, Chen Yufan e altri hanno tutti sviluppato modelli matematici utilizzando i rispettivi metodi. Tian Shujun e collaboratori hanno applicato il power bond graph — una tecnologia avanzata di modellazione dinamica — combinandola con metodi di analisi nello spazio degli stati, concentrandosi principalmente sulla ricerca relativa a un software di simulazione dinamica per frantumatori idraulici a valvola scorrevole. Questa ricerca ha esplorato la modellazione e la programmazione della simulazione dinamica dei frantumatori idraulici, fornendo un metodo e un approccio adottati successivamente da molti altri programmatori di simulazione, come il professor Zhou Zhihong dell’Università delle Scienze e delle Tecnologie di Pechino, che ha guidato gli studenti Yan Yong e altri nello sviluppo, mediante power bond graph, delle equazioni dinamiche per diversi tipi di pistoni, valvole direzionali e relative equazioni del flusso idraulico nonché delle equazioni di stato del gas nei frantumatori idraulici; quindi hanno realizzato programmi di simulazione in linguaggio informatico per analizzare i principali processi di variazione dello stato, quali la pressione nelle camere anteriore e posteriore, il flusso, lo spostamento e la velocità del pistone nel frantumatore idraulico, offrendo una piattaforma per ulteriori studi sull’impatto delle variazioni dei parametri del frantumatore idraulico sulle sue prestazioni. Con lo sviluppo rapido dei computer e delle tecnologie software, i software Matlab e AMEsim sono stati applicati alla modellazione e alla simulazione del sistema del frantumatore idraulico, fornendo un supporto teorico per accorciare i cicli di ricerca e sviluppo e migliorare la qualità progettuale dei nuovi modelli.

1.5.6 Metodi di ricerca sperimentale

L’esperimento è il mezzo fondamentale mediante il quale gli esseri umani conoscono la natura e trasformano il mondo oggettivo: sintetizzando e astrando i fenomeni osservati e i dati misurati attraverso l’esperimento, individuando le connessioni interne e i modelli, e formulando teorie. L’esperimento è la fonte della teoria; l’esperimento è l’unico giudice per verificare la teoria.

I parametri di prestazione dell'impatto dei frantumatori idraulici per roccia costituiscono un indicatore importante per valutare il livello di progettazione, produzione e qualità. I principali parametri possono tutti essere misurati mediante metodi sperimentali, i cui risultati vengono espressi sotto forma di dati, curve o grafici. La verifica delle prestazioni riguarda principalmente la misurazione dell'energia d'impatto, della frequenza d'impatto, della pressione del sistema e della portata. Attualmente non esistono norme sperimentali internazionali unificate per i metodi di misurazione di tali parametri. I metodi attualmente più diffusi per la prova delle prestazioni d'impatto dei frantumatori idraulici per roccia sono: metodo dell'onda di stress, metodo fotoelettrico differenziale di spostamento, metodo a induzione elettromagnetica, metodo a contatto, fotografia ad alta velocità, metodo del diagramma indicatore e metodo energetico, ecc.

Il metodo dell'onda di stress è un metodo per misurare l'energia d'impatto rilevando l'onda di stress generata sull'incudine quando il pistone d'impatto colpisce l'incudine. Il metodo fotoelettrico si basa sul principio di conversione fotoelettrica: tramite un sensore fotoelettrico, la posizione del pistone d'impatto viene utilizzata come misura diretta per ottenere lo spostamento del moto del pistone e, successivamente, calcolare ciascun parametro prestazionale del dispositivo d'impatto. Il metodo fotoelettrico, essendo un metodo di misura senza contatto, è particolarmente adatto a macchine d'impatto come i frantumatori idraulici per roccia, caratterizzati da corsa del pistone lunga, diametro elevato e alta velocità. Il metodo dell'induzione elettromagnetica utilizza un sistema di sensori a induzione elettromagnetica composto da una barra magnetica installata sul pistone d'impatto e da una bobina elicoidale installata sul corpo della macchina; sfrutta la forza elettromotrice indotta nella bobina in seguito al taglio delle linee del campo magnetico da parte della barra magnetica durante il moto alternato del pistone, e ottiene la velocità di moto del pistone sulla base della relazione di taratura tra forza elettromotrice e velocità d'impatto, calcolando quindi l'energia d'impatto del pistone.

Il metodo di contatto è un metodo per calcolare l'energia d'impatto utilizzando la velocità finale del pistone al momento dell'impatto sull'oggetto colpito. Nei test di prestazione dei frantumatori per roccia, i quattro metodi sopra citati sono relativamente comuni; altri metodi, a causa della loro complessità operativa e dei costi elevati oppure perché non riflettono in modo completo lo stato di moto del pistone, sono raramente impiegati nella pratica.

Va sottolineato che il suddetto metodo basato sull'onda di sollecitazione è adatto unicamente per la prova di dispositivi d'impatto con energia d'impatto relativamente bassa, quali i perforatori idraulici per roccia e gli utensili pneumatici, e presenta maggiori difficoltà nella prova di frantumatori idraulici per roccia ad alta energia d'impatto. La capacità di prova delle unità di ricerca specializzate nello studio delle onde di sollecitazione è generalmente limitata e non consente la verifica di frantumatori idraulici per roccia di grandi dimensioni; inoltre, il rumore e le vibrazioni generate da prove effettuate in ambiente chiuso non sono accettabili. Per quanto riguarda il metodo a contatto, sebbene sia semplice da installare, i risultati ottenuti non sono sufficientemente precisi e pertanto non possono essere diffusi. L'unico metodo ritenuto completo sotto tutti gli aspetti per la prova dei frantumatori idraulici per roccia è quello basato sull'induzione elettromagnetica: esso può essere utilizzato sia per perforatori idraulici per roccia a bassa energia d'impatto sia per frantumatori idraulici per roccia di grandi dimensioni ad alta energia d'impatto; misura direttamente la curva di velocità del pistone, consentendo così di ottenere lo spostamento e l'accelerazione del pistone, informazioni estremamente utili per chi studia i modelli di movimento del pistone. L'unico svantaggio è che la barra magnetica risulta facilmente danneggiabile a causa delle vibrazioni ad alta frequenza del pistone.

Il dott. Ding Wensi dell’Università del Sud-Centrale, nella tesi di dottorato intitolata «Ricerca su un nuovo sistema integrato idraulico per frantumatori di pietre basato su retroazione della pressione e su azionamento elettromeccanico con esplosione a azoto», ha proposto un nuovo metodo per la verifica dei parametri di uscita del dispositivo ad impatto: il metodo della pressione del gas. Questo metodo utilizza un sensore di pressione per rilevare l’effetto esercitato sulla pressione della camera sigillata di azoto installata nella parte posteriore del pistone durante il suo movimento; tramite un calcolatore si determinano quindi la corsa e la velocità di movimento del pistone, ottenendo così i due fondamentali parametri di uscita del dispositivo ad impatto: energia d’urto e frequenza d’urto. Rispetto ai metodi tradizionali di misurazione, il metodo non a contatto basato sulla pressione del gas presenta i vantaggi di un’elevata resistenza alle vibrazioni, di una minima preparazione preliminare, della possibilità di misurare simultaneamente energia e frequenza d’urto, di una taratura agevole, di un ridotto errore sui parametri d’urto e di un’elevata accuratezza. Tale metodo può essere utilizzato non soltanto come tecnica di misura e identificazione per prodotti in laboratorio, ma anche convenientemente impiegato per test in linea durante l’effettivo lavoro operativo. È stato applicato nel programma di prove idrauliche della società Jingye ed è stato inserito nello standard industriale «Frantumatore idraulico per rocce».

1.5.7 Ricerca su vibrazioni, rumore e controllo

Oltre all'energia d'impatto, alla frequenza d'impatto e alla massa, gli indicatori per la misurazione delle prestazioni delle macchine idrauliche ad impatto comprendono anche il rumore, le vibrazioni del corpo macchina e il tasso di utilizzo dell'energia, aspetti fondamentali per valutare le prestazioni complessive. Con la crescente sensibilizzazione ambientale, i paesi sviluppati applicano restrizioni sempre più severe al rumore emesso dalle attrezzature. Per adeguarsi alle esigenze del mercato, il rumore e le vibrazioni delle macchine idrauliche ad impatto, nonché la soppressione della polvere, stanno progressivamente diventando indicatori chiave della competitività aziendale; le relative tecnologie di controllo costituiscono oggi un importante argomento di ricerca. Ricercatori di vari paesi conducono studi da un punto di vista strutturale e dei materiali: dal punto di vista strutturale, vengono adottate misure quali guaine interne, dispositivi silenziatori o l'inserimento di lastre d'acciaio antivibranti a sandwich per controllare vibrazioni e rumore. La società Krupp ha dotato tutti i suoi prodotti di media e piccola taglia di materiali fonoassorbenti. La società Rammer installa pompe ad alta pressione e ugelli nebulizzatori sui nuovi prodotti sviluppati per ottenere effetti di riduzione della polvere. Inoltre, l'utilizzo della tecnologia dei sensori consente il posizionamento preciso degli scalpelli idraulici, la perforazione automatica di fori, l'arresto e il ritiro automatici degli scalpelli, nonché la regolazione automatica dell'energia d'impatto e della frequenza d'impatto in base all'oggetto di lavoro, ecc.