Hidrauliskā akmeņu drupinātāja teorētisko pētījumu pārskats

1.5 Hidrauliskā akmeņu drupinātāja teorētisko pētījumu pārskats

Hidrauliskās akmeņu drupinātāja darbības laikā darba kamerā esošā eļļas spiediens mainās ar augstu frekvenci, to regulējot virziena vārstam; šķidruma īpašības eļļas caurulē nevar vienkārši analizēt saskaņā ar hidrauliskās pārneses teoriju, bet jāizmanto hidrauliskās vibrācijas teorijas analīze. Spēks, kas iedarbojas uz dzinēja cilindru un āmuru, paaugstinās no nulles līdz desmitiem vai simtiem megapaskalu daždesmit mikrosekundēs, pēc tam atkal samazinās līdz nullei; enerģijas pārnese, ko veic sprieguma viļņi, nosaka, ka darba procesa aprakstam nevar vienkārši izmantot statiku, stingro ķermeņu mehāniku un kinemātikas teoriju. Trieciena mašīnas princips pieder pie elastīgo ķermeņu dinamikas problēmām, un tās enerģijas pārnesei precīzi aprakstīt jāizmanto viļņu teorija.

Pamatojoties uz pamata pieņēmumu un matemātisko modeļu atšķirībām, hidraulisko akmeņu drupinātāju pētniecība iedalās divās galvenās kategorijās: lineāro modeļu pētniecībā un nelineāro modeļu pētniecībā.

1.5.1 Lineārie pētniecības modeļi hidrauliskajiem akmeņu drupinātājiem

Lineārā pētniecība ir ideālizēta pētniecība, ko veic, lineārizējot nelineārus hidrauliskos akmeņu sagraušanas ierīces, izmantojot pieņēmumus — lineāros modeļus, kas iegūti pieņemot pieņēmumu par 'konstantu hidraulisko eļļas spiedienu' un ignorējot noteiktus faktorus. Tās pētniecības pamats ir padomju laika zinātnieku OdAlimova un SAbasova viedoklis, kas izteikts grāmatā 'Hidraulisko vibrāciju trieciena mašīnu konstrukcijas teorija': 'Nodrošinot noteiktu trieciena gala ātrumu, pilnīgi vienmērīgā spiediena vadība ir optimālākā vadība ar augstāko efektivitāti.' Pamatojoties uz pieņēmumu par 'konstanta spiediena vadību', padomju laika zinātnieki piedāvāja optimālo konstruēšanas shēmu, lai minimizētu maksimālo trieciena spēku. Japāņu zinātnieks Nakamai un citi, ņemot vērā cauruļvada pretestību, veica teorētisku un konstruēšanas pētījumu par virzuļa gaitas regulējamību. Pekinas Zinātņu un tehnoloģiju universitātes profesors Li Dazhi piedāvāja ideju par optimālo gaitas konstruēšanu. Chen Yufan un citi izmantoja trieciena ierīču lineāros modeļus, pielietojot bezmērvienīgu analīzi kopā ar optimālās gaitas metodi, lai veiktu trieciena ierīču parametru bezmērvienīgu analīzi un iegūtu vairākas parametru saistības izteiksmes, kas kalpo kā norādījumi konstruēšanas darbam. Pekinas Zinātņu un tehnoloģiju universitātes docents Chen Dingyuan izmantoja C = S/S_m (S: darba gaita, S_m: maksimālā gaita) kā konstruēšanas mainīgo lielumu un veica hidraulisko akmeņu sagraušanas ierīču bezmērvienīgu analīzi, iegūstot, ka optimālā efektivitātes zona ir C = 0,75–0,850. Pekinas Zinātņu un tehnoloģiju universitātes docents Wang Zheng izmantoja virzuļa atgriešanās paātrināšanas laiku t kā konstruēšanas mainīgo lielumu un veica vispārēju parametru analīzi, iegūstot šādus rezultātus: kad akumulatora tilpuma izmaiņas ir minimālas, t = 0,406T; kad hidrauliskais trieciens ir minimāls, t = 0,5T. Centrālā Dienvidķīnas universitātes docents He Qinghua izmantoja trieciena ierīču strukturālo raksturlielumu koeficientu — virzuļa priekšējās un aizmugurējās kameru efektīvo laukumu attiecību — kā bezmērvienīgu konstruēšanas mainīgo lielumu, lai veiktu trieciena ierīču optimizācijas konstruēšanu. Tā kā daudzi lineārie pētījumi nav ņēmuši vērā savstarpējo ierobežojošo attiecību starp virzuli un vārstu, kas tieši ietekmē trieciena veiktspēju un akumulatora stāvokli, tie nevar precīzi atspoguļot daudzo strukturālo parametru savstarpējās saistības mehānismā. Lai gan to pētniecības precizitāte ir salīdzinoši zema, to rezultāti pamatā var atspoguļot dažādu faktoru ietekmi uz veiktspēju un tāpēc teorētiskajā un konstruēšanas pētniecībā tiem ir noteikta praktiskā vērtība.

1.5.2 Nelīnērie modeļi hidrauliskajiem akmeņu sirdzējiem

Kā salīdzinoši tipisks un sarežģīts vienkārša ķermeņa mehāniskais atgriezeniskās saites izsekošanas sistēma hidrauliskais akmeņu sirdzējs, līdzīgi kā citos apgabalos esošās nelīnērās sistēmas, ir daudz nelīnēru parādību un modeli. Nelīnēro pētījumu laikā tika visaptverošāk ņemti vērā hidrauliskā akmeņu sirdzēja kustību ietekmējošie faktori, salīdzinoši visaptverošāk tika analizēts hidrauliskā akmeņu sirdzēja sprieguma stāvoklis un tika iegūti augstākās kārtas nelīnērie diferenciālvienādojumu komplekti, lai aprakstītu tā kustības modeļus. Tomēr šos vienādojumus ir grūti atrisināt, to apraksts nav intuitīvs, un tos var atrisināt tikai skaitliski, izmantojot datorus. Pēdējos gados, attīstoties datorzinātnei un tehnoloģijām un mikrodatoru izplatībai, nelīnēro matemātisko modeļu pētījumi ir ieguvuši arvien lielāku cilvēku uzmanību.

Jau agrīnajos 1970. gados ārzemju zinātnieki izmantoja digitālos datorus, lai veiktu pneimatisko akmeņu urbjmašīnu trieciena simulācijas pētījumus, iegūstot salīdzinoši precīzus rezultātus. 1976. gadā japāņu zinātnieks Masao Masabuchi bija pirmais, kurš matemātiskās aprēķinu metodes izmantoja hidraulisko akmeņu lūžņu pētījumiem, piedāvājot matemātisko modeli hidrauliskai trieciena testa ierīcei un izmantojot iteratīvos aprēķinus, lai noteiktu darba gaitas ātrumu un frekvenci, pēc tam salīdzinot to ar mērītajām vērtībām. 1980. gados japāņu zinātnieki Takauchi Yoshio, Tanimata Shu u.c. veica nelineārus pētījumus par hidraulisko akmeņu lūžņu darbības rādītājiem un konstrukciju, piedāvājot analītiskus modeļus, kas piemēroti hidraulisko akmeņu lūžņu darbības novērtēšanai un konstruēšanai, kā arī analītiskā modeļa atvasināšanas teoriju un analīzes metodi. 1980. gadā Li Dazhi un Chen Dingyuan no Pekinas Zinātņu un tehnoloģiju universitātes piedāvāja nelineāru matemātisko modeli, kurā akumulatora spiediens tika izmantots kā darba spiediens, un meklēja stabili skaitlisku risinājumu. 1983. gadā He Qinghua no Centrālā Dienvidu Rūpniecības universitātes darbā „Hidraulisko akmeņu lūžņu skaitliskās simulācijas pētījumi” izmantoja stāvokļa pārslēgšanas metodi, lai izveidotu visaptverošu matemātisko modeli, piedāvāja „kvazi-vienmērīgās paātrināšanas aprēķinu metodi” (PUA metode), koriģēja kļūdas stāvokļa pārejas punktos un uzlaboja simulācijas precizitāti. 1987. gadā profesors Chen Xiaozhong un docents Chen Dingyuan no Pekinas Zinātņu un tehnoloģiju universitātes izveidoja trieciena mehānismu nelineāro matemātisko modeli un sastādīja simulācijas programmas BASIC valodā, iegūstot simulācijas datus, kas bija salīdzinoši saskaņā ar mērītajiem rezultātiem. Hidraulisko akmeņu lūžņu darbības laikā augstā spiediena, īsā trieciena cikla un biežās eļļas plūsmas pārslēgšanās dēļ pastāv nepārtraukti mainīgs spiediena dobums, tāpēc, kad hidrauliskā eļļa plūst caur dažādām spraugām, rodas liels daudzums siltuma, kas izraisa vietējo augstu temperatūru un ietekmē trieciena ierīces darbības rādītājus un vietējo smērēšanu; tomēr šajā jomā pētījumi joprojām ir neesīgi.

Ņemot vērā hidrauliskā akmeņu lūzuma mehānismu kustības sarežģītību, arī nelinērie modeļi tiek izveidoti, balstoties uz noteiktiem pieņēmumiem, tāpēc patiesībā nav būtiskas atšķirības starp lineārajiem un nelinērajiem modeļiem, aprakstot lietu būtību — atšķiras tikai matemātisko modeļu risināšanas metodes. Lineārie modeļi izmanto analītiskos risinājumus, kamēr nelinēro modeli ir jārisina, izmantojot skaitliskās metodes ar datora palīdzību. Abi modeļi var tikai aptuveni aprakstīt trieciena ierīces kustības raksturu, un, lai iegūtu precīzākus apraksta veidus, joprojām nepieciešama aprēķinātās šķidrumdinamikas attīstība.

Jānorāda, ka, attīstoties hidrauliskā akmeņu lūzuma mehānisma tehnoloģijai, īpaši parādoties hidrauliski-pneimatiskajiem un slāpekļa sprādzienhidrauliskajiem akmeņu lūzuma mehānismiem, darba vide hidrauliskajā akmeņu lūzuma mehānismā vairs nav tikai eļļa, bet arī gāze; turklāt slāpekļa ieviešana vēl vairāk palielina teorētisko pētījumu grūtības un sarežģītību.

1.5.3 Pētījums par hidraulisko akmeņu drupinātāju galvenajām sastāvdaļām

(1) Pistona pētījums

Udara pistona konstrukcijas un ražošanas kvalitāte lielā mērā nosaka trieciena ierīces veiktspēju. Ķīniešu zinātnieki ir veikuši ievērojamus pētījumus šajā jomā. Gezhouba hidroelektroinženierijas koledžas docents Meng Suimin, balstoties uz lineāro modeli, izmantoja bezmērvienību analīzi, lai veiktu priekšizpēti par udara pistona atsacīšanās ātruma ietekmi uz hidrauliskā akmeņurbuma darbības parametriem. Sjantana inženierijas koledžas profesors Liu Deshun rakstā „Akmeņurbuma pistona atsacīšanās ātruma aprēķināšana“ pielietoja viļņu dinamikas teoriju un, analizējot akmeņurbuma darbības principu, piedāvāja akmeņurbuma pistona atsacīšanās noteikšanas kritēriju un atsacīšanās ātruma aprēķināšanas formulas, iegūstot šādus secinājumus: ① Pistona atsacīšanās stāvoklis un atsacīšanās ātrums ir saistīti ar pistona, urbuma un akmens īpašībām, un to ietekme nav neatkarīga, bet gan savstarpēji saistīta. ② Jo mazāks ir akmens atslodzes stingrības koeficients, jo lielāks ir atsacīšanās ātrums. Jo mazāks ir koeficients γ, kas raksturo akmeņurbuma un akmens slodzes īpašības, jo lielāks ir atsacīšanās ātrums. ④ Lai sasniegtu salīdzinoši ideālu akmeņurbuma efektivitāti, projektējot trieciena ierīci, raksturīgais koeficients γ jākontrolē diapazonā 1 ≤ γ ≤ 2.

Nozare pakāpeniski ir izveidojusi dažas dzinēja virzuļa konstruēšanas vadlīnijas:

1) Virzulis ir jāizveido izstiepts un jāsamazina nevajadzīgās šķērsgriezuma izmaiņas, lai uzlabotu enerģijas pārneses efektivitāti un āmura kalpošanas laiku.

2) Virzuļa trieciena virsmas laukumam jābūt vienādam vai cik vien iespējams tuvam āmura gala šķērsgriezuma laukumam, un tai jābūt noteiktam konusveida daļas garumam, lai uzlabotu trieciena viļņu pārnešanu.

3) Virzuļa pilnais gaitas ceļš un pārgaitas ceļš nedrīkst bojāt blīvējošās struktūras abos galos.

4) Tukšās darbības hidrauliskā spilvena izmēri un katras virzuļa daļas blīvējošās virsmas garumi ir jāprojektē pareizi.

5) Jāveic pareiza materiālu izvēle — virzuļa materiālam jābūt augstām mehāniskajām īpašībām, augstai virsmas cietībai, labai serdes izturībai pret sadrumstalošanos un ļoti labai nodilumizturībai un triecienizturībai.

6) Savienošanas sprauga starp dzinēja virzuli un cilindra korpusu jānosaka racionāli, ņemot vērā gan noplūdes zudumus, gan apstrādes precizitāti. Parasti savienošanas sprauga starp dzinēja virzuli un cilindra korpusu ir 0,04–0,06 mm, bet savienošanas sprauga starp dzinēja virzuli un atbalsta kārti ir 0,03–0,05 mm.

(2) Sadalītājvārsta pētījumi

Pašlaik lielākā daļa hidraulisko akmeņu drupinātāju izmanto pozīcijas atgriezeniskās saites vārstkontrolētus pistona sistēmu un ātrgaitas svārstošo pistona kustību realizē, mainot eļļas piegādes shēmu noteiktā trieciena ierīces kamerā. Lai arī šī kontroles forma ir salīdzinoši vienkārša, tās pārejas process ir salīdzinoši sarežģīts. Vārsta pārslēgšanas laikā laiks, ātrums, gaita, eļļas patēriņš un citi parametri mainās posmos, kas var būtiski ietekmēt trieciena ierīces darbības raksturlielumus. Šajā sakarā Liu Vanlinga un citi Pekinas Zinātņu un tehnoloģiju universitātē, izmantojot teorētiskos un eksperimentālos pētījumus, veica speciālus pētījumus par kontroles vārstu raksturlielumiem hidrauliskajās trieciena sistēmās, iegūstot faktisko kustības trajektoriju pētītajam trieciena ierīces vārstam, atklājot virziena vārsta kustības likumsakarības un noteikot galvenos kontroles vārsta parametrus, kas ietekmē trieciena ierīces darbības raksturlielumus. Cī Renjun un citi Centrālā Dienvidķīnas universitātē veica teorētisko analīzi par vārsta kontroles procesu, optimizācijas pētījumus par vārsta konstrukciju un parametriem un ieguva dažas noderīgas likumsakarības; vēršoties pret iespējamām ātruma piesātināšanās un kavitācijas parādībām virziena vārsta augsts ātruma kustības laikā, tika piedāvātas efektīvas risinājumu — samazināt vārsta spolēs masu un gaitu, vienlaikus nedaudz palielinot eļļas caurules diametru. Liu Vanling un Gao Lanqing Pekinas Dzelzs un Tērauda koledžā rakstā «Hidrauliskā akmeņu drupinātāja virziena vārsta dinamisko raksturlielumu analīze — simulācijas un eksperimentālie pētījumi», izmantojot BASIC programmēšanu, pētīja vārsta dinamisko raksturlielumu uzlabošanu, secinot, ka, palielinot nulles pārklājuma atvērumu, aizkameras spiediens strauji samazinās, trieciena darbs palielinās, trieciena frekvence nedaudz samazinās un trieciena ierīces efektivitāte uzlabojas; ja nulles pārklājuma atvērums ir pārāk liels, tad, tā kā vārsta plecu blīvēšanas garums samazinās, vārsta darbība kļūst neuzticama.

(3) Akumulatoru pētījumi

Akumulators ir svarīgs hidrauliskā akmeņu lūzuma iekārtas komponents, un tā struktūra tieši ietekmē vispārējo hidrauliskā akmeņu lūzuma iekārtas darbības rādītājus. Tāpēc, pētot hidrauliskā akmeņu lūzuma iekārtas darbības rādītājus, tiek veikti arī pētījumi par akumulatoriem. 1990. gadā japāņu zinātnieki Takauči Jošio, Tanimata Šu u.c. veica eksperimentālus un teorētiskus pētījumus un, balstoties uz izstrādāto analītisko modeli, izmantoja stāvokļa vienādojumu, lai iegūtu akumulatora slāpekļa uzpildes tilpuma aprēķina formulu, kā arī eksperimentāli pārbaudīja šīs formulas pareizību, nodrošinot teorētisku pamatu optimālā akumulatora projektēšanai. 1986. gadā Pekinas Zinātņu un tehnoloģiju universitātes Duan Sjaohun, izmantojot koncentrēto parametru metodi, izveidoja augsspiediena membrānas akumulatora dinamisko modeli un gan eksperimentāli, gan aprēķināmi analizēja akumulatora sistēmas frekvences raksturlielumus, apsprieda optimālo savienojumu starp akumulatoru un hidraulisko akmeņu lūzuma iekārtu un norādīja, ka trieciena ierīces optimālajā darbības zonā dominē enerģijā akumulatora otrās harmoniskās atbildes reakcija uz sistēmas spiediena izmaiņām. 1986. gadā Centrālā Dienvidķīnas universitātes He Činhua docents publicēja rakstu „Hidraulisko trieciena mehānismu atgriezeniskās plūsmas un atgriezeniskās plūsmas akumulatori”, kur norādīja, ka hidrauliskā akmeņu lūzuma iekārtas darba hidrauliskais spiediens galvenokārt ir atkarīgs no tās pašas kustīgās daļas inercijas spēka; tas ir būtisks hidrauliskā akmeņu lūzuma iekārtas raksturlielums, kas to atšķir no parastajām hidrauliskajām iekārtām, kur darba hidrauliskais spiediens galvenokārt ir atkarīgs no ārējās slodzes. Atgriezeniskais spiediens galvenokārt ir inerciālais hidrauliskais spiediens, ko rada eļļa, paātrinoties, kad pistoni vai vārsti izplūdina eļļu atgriezeniskajā caurulē; turklāt norādīts, ka, tā kā trieciena ierīces izplūdes plūsma atšķiras no eļļas plūsmas izmaiņu rakstura atgriezeniskajā caurulē, tad, ja plūsma, kas iekļūst atgriezeniskajā caurulē, ir mazāka par eļļas plūsmu, kas pārvietojas atgriezeniskajā caurulē, rodas kavitācija. Lai samazinātu inerciālo atgriezenisko spiedienu un novērstu atgriezenisko kavitāciju, piedāvāta hidrauliskā akmeņu lūzuma iekārtā uzstādīt atgriezeniskās plūsmas akumulatoru un no tā izvirzīta atgriezeniskās plūsmas akumulatora parametru projektēšanas metode. Pēdējos gados Pekinas Zinātņu un tehnoloģiju universitāte ir veikusi pētījumus par hidrauliskā akmeņu lūzuma iekārtas akumulatoru dinamiskajiem savienojuma raksturlielumiem, izstrādājusi simulācijas programmu HRDP un sasniegusi rezultātus, verificējot optimālo akumulatora dinamisko savienojuma raksturlielumu aprēķinus.

(4) Pētījumi par ierīcēm, kas novērš tukšo šaušanu, un celtņa atsitiena enerģijas absorbētājiem

Tā kā hidrauliskā akmeņu urbjmašīnas darbības laikā notiek neizbēgami āmura atsituma un tukšās strādāšanas parādības, āmura atsituma enerģijas slāpētāja un tukšās strādāšanas novēršanas ierīces darbības efektivitāte ietekmē lielā mērā hidrauliskās akmeņu urbjmašīnas kalpošanas laiku. Profesors Meng Suimin rakstā „Akmeņurbuma pistona atsituma ātruma analīze” sistēmiski analizēja āmura astes atsituma faktorus un izpētīja āmura atsituma enerģijas slāpēšanas metodes. Centrālās Dienvidķīnas universitātes zinātnieks Liao Yide rakstā „Hidrauliskās akmeņurbuma tukšās strādāšanas amortizatora teorija un eksperimentālā pētījuma rezultāti” izveidoja matemātisko modeli tukšās strādāšanas amortizācijas procesam un veica simulācijas pētījumus. Dr. Liao Jianyong rakstā „Dažu pakāpju hidrauliskās akmeņurbuma konstruēšanas teorija un datorpalīdzīgā konstruēšana” veica datora simulāciju un optimizācijas projektēšanu āmura atsituma enerģijas slāpētāja ierīcēm un tukšās strādāšanas novēršanas ierīcēm. Centrālās Dienvidķīnas universitātes zinātnieks Liu Deshun doktorantūras disertācijā „Uztriecienu mehānismu viļņu dinamikas pētījumi” pielietoja viļņu dinamikas teoriju, izveda atsituma ātruma aprēķinu formulas katram uztriecienu ierīces elementam un norādīja, ka atsituma enerģiju var izmantot, racionāli projektējot katru uztriecienu ierīces elementu. Centrālās Dienvidķīnas universitātes Hidrotehniskās mašīnbūves pētniecības institūts izstrādāja divpakāpju tukšās strādāšanas amortizatoru, kas pilnībā izmantoja āmura atsituma enerģijas slāpētāja iespējas — tas ir oriģināls zinātniskais sasniegums.

1.5.4 Pētījumi par frekvences pielāgošanu, enerģijas pielāgošanu un vadības tehnoloģiju hidrauliskajiem akmeņu sagraušanas mehānismiem

Ar hidraulisko akmeņu sagraušanas mehānismu tehnoloģijas attīstību laukuma būvniecība ir izvirzījusi jaunus prasības pret šiem mehānismiem. Lai efektīvi paaugstinātu ražošanas efektivitāti, ir nepieciešams, lai hidrauliskā akmeņu sagraušanas mehānisma trieciena enerģija un trieciena frekvence var mainīties atkarībā no akmeņu īpašību izmaiņām. Tas ir, maksimāli izmantojot nesošās mašīnas uzstādīto jaudu, tad, kad akmens ir ciets, hidrauliskais akmeņu sagraušanas mehānisms nodrošina lielāku trieciena enerģiju un zemāku trieciena frekvenci; pretējā gadījumā tas nodrošina mazāku trieciena enerģiju un augstāku trieciena frekvenci, tādējādi sasniedzot augstāku ražošanas efektivitāti. Lai sasniegtu iepriekšminētos mērķus, gan valstī, gan ārzemēs ir veikti plaši pētījumi.

No teorētiskajiem pētījumiem par hidrauliskajām akmeņu drupinātājām izriet, ka to izvade (udara enerģija un frekvence) galvenokārt var pielāgot ar trim metodēm: ① plūsmas regulēšana; ② gaitas regulēšana; ③ atgriezeniskā spiediena regulēšana. Pašlaik lielākā daļa vietējo un ārvalstu hidraulisko akmeņu drupinātāju ir ar vienu fiksētu gaitu — tas ir, to izvade nav regulējama. Protams, ja šādi hidrauliskie akmeņu drupinātāji izmanto plūsmas regulēšanu izvades pielāgošanai, kaut arī teorētiski tas ir iespējams, praktiski tas nav realizējams. Jo plūsmas izmaiņas izraisīs sinhronas izmaiņas to izvades parametru vērtībās, tādējādi neatkarīga regulēšana nav iespējama.

Lai gan daži vietējie un ārzemju ražotāji ir izstrādājuši un ražojuši hidrauliskus akmeņu sagraužamos mehānismus ar regulējamu gaitu, tie nav ieguvuši lietotāju atbalstu, jo to stingrās struktūras pakāpveida regulēšana ir ļoti neērta lietošanā un sniedz vājus rezultātus. Attiecībā uz atgriezeniskās gaitas signāla sadali darba parametri tiek galvenokārt pielāgoti, mainot sistēmas ieejas plūsmu vai pievienojot vairākas atgriezeniskās gaitas signāla caurumiņas un kontrolējot katras no šīm caurumiņām atvēršanu un aizvēršanu, lai tādējādi pielāgotu dzinēja tvertnes gaitu un mainītu hidrauliskā akmeņu sagraužamā mehānisma trieciena enerģiju un trieciena frekvenci. Piemēram, Zviedrijā ražotais trīsātrumu hidrauliskais akmeņu sagraužamais urbis Atlas-Copco. Centrālās Dienvidu universitātes YYG sērijas automātiski pārslēdzami hidrauliskie akmeņu sagraužamie mehānismi — struktūras ierobežojumu dēļ šis princips ļauj sasniegt tikai pakāpveidu hidrauliskā akmeņu sagraužamā mehānisma darba parametru regulēšanu; turklāt, tā kā trieciena sistēmas spiediens un plūsma ir proporcionāli viens otram kvadrātā, vienlaicīga trieciena enerģijas un trieciena frekvences palielināšana izraisīs ļoti lielu jaudas izmaiņu nesējiekārtā, kas ierobežo hidrauliskā akmeņu sagraužamā mehānisma darba diapazona un darba efektivitātes paplašināšanu. Japānas Akita universitātes profesors Takashi Takahashi savā rakstā aprakstīja atgriezeniskās gaitas signāla portas pozīcijas regulēšanu, lai sasniegtu hidrauliskā akmeņu sagraužamā mehānisma dzinēja tvertnes gaitas maiņu. Eksperimenti pierādīja, ka, kad dzinēja tvertnes gaita tiek palielināta par 10 %, trieciena frekvence samazinās par 8 %, bet trieciena enerģija var palielināties par 12 %, kas uzlabo darba efektivitāti un nodrošina teorētiskus un eksperimentālus pamatus regulējama gaita hidrauliskā akmeņu sagraužamā mehānisma izstrādei. Centrālās Dienvidu universitātes He Qinghua docents savā darbā «Pētījumi par hidrauliskajiem trieciena mehānismiem ar regulējamu gaitu» salīdzināja vairākus pārslēgšanās veidus un teorētiski analizēja regulējamas gaitas hidraulisko trieciena ierīču dažādo darba parametru un pārslēgšanās gaitu savstarpējās saistības; šie rezultāti ir acīmredzami norādījumi pārslēgšanās hidraulisko akmeņu sagraužamo mehānismu projektēšanai un lietošanai. Šajā grāmatā tiek ieviests jauns jēdziens — darba parametru neatkarīga un nepārtraukta regulēšana, balstoties uz spiediena atgriezeniskās saites principu, un ir izlaists šis jaunais hidrauliskais akmeņu sagraužamais mehānisms. Tas galvenokārt regulē trieciena ierīces vienreizējo trieciena enerģiju, kontrolējot dzinēja atgriezeniskā spiediena lielumu; vienlaikus, kontrolējot mainīgās sūkņa plūsmas lielumu, nepārtraukti regulē trieciena ierīces frekvenci, tādējādi ļaujot neatkarīgi un nepārtraukti regulēt gan trieciena enerģiju, gan trieciena frekvenci salīdzinoši plašā diapazonā, kamēr nesējiekārtas jaudas izmaiņas paliek minimālas. Attiecībā uz teorētiskajiem pētījumiem, konstrukcijas izstrādi un vadības metodēm šāda jauna tipa hidrauliskajām trieciena ierīcēm autori ir veikuši pētījumus par hidrauliskām trieciena ierīcēm ar neatkarīgu un nepārtrauktu trieciena enerģijas un trieciena frekvences regulēšanu. Dr. Zhao Hongqiang doktorantūras disertācijā «Pētījumi par jauna tipa hidraulisko akmeņu sagraužamo mehānismu ar neatkarīgu un nepārtrauktu regulēšanas vadību» pārvarēja tradicionālo hidraulisko akmeņu sagraužamo mehānismu gaitas atgriezeniskās saites vadības metodi, izmantojot spiediena atgriezenisko saiti un mainīgā sūkņa plūsmas vadības metodes, un tādējādi realizēja hidrauliskā akmeņu sagraužamā mehānisma trieciena enerģijas un trieciena frekvences neatkarīgu un nepārtrauktu regulēšanas vadību. Ding Wensi doktorantūras disertācijā, izmantojot sagraužamā mehānisma aizmugurē esošā slāpekļa spiedienu kā vadības mainīgo lielumu, veica plašus pētījumus par augsta ātruma pārslēgšanas vārstiem vadītām piespiedu sadalīšanas tipa sagraužamajām ierīcēm, realizējot sagraužamo ierīču neatkarīgu frekvences un enerģijas pielāgošanu. Zhang Xin darbā «Pētījumi par jauna tipa spiediena atgriezeniskās saites hidraulisko trieciena ierīču sistēmu ar mašīnu un elektroniku integrāciju» izmantoja vienkristāla mikrodatu apstrādes ierīci, kas vadīja augsta ātruma pārslēgšanas vārstus, lai realizētu trieciena ierīces mikrodatu apstrādes ierīces vadību. Yang Guoping doktorantūras disertācijā «Pētījumi par tīri hidraulisko neatkarīgo un nepārtrauktu frekvences un enerģijas pielāgošanas hidraulisko trieciena ierīci» piedāvāja intelektuālu trieciena ierīci ar tīri hidraulisku vadības shēmu, kas ļauj realizēt hidrauliskā akmeņu sagraužamā mehānisma trieciena enerģijas un trieciena frekvences nepārtrauktu regulēšanu, izmantojot vadības vārsta rokturi ar pilotu.

1.5.5 Pašreizējā hidrauliskā akmeņu drupinātāja simulācijas tehnoloģiju pētniecības stāvoklis

No produkta dizaina un izstrādes viedokļa mehānismu dinamisko īpašību pētījumi vislabāk jāveic produkta izstrādes un dizaina posmā. Hidraulisko vadības sistēmu dinamiskās reakcijas simulācija vienmēr ir bijusi hidraulikas nozarei nepārtraukti pētīta joma un arī bieži lietots līdzeklis, lai izpētītu vadības sistēmu dinamiskās reakcijas īpašības.

Hidrauliskā akmeņu drupinātāja īpašais darba veids nosaka, ka dinamiskās simulācijas analīze un testēšana ir jākalpo kā mehānismu teorētiskās projektēšanas un izstrādes pamats. Pēc datoru parādīšanās tika novērsta šķērsli, kas radās, balstoties tikai uz produktu testēšanu, lai iegūtu precīzus vai uzticamus rezultātus par mehānismu kustības veiktspēju. Pētnieki sāka izmantot dažādas metodes, lai izveidotu matemātiskus modeļus, kas apraksta hidraulisko svārstību un trieciena mašīnu kustību, analizētu hidraulisko akmeņu drupinātāju parametru izmaiņu procesus, izmantojot simulācijas tehnoloģiju, un izmantotu virtuālā prototipa tehnoloģiju, lai simulētu trieciena mašīnu kustības procesus. Pēc tam, kad projektēšanas rezultāti ir noteikti, mehānisma kustību var skaidri izprast un aprēķināt atbilstošos veiktspējas parametrus, nodrošinot labu ceļu jaunu produktu izstrādes ciklu saīsināšanai, projektēšanas optimizācijai un dinamiskās veiktspējas analīzei.

1960. un 1970. gados ārzemju zinātnieki sāka izmantot digitālos datorus trieciena mašīnu simulācijas darbā. Šajos pētījumos kā mainīgo lielumu tika izmantots priekšējās un aizmugurējās kameru spiediens, aprēķināja šķidruma ieteku un iztekas daudzumu no katras atveres, koriģējot ar plūsmas koeficientiem; pēc tam pielietoja gāzes stāvokļa vienādojumu un enerģijas bilances vienādojumu, lai izveidotu mikrodiferenciālvienādojumus, kas apraksta akumulatora un virzuļa stāvokļa izmaiņas; pēc noteiktu tuvinājumu veikšanas attiecībā uz vārsta kustību, skaitliskai risināšanai tika izmantota galīgo starpību metode. Simulācijas rezultāti, īpaši ekspluatācijas parametri, bija ļoti tuvu mērītajām vērtībām, iegūstot apmierinošus rezultātus. Japānā pētnieki vairāk uzsvēra konkrētu hidraulisko akmeņu sagraužamo datora modeļu izveidi pētniecībai un eksperimentos iegūto parametru ievadīšanu simulācijā, lai veiktu hidraulisko akmeņu sagraužamo strukturālo parametru, trieciena parametru un ekspluatācijas parametru optimizāciju, iegūstot optimālo atgriezeniskās eļļas atveres laukumu, optimālo akumulatora uzpildes tilpumu un atbilstošā hidrauliskā akmeņu sagraužamā aizmugurējās kameras spiediena izturības laukumu. Veicot simulācijas, japāņu pētnieki vairāk pievērsās simulācijas rezultātu salīdzināšanai ar eksperimentālo testēšanas rezultātiem un, pamatojoties uz testēšanas datiem, koriģēja datora modeļus. Sandvik kompānija, ņemot vērā trieciena virzuļa formas ietekmi uz enerģijas pārneses metodi, arī izstrādāja un izvērsa datora simulācijas programmu šajā jomā. Izmantojot šo programmu: ① var simulēt trieciena katras daļas enerģijas pārneses procesu; ② var simulēt katras sistēmas sastāvdaļas dažādus dizainus; ③ dažādu trieciena objektu apstākļos var simulēt dažādu dizainu ietekmi uz enerģijas pārnesi. Sandvik datorprogramma ne tikai nodrošina optimālo produktu ražošanu, bet arī ļauj izmērīt un izprast visu parametru ietekmi uz trieciena sistēmu un noteiktu parametru izmaiņu ietekmi uz efektivitāti, piedāvājot to lietotājiem kā praktisku un efektīvu aprēķināšanas rīku.

Pēc 1980. gadiem sākās arī iekšzemes pētījumi par simulācijas tehnoloģiju un tās pielietojumu. Ķīniešu zinātnieki Tjan Šudžuns, Čen Ju fan un citi izveidoja matemātiskus modeļus, izmantojot savas attiecīgās metodes. Tjan Šudžuns un citi izmantoja enerģijas saites grafiku — modernu dinamisko modelēšanas tehnoloģiju — apvienojot to ar stāvokļa telpas analīzes metodēm, galvenokārt veica pētījumus par slīdošā vārsta vadītu hidraulisko akmeņu drupinātāju dinamisko simulācijas programmatūru. Šis pētījums izpētīja hidraulisko akmeņu drupinātāju dinamiskās simulācijas modelēšanu un programmēšanu, nodrošinot metodi un pieeju daudziem vēlākajiem simulācijas programmētājiem, piemēram, Pekinas Zinātņu un tehnoloģiju universitātes profesoram Čou Džihonam, kurš vadīja studentus Jān Jongu un citus, lai izmantotu enerģijas saites grafikus, lai izveidotu vairāku veidu hidraulisko akmeņu drupinātāju pistoniem, virziena vārstiem un katram hidrauliskajam plūsmas vienādojumam un gāzu stāvokļa vienādojumiem; pēc tam tika sastādītas simulācijas programmas datorvalodā, lai veiktu galveno stāvokļa izmaiņu procesu analīzi, piemēram, priekšējās un aizmugurējās kameru spiediena, plūsmas, pistona nobīdes un ātruma hidrauliskajā akmeņu drupinātājā, nodrošinot platformu turpmākiem pētījumiem par hidraulisko akmeņu drupinātāju parametru izmaiņu ietekmi uz tā darbību. Ar datoru un programmatūras tehnoloģiju straujo attīstību Matlab un AMEsim programmatūra ir pielietota hidraulisko akmeņu drupinātāju sistēmu modelēšanai un simulācijai, nodrošinot teorētisku atbalstu, lai saīsinātu pētniecības un izstrādes ciklus un uzlabotu jaunu modeļu dizaina kvalitāti.

1.5.6 Eksperimentālie pētniecības paņēmieni

Eksperiments ir pamatlīdzeklis, ar kuru cilvēki pazīst dabu un pārveido objektīvo pasauli — eksperimenta rezultātā novērotos parādības un izmērītos datus vispirms apkopojot un abstrahējot, tad atrodot iekšējās saiknes un likumības un veidojot teoriju. Eksperiments ir teorijas avots; eksperiments ir vienīgais sprieduma līdzeklis teorijas pārbaudei.

Hidrauliskā akmeņu lūžņa trieciena veiktspējas parametri ir svarīgs rādītājs, lai novērtētu tā konstrukciju, ražošanas līmeni un kvalitāti. Galvenos parametrus visus var izmērīt eksperimentāli, un rezultātus izteikt datu, līkņu vai diagrammu veidā. Veiktspējas verifikācija galvenokārt ietver trieciena enerģijas, trieciena frekvences, sistēmas spiediena un plūsmas mērīšanu. Šo parametru mērīšanas metodes pašlaik nav vienota starptautiska eksperimentālā standarta. Pašlaik visbiežāk lietotās hidrauliskā akmeņu lūžņa trieciena veiktspējas pārbaudes metodes ir: stresa viļņa metode, fotoelektriskā pārvietojuma diferenciālā metode, elektromagnētiskā indukcijas metode, kontaktmetode, augstas ātruma filmēšana, indikatora diagrammas metode un enerģijas metode utt.

Sprieguma viļņa metode ir metode, kā izmērīt trieciena enerģiju, mērot sprieguma viļņu, kas rodas uz celtņa, kad trieciena pistons ietek uz celtņa. Fotoelektriskā metode izmanto fotoelektriskās pārveidošanas principu; ar fotoelektrisko sensoru tiek mērīta trieciena pistona atrašanās vieta kā tiešs testa mērījums, lai iegūtu pistona kustības nobīdi, un pēc tam tālāk aprēķinātu katru trieciena ierīces veiktspējas parametru. Fotoelektriskā metode kā bezkontakta testēšanas metode ir ļoti piemērota trieciena mašīnām, piemēram, hidrauliskajiem akmeņu drupinātājiem, kuriem ir garas pistona gaitas, lieli diametri un augsta ātruma. Elektromagnētiskās indukcijas metode izmanto elektromagnētiskās indukcijas sensoru sistēmu, kas sastāv no magnētiskā stieņa, kas uzstādīts uz trieciena pistona, un spirālveida spoles, kas uzstādīta uz korpusa; tā izmanto inducēto elektrodzinējspēku, ko rada spole, kad tā šķērso magnētiskās līnijas, kamēr magnētiskais stienis svārstās kopā ar pistoni, un iegūst pistona kustības ātrumu, balstoties uz kalibrēšanas sakarību starp elektrodzinējspēku un trieciena ātrumu, un no tā aprēķina pistona trieciena enerģiju.

Kontakta metode ir metode, kas izmanto trieciena enerģijas aprēķināšanai cilindra vāka galīgo ātrumu brīdī, kad tas triecas pret objektu. Akmeņu lūžņu darbības pārbaudēs iepriekš minētās četras metodes ir salīdzinoši bieži lietotas; citas metodes, vai nu tāpēc, ka tās ir sarežģītas operācijā un dārgas, vai arī tāpēc, ka tās nepietiekami atspoguļo cilindra vāka kustības stāvokli, praksē tiek reti izmantotas.

Jānorāda, ka augstāk minētā sprieguma viļņa metode ir piemērota tikai salīdzinoši nelielas triecienenerģijas iekārtu pārbaudei, piemēram, hidrauliskajiem akmeņurbumiem un pneimatiskajiem rīkiem, bet lielas triecienenerģijas hidraulisko akmeņurbumu pārbaudē tā radītu lielākas grūtības. Specializēto pētniecības vienību, kas pēta sprieguma viļņus, pārbaudes jauda parasti nav liela, un tās nevar veikt lielu hidraulisko akmeņurbumu pārbaudi; arī trokšņa un vibrāciju līmenis, ko rada iekštelpu pārbaudes, nav pieņemams. Kas attiecas uz kontaktmetodi, tad, lai gan tās uzstādīšana ir vienkārša, rezultāti nav pietiekami precīzi un to nevar plaši izmantot. Tikai elektromagnētiskās indukcijas metode hidraulisko akmeņurbumu pārbaudei tiek uzskatīta par vispusīgu visos aspektos: tā piemērota gan nelielas triecienenerģijas hidrauliskajiem akmeņurbumiem, gan lieliem augstas triecienenerģijas hidrauliskajiem akmeņurbumiem; tā tieši mēra dzinēja kustības ātruma līkni, tādējādi iegūstot dzinēja nobīdi un paātrinājumu, kas ir ļoti noderīgi cilvēkiem, kas pēta dzinēja kustības modeli. Vienīgais trūkums ir tas, ka magnētiskā stienis viegli bojājas augstas frekvences dzinēja vibrāciju ietekmē.

Centrālās Dienvidu universitātes doktors Ding Wensi doktorantūras disertācijā „Jauna veida spiediena atgriezeniskās saites slāpekļa sprādzieniekārtas, elektromehāniskās un hidrauliskās akmeņu sadales sistēmas pētījumi” piedāvāja jaunu metodi triecieniekārtas izvades parametru testēšanai — gāzspiediena metodi. Šajā metodē spiediena sensors reģistrē ietekmi uz noslēgtā slāpekļa kamerā esošo spiedienu, kas novietota cilindra virzuļa aizmugurē, kad virzulis kustas, un, izmantojot datoru, noteikts virzuļa gaitas ceļš un kustības ātrums, tādējādi iegūstot divus svarīgākos triecieniekārtas izvades parametrus — triecienenerģiju un triecienfrekvenci. Salīdzinot ar tradicionālajām testēšanas metodēm, bezkontakta gāzspiediena metode ir izcilas vibrācijas izturības, minimāls sagatavošanas darbs, vienlaicīga triecienenerģijas un frekvences mērīšana, ērta kalibrēšana, neliels triecienparametru kļūdas lielums un augsta precizitāte. To var izmantot ne tikai laboratorijas produktu mērīšanai un identifikācijai, bet arī ērti izmantot tiešsaistes testēšanai praktiskajā darbā. Tā jau tiek izmantota Jingye kompānijas hidrauliskajā testēšanas programmā un iekļauta nozaru standartā „Hidrauliskā akmeņu sadales iekārta”.

1.5.7 Pētījumi par vibrāciju, troksni un vadību

Papildus trieciena enerģijai, trieciena biežumam un masai, hidraulisko triecienmašīnu veiktspējas mērīšanas rādītāji ietver arī troksni, mašīnas korpusa vibrāciju un enerģijas izmantošanas koeficientu, kas ir svarīgi aspekti kopējās veiktspējas novērtēšanai. Ar vides apziņas pieaugumu attīstītās valstis ievieš arvien stingrākus ierobežojumus attiecībā uz aprīkojuma troksni. Lai pielāgtos tirgus prasībām, hidraulisko triecienmašīnu troksnis un vibrācija, kā arī putekļu nomākšana pakāpeniski kļūst par svarīgiem uzņēmējdarbības konkurences rādītājiem; to regulēšanas tehnoloģija šobrīd ir nozīmīgs pētniecības jautājums. Zinātnieki no dažādām valstīm veic pētījumus strukturālā un materiālu ziņā; strukturāli tiek piemērotas pasākumi, piemēram, iebūvētas iekšējās apvalka caurules, trokšņu slāpētāji vai vibrāciju slāpējošu tērauda plākšņu ieklāšana, lai kontrolētu vibrāciju un troksni. Krupp kompānija visām savām vidējām un mazākām produktu grupām ir aprīkojusi ar trokšņu absorbējošiem materiāliem. Rammer kompānija jaunattīstītos produktos uzstāda augsspiediena ūdens sūkņus un pulverizējošus dzesēšanas sprauslas, lai sasniegtu putekļu samazināšanas efektu. Turklāt, izmantojot sensoru tehnoloģiju, tiek sasniegta precīza hidraulisko akmeņu drupinātāju pozicionēšana, automātiska urbumu urbšana, āmura apturēšana un atvelkšana, kā arī automātiska trieciena enerģijas un trieciena biežuma pielāgošana darba objektiem.