סקירה כללית של המחקר התיאורטי על מפרק סלעים הידראולי

1.5 סקירה כללית של המחקר התיאורטי על מפרק סלעים הידראולי

במהלך פעולת מפרק הסלע ההידראולי, לחץ השמן במדור העבודה מתחלף בתדר גבוה בשליטה של שסתום הכיוון; מאפייני הנוזל במערכת הפעולה לא ניתנים לדיון פשוט על פי תורת ההעברה ההידראולית, ודרושה ניתוח לפי תורת הרטט ההידראולי. הכוח הפועלים על המבנה והחצוץ עולה מאפס לעשרות עד מאות מגה-פסקל בתוך עשרות מיקרו-שניות, ולאחר מכן יורד בחזרה לאפס; צורת העברת האנרגיה על ידי גלי מתח קובעת כי תיאור תהליך העבודה אינו יכול להיעשות באופן פשוט באמצעות תורת הסטטיקה, מכניקת הגופים הקשיחים ותורת הקינמטיקה. עקרון פעולת מכונת ההכאה שייך לתחום בעיות דינמיקת גופים אלסטיים, ודרושה שימוש בתורת הגלים כדי לתאר بدقة את תהליך העברת האנרגיה.

בהתבסס על ההבדלים בהנחות היסוד ובמודלים המתמטיים, מחקר מפרקי הסלעים ההידראוליים מתחלק לשתי קטגוריות עיקריות: מחקר המבוסס על מודל ליניארי ומחקר המבוסס על מודל לא ליניארי.

1.5.1 מודלים ליניאריים לחקר מפרצי סלע הידראוליים

המחקר הליניארי הוא מחקר אידיאלי שמתבצע על ידי ליניאריזציה של מפרצי סלע הידראוליים שאינם ליניאריים באמצעות הנחות — מודלים ליניאריים המתקבלים בהנחה של 'לחץ שמן הידראולי קבוע' וההתעלמות מגורמים מסוימים. הנחת המחקר היא התפיסה שהוצעה על ידי חוקרים סובייטיים, אודאלימוב וסאבאסוב, בספרו 'תורת מבנה מכונות הידראוליות לרטט ולחיצה': 'במצב בו מובטח מהירות סופית נתונה בקצה החבטה, הבקרה בלחץ מלא-שווה היא הבקרה האופטימלית עם היעילות הגבוהה ביותר.' על בסיס הנחה זו של 'בקרה בלחץ קבוע', הציעו החוקרים הסובייטיים את תכנית העיצוב האופטימלית עבור כוח דחיפה מרבי מינימלי. החוקן היפני נאקאמאי ואחרים, על בסיס זה ובהתחשב בהתנגדות הצינור, ערכו מחקר תיאורטי ועיצובי על התאמתיות של מסלול הפיסטון. הפרופסור לי דאז'י מאוניברסיטת בייג'ינג למדעי הטכנולוגיה הציע את הרעיון של עיצוב מסלול אופטימלי. צ'ן יו-фан ואחרים השתמשו במודלים ליניאריים של מכשירי חבטה, תוך יישום ניתוח לא ממדי בשיטת המסלול האופטימלי, כדי לבצע ניתוח לא ממדי של פרמטרי מכשירי החבטה, וקיבלו סדרה של ביטויי קשר פרמטריים להנחיית עבודת העיצוב. המורה צ'ן דינג-יואן מאוניברסיטת בייג'ינג למדעי הטכנולוגיה, שהשתמש ב- C = S/S_m (S: מסלול פעולתי, S_m: מסלול מקסימלי) כמשתנה עיצובי, ערך ניתוח לא ממדי של מפרצי סלע הידראוליים ומצא כי אזור היעילות האופטימלית הוא C = 0.75 עד 0.850. המורה וואנג ג'נג מאוניברסיטת בייג'ינג למדעי הטכנולוגיה, שהשתמש בזמן t של תאוצת החזרה של הפיסטון כמשתנה עיצובי, ערך ניתוח פרמטרי מקיף ומצא: כאשר השינוי בנפח המאגר הוא מינימלי, t = 0.406T; כאשר החבטה ההידראולית היא מינימלית, t = 0.5T. המורה הי קינג-הואה מאוניברסיטת דרום המרכזית השתמש במקדם האופייני למבנה מכשיר החבטה — היחס בין שטח החדר הקדמי לאחורי של הפיסטון — כמשתנה עיצובי לא ממדי כדי לבצע תכנון אופטימיזציה למכשירי החבטה. מאחר שמספר רב של מחקרים ליניאריים לא לקחו בחשבון את הקשר ההדדי של אילוץ בין הפיסטון והשסתום, אשר משפיע ישירות על ביצועי החבטה ומצב המאגר, הם אינם יכולים לשקף بدقة את הקשרים ההדדיים בין פרמטרי המבנה הרבים במנגנון. למרות שהדיוק המחקרי שלהם יחסית נמוך, התוצאות שלהם יכולות לשקף באופן בסיסי את הקשר ההשפעתי של הגורמים השונים על הביצועים, ולכן יש להן ערך מעשי מסוים במחקר תיאורטי ובעיצוב.

1.5.2 מודלים לא ליניאריים למחצצים סלעיים הידראוליים

כמערכת משוב מכנית חד-גופית טיפוסית יחסית ומורכבת, המחצץ הסלעי ההידראולי, כמו מערכות לא ליניאריות בתחומים אחרים, מציג תופעות ותבניות לא ליניאריות רבות. המחקר הלא ליניארי שקול את גורמי ההשפעה על תנועת המחצץ הסלעי ההידראולי בצורה מקיפה יותר, מנתח באופן יחסית מקיף את מצב המאמצים במחצץ הסלעי ההידראולי, ומקבל קבוצות של משוואות דיפרנציאליות לא ליניאריות מסדר גבוה כדי לתאר את תבניות התנועה שלו. עם זאת, המשוואות קשות לפתרון, והתיאור איננו אינטואיטיבי, ולכן ניתן לפתור אותן רק באופן נומרי באמצעות מחשבים. בשנים האחרונות, עם ההתפתחות של מדעי המחשב והטכנולוגיה וההסתגלות הרחבה של המיקרו-מחשבים, המחקר של מודלים מתמטיים לא ליניאריים זכה להתייחסות הולכת וגוברת מצד האנשים.

כבר בתחילת שנות ה-70 של המאה העשרים, חוקרים זרים החלו ליישם מחשבים דיגיטליים למחקר סימולציה של מכונות מכה על מקדחות סלע פנאומטיות, וקיבלו תוצאות יחסית מדויקות. בשנת 1976, מסאו מסאבוצ'י, חוקר יפני, היה הראשון להשתמש בחישוב מתמטי כדי לחקור מקדחות סלע הידראוליות, והציע מודל מתמטי להתקן ניסיוני להפעלת מכה הידראולית, תוך שימוש בחישוב איטרטיבי כדי לקבוע את מהירות ואל התדר של פעולת ההנעה, ולאחר מכן השווה את התוצאות למדידות אמפיריות. בשנות ה-80 של המאה העשרים, חוקרים יפנים, כגון טאקאוצ'י יושיו וטנימטה שׂו, ערכו מחקר לא ליניארי על ביצועי ועיצוב מקדחות סלע הידראוליות, והציעו מודלים אנליטיים המתאימים להערכה וביצוע עיצוב מקדחות סלע הידראוליות, וכן את התיאוריה והשיטה האנליטית לגזירת המודל האנליטי. בשנת 1980, לי דאז'י וצ'ן דינג'יואן מאוניברסיטת בייג'ין למדע וטכנולוגיה הציעו מודל מתמטי לא ליניארי המשתמש בלחץ האגירתן כלחץ העבודה, ומצאו פתרונות מספריים יציבים. בשנת 1983, הי צ'ינגחואה מאוניברסיטת צ'נג'ונג דרום-מערבית לתעשייה, במאמר 'מחקר סימולציה מספרית של מקדחת סלע הידראולית', השתמש בשיטת המעבר בין מצבי עבודה כדי לבנות מודל מתמטי מקיף, והציע את 'שיטת החישוב של תאוצה כמעט אחידה' (שיטה PUA), תקן את השגיאות בנקודות המעבר בין המצבים, ושיפר את דיוק הסימולציה. בשנת 1987, הפרופסור צ'ן שיאוז'ונג והמורה צ'ן דינג'יואן מאוניברסיטת בייג'ין למדע וטכנולוגיה הקימו מודל מתמטי לא ליניארי של מנגנוני מכה וכתבו תוכניות סימולציה בשפת BASIC, וקיבלו נתונים מספריים שמתאימים במידה רבה למדידות אמפיריות. במהלך פעולתה של מקדחת סלע הידראולית, בשל הלחצים הגבוהים, מחזור המכה הקצר, והחלפות תדירות של זרימת השמן, קיימת מפרקה משתנה מתמידת לחץ; לכן, כאשר השמן ההידראולי זורם דרך הפערים השונים, נוצר כמות גדולה של חום, מה שגורם לטמפרטורות גבוהות מקומיות המשפיעות על ביצועי התקן המכה ועל השמירה על שמנון מקומי; עם זאת, המחקר בתחום זה עדיין נשאר ריק.

בשל מורכבות תנועת מפרק סלעים הידראולי, נבנו גם מודלים לא ליניאריים על בסיס הנחות מסוימות, ולכן אין למעשה הבדל גדול בין המודלים הליניאריים והלא ליניאריים מבחינת תיאור הטבע העצמי של הדברים — רק שיטות הפתרון של המודל המתמטי שונות. המודלים הליניאריים משתמשים בפתרונות אנליטיים, בעוד שהמודלים הלא ליניאריים חייבים להשתמש בשיטות נומריות באמצעות מחשבים לפתרון. שניהם יכולים רק לקרב את דפוסי התנועה של מכשיר ההפעלה, וכדי להשיג שיטות תיאור מדויקות יותר, יש להמשיך ולפתח את הדינמיקה החישובית של זרימה.

יש לציין כי עם ההתפתחות של טכנולוגיית מפרקי הסלעים הידראוליים, ובמיוחד עם הופעת מפרקי הסלעים הידראוליים המשולבים הידראוליים-אוויריים ומפרקי הסלעים הידראוליים המופעלים באזוט, התווך הפועלת של מפרק הסלעים הידראולי אינה רק שמן אלא גם גז; והכנסת האזוט מגבירה עוד יותר את הקושי והמורכבות של המחקר התיאורטי.

1.5.3 מחקר על רכיבים מרכזיים של מפרקנים הידראוליים לסלעים

(1) מחקר על המבנה הפנימי (פיסטון)

איכות העיצוב והייצור של הפיסטון המהדהד קובעת במידה רבה את ביצועי מכשיר ההדפה. חוקרים סיניים ערכו מחקרים משמעותיים בנושא זה. המורה מנג שואימין מכללת הנדסת הידרואלקטריק גזוהובה, על בסיס המודל הליניארי, השתמש בניתוח חסר ממדים כדי לחקור באופן ראשוני את השפעת מהירות ההדיפה של הפיסטון על פרמטרי הפעולה של שובר הסלע ההידראולי. הפרופסור ליו דשון מכללת ההנדסה שיאנגטאן, במאמר 'חישוב מהירות ההדיפה של פיסטון מקדחה לסלע', יישם את תורת הדינמיקה הגלית, ובהסתמך על ניתוח עקרון הפעולה של מקדחת הסלע, הציע נוסחאות להכרעה על מצב ההדיפה של הפיסטון ולחישוב מהירות ההדיפה שלו, והגיע למסקנות הבאות: ① מצב ההדיפה ומהירות ההדיפה של הפיסטון קשורים בתכונות הפיסטון, החצץ והסלע, והשפעותיהם אינן עצמאיות אלא תלויות זו בזו. ② ככל שהמקדם הקשיחות של הסלע בפרישה קטן יותר, כך תהיה מהירות ההדיפה גדולה יותר. ככל שהמקדם γ, המאופיין את תכונות העומס של מקדחת הסלע והסלע, קטן יותר, כך תהיה מהירות ההדיפה גדולה יותר. ④ כדי להשיג יעילות מקדחה לסלע יחסית אידיאלית, בעת תכנון מכשיר הדפה יש לשלוט במקדם האופייני γ בתחום 1 ≤ γ ≤ 2.

התעשייה יצרה בהדרגה כמה הנחיות לעיצוב פיסטונים:

1) הפיסטון צריך להיות מוארך ולמזער שינויים חתכיים לא נחוצים, כדי לסייע ביעילות העברת האנרגיה ובתקופת חיים של המקלעת.

2) שטח הפנים המפגיע של הפיסטון צריך להיות שווה או קרוב ככל האפשר לשטח הפנים הקצה של המקלעת, וחייב להיות קיים אורך טריז מסוים, כדי לסייע בהעברת גלי הפגיעה.

3) תנועת הפיסטון לאורך כל המרחק (Full stroke) ומעבר למרחק זה (over-stroke) לא dürfen לפגוע במבני החסימה בקצותיו.

4) מידות הכריכה ההידראולית לירי ריק (Blank-firing hydraulic pad) ואורכי החסימה של כל קטע של הפיסטון חייבים להיות מעוצבים היטב.

5) יש לבחור בחומר המתאים — חומר הפיסטון חייב להפגין ביצועים מכניים גבוהים, קשיות משטח גבוהה, עמידות לשבירה טובה של הליבה, ועמידות מעולה לשחיקה ולפגיעות.

6) רוחב הפער בין המבנה לגליל צריך להיקבע באופן סביר, תוך שיקול כולל של אובדי דליפה ודיוק עיבוד. בדרך כלל רוחב הפער בין המבנה לגליל הוא 0.04–0.06 מ"מ, ורוחב הפער בין המבנה לגופיית התמיכה הוא 0.03–0.05 מ"מ.

(2) מחקר על שסתום הפצה

בשלב זה, הרוב המכריע של מפרצי הסלע ההידראוליים משתמשים במערכות פיסטון מבוקרות על ידי שסתום עם משוב מיקומי, ומייצרים תנועת פיסטון חזרה מהירה על ידי שינוי דפוס אספקת השמן במגזר מסוים של מכשיר הפגיעה. למרות שצורת הבקרה הזו פשוטה יחסית, התהליך המעברי שלה מורכב יחסית. במהלך תהליך החלפת השסתום, פרמטרים כגון זמן, מהירות, מסלול, צריכה של שמן ואחרים משתנים בשלבים, מה שיכול להשפיע במידה רבה על ביצועי מכשיר הפגיעה. לשם כך, ליו ון לינג ואחרים מאוניברסיטת בייג'ינג למדע וטכנולוגיה, באמצעות תיאוריה וניסוי, ערכו מחקר מיוחד על מאפייני שסתומי הבקרה במערכות הפגיעה ההידראוליות, והשיגו את מסלול התנועה האמיתי של שסתום מכשיר הפגיעה שנחקר, גילו את הדפוסים של תנועת שסתום הכיוון, וקבעו את הפרמטרים העיקריים של שסתום הבקרה המשפיעים על ביצועי מכשיר הפגיעה. צ'י רן ג'ון ואחרים מאוניברסיטת דרום סין ערכו ניתוח תיאורטי של תהליך בקרת השסתום, מחקר אופטימיזציה של מבנה השסתום ופרמטריו, והשיגו כמה מסקנות רגולריות מועילות; כיעד לתופעות אפשריות של רוויה מהירות וקאויטציה במהלך תנועה מהירה של שסתום הכיוון, הציעו פתרונות יעילים להפחתת מסת המוט של השסתום והמסלול שלו, תוך הגדלת קוטר פתח האספקה של השמן באופן מתון. ליו ון לינג וגאו לאן צינג מאוניברסיטת בייג'ינג לפלדה וברזל, במאמר 'ניתוח מאפייני הדינמיקה של שסתום כיוון בהידראולית למפרצי סלע — סימולציה ומחקר ניסיוני', השתמשו בתוכנת BASIC כדי לחקור שיפור בתכונות הדינמיות של השסתום, ומסקנתם הייתה שככל שפתח האפס-ההשתלבות גדל, לחץ המגזר האחורי יורד במהירות, העבודה הפגיעתית עולה, תדירות הפגיעות יורדת במידה מסוימת, ויעילות מכשיר הפגיעה משתפרת; כאשר פתח האפס-ההשתלבות גדול מדי, בשל הפחתת אורך החסימה באזור כתף השסתום, פעולת השסתום הופכת לא אמינה.

(3) מחקר על מאגרים

המאגר הוא רכיב חשוב של שובר הסלע ההידראולי, ומבנהו משפיע ישירות על ביצועי המכונה כולה של שובר הסלע ההידראולי. לפיכך, בעת מחקר ביצועי שובר הסלע ההידראולי, נערך גם מחקר על מאגרים. בשנת 1990, חוקרים יפניים – טאקאוצ'י יושיו, טנימטה שׂו ואחרים – ערכו מחקר תיאורטי וניסיוני, ובהתבסס על המודל האנליטי שהקימו, השתמשו במשוואת המצב כדי לקבל את הנוסחה לחישוב נפח מילוי החנקן במאגר, ואמתו ניסיונית את נכונות הנוסחה, ובכך סיפקו בסיס תיאורטי לעיצוב המאגר האופטימלי. בשנת 1986, דואן שיאוהונג מאוניברסיטת בייג'ינג למדע וטכנולוגיה, תוך שימוש בשיטת הפרמטרים המרוכזים, הקים מודל דינמי של מאגרים ממברניים בעלי לחץ גבוה, ושימוש בשיטות ניסיוניות וחישוביות לניתוח מאפייני התדירות של מערכת המאגר, ודנה באיחוד האופטימלי בין המאגר לשובר הסלע ההידראולי, וציינה כי אזור העבודה האופטימלי של מכשיר ההפעמה, שבו תגובת ההרמוניה השנייה של המאגר לשינויי הלחץ במערכת שולטת באנרגיה, הוא אזור זה. בשנת 1986, המורה הי צ'ינגחואה מאוניברסיטת צ'ונג-נאן פורסם מאמר בשם 'שסתום החזרה והמאגר להחזרה בהידראוליקה של מכונות הפעמה', ובו ציין כי הלחץ ההידראולי העבורי של שובר הסלע ההידראולי תלוי בעיקר בכוח ההתמד של חלקיו המנועים; זהו מאפיין חשוב של שובר הסלע ההידראולי המבדיל אותו מהמכונות ההידראוליות הרגילות, שבהן הלחץ ההידראולי העבורי תלוי בעיקר במטען החיצוני. הלחץ החוזר (הבלימה) נוצר בעיקר על ידי הלחץ ההידראולי של ההתמד שנוצר כאשר השמן מאיץ בעת שמבצעים או שסתומים מפריקים שמן לצינור החזרה; וכן צוין כי, בשל כך שזרימת השמן של מכשיר ההפעמה שונה מדפוס שינוי הזרימה של השמן בצינור החזרה, כאשר הזרימה הנכנסת לצינור החזרה קטנה מזרימת השמן הזורמת בתוך הצינור, יתרחש קוויטציה. כדי להפחית את הלחץ החוזר של ההתמד ולמנוע קוויטציה בחזרה, הוצע להתקין מאגר החזרה בשובר הסלע ההידראולי, וממנו נגזר שיטה לעיצוב פרמטרי מאגר החזרה. בשנים האחרונות, אוניברסיטת בייג'ינג למדע וטכנולוגיה ערכה מחקר על מאפייני האיחוד הדינמי של מאגרי שובר הסלע ההידראולי, פיתחה את חבילת התוכנה לדמוי HRDP, והשיגה תוצאות בבדיקות חישוביות לאיחוד הדינמי האופטימלי של המאגר.

(4) מחקר על מכשירי מניעת ירי ריק וסופגי אנרגיה להחזרה של מקלעת

מכיוון שקריסות בלתי נמנעות של המקלע והופעת תופעת הירי הריק מתרחשות במהלך פעולת מקלע סלעים הידראולי, ביצועי המקלע בבלימת האנרגיה הנובעת מהקורה ומכשיר מניעת הירי הריק משפיעים במידה רבה על משך החיים של מקלע הסלעים ההידראולי. המרצה מנג סואימין, במאמר 'ניתוח מהירות הקורה של פיסטון מקלע סלעים', עשה ניתוח שיטתי של גורמי הקורה בקצה המקלע וחקר שיטות לספיגת אנרגיית הקורה של המקלע. ליאו יידה מאוניברסיטת דרום המרכז, במאמר 'מחקר תיאורטי וניסיוני על מכשירי ספיגה להגנה מפני ירי ריק במקלעי סלעים הידראוליים', הקים מודל מתמטי לתהליך ספיגת הירי הריק וביצע מחקר הדמיה. ד"ר ליאו ג'יאניונג, במאמר 'תורת העיצוב והעיצוב בעזרת מחשב למקלעי סלעים הידראוליים רב-שלביים', ביצע הדמיה ממוחשבת ואופטימיזציה לעיצוב מכשירי ספיגת אנרגיית הקורה של המקלע ומכשירי מניעת הירי הריק. ליו דשון מאוניברסיטת דרום המרכז, בתזה הדוקטורלית שלו 'מחקר דינמיקת הגלים של מנגנוני הפגיעה', יישם את תורת דינמיקת הגלים, פיתח נוסחאות לחישוב מהירות הקורה של כל חלק במנגנון הפגיעה, וציין שאפשר לנצל את אנרגיית הקורה באמצעות תכנון רציונלי של כל חלק במנגנון הפגיעה. מכון המחקר למachinery הנדסתית הידראולית באוניברסיטת דרום המרכז פיתח מכשיר ספיגה דו-שלבי להגנה מפני ירי ריק, אשר ניצל באופן מלא את היכולת של מכשיר ספיגת אנרגיית הקורה של המקלע – הישג מחקרי חדשני.

1.5.4 מחקר טכנולוגיות התאמת תדר, התאמת אנרגיה ובקרה למקלעי סלע הידראוליים

עם ההתפתחות של טכנולוגיית מקלעי הסלע ההידראוליים, הבנייה בשטח העלתה דרישות חדשות כלפי מקלעי הסלע ההידראוליים. כדי לשפר ביעילות את יעילות הייצור, נדרש שזוית האנרגיה והתדר המוחלטים של מקלע הסלע ההידראולי ישתנו בהתאם לשינוי בתכונות הסלע. כלומר, בהנחה של יישום מקסימלי של הקיבולת המותקנת של המכונה הנושאת, כאשר הסלע קשה יותר, מקלע הסלע ההידראולי פולט אנרגיית מכה גדולה יותר ותדר מכה נמוך יותר; להיפך, הוא פולט אנרגיית מכה קטנה יותר ותדר מכה גבוה יותר, ובכך מושגת יעילות ייצור גבוהה יותר. כדי להשיג את המטרות לעיל, נערכו מחקרים נרחבים הן במדינה והן בחו"ל.

מהמחקר התיאורטי על מפרצי סלע הידראוליים, הפלט שלהם (אנרגיה של מכה ותדירות) ניתן להתאמה בעיקר בשלוש שיטות: ① התאמת זרימה; ② התאמת מחזור; ③ התאמת לחץ משוב. כרגע, הרוב המכריע של מפרצי הסלע הידראוליים הפנימיים והזרים כולל מחזור קבוע אחד בלבד — כלומר, הפלט שלהם אינו ניתן להתאמה. כמובן, אם מפרצי סלע הידראוליים מסוג זה משתמשים בשיטת התאמת הזרימה כדי להתאים את הפלט, אף על פי שזוהי אפשרות תיאורטית, בפועל היא אינה מעשית. הסיבה לכך היא ששינויים בזרימה יגרמו לשינויים סינכרוניים בפרמטרי הפלט שלהם, ולכן לא ניתן להשיג התאמה עצמאית.

למרות שחלק מהיצרנים המקומיים והזרים עיצבו וייצרו מפרצי סלע הידראוליים בעלי אורך דחיפה ניתן להתאמה, הם אינם נפוצים בקרב המשתמשים בשל מבנה הקשיח שלהם, התאמות מדריגתיות, הנוחות הנמוכה לשימוש והתוצאות הגרועות. בנוגע להתפלגות משוב האורך של הדחיפה, הפרמטרים העבדתיים של המכשיר מתואמים בעיקר על ידי שינוי זרימת הקלט של המערכת או על ידי הוספת מספר חורים לאותות משוב של הדחיפה החוזרת, ובאמצעות בקרה על פתיחת וסגירת כל אחד מהחורים הללו כדי להתאים את אורך דחיפת הפיסטון, ובכך לשנות את אנרגיית ההכאה והתדירות ההכאית של מפרץ הסלע ההידראולי. לדוגמה, המפרץ ההידראולי בעל שלושה מהירים של חברת Atlas-Copco, שמיוצר בשוודיה. סדרת המפרצים ההידראוליים האוטומטיים עם החלפת הילוכים YYG של אוניברסיטת צ'ונג-נאן: בגלל מגבלות המבנה, עיקרון זה מסוגל להשיג רק התאמות מדריגתיות לפרמטרי העבודה של מפרץ הסלע ההידראולי, ומכיוון שהלחץ והזרימה במערכת ההכאה פרופורציונליים לריבוע זה של זה, הגברת בו זמנית של אנרגיית ההכאה והתדירות ההכאית תגרום לשינויים גדולים מאוד בהספק של המכונה הנשאת, מה שמגביל את הרחבת טווח העבודה והיעילות העבדתית של מפרץ הסלע ההידראולי. הפרופסור טאקאשי טקאהאשי מאוניברסיטת אקיטה ביפן, במאמר שלו, תיאר את התאמת מיקום פתח אות הדחיפה החוזרת כדי להשיג את המטרה של שינוי אורך דחיפת הפיסטון במפרץ הסלע ההידראולי. ניסויים הוכיחו שאם אורך הדחיפה יגדל ב-10%, למרות שהתדירות ההכאית תקטן ב-8%, אנרגיית ההכאה תוכל לגדול ב-12%, מה שמשפר את היעילות העבדתית ומספק ראיות תיאורטיות וניסיוניות לעיצוב מפרצי סלע הידראוליים בעלי אורך דחיפה ניתן להתאמה. המרצה הי קינגחואה מאוניברסיטת צ'ונג-נאן, בספרו 'מחקר על מכונות הכאה הידראוליות באורך דחיפה ניתן להתאמה', השווה בין מספר סוגי שיטות החלפת הילוכים ואנאלז תיאורטית את הקשרים בין פרמטרי העבודה השונים של מכונות הכאה הידראוליות באורך דחיפה ניתן להתאמה לבין אורך דחיפת ההילוך; התוצאות יש להן חשיבות מודרכת ברורה לעיצוב ולשימוש במפרצי סלע הידראוליים עם החלפת הילוכים. הספר הזה מציג את המושג של התאמה עצמאית ורציפה (ללא מדריגות) של פרמטרי העבודה, בהתבסס על עיקרון משוב הלחץ, והציג מוצר חדש מסוג מפרץ סלע הידראולי. הוא מתאם בעיקר את אנרגיית ההכאה הבודדת של מכשיר ההכאה באמצעות בקרה על גודל לחץ החזרת הפיסטון; במקביל, על ידי בקרה על זרימת המשאבה המשתנה, הוא מתJUST את תדירות ההכאה באופן רציף (ללא מדריגות), כך שאפשר להתאים באופן עצמאי ורציף (ללא מדריגות) הן את אנרגיית ההכאה והן את התדירות ההכאית בתחומים יחסית גדולים, תוך שינוי קטן בהספק של המכונה הנשאת. בנוגע למחקר התיאורטי, לעיצוב המבנה ולשיטות הבקרה עבור סוג זה החדש של מכונות הכאה הידראוליות, המחברים ערכו מחקר על מכונות הכאה הידראוליות עם התאמה עצמאית ורציפה (ללא מדריגות) של אנרגיית ההכאה והתדירות ההכאית. ד"ר ג'או הונגציאנג, בדיסרטציה הדוקטורלית שלו 'מחקר על מפרק סלע הידראולי חדש עם בקרה עצמאית ורציפה (ללא מדריגות) על התאמות', פירץ דרך בשיטת הבקרה המסורתי של משוב אורך הדחיפה של מפרצי הסלע ההידראוליים, ואמץ שיטות בקרה של משוב לחץ וזרימת משאבה משתנה, ובכך השיג בקרה עצמאית ורציפה (ללא מדריגות) על אנרגיית ההכאה והתדירות ההכאית של מפרץ הסלע ההידראולי. דינג ונסי, בדיסרטציה הדוקטורלית שלו, השתמש בלחץ החנקן בקצה האחורי של המפרק כסגנון הבקרה המשתנה, וערך עבודה מקיפה על מפרקים מסוג ההתפלגות המוצעת, שנשלטים על ידי שסתומים מהירים, והשיג התאמה עצמאית של תדירות ואנרגיה למפרקים. ג'אנג שין, במאמר 'מחקר על מערכת חדשה של מכונות הכאה הידראוליות עם משוב לחץ ושילוב מכני-אלקטרוני', השתמש בשסתומים מהירים מבוקרים על ידי מיקרו-מחשב חד-שבבי כדי להשיג בקרה ממוחשבת על מכשיר ההכאה. יאנג גואופינג, בדיסרטציה הדוקטורלית שלו 'מחקר על מכונת הכאה הידראולית טהורה עם התאמה עצמאית ורציפה (ללא מדריגות) של תדירות ואנרגיה', הציע מכונת הכאה אינטליגנטית עם מערכת בקרה הידראולית טהורה אשר יכולה להשיג התאמה רציפה (ללא מדריגות) של אנרגיית ההכאה והתדירות ההכאית של מפרץ הסלע ההידראולי באמצעות ידית שסתום פילוט.

1.5.5 מצב המחקר הנוכחי של טכנולוגיית הדמיה למקטעי סלע הידראוליים

מנקודת מבט של תכנון ופיתוח מוצר, מחקר התכונות הדינמיות של מנגנונים מתבצע בצורה הטובה ביותר בשלב הפיתוח והעיצוב של המוצר. הדמיה של התגובה הדינמית של מערכות בקרה הידראוליות תמיד הייתה תחום שנחקר באופן שוטף על ידי התעשייה ההידראולית, והיא גם כלי נפוץ לשימוש במחקר התכונות הדינמיות של מערכות הבקרה.

השיטה המיוחדת של פעולת מפרק הסלע ההידראולי קובעת שניתוח ובדיקה דינמיים של סימולציה חייבים לשמש כהנחה בסיסית לעיצוב ולפיתוח תיאורטי של המנגנון. לאחר הופעת המחשבים, נפרצה המחסום שהסתמך רק על בדיקות מוצר כדי להשיג תוצאות מדויקות או אמינות של ביצועי התנועה של המנגנון. החוקרים החלו להשתמש בשיטות שונות כדי לבנות מודלים מתמטיים המתארים את התנודות ההידראוליות ואת תנועת מכונות ההכאה, לחקור את תהליכי שינוי הפרמטרים של מפרקי הסלע ההידראוליים באמצעות טכנולוגיית סימולציה, ולהשתמש בטכנולוגיית הפרוטוטיפ הווירטואלי כדי לסמלץ את תהליכי התנועה של מכונות ההכאה. לאחר שנקבעים תוצרי העיצוב, ניתן להבין בבירור את תנועת המנגנון לחשב את פרמטרי הביצוע הרלוונטיים, ובכך לספק מסלול טוב לקיצור מחזורי הפיתוח של מוצרים חדשים, לאופטימיזציה של העיצוב ולניתוח ביצועים דינמיים.

בשנות ה-60 וה-70 של המאה ה-20, החלו מלומדים זרים ליישם מחשבים דיגיטליים לעבודות הדמיה של מכונות מכה. עבודות אלו קיבלו את הלחץ במרחבים הקדמי והאחורי כמשתנה, חישבו את זרימת הנוזל פנימה ובחוצה מכל פתח, ותקנו אותה בעזרת מקדמי זרימה; לאחר מכן יישמו את משוואת מצב הגז ומשוואת שימור האנרגיה, והקימו משוואות דיפרנציאליות מיקרוסקופיות המתארות את השינויים במצב המאגר והפיסטון; לאחר ביצוע טיפולים קירוביים מסוימים בתנועת השסתום, השתמשו בשיטות הפרשים סופיים לפתרון נומרי. תוצאות ההדמיה, במיוחד פרמטרי הביצועים, היו קרובות מאוד לערכים שנמדדו, והושגו תוצאות מספקות. ביפן, חוקרים העניקו דגש רב יותר על בניית מודלים ממוחשבים למקטעי סלע הידראוליים ספציפיים לצורך מחקר, והכניסו לתוך ההדמיה פרמטרים שהתקבלו בניסויים כדי לבצע אופטימיזציה של הפרמטרים המבניים, פרמטרי המכה וביצועי מקטעי הסלע הידראוליים, והשיגו את שטח הפתח האופטימלי להזרמת השמן החוזר, את נפח המטען האופטימלי של המאגר ואת שטח הפנים האחורי המתחייב לחץ במאגר של מקטע הסלע הידראולי הרלוונטי. בעת ביצוע ההדמיה, החוקרים היפניים הקדישו תשומת לב רבה יותר להשוואה בין תוצאות ההדמיה לתוצאות הניסויים, ותקנו את המודלים הממוחשבים בהתאם לנתוני הניסויים. חברת Sandvik, לאחר ששקלה את השפעת צורת הפיסטון המכה על שיטת העברת האנרגיה, פיתחה גם היא תוכנית הדמיה ממוחשבת בתחום זה. באמצעות תוכנית זו: ① ניתן לדמיין את תהליך העברת האנרגיה בכל חלק מהמכה; ② ניתן לדמיין עיצובים שונים של כל רכיב במערכת; ③ ניתן לדמיין, בתנאי מפגש עם סוגי עצמים מכים שונים, את השפעת העיצובים השונים על העברת האנרגיה. התוכנית הממוחשבת של Sandvik לא רק מבטיחה ייצור של מוצרים אופטימליים, אלא גם מאפשרת למדוד ולהבין את היכולת של כל הפרמטרים להשפיע על מערכת המכה ואת השפעת שינויים מסוימים בפרמטרים על היעילות, ומספקת אותה למשתמשים ככלי חישוב מעשי ואפקטיבי.

לאחר שנות ה-80, החלה גם המחקר הביתי על טכנולוגיית הדמיה ויישומיה. מדענים סיניים כגון טיין שו ג'ון וצ'ן יו פאן, ובין היתר, הקימו מודלים מתמטיים באמצעות שיטות משלהם. טיין שו ג'ון ואחרים יישמו את גרף הקשר החשמלי (Power Bond Graph) — טכנולוגיית מודל דינמי מתקדמת — בשילוב עם שיטות ניתוח מרחב המצב, ועסקו בעיקר במחקר תוכנת הדמיה הדינמית למקטעי סלעים הידראוליים מבוקרים על ידי שסתום הזזה. מחקר זה חקר את מודל הדמיה הדינמי ותכנותו עבור מקטעי סלעים הידראוליים, וסיפק שיטה וגישה לרבים מתוכניתני הדמיה הבאים, כגון הפרופסור ג'ואו ז'י הונג מאוניברסיטת בייג'ינג לטכנולוגיה ולמדע, אשר הנחה תלמידים כגון יאן יונג ואחרים להשתמש בגרפי הקשר החשמלי כדי לבנות משוואות דינמיות עבור סוגי פיסטונים שונים של מקטעי סלעים הידראוליים, שסתומי כיוון, וכן כל משוואת זרימה הידראולית ומשוואות מצב הגז; לאחר מכן נוצרו תכניות הדמיה בשפת מחשב כדי לנתח את התהליכים העיקריים של שינוי המצב, כגון לחץ המגזר הקדמי והאחורי, הזרימה, העתק הפיסטון ומהירותו במקטעי הסלעים הידראוליים, מה שהוותה פלטפורמה למחקרים נוספים בנוגע להשפעת שינויים בפרמטרים של מקטעי הסלעים הידראוליים על ביצועיהם. עם ההתפתחות המהירה של המחשבים וטכנולוגיות התוכנה, נעשה שימוש בתוכנות Matlab ו-AMEsim במודליזציה ובדמיה של מערכות מקטעי סלעים הידראוליים, מה שסיפק תמיכה תיאורטית לקיצור מחזורי המחקר והפיתוח ושיפור איכות העיצוב של דגמים חדשים.

1.5.6 שיטות מחקר ניסיוני

הניסוי הוא האמצעי הבסיסי שבו משתמשים אנשים כדי להכיר את הטבע ולשנות את העולם האובייקטיבי — סיכום והפשטה של תופעות שנצפו ונתונים שנמדדו באמצעות ניסוי, זיהוי קשרים פנימיים ומתבניות, ויצירת תיאוריה. הניסוי הוא המקור של התיאוריה; הניסוי הוא השופט היחיד לאימות התיאוריה.

פרמטרי ביצוע מכת השבר ההידראולי הם מדד חשוב למדידת רמת העיצוב, היצרנות והאיכות שלו. כל הפרמטרים העיקריים ניתנים למדידה באמצעות שיטות ניסיוניות, והתוצאות מוצגות בצורת נתונים, עקומות או תרשימים. אימות הביצועים מתמקד בעיקר במדידת אנרגיית המכה, תדר המכה, הלחץ במערכת וזרימה. שיטות המדידה לפרמטרים אלו אינן כרוכות בסטנדרטים ניסיוניים בינלאומיים מאוחדים. שיטות הבדיקה הנפוצות כיום לביצוע מכת השבר ההידראולי הן: שיטת הגל המתחי, שיטת ההפרש בזווית הזזה האופטו-אלקטרונית, שיטת ההשראה האלקטרו-מגנטית, שיטת ההשקה, צילום במהירות גבוהה, שיטת דיאגרמת המצביע והשיטה לאנרגיה, וכדומה.

שיטת גל המתח היא שיטה למדידת אנרגיית הפגיעה על ידי מדידת גל המתח שנוצר על החרטום כאשר פיסטון הפגיעה פוגע בחרטום. שיטת הפוטואלקטריות מבוססת על עיקרון המרה פוטואלקטרית; באמצעות חיישן פוטואלקטרי, נמדדת מיקומו של פיסטון הפגיעה כמדידה ישירה כדי לקבל את התזוזה של תנועת הפיסטון, ולאחר מכן מחושבים פרמטרי הביצוע השונים של מכשיר הפגיעה. שיטת הפוטואלקטריות, כשיטה לא מגעית, מתאימה במיוחד למכונות פגיעה כגון שוברות סלעים הידראוליות, אשר מאפייניהן הם מהלך ארוך של הפיסטון, קוטר גדול ומהירות גבוהה. שיטת ההשראה האלקטרומגנטית משתמשת במערכת חיישנים להשראה אלקטרומגנטית הכוללת מוט מגנטי המותקן על פיסטון הפגיעה וסליל הליקואידי המותקן על הגוף, ומשתמשת בכוח אלקטרו-מניע מושרה הנוצר בסליל בעת חיתוך קווי השדה המגנטי על ידי המוט המגנטית בזמן שהמוט מבצע תנועה הלוך ושוב יחד עם הפיסטון, ומקבלת את מהירות תנועת הפיסטון בהתבסס על הקשר הקליברציה בין הכוח האלקטרו-מניע למהירות הפגיעה, וממנו מחושבת אנרגיית הפגיעה של הפיסטון.

שיטת ההתקשרות היא שיטה לחישוב אנרגיית הפגיעה באמצעות המהירות הסופית של הפיסטון בעת פגיעתו באובייקט הנפגע. בבדיקות ביצוע של מפרק סלעים, ארבע השיטות לעיל נפוצות יחסית; שיטות אחרות, בין אם בשל מורכבות הפעלה ועלות גבוהה, ובין אם בגלל חוסר יכולת לשקף באופן מלא את מצב התנועה של הפיסטון, נדירות בשימוש מעשי.

יש לציין כי שיטת גל המתח לעיל מתאימה רק לבדיקת מכשירי הפעלה בעלי אנרגיית מכה יחסית קטנה, כגון מקדחות סלע הידראוליות ומכונות פנאומטיות, ולבדוק את אנרגיית המכה הגדולה של שוברות הסלע ההידראוליות קשה יותר. קיבולת הבדיקה של יחידות מחקר מיוחדות העוסקות בגלים מתחיים היא בדרך כלל לא גדולה ולא מספיקה לבדיקת שוברות הסלע ההידראוליות הגדולות; הרעש והרטט שנוצרים במהלך בדיקות פנימיות אינם גם כן נסבלים. בנוגע לשיטת ההשקה, אף על פי שהיא פשוטה להתקנה, התוצאות אינן די מדויקות ואינן ניתנות להרחבה. רק שיטת האינדוקציה האלקטרומגנטית לבדיקת שוברות הסלע ההידראוליות נחשבת לשלמה בכל הבחינות: ניתן להשתמש בה הן עבור מקדחות סלע הידראוליות בעלות אנרגיית מכה קטנה והן עבור שוברות הסלע ההידראוליות הגדולות בעלות אנרגיית מכה גבוהה; היא מודדת ישירות את עקומת מהירות התנועה של הפיסטון, ובכך מאפשרת לקבל את ההזזה והתאוצה של הפיסטון – דבר מאוד שימושי למחקרים העוסקים בתבניות תנועת הפיסטון. החיסרון היחיד הוא שהמוט המגנטי ניזוק בקלות תחת רטט הפיסטון בתדר גבוה.

ד"ר דינג ונסי מאוניברסיטת צ'נג-נאן המרכזית, בדיסרטציה הדוקטורלית שלו 'מחקר על מערכת שובר סלעים הידראולית משולבת חשמל-מכניקה מסוג חדש עם משוב לחץ חנקן', הציע שיטה חדשה לבדיקת פרמטרי הפלט של מכשיר מכה — שיטת לחץ הגז. שיטה זו משתמשת בגלאי לחץ כדי למדוד את ההשפעה על הלחץ של תאי החנקן המוגנים המותקנים בקצה האחורי של הפיסטון במהלך תנועת הפיסטון, ובאמצעות מחשב היא קובעת את המרחק שהפיסטון עשה ואת מהירות תנועתו, ובכך מתקבלים שני פרמטרי הפלט החשובים של מכשיר המכה — אנרגיית המכה ותדירות המכה. בהשוואה לשיטות הבדיקה המסורתיות, שיטת לחץ הגז ללא מגע יש לה את היתרונות הבאים: עמידות גבוהה לרעידות, הכנה מינימלית, מדידה בו זמנית של אנרגיית המכה ותדירות המכה, קלות בביצוע איפוס, שגיאה קטנה בפרמטרי המכה ודقة גבוהה. ניתן להשתמש בשיטה זו לא רק כשיטה למדידה וזיהוי מוצרים במעבדה, אלא גם בצורה נוחה לבדיקות מקוונות בעבודה אמיתית. השיטה יושמה בתוכנית הבדיקות ההידראוליות של חברת ג'ינגיא והוכנסה לתקן התעשייה 'שובר סלעים הידראולי'.

1.5.7 מחקר על רטט, רעש ובקרה

בנוסף לאנרגיית הפגיעה, תדר הפגיעה והמסה, המצביעים למדידת ביצועי מכונות פגיעה הידראוליות כוללים גם רעש, רטט גוף המכונה ויחס ניצולת האנרגיה – אלו הם היבטים חשובים להערכת הביצועים הכוללים. עם העלייה בהכרת הסביבה, מדינות מפותחות מטילות הגבלות מחמירות יותר על רעש של ציוד. כדי להתאים את עצמם לצרכים השוקיים, הרעש והרטט של מכונות הפגיעה ההידראוליות, וכן דיכוי האבק, הופכים בהדרגה למצביעים חשובים בתחרות העסקית; טכנולוגיות הבקרה שלהם הפכו כעת לנושא מחקר חשוב. חוקרים ממדינות שונות מבצעים מחקר מהיבטים מבניים וחומריים; מבחינה מבנית, ננקטים אמצעים כגון שרוולים פנימיים של צלחת-חיקוי, מכשירי השתקה או הדבקת לוחות פלדה לבלימת רטט. חברת Krupp ציידה את כל המוצרים הבינוניים והקטנים שלה בחומרים בולעים קול. חברת Rammer מתקינה משאבות מים בעלות לחץ גבוה ופיזוזיות באדים על מוצרים חדשים שפותחה על מנת להשיג השפעת הפחתת אבק. בנוסף, באמצעות טכנולוגיית חיישנים ניתן להשיג מיקום מדויק של שוברות סלע הידראוליות, חפירה אוטומטית של קדחים, עצירת מסמרות ואחזורן, התאמת אנרגיית הפגיעה ותדר הפגיעה באופן אוטומטי בהתאם לאובייקט העבודה וכו.