油圧式ロッカーブレーカーの理論研究概要

1.5 油圧式ロッカーブレーカーの理論研究概要

油圧式ロッカーブレーカーの運転中、作動室の油圧は方向制御弁の制御により高周波で切り替わる。油路内の流体の特性は、単純に油圧伝動理論に基づいて論じることはできず、油圧振動理論による解析を適用する必要がある。ピストンおよびチゼルに作用する力は、数十マイクロ秒という短時間内にゼロから数十～数百メガパスカルまで急激に上昇し、その後再びゼロへと低下する。応力波によるエネルギー伝達の形態は、作業過程の記述を単純に静力学・剛体力学・運動学の理論で行うことができないことを意味している。衝撃機の原理は弾性体の動力学的問題に属し、そのエネルギー伝達過程を正確に記述するには波動理論を用いる必要がある。

基本的な仮定および数理モデルの違いに基づき、油圧式ロッカーブレーカーに関する研究は、線形モデル研究と非線形モデル研究という二つの主要なカテゴリーに分けられる。

1.5.1 液圧式ロッカーブレーカーの線形研究モデル

線形研究は、非線形の油圧式岩盤破砕機を仮定によって線形化することで実施される理想化された研究であり、その前提として「一定油圧」を仮定した線形モデルが用いられ、またいくつかの要因が無視される。この研究の前提は、ソ連時代の学者オダリモフ（OdAlimov）およびサバソフ（SAbasov）が著書『油圧振動衝撃機械構造理論』において提唱した見解に基づくものである。すなわち、「所定の衝撃終端速度を保証する条件下では、圧力完全等圧制御が最も効率の高い最適制御である」という主張である。この『一定圧力制御』の仮定に基づき、ソ連時代の学者らは、ピーク推力が最小となる最適設計方式を提案した。日本の学者中間（Nakamai）らは、この前提に配管抵抗を考慮して、ピストン行程の可変性に関する理論的・設計的研究を行った。北京科技大学の李大志（Li Dazhi）教授は、最適行程設計の考え方を提唱した。陳宇凡（Chen Yufan）らは、衝撃装置の線形モデルを用い、最適行程法による無次元解析を適用し、設計作業を指導するための一連のパラメータ関係式を得た。北京科技大学の陳定遠（Chen Dingyuan）先生は、設計変数としてC = S／S_m（S：作動行程、S_m：最大行程）を採用し、油圧式岩盤破砕機について無次元解析を行い、最適効率領域がC = 0.75～0.850であることを明らかにした。北京科技大学の王征（Wang Zheng）先生は、設計変数としてピストン復帰加速度時間tを採用し、総合的なパラメータ解析を行って以下の結果を得た：蓄圧器容積変化が最小となるのはt = 0.406Tのときであり、油圧衝撃が最小となるのはt = 0.5Tのときである。中南大学の何清華（He Qinghua）先生は、衝撃装置の構造特性係数——すなわちピストン前後室の有効面積比——を無次元設計変数として採用し、衝撃装置の最適化設計を行った。しかしながら、多くの線形研究では、衝撃性能に直接影響を与えるピストンとバルブとの相互拘束関係および蓄圧器の状態が考慮されておらず、機構内の多数の構造パラメータ間の相互関係を正確に反映することができない。その研究精度は比較的低いものの、各種要因が性能に及ぼす影響関係を基本的に反映しており、理論的・設計的研究において一定の実用的価値を有している。

1.5.2 液圧式ロッカーブレーカーの非線形モデル

液圧式ロッカーブレーカーは、比較的典型的かつ複雑な単一物体機械フィードバック追従システムであり、他の分野における非線形システムと同様に、多くの非線形現象およびパターンを示します。非線形研究では、液圧式ロッカーブレーカーの運動に影響を与える要因をより包括的に検討し、その応力状態を比較的包括的に分析することで、運動パターンを記述する高次非線形微分方程式系が得られました。しかし、これらの数式は解析的に解くことが困難であり、直感的な記述にはならず、コンピューターを用いた数値解析によってのみ解を得ることができます。近年、コンピュータ科学・技術の発展およびマイクロコンピュータの普及に伴い、非線形数学モデルに関する研究は人々の注目をますます集めるようになっています。

1970年代初頭には、すでに海外の研究者がデジタルコンピュータを空気圧式ロッカードリルの衝撃機械シミュレーション研究に応用し、比較的正確な結果を得ていた。1976年、日本の学者・正渕正雄氏が、最も早く油圧式ロッカーブレーカーの研究に数学的計算を適用し、油圧衝撃試験装置のための数学モデルを提案した。また、反復計算により動力ストロークの速度および周波数を求め、実測値と比較した。1980年代には、日本の学者・高内義夫氏、谷又修氏らが油圧式ロッカーブレーカーの性能および設計に関する非線形研究を実施し、油圧式ロッカーブレーカーの性能評価および設計に適した解析モデルを提案するとともに、その解析モデルの導出理論および解析手法を確立した。1980年、北京科技大学の李大志氏および陳定元氏は、蓄圧器圧力を作動圧力として用いた非線形数学モデルを提案し、安定した数値解を求めた。1983年、中南工業大学の何慶華氏は『油圧式ロッカーブレーカーの数値シミュレーション研究』において、状態切替法を用いて包括的な数学モデルを構築し、「準一様加速度計算法（PUA法）」を提案した。この手法では、状態遷移点における誤差を補正し、シミュレーション精度を向上させた。1987年、北京科技大学の陳小忠教授および陳定元先生は、衝撃機構の非線形数学モデルを確立し、BASIC言語でシミュレーションプログラムを作成して、実測結果と比較的一致するシミュレーションデータを得た。油圧式ロッカーブレーカーの運転中は、高圧、短い衝撃サイクル、頻繁な油流切り替えなどの要因により、常に変化する可変圧力室が生じるため、油圧油が各種隙間を通過する際に大量の熱が発生し、局所的な高温を引き起こす。これにより、衝撃装置の性能および局所潤滑に影響が及ぶが、この分野における研究はいまだ空白である。

油圧式ロッカーブレーカーの運動は複雑であるため、非線形モデルも一定の仮定に基づいて構築されるが、その結果、線形モデルと非線形モデルとでは、物事の本質的性質を記述する点において実際には大きな違いはなく、数学的モデルの解法のみが異なる。すなわち、線形モデルでは解析解を用いるのに対し、非線形モデルではコンピュータを用いた数値計算手法を必要とする。いずれのモデルも衝撃装置の運動パターンを近似的に表現するにすぎず、より正確な記述手法を得るためには、計算流体力学（CFD）のさらなる発展が不可欠である。

油圧式ロッカーブレーカー技術の進展、特に油圧・空気圧複合式および窒素爆発式油圧ロッカーブレーカーの登場に伴い、油圧式ロッカーブレーカーの作動媒体は油だけではなく、ガスも含まれるようになったことに留意する必要がある。また、窒素の導入は理論的研究の難易度および複雑さをさらに高めている。

1.5.3 液圧式ロッカーブレーカーの主要部品に関する研究

(1) ピストンの研究

衝撃ピストンの設計および製造品質は、衝撃装置の性能を大きく左右する。中国の研究者らはこの分野において重要な研究を行ってきた。葛洲坝水力発電工学院の孟随民先生は、線形モデルを基に、無次元解析を用いて、ピストンの反跳速度が油圧式ロッカブレーカーの運転パラメーターに及ぼす影響について予備的な検討を行った。湘潭工学院の劉徳順教授は、論文『岩盤掘削機ピストンの反跳速度の計算』において、波動力学理論を適用し、岩盤掘削の作動原理を分析した上で、岩盤掘削機のピストン反跳判定および反跳速度算出式を提案し、以下の結論を得た：① ピストンの反跳状態および反跳速度は、ピストン・チョーセル・岩石の物性に依存しており、それらの影響は独立したものではなく、相互に関連している。② 岩石の卸荷剛性係数が小さいほど、反跳速度は大きくなる。また、岩盤掘削機と岩石の加荷特性を表す係数γが小さいほど、反跳速度は大きくなる。④ 比較的理想的な岩盤掘削効率を達成するためには、衝撃装置を設計する際に、特性係数γを1 ≤ γ ≤ 2の範囲内に制御すべきである。

業界では、ピストン設計に関するいくつかのガイドラインが徐々に確立されてきました。

1) ピストンは細長く設計し、不要な断面形状の変化を最小限に抑えることで、エネルギー伝達効率およびチョーセルの寿命を向上させる必要があります。

2) ピストンの衝撃面積は、チョーセルの尾端面積と等しく、あるいはできるだけ近い値とするとともに、所定のテーパー長を確保することで、衝撃波の伝達を最適化する必要があります。

3) ピストンの全ストロークおよびオーバーストロークにおいても、両端のシール構造が損傷してはなりません。

4) 空打ち用油圧パッドの寸法および各ピストンセグメントのシール長は、適切に設計する必要があります。

5) 適切な材料選定が不可欠です。すなわち、ピストン材料は高い機械的強度、高い表面硬度、優れた心部靭性、および非常に優れた耐摩耗性および耐衝撃性を備えている必要があります。

6) ピストンとシリンダ本体間の嵌合クリアランスは、漏れ損失および加工精度を総合的に考慮して適切に決定する必要があります。一般に、ピストンとシリンダ本体間の嵌合クリアランスは0.04～0.06 mm、ピストンとサポートスリーブ間の嵌合クリアランスは0.03～0.05 mmです。

(2) 分配弁の研究

現在、圧力油式ロッカーブレーカーの大多数は、位置フィードバック制御バルブを用いたピストンシステムを採用しており、衝撃装置内の特定チャンバーへの油供給パターンを変化させることで、高速往復運動を実現している。この制御方式は比較的単純であるが、その遷移過程は比較的複雑である。バルブ切替過程において、時間、速度、ストローク、油消費量などのパラメーターが段階的に変化し、これらは衝撃装置の性能に大きな影響を及ぼす可能性がある。これに対し、北京科技大学の劉万玲らは、理論および実験を用いて、油圧衝撃システムにおける制御バルブの特性について専門的な研究を行い、対象となる衝撃装置バルブの実際の運動軌跡を明らかにし、方向制御バルブの運動パターンを解明するとともに、衝撃装置の性能に影響を与える制御バルブの主要パラメーターを特定した。中南大学の祁仁俊らは、バルブ制御プロセスに関する理論解析およびバルブ構造・パラメーターの最適化研究を行い、いくつか有益な規則性の結論を得た。また、方向制御バルブの高速運動時に生じ得る速度飽和およびキャビテーション現象に対して、バルブスプールの質量およびストロークを低減し、かつ油路径を適切に拡大するという効果的な解決策を提案した。北京鋼鉄学院の劉万玲および高蘭青は、「油圧ロッカーブレーカー方向制御バルブの動的特性解析—シミュレーションおよび実験的研究」において、BASIC言語によるプログラミングを用いてバルブの動的特性向上を検討し、ゼロオーバーラップ開口が増加すると、後方チャンバーの圧力が急激に低下し、衝撃作業量が増加し、衝撃周波数はやや低下し、衝撃装置の効率が向上することを結論付けた。一方、ゼロオーバーラップ開口が大きすぎると、バルブ肩部のシール長が短縮されるため、バルブの動作が信頼性を欠くことになる。

（3）蓄電池の研究

アキュムレータは油圧式ロッカーブレーカーの重要な構成部品であり、その構造は油圧式ロッカーブレーカー全体の機械性能に直接影響を及ぼします。したがって、油圧式ロッカーブレーカーの性能に関する研究と並行して、アキュムレータに関する研究も行われてきました。1990年、日本の学者である高内義夫氏、谷又修氏らは、実験的および理論的な研究を行い、確立された解析モデルに基づき状態方程式を用いてアキュムレータの窒素充填量の計算式を導出し、実験によってその式の妥当性を検証しました。これにより、最適なアキュムレータ設計のための理論的基盤が提供されました。1986年、北京科技大学の段暁紅氏は集中定数法を用いて高圧膜式アキュムレータの動的モデルを構築し、実験的手法および計算手法の両方を用いてアキュムレータシステムの周波数特性を分析しました。さらに、アキュムレータと油圧式ロッカーブレーカーとの最適結合について検討し、衝撃装置の最適作動領域とは、アキュムレータがシステム圧力変動に対して示す2次高調波応答がエネルギー的に支配的となる領域であると指摘しました。また、1986年に中南大学の何清華先生は論文『油圧衝撃機構のリターンオイルおよびリターンオイル用アキュムレータ』を発表し、油圧式ロッカーブレーカーの作動油圧は主に自体の可動部品の慣性力に依存することを指摘しました。これは、通常の油圧機械（作動油圧が主に外部負荷に依存する）と区別される油圧式ロッカーブレーカーの顕著な特徴です。リターンバックプレッシャー（戻り圧力）は、ピストンまたはバルブがリターンオイル管へオイルを排出する際にオイルが加速することによって生じる慣性油圧が主たるものであり、さらに、衝撃装置の排出流量はリターン管内のオイル流量の変化パターンと異なるため、リターン管へ流入する流量が管内で流れるオイル流量より小さい場合、キャビテーションが発生すると指摘しました。この慣性によるリターン圧力を低減し、リターンキャビテーションを解消するために、油圧式ロッカーブレーカーにリターンアキュムレータを設置することが提案され、これに基づきリターンアキュムレータのパラメータ設計手法が提唱されました。近年、北京科技大学では油圧式ロッカーブレーカーのアキュムレータの動的結合特性に関する研究が進められ、シミュレーションソフトウェアパッケージ「HRDP」が開発され、最適アキュムレータ動的結合特性に関する検証計算において成果が得られています。

（4）空打ち防止装置およびチゼル反跳エネルギー吸収装置に関する研究

油圧式ロッカーブレーカーの作動中には、避けられないチゼル反跳現象および空打ち現象が発生するため、チゼル反跳エネルギー吸収装置および空打ち防止装置の作動性能は、油圧式ロッカーブレーカーの寿命に大きな影響を及ぼします。孟瑞敏先生は論文『岩盤ドリルピストンの反跳速度解析』において、チゼル先端部の反跳要因を体系的に分析し、チゼル反跳エネルギーの吸収方法について検討しました。中南大学の廖義徳氏は論文『油圧式岩盤ドリル空打ち緩衝装置の理論および実験的研究』において、空打ち緩衝過程の数理モデルを構築し、シミュレーション研究を実施しました。廖建勇博士は論文『多段式油圧岩盤ドリルの設計理論およびコンピュータ支援設計』において、チゼル反跳エネルギー吸収装置および空打ち防止装置についてコンピュータシミュレーションおよび最適化設計を行いました。中南大学の劉徳順氏は博士論文『衝撃機構の波動力学的研究』において、波動力学理論を応用し、衝撃装置各部の反跳速度算出式を導出し、衝撃装置各部の合理的な設計によって反跳エネルギーを有効に活用できることを指摘しました。中南大学油圧工学機械研究所は、二段式空打ち緩衝装置を開発し、チゼル反跳エネルギー吸収装置の機能を十分に活用した——これは独創的な研究成果です。

1.5.4 液圧式ロッカーブレーカーの周波数調整、エネルギー調整および制御技術に関する研究

液圧式ロッカーブレーカー技術の発展に伴い、現場施工において液圧式ロッカーブレーカーに対して新たな要求が提起されています。生産効率を効果的に向上させるためには、岩盤の性質の変化に応じて、液圧式ロッカーブレーカーの衝撃エネルギーおよび衝撃周波数を可変とする必要があります。すなわち、キャリアマシンの装備容量を最大限に活用するという前提のもとで、岩盤が硬い場合には、液圧式ロッカーブレーカーがより大きな衝撃エネルギーと低い衝撃周波数を出力し、逆に岩盤が軟らかい場合には、より小さな衝撃エネルギーと高い衝撃周波数を出力することで、より高い生産効率を実現します。上記の目的を達成するため、国内外で広範な研究が行われています。

油圧式ロッカーブレーカーに関する理論的研究から、その出力（衝撃エネルギーおよび打撃頻度）は主に以下の3つの方法で調整可能である：① 流量の調整、② ストロークの調整、③ フィードバック圧力の調整。現在、国内外で市販されている油圧式ロッカーブレーカーのほとんどは、固定ストロークを1種類のみ備えており、すなわち出力が調整できない構造となっている。もちろん、このような油圧式ロッカーブレーカーにおいて、出力調整のために流量調整を用いることも理論的には可能ではあるが、実際には実用的ではない。なぜなら、流量の変化は出力パラメーターの同期的な変化を引き起こし、独立した調整が達成できないからである。

一部の国内および外国メーカーがストローク可変式油圧ロッカーブレーカーを設計・製造しているものの、それらは剛性構造による段階的調整であり、操作が非常に不便で、作業効果も劣るため、ユーザーからの評価は高くありません。ストロークフィードバック方式による制御では、出力作業パラメータの調整は主にシステムへの供給流量を変更すること、あるいは複数のリターンストロークフィードバック信号孔を追加し、各信号孔のオン／オフを制御してピストンストロークを調整することによって行われ、これにより油圧ロッカーブレーカーの衝撃エネルギーおよび衝撃周波数が変化します。例えば、スウェーデンで製造されたアトラス・コプコ社の3段階速度切替式油圧ロッカードリルが該当します。中南大学のYYGシリーズ自動ギアシフト式油圧ロッカーブレーカーは、構造上の制約により、この原理では油圧ロッカーブレーカーの作業パラメータを段階的に調整するしかできず、また衝撃系の圧力と流量は互いに二乗比例関係にあるため、衝撃エネルギーと衝撃周波数を同時に増加させると、キャリア機械の動力に極めて大きな変化が生じ、結果として油圧ロッカーブレーカーの作業範囲および作業効率の拡大が制限されます。日本の秋田大学の高橋隆教授は、論文において、リターンストローク信号ポートの位置を調整することで油圧ロッカーブレーカーのピストンストロークを変化させる手法について述べています。実験結果によれば、ピストンストロークを10％増加させた場合、衝撃周波数は8％低下するものの、衝撃エネルギーは12％向上し、作業効率が改善されました。この成果は、ストローク可変式油圧ロッカーブレーカーの設計に対して理論的・実験的な根拠を提供しました。中南大学の何清華先生は『ストローク可変式油圧衝撃機の研究』において、複数のギアシフト方式を比較し、ストローク可変式油圧衝撃装置の各種作業パラメータとギアシフトストロークとの間の理論的関係を分析しました。その成果は、ギアシフト式油圧ロッカーブレーカーの設計および使用において明確な指導的意義を持っています。本書では、圧力フィードバック原理に基づく作業パラメータの独立無段階調整という概念を提唱し、この新しい油圧ロッカーブレーカー製品を市場に投入しました。本製品は、主にピストンのリターン圧力を制御することにより衝撃装置の単発衝撃エネルギーを調整するとともに、可変ポンプ流量を制御することにより衝撃装置の周波数を無段階で調整し、衝撃エネルギーおよび衝撃周波数をそれぞれ広範囲にわたり独立かつ無段階で調整可能とします。その際、キャリア機械の動力変化は極めて小さくなります。この新型油圧衝撃機に関する理論的研究、構造設計および制御方法について、著者らは、衝撃エネルギーおよび衝撃周波数を独立無段階で調整可能な油圧衝撃装置を対象に研究を実施しています。趙洪強博士は博士論文『独立無段階調整制御機能を備えた新形油圧石砕機の研究』において、従来の油圧ロッカーブレーカーにおけるストロークフィードバック制御方式を突破し、圧力フィードバックおよび可変ポンプ流量制御方式を採用することで、油圧ロッカーブレーカーの衝撃エネルギーおよび衝撃周波数の独立無段階調整制御を実現しました。丁文思氏は博士論文において、破砕機後端の窒素圧を制御変数として用い、高速スイッチングバルブ制御型の強制配分式破砕機について広範な研究を行い、破砕機の独立周波数チューニングおよびエネルギー・チューニングを実現しました。張鑫氏は『機電統合型新形圧力フィードバック油圧衝撃装置システムの研究』において、単一チップマイコン制御の高速スイッチングバルブを採用し、衝撃装置のマイコン制御を実現しました。楊国平氏は博士論文『純油圧式独立無段階周波数・エネルギー調整油圧衝撃装置の研究』において、パイロット式配分バルブハンドルを用いた純油圧制御方式のインテリジェント衝撃装置を提案し、油圧ロッカーブレーカーの衝撃エネルギーおよび衝撃周波数を無段階で調整可能としました。

1.5.5 液圧式ロッカーブレーカーのシミュレーション技術研究の現状

製品設計および開発の観点から、機構の動的特性に関する研究は、製品の開発・設計段階において行うのが最も適切です。液圧制御システムの動的応答シミュレーションは、常に液圧業界によって継続的に研究されてきた分野であり、制御システムの動的応答特性を調べるための一般的な手法でもあります。

油圧式ロッカーブレーカーの特殊な作動方式は、機構の理論設計および開発において、動的シミュレーション解析および試験を基本的な前提とする必要があることを意味します。コンピュータが登場した後、機構の運動性能に関する正確かつ信頼性の高い結果を得るために製品試験のみに依存するという障壁が解消されました。研究者らは、油圧振動および打撃機の運動を記述する数学モデルを構築するためのさまざまな手法を用い始め、シミュレーション技術を通じて油圧式ロッカーブレーカーのパラメータ変化過程を解析し、バーチャルプロトタイピング技術を活用して打撃機の運動過程をシミュレートするようになりました。設計結果が確定した後には、機構の運動状態を明確に把握し、関連する性能パラメータを計算することが可能となり、新製品の開発サイクル短縮、設計最適化、および動的性能解析の実施に向けた優れた道筋を提供しています。

1960年代から1970年代にかけて、外国の研究者らはデジタルコンピュータを衝撃機械のシミュレーション作業に応用し始めました。これらの研究では、前室および後室の圧力を変数とし、各ポートからの流体の流入・流出量を計算し、流量係数を用いて補正しました。その後、気体の状態方程式およびエネルギー収支方程式を適用し、アキュムレータおよびピストンの状態変化を記述する微分方程式を構築しました。さらに、バルブの運動に対して一定の近似処理を行ったうえで、数値解法として有限差分法を採用しました。得られたシミュレーション結果、特に性能パラメータは実測値と非常に近く、満足のいく成果が得られました。日本では、研究者らが特定の油圧式ロッカーブレーカーを対象としたコンピュータモデルの構築に重点を置き、実験から得られたパラメータをシミュレーションに導入して、油圧式ロッカーブレーカーの構造パラメータ、衝撃パラメータおよび性能の最適化を実施しました。その結果、対応する油圧式ロッカーブレーカーにおける最適なリターンオイルポート面積、最適なアキュムレータ充填体積および後室圧力負荷面積が得られました。また、シミュレーションを実施する際、日本の研究者らはシミュレーション結果と実験試験結果との比較をより重視し、試験データに基づいてコンピュータモデルを修正しました。サンドビック社は、衝撃ピストンの形状がエネルギー伝達方式に与える影響を考慮したうえで、この分野においてコンピュータシミュレーションプログラムの設計・開発も行いました。このプログラムを用いることで：① 衝撃の各部におけるエネルギー伝達過程をシミュレート可能である；② 各システム構成要素の異なる設計をシミュレート可能である；③ 異なる種類の衝撃対象条件下において、各種設計がエネルギー伝達に及ぼす影響をシミュレート可能である。サンドビック社のコンピュータプログラムは、最適製品の製造を保証するだけでなく、すべてのパラメータが衝撃システムに与える影響および特定のパラメータの変化が効率に与える影響を測定・把握することも可能であり、ユーザーに対して実用的かつ有効な計算ツールとして提供されています。

1980年代以降、国内におけるシミュレーション技術およびその応用に関する研究も開始された。中国の学者である田樹鈞氏、陳玉凡氏らは、それぞれ独自の手法を用いて数学モデルを構築した。田樹鈞氏らは、先進的な動的モデリング技術である「パワー・ボンド・グラフ法」を採用し、状態空間解析法と組み合わせて、スライドバルブ制御型油圧ロッカーブレーカー向けの動的シミュレーションソフトウェアに関する研究を主に実施した。この研究では、油圧ロッカーブレーカーの動的シミュレーションモデル化およびプログラミングが検討され、その後の多くのシミュレーションプログラマーにとって方法論およびアプローチを提供するものであった。例えば、北京科技大学の周志宏教授は、学生の閆勇氏らを指導して、パワー・ボンド・グラフ法を用いて、複数種類の油圧ロッカーブレーカー用ピストン、方向制御バルブ、各油圧流量方程式および気体状態方程式の動的方程式を構築し、さらにコンピュータ言語でシミュレーションプログラムを編集して、油圧ロッカーブレーカーの前後室圧力、流量、ピストン変位および速度といった主要な状態変化過程の解析を行った。これにより、油圧ロッカーブレーカーのパラメータ変化がその性能に与える影響に関するさらなる研究のためのプラットフォームが提供された。コンピュータおよびソフトウェア技術の急速な発展に伴い、MatlabおよびAMEsimソフトウェアが油圧ロッカーブレーカー系のモデリングおよびシミュレーションに適用されるようになり、新製品の開発期間短縮および設計品質向上のための理論的支援が提供されている。

1.5.6 実験研究法

実験は、人々が自然を認識し、客観的世界を変革するための基本的な手段である——実験を通じて観察された現象および測定されたデータを要約・抽象化し、その内的な関係性や法則性を明らかにし、理論を構築する。実験は理論の源泉であり、また理論を検証する唯一の判断基準である。

油圧ロッカーブレーカーの衝撃性能パラメーターは、その設計・製造水準および品質を評価する上で重要な指標である。主なパラメーターはすべて実験的手法によって測定可能であり、その結果は数値、曲線またはチャートの形式で表現される。性能検証の主な内容は、衝撃エネルギー、衝撃頻度、システム圧力および流量の測定である。これらのパラメーターの測定方法については、現時点において国際的に統一された実験規格は存在しない。現在一般的に用いられている油圧ロッカーブレーカー衝撃性能試験方法には、応力波法、光電式変位差動法、電磁誘導法、接触法、高速撮影法、指示計図法、エネルギー法などがある。

応力波法は、衝撃ピストンがチョーセルに衝突した際にチョーセル上に発生する応力波を測定することにより、衝撃エネルギーを測定する方法である。光電法は光電変換原理を用いるものであり、光電センサを用いて衝撃ピストンの位置を直接測定し、ピストンの運動変位を求め、さらに衝撃装置の各性能パラメータを算出する。光電法は非接触式測定法であり、油圧式ロッカブレーカーなど、ピストン行程が長く、直径が大きく、速度が高い衝撃機械に非常に適している。電磁誘導法は、衝撃ピストンに取り付けられた磁性棒とハウジングに取り付けられたヘリカルコイルから構成される電磁誘導センサシステムを用い、磁性棒がピストンとともに往復運動することでコイルが磁力線を切断して発生する誘起起電力を検出し、起電力と衝撃速度との間の較正関係に基づいてピストンの運動速度を求め、そこからピストンの衝撃エネルギーを算出する。

接触法は、ピストンが衝撃対象物に衝突した際の最終速度を用いて衝撃エネルギーを算出する方法である。ロッカーブレーカーの性能試験において、上記4つの方法は比較的一般的である。その他の方法は、操作が複雑でコストが高いこと、あるいはピストンの運動状態を十分に反映できないことなどから、実用ではほとんど見られない。

上述の応力波法は、油圧式ロッカードリルや空気圧工具など、比較的小さな衝撃エネルギーを持つ衝撃装置の試験にのみ適用可能であり、大容量の衝撃エネルギーを有する油圧式ロッカーブレーカーの試験にはより大きな困難が伴うことに注意が必要である。応力波を専門に研究する研究機関の試験能力は一般に限定されており、大型油圧式ロッカーブレーカーの試験に対応できない。また、室内での試験によって発生する騒音および振動も許容できないレベルである。接触法については、設置が簡単ではあるものの、得られる結果の精度が十分ではなく、実用化・普及には至らない。油圧式ロッカーブレーカーの試験においては、電磁誘導法のみがすべての観点から包括的と見なされる：すなわち、小容量衝撃エネルギーの油圧式ロッカードリルから、大容量・高衝撃エネルギーの油圧式ロッカーブレーカーまで、幅広い対象に適用可能である。さらに、ピストンの運動速度曲線を直接測定することにより、ピストンの変位および加速度を得ることができ、これはピストン運動パターンを研究する者にとって極めて有用である。唯一の欠点は、高周波ピストン振動下で磁性ロッドが損傷しやすいことである。

中南大学の丁文思博士は、博士論文『新型圧力フィードバック式窒素爆発機電統合油圧岩石破砕装置システムに関する研究』において、衝撃装置の出力パラメータを測定する新規手法——ガス圧力法を提案した。この手法では、ピストンの運動時にピストン尾部に設置された密閉窒素室の圧力に及ぼす影響を圧力センサで検出し、コンピュータを用いてピストン行程および運動速度を算出することにより、衝撃装置の2つの重要な出力パラメータ——衝撃エネルギーおよび衝撃周波数——を取得する。従来の測定手法と比較して、非接触型のガス圧力法は、振動耐性が強く、準備作業が極めて少なく、衝撃エネルギーと周波数を同時測定可能であり、キャリブレーションが容易で、衝撃パラメータの誤差が小さく、高精度であるという利点を有している。この手法は、実験室製品の測定・識別手法として利用できるだけでなく、実際の作業現場におけるオンライン試験にも容易に適用可能である。現在、京冶公司の油圧試験プログラムに採用されており、業界標準『油圧岩石破砕装置（Hydraulic Rock Breaker）』にも記載されている。

1.5.7 振動、騒音、および制御に関する研究

衝撃エネルギー、衝撃頻度、質量に加えて、油圧インパクト機の性能を評価する指標には、騒音、機体振動、エネルギー利用率などがあり、これらは総合性能を評価する上で重要な要素である。環境意識が高まるにつれ、先進国では機器の騒音に対する規制がますます厳格化している。市場のニーズに対応するため、油圧インパクト機の騒音・振動および粉塵抑制は、徐々に企業間競争の重要な指標となりつつあり、その制御技術は現在、重要な研究課題となっている。各国の研究者は、構造的および材料的な観点から研究を進めている。構造面では、内蔵ライナースリーブ、消音装置、あるいは振動吸収鋼板をサンドイッチ状に配置するなどの対策が採用され、振動および騒音の低減が図られている。クルップ（Krupp）社は、中型および小型製品全機種に吸音材を標準装備している。ラマー（Rammer）社は、新開発製品に高圧水ポンプおよび霧化ノズルを搭載し、粉塵低減効果を実現している。さらに、センサー技術を活用して油圧ロッカーブレーカーの精密位置決めを実現し、自動穴あけ、チゼルの自動停止および自動引き込み、作業対象に応じた衝撃エネルギーおよび衝撃頻度の自動調整などが可能となっている。