Gambaran Umum Penyelidikan Teoretikal Penghancur Batu Hidraulik

1.5 Gambaran Umum Penyelidikan Teoretikal Penghancur Batu Hidraulik

Semasa operasi pemecah batu hidraulik, tekanan minyak dalam ruang kerja bertukar pada frekuensi tinggi di bawah kawalan injap arah; sifat-sifat bendalir dalam saluran minyak tidak boleh dibincangkan secara mudah berdasarkan teori pemindahan hidraulik, dan analisis teori getaran hidraulik mesti digunakan. Daya yang bertindak ke atas omboh dan pahat meningkat daripada sifar kepada puluhan hingga ratusan megapascal dalam beberapa puluh mikrosekon, kemudian turun semula kepada sifar; bentuk pemindahan tenaga melalui gelombang tegasan menentukan bahawa penerangan proses kerja tidak boleh menggunakan teori statik, mekanik jasad tegar, dan kinematik secara mudah. Prinsip mesin impak termasuk dalam masalah dinamik jasad anjal dan teori gelombang mesti digunakan untuk menggambarkan proses pemindahan tenaganya secara tepat.

Berdasarkan perbezaan dalam andaian asas dan model matematik, penyelidikan pemecah batu hidraulik terbahagi kepada dua kategori utama: penyelidikan model linear dan penyelidikan model tak linear.

1.5.1 Model Penyelidikan Linear untuk Pemecah Batu Hidraulik

Penyelidikan linear adalah penyelidikan yang diidealiskan yang dijalankan dengan melinearkan penghancur batu hidraulik tak linear melalui anggapan — model linear yang diperoleh di bawah anggapan 'tekanan minyak hidraulik malar' serta mengabaikan faktor-faktor tertentu. Premis penyelidikannya berdasarkan pandangan yang dicadangkan oleh sarjana era Soviet, OdAlimov dan SAbasov, dalam buku 'Teori Struktur Mesin Getaran-Impak Hidraulik': 'Dalam keadaan menjamin halaju hujung impak yang diberikan, kawalan tekanan-penuh-sama rata merupakan kawalan optimum yang paling cekap.' Berdasarkan anggapan 'kawalan tekanan malar', sarjana era Soviet mencadangkan skema rekabentuk optimum untuk daya tolakan puncak minimum. Sarjana Jepun, Nakamai dan rakan-rakan, berdasarkan asas ini dan dengan mempertimbangkan rintangan paip, menjalankan penyelidikan teoretikal dan rekabentuk mengenai kebolehsesuaian jarak langkah omboh. Profesor Li Dazhi dari Universiti Sains dan Teknologi Beijing mencadangkan gagasan rekabentuk jarak langkah optimum. Chen Yufan dan rakan-rakan menggunakan model linear peranti impak serta menerapkan analisis tak berdimensi dengan kaedah jarak langkah optimum untuk menjalankan analisis tak berdimensi terhadap parameter peranti impak, sehingga memperoleh siri ungkapan hubungan parameter bagi membimbing kerja rekabentuk. Cikgu Chen Dingyuan dari Universiti Sains dan Teknologi Beijing, menggunakan C = S/S_m (S: jarak langkah operasi, S_m: jarak langkah maksimum) sebagai pemboleh ubah rekabentuk, menjalankan analisis tak berdimensi terhadap penghancur batu hidraulik dan mendapati bahawa zon kecekapan optimum ialah C = 0.75 hingga 0.850. Cikgu Wang Zheng dari Universiti Sains dan Teknologi Beijing, menggunakan masa t pecutan balik omboh sebagai pemboleh ubah rekabentuk, menjalankan analisis parameter menyeluruh dan mendapati: apabila perubahan isipadu akumulator adalah minimum, t = 0.406T; manakala apabila impak hidraulik adalah minimum, t = 0.5T. Cikgu He Qinghua dari Universiti Tengah Selatan menggunakan pekali ciri struktur peranti impak — nisbah luas berkesan ruang hadapan dan belakang omboh — sebagai pemboleh ubah rekabentuk tak berdimensi untuk menjalankan rekabentuk pengoptimuman terhadap peranti impak. Oleh sebab banyak kajian linear tidak mempertimbangkan hubungan saling mengekang antara omboh dan injap yang secara langsung mempengaruhi prestasi impak serta keadaan akumulator, maka kajian-kajian tersebut tidak dapat mencerminkan secara tepat hubungan saling berkait antara pelbagai parameter struktur dalam mekanisme tersebut. Walaupun ketepatan penyelidikan mereka agak rendah, hasilnya pada asasnya dapat mencerminkan hubungan pengaruh pelbagai faktor terhadap prestasi, dan oleh itu mempunyai nilai praktikal tertentu dalam penyelidikan teoretikal dan rekabentuk.

1.5.2 Model Tak Linear untuk Pemecah Batu Hidraulik

Sebagai suatu sistem penjejak umpan balik mekanikal berbadan tunggal yang relatif tipikal dan kompleks, pemecah batu hidraulik, seperti sistem tak linear dalam bidang-bidang lain, menunjukkan banyak fenomena dan corak tak linear. Kajian tak linear telah mengambil kira faktor-faktor yang mempengaruhi pergerakan pemecah batu hidraulik secara lebih menyeluruh, menganalisis keadaan tegasan pemecah batu hidraulik secara relatif menyeluruh, serta memperoleh set persamaan pembezaan tak linear bertaraf tinggi untuk menggambarkan corak pergerakannya. Namun, persamaan-persamaan ini sukar diselesaikan, gambaran yang diberikan tidak intuitif, dan hanya boleh diselesaikan secara berangka melalui komputer. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, dengan perkembangan sains dan teknologi komputer serta popularisasi komputer mikro, kajian mengenai model matematik tak linear telah semakin mendapat perhatian daripada para penyelidik.

Sejak awal tahun 1970-an lagi, sarjana asing telah mengaplikasikan komputer digital dalam kajian simulasi mesin impak terhadap gerudi batu pneumatik, dan memperoleh hasil yang relatif tepat. Pada tahun 1976, sarjana Jepun Masao Masabuchi merupakan orang pertama yang menggunakan pengiraan matematik untuk mengkaji peralatan pemecah batu hidraulik, serta mencadangkan satu model matematik bagi peranti ujian impak hidraulik dan menggunakan kaedah lelaran untuk menentukan halaju dan frekuensi langkah kuasa, kemudian membandingkannya dengan nilai-nilai yang diukur. Pada tahun 1980-an, sarjana Jepun Takauchi Yoshio, Tanimata Shu dan rakan-rakan telah menjalankan kajian tak linear terhadap prestasi dan rekabentuk peralatan pemecah batu hidraulik, serta mencadangkan model analitik yang sesuai untuk penilaian prestasi dan rekabentuk peralatan pemecah batu hidraulik, termasuk teori terbitan dan kaedah analisis bagi model analitik tersebut. Pada tahun 1980, Li Dazhi dan Chen Dingyuan dari Universiti Sains dan Teknologi Beijing mencadangkan satu model matematik tak linear dengan menggunakan tekanan akumulator sebagai tekanan kerja, serta mencari penyelesaian berangka yang stabil. Pada tahun 1983, He Qinghua dari Universiti Industri Tenggara Tengah, dalam kertas kajian bertajuk 'Kajian Simulasi Berangka terhadap Peralatan Pemecah Batu Hidraulik', menggunakan kaedah pensuisan keadaan untuk membina satu model matematik komprehensif, mencadangkan 'kaedah pengiraan pecutan hampir seragam' (kaedah PUA), membetulkan ralat pada titik-titik peralihan keadaan, serta meningkatkan ketepatan simulasi. Pada tahun 1987, Profesor Chen Xiaozhong dan Cikgu Chen Dingyuan dari Universiti Sains dan Teknologi Beijing membina satu model matematik tak linear bagi mekanisme impak dan menulis program simulasi dalam bahasa BASIC, sehingga memperoleh data simulasi yang relatif konsisten dengan hasil ukuran sebenar. Semasa operasi peralatan pemecah batu hidraulik, disebabkan oleh tekanan tinggi, kitaran impak yang pendek, dan pergantian aliran minyak yang kerap, wujud ruang tekanan berubah-ubah secara berterusan; oleh itu, apabila minyak hidraulik mengalir melalui pelbagai celah, ia menghasilkan jumlah haba yang besar, menyebabkan suhu tempatan meningkat secara mendadak dan memberi kesan terhadap prestasi peranti impak serta pelinciran tempatan; namun kajian dalam bidang ini masih belum dilakukan.

Disebabkan oleh kerumitan pergerakan penghancur batu hidraulik, model tak linear juga dibina berdasarkan beberapa anggapan tertentu; oleh itu, sebenarnya tidak terdapat banyak perbezaan antara model linear dan tak linear dari segi menggambarkan sifat asas fenomena tersebut — hanya kaedah penyelesaian model matematik yang berbeza. Model linear menggunakan penyelesaian analitik, manakala model tak linear mesti menggunakan kaedah berangka melalui komputer untuk mendapatkan penyelesaiannya. Kedua-duanya hanya mampu menghampiri corak pergerakan peranti hentaman, dan untuk memperoleh kaedah penggambaran yang lebih tepat, pembangunan dinamik bendalir berkomputer (Computational Fluid Dynamics) masih diperlukan.

Perlu ditekankan bahawa dengan perkembangan teknologi penghancur batu hidraulik, khususnya dengan munculnya penghancur batu hidraulik gabungan hidraulik-pneumatik dan penghancur batu hidraulik berasaskan letupan nitrogen, medium kerja penghancur batu hidraulik bukan sahaja minyak tetapi juga gas; dan pengenalan nitrogen telah menambah lagi kesukaran dan kerumitan penyelidikan teori.

1.5.3 Kajian terhadap Komponen Utama Penghancur Batu Hidraulik

(1) Kajian terhadap Piston

Reka bentuk dan kualiti pembuatan piston impak menentukan sebahagian besar prestasi peranti impak. Sarjana Cina telah menjalankan penyelidikan yang signifikan mengenai aspek ini. Cikgu Meng Suimin dari Kolej Kejuruteraan Hidroelektrik Gezhouba, berdasarkan model linear, menggunakan analisis tak berdimensi untuk menjalankan eksplorasi awal mengenai pengaruh halaju pantulan piston terhadap parameter operasi pemecah batu hidraulik. Profesor Liu Deshun dari Kolej Kejuruteraan Xiangtan, dalam kertas kerja berjudul 'Pengiraan Halaju Pantulan Piston Gerudi Batu', mempergunakan teori dinamik gelombang dan, berdasarkan analisis prinsip kerja gerudi batu, mencadangkan rumus penilaian keadaan pantulan piston dan rumus pengiraan halaju pantulan untuk gerudi batu, serta memperoleh kesimpulan berikut: ① Keadaan pantulan dan halaju pantulan piston berkaitan dengan sifat-sifat piston, pahat, dan batu, dan pengaruh-pengaruh tersebut bukan bersifat bebas tetapi saling berkaitan. ② Semakin kecil pekali kekukuhan nyahbeban batu, semakin tinggi halaju pantulannya. Semakin kecil pekali γ yang mewakili sifat beban gerudi batu dan batu, semakin tinggi halaju pantulannya. ④ Untuk mencapai kecekapan gerudi batu yang relatif ideal, ketika mereka bentuk peranti impak, pekali ciri γ harus dikawal dalam julat 1 ≤ γ ≤ 2.

Industri ini secara beransur-ansur telah membentuk beberapa garis panduan rekabentuk piston:

1) Piston harus dipanjangkan dan mengurangkan perubahan keratan rentas yang tidak perlu, untuk meningkatkan kecekapan pemindahan tenaga dan jangka hayat tukul.

2) Luas permukaan hentaman piston harus sama atau hampir sama dengan luas permukaan hujung belakang tukul, serta mempunyai panjang tirus tertentu, untuk memudahkan pemindahan gelombang hentaman.

3) Gerak penuh (full stroke) dan gerak lebih (over-stroke) piston tidak boleh merosakkan struktur pengedap di kedua-dua hujung.

4) Dimensi bantalan hidraulik tanpa beban (blank-firing) dan panjang pengedap bagi setiap segmen piston mesti direkabentuk dengan baik.

5) Pemilihan bahan yang betul diperlukan — bahan piston mesti mempunyai prestasi mekanikal yang tinggi, kekerasan permukaan yang tinggi, ketegaran teras yang baik, serta rintangan haus dan rintangan hentaman yang sangat baik.

6) Kelonggaran pasangan antara omboh dan badan silinder harus ditentukan secara munasabah dengan mengambil kira secara menyeluruh kehilangan kebocoran dan ketepatan pemesinan. Secara umumnya, kelonggaran pasangan antara omboh dan badan silinder ialah 0.04 hingga 0.06 mm, manakala kelonggaran pasangan antara omboh dan sarung sokongan ialah 0.03 hingga 0.05 mm.

(2) Kajian injap pengagihan

Pada masa ini, kebanyakan besar penghancur batu hidraulik menggunakan sistem piston yang dikawal oleh injap suap balik kedudukan, dan mencapai pergerakan piston bolak-balik berkelajuan tinggi dengan mengubah corak bekalan minyak di dalam ruang tertentu pada peranti impak. Walaupun bentuk kawalan ini relatif mudah, proses peralihannya pula relatif kompleks. Semasa proses pengalihan injap, parameter seperti masa, halaju, langkah, penggunaan minyak dan lain-lain berubah secara berperingkat, yang boleh memberi kesan besar terhadap prestasi peranti impak. Berkenaan perkara ini, Liu Wanling dan rakan-rakan dari Universiti Sains dan Teknologi Beijing telah menjalankan kajian khusus melalui teori dan eksperimen terhadap ciri-ciri injap kawalan dalam sistem impak hidraulik, memperoleh trajektori pergerakan sebenar injap peranti impak yang dikaji, mendedahkan corak pergerakan injap arah, serta menentukan parameter utama injap kawalan yang mempengaruhi prestasi peranti impak. Qi Renjun dan rakan-rakan dari Universiti Selatan Tengah telah menjalankan analisis teori terhadap proses kawalan injap, kajian pengoptimuman struktur dan parameter injap, serta memperoleh beberapa kesimpulan berkaitan corak yang bermanfaat; selain itu, dengan mengambil kira kemungkinan fenomena kelengkapan halaju (velocity saturation) dan kavitas semasa pergerakan berkelajuan tinggi injap arah, mereka mencadangkan penyelesaian berkesan seperti mengurangkan jisim dan langkah spool injap sambil meningkatkan diameter laluan minyak secara sesuai. Liu Wanling dan Gao Lanqing dari Kolej Besi dan Keluli Beijing, dalam kertas kerja berjudul 'Analisis Ciri Dinamik Injap Arah Penghancur Batu Hidraulik — Kajian Simulasi dan Eksperimen', menggunakan pengaturcaraan BASIC untuk mengkaji peningkatan ciri dinamik injap, dan menyimpulkan bahawa apabila bukaan tiada-tindih (zero-overlap opening) meningkat, tekanan di ruang belakang turun dengan cepat, kerja impak meningkat, frekuensi impak berkurang sedikit, dan kecekapan peranti impak meningkat; namun, apabila bukaan tiada-tindih terlalu besar, kebolehpercayaan operasi injap menjadi terjejas akibat pengurangan panjang penyegelan di bahu injap.

(3) Penyelidikan Akumulator

Akumulator merupakan komponen penting dalam pemecah batu hidraulik, dan strukturnya secara langsung mempengaruhi prestasi keseluruhan jentera pemecah batu hidraulik tersebut. Oleh sebab itu, sementara kajian terhadap prestasi pemecah batu hidraulik dijalankan, kajian terhadap akumulator juga telah dilakukan. Pada tahun 1990, para sarjana Jepun Takauchi Yoshio, Tanimata Shu dan rakan-rakan telah menjalankan kajian eksperimen dan teoretikal; berdasarkan model analitikal yang dibangunkan, mereka menggunakan persamaan keadaan untuk memperoleh formula pengiraan isipadu pengisian nitrogen akumulator, serta mengesahkan ketepatan formula tersebut secara eksperimen, seterusnya memberikan asas teoretikal bagi rekabentuk akumulator yang optimum. Pada tahun 1986, Duan Xiaohong dari Universiti Sains dan Teknologi Beijing, dengan menggunakan kaedah parameter terkumpul, telah membina model dinamik akumulator membran bertekanan tinggi, serta menganalisis ciri frekuensi sistem akumulator melalui kaedah eksperimen dan pengiraan; selain itu, beliau membincangkan pelarasan optimum antara akumulator dan pemecah batu hidraulik, serta menegaskan bahawa zon kerja optimum peranti impak ialah zon di mana respons harmonik kedua akumulator terhadap perubahan tekanan sistem mendominasi tenaga. Pada tahun 1986, Cikgu He Qinghua dari Universiti Selatan Tengah menerbitkan sebuah kertas kerja berjudul 'Minyak Balik dan Akumulator Minyak Balik bagi Mekanisme Impak Hidraulik', yang menegaskan bahawa tekanan hidraulik operasi pemecah batu hidraulik bergantung terutamanya kepada daya inersia bahagian-bahagian bergeraknya sendiri; ini merupakan ciri ketara pemecah batu hidraulik yang membezakannya daripada jentera hidraulik biasa, di mana tekanan hidraulik operasi bergantung terutamanya kepada beban luar. Tekanan balik (back-pressure) terutamanya merupakan tekanan hidraulik inersia yang terbentuk apabila minyak dipacu oleh omboh atau injap ke dalam paip minyak balik; selain itu, dinyatakan bahawa disebabkan aliran keluar peranti impak berbeza daripada corak variasi aliran minyak dalam paip minyak balik, maka kavitasi akan berlaku apabila aliran yang memasuki paip minyak balik adalah kurang daripada aliran minyak yang bergerak di dalam paip tersebut. Untuk mengurangkan tekanan balik inersia dan menghilangkan kavitasi balik, dicadangkan pemasangan akumulator minyak balik pada pemecah batu hidraulik, dan daripada cadangan ini dikembangkan suatu kaedah rekabentuk parameter akumulator minyak balik. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, Universiti Sains dan Teknologi Beijing telah menjalankan kajian terhadap ciri-ciri pelarasan dinamik akumulator pemecah batu hidraulik, menyusun pakej perisian simulasi HRDP, serta mencapai hasil dalam pengesahan pengiraan ciri pelarasan dinamik akumulator yang optimum.

(4) Kajian mengenai peranti pencegah tembakan kosong dan penyerap tenaga lenturan pahat

Oleh sebab fenomena lantunan pahat dan tembakan kosong yang tidak dapat dielakkan berlaku semasa operasi pemecah batu hidraulik, prestasi kerja penyerap tenaga lantunan pahat dan peranti pencegah tembakan kosong memberi kesan besar terhadap jangka hayat pemecah batu hidraulik. Cikgu Meng Suimin, dalam kertas kerja 'Analisis Halaju Lantunan Piston Gerudi Batu', telah menganalisis secara sistematik faktor-faktor yang menyebabkan lantunan hujung pahat serta meneroka kaedah-kaedah penyerapan tenaga lantunan pahat. Liao Yide dari Universiti Selatan Tengah, dalam kertas kerja 'Kajian Teori dan Eksperimen mengenai Peranti Penampan Tembakan Kosong bagi Gerudi Batu Hidraulik', telah membina model matematik bagi proses penampan tembakan kosong dan menjalankan kajian simulasi. Dr. Liao Jianyong, dalam kertas kerja 'Teori Reka Bentuk dan Reka Bentuk Berbantuan Komputer bagi Gerudi Batu Hidraulik Bertingkat', telah menjalankan simulasi komputer serta reka bentuk pengoptimuman bagi peranti penyerap tenaga lantunan pahat dan peranti pencegah tembakan kosong. Liu Deshun dari Universiti Selatan Tengah, dalam tesis doktoralnya 'Kajian Dinamik Gelombang bagi Mekanisme Impak', telah memanfaatkan teori dinamik gelombang untuk menerbitkan formula pengiraan halaju lantunan bagi setiap bahagian peranti impak, serta menegaskan bahawa tenaga lantunan boleh dimanfaatkan melalui rekabentuk rasional setiap bahagian peranti impak. Institut Penyelidikan Jentera Kejuruteraan Hidraulik Universiti Selatan Tengah telah membangunkan peranti penampan tembakan kosong bertingkat dua, yang sepenuhnya memanfaatkan keupayaan peranti penyerap tenaga lantunan pahat—suatu pencapaian penyelidikan inovatif.

1.5.4 Kajian mengenai Teknologi Penyesuaian Frekuensi, Penyesuaian Tenaga, dan Kawalan untuk Pemecah Batu Hidraulik

Dengan perkembangan teknologi pemecah batu hidraulik, pembinaan di tapak telah menimbulkan keperluan baharu terhadap pemecah batu hidraulik. Untuk meningkatkan kecekapan pengeluaran secara berkesan, tenaga hentaman dan frekuensi hentaman pemecah batu hidraulik perlu boleh diubah mengikut perubahan sifat batu. Maksudnya, dengan syarat memaksimumkan penggunaan kapasiti terpasang jentera pembawa, apabila batu lebih keras, pemecah batu hidraulik menghasilkan tenaga hentaman yang lebih besar dan frekuensi hentaman yang lebih rendah; sebaliknya, ia menghasilkan tenaga hentaman yang lebih kecil dan frekuensi hentaman yang lebih tinggi, seterusnya mencapai kecekapan pengeluaran yang lebih tinggi. Untuk mencapai objektif di atas, kajian mendalam telah dijalankan di dalam dan luar negara.

Daripada kajian teori mengenai pemecah batu hidraulik, outputnya (tenaga hentaman dan frekuensi) boleh diubahsuai terutamanya melalui tiga kaedah: ① melaraskan aliran; ② melaraskan langkah; ③ melaraskan tekanan suap balik. Pada masa ini, kebanyakan besar pemecah batu hidraulik tempatan dan asing hanya mempunyai satu langkah tetap — iaitu, outputnya tidak boleh diubahsuai. Tentu saja, jika pemecah batu hidraulik sedemikian menggunakan kaedah melaraskan aliran untuk mengubahsuai output, walaupun secara teori boleh dilaksanakan, namun dalam amalan sebenar tidak dapat dilaksanakan. Ini disebabkan perubahan aliran akan menyebabkan perubahan serentak pada parameter outputnya, maka penyesuaian secara bebas tidak dapat dicapai.

Walaupun beberapa pengilang domestik dan asing telah mereka bentuk dan menghasilkan pemecah batu hidraulik boleh laras langkah, kerana pelarasan berjenjang struktur kaku ini sangat tidak selesa digunakan dan memberikan hasil yang lemah, produk tersebut tidak mendapat sambutan baik daripada pengguna. Bagi pengagihan maklum balas langkah balik, parameter kerja keluarannya terutamanya dilaraskan dengan mengubah aliran input sistem atau dengan menambah beberapa lubang isyarat maklum balas langkah balik, serta melalui mengawal keadaan ‘hidup-mati’ setiap lubang isyarat tersebut untuk melaraskan langkah omboh, seterusnya mengubah tenaga hentaman dan frekuensi hentaman pemecah batu hidraulik. Sebagai contoh, gerudi batu hidraulik tiga kelajuan buatan Sweden oleh Atlas-Copco. Siri pemecah batu hidraulik berpindah gear automatik YYG Universiti Selatan Tengah — terhad oleh strukturnya, prinsip ini hanya mampu mencapai pelarasan berjenjang terhadap parameter kerja pemecah batu hidraulik; selain itu, memandangkan tekanan dan aliran sistem hentaman berkadar langsung dengan kuasa dua antara satu sama lain, peningkatan serentak dalam tenaga hentaman dan frekuensi hentaman akan menyebabkan perubahan besar terhadap kuasa jentera pembawa, sehingga menghadkan keluasan julat kerja dan kecekapan kerja pemecah batu hidraulik. Profesor Takashi Takahashi dari Universiti Akita di Jepun, dalam sebuah kertas kerja, menerangkan cara melaraskan kedudukan port isyarat langkah balik untuk mencapai tujuan mengubah langkah omboh pemecah batu hidraulik. Eksperimen membuktikan bahawa apabila langkah omboh ditingkatkan sebanyak 10%, walaupun frekuensi hentaman berkurang sebanyak 8%, tenaga hentaman boleh meningkat sebanyak 12%, yang seterusnya meningkatkan kecekapan kerja serta memberikan bukti teoretikal dan eksperimen bagi rekabentuk pemecah batu hidraulik boleh laras langkah. Cikgu He Qinghua dari Universiti Selatan Tengah, dalam karya ‘Kajian Mengenai Mesin Hentaman Hidraulik Boleh Laras Langkah’, membandingkan beberapa jenis kaedah berpindah gear dan menganalisis secara teoretikal hubungan antara pelbagai parameter kerja peranti hentaman hidraulik boleh laras langkah dengan langkah berpindah gear; dapatan kajian ini mempunyai signifikansi panduan yang jelas terhadap rekabentuk dan penggunaan pemecah batu hidraulik berpindah gear. Buku ini mencadangkan konsep pelarasan parameter kerja secara bebas dan tanpa langkah berdasarkan prinsip maklum balas tekanan, serta telah memperkenalkan produk pemecah batu hidraulik baharu ini. Ia terutamanya melaraskan tenaga hentaman tunggal peranti hentaman dengan mengawal magnitud tekanan balik omboh; serentak dengan itu, dengan mengawal aliran pam berubah-ubah, frekuensi peranti hentaman dilaras secara tanpa langkah, sehingga tenaga hentaman dan frekuensi hentaman masing-masing boleh dilaras secara bebas dan tanpa langkah dalam julat yang agak luas, manakala perubahan kuasa jentera pembawa adalah kecil. Berkenaan penyelidikan teoretikal, rekabentuk struktur, dan kaedah kawalan bagi jenis baharu mesin hentaman hidraulik ini, para penulis telah menjalankan kajian terhadap peranti hentaman hidraulik yang membolehkan pelarasan tenaga hentaman dan frekuensi hentaman secara bebas dan tanpa langkah. Dr. Zhao Hongqiang, dalam disertasi doktorannya ‘Kajian Mengenai Penghancur Batu Hidraulik Jenis Baharu dengan Kawalan Pelarasan Tanpa Langkah Secara Bebas’, telah melangkaui kaedah kawalan maklum balas langkah tradisional bagi pemecah batu hidraulik, serta menggunakan kaedah maklum balas tekanan dan kawalan aliran pam berubah-ubah untuk merealisasikan kawalan pelarasan tanpa langkah secara bebas terhadap tenaga hentaman dan frekuensi hentaman pemecah batu hidraulik. Ding Wensi, dalam disertasi doktornya, menggunakan tekanan nitrogen di bahagian belakang penghancur sebagai pemboleh ubah kawalan, serta melakukan kerja luas terhadap penghancur jenis agihan paksa yang dikawal oleh injap suis kelajuan tinggi, sehingga merealisasikan pelarasan frekuensi dan tenaga secara bebas bagi penghancur tersebut. Zhang Xin, dalam karya ‘Kajian Mengenai Sistem Peranti Hentaman Hidraulik Maklum Balas Tekanan Jenis Baharu dengan Integrasi Mekanikal-Elektrik’, menggunakan injap suis kelajuan tinggi yang dikawal oleh mikrokomputer tunggal untuk merealisasikan kawalan komputer mikro terhadap peranti hentaman. Yang Guoping, dalam disertasi doktornya ‘Kajian Mengenai Peranti Hentaman Hidraulik Jenis Baharu dengan Kawalan Hidraulik Tulen untuk Pelarasan Frekuensi dan Tenaga Secara Bebas dan Tanpa Langkah’, mencadangkan peranti hentaman pintar dengan skema kawalan hidraulik tulen yang mampu merealisasikan pelarasan tanpa langkah terhadap tenaga hentaman dan frekuensi hentaman pemecah batu hidraulik melalui pemegang injap agihan jenis pilot.

1.5.5 Status Semasa Penyelidikan Teknologi Simulasi Penghancur Batu Hidraulik

Dari perspektif rekabentuk dan pembangunan produk, penyelidikan ciri-ciri dinamik terhadap mekanisme paling baik dijalankan semasa peringkat pembangunan dan rekabentuk produk. Simulasi sambutan dinamik terhadap sistem kawalan hidraulik sentiasa menjadi bidang yang dikaji secara berterusan oleh industri hidraulik dan juga merupakan kaedah biasa yang digunakan untuk mengkaji ciri-ciri sambutan dinamik sistem kawalan.

Kaedah kerja khas penghancur batu hidraulik menentukan bahawa analisis dan ujian simulasi dinamik mesti menjadi premis asas untuk reka bentuk dan pembangunan teori mekanisme. Selepas komputer muncul, halangan yang timbul daripada bergantung sepenuhnya kepada ujian produk untuk memperoleh keputusan yang tepat atau boleh dipercayai mengenai prestasi pergerakan mekanisme telah diatasi. Para penyelidik mula menggunakan pelbagai kaedah untuk membina model matematik yang menggambarkan getaran hidraulik dan pergerakan jentera hentaman, menganalisis proses perubahan parameter penghancur batu hidraulik melalui teknologi simulasi, serta menggunakan teknologi prototaip maya untuk mensimulasikan proses pergerakan jentera hentaman. Setelah keputusan reka bentuk ditentukan, pergerakan mekanisme dapat difahami dengan jelas dan parameter prestasi berkaitan dapat dikira, menyediakan satu pendekatan yang baik untuk memendekkan kitar pembangunan produk baharu, mengoptimumkan reka bentuk, dan menjalankan analisis prestasi dinamik.

Pada tahun 1960-an dan 1970-an, sarjana asing mula menggunakan komputer digital dalam kerja simulasi jentera hentaman. Kajian-kajian ini menggunakan tekanan dalam ruang hadapan dan belakang sebagai pemboleh ubah, mengira aliran masuk dan keluar cecair dari setiap port, serta membetulkan hasilnya dengan pekali aliran; kemudian menggunakan persamaan keadaan gas dan persamaan keseimbangan tenaga untuk membentuk persamaan pembezaan mikro yang menggambarkan perubahan keadaan akumulator dan omboh; setelah menjalankan beberapa pendekatan anggaran terhadap gerakan injap, kaedah beza terhingga digunakan untuk penyelesaian berangka. Hasil simulasi, terutamanya parameter prestasi, sangat hampir dengan nilai-nilai yang diukur, memberikan hasil yang memuaskan. Di Jepun, penyelidik memberi tumpuan lebih besar kepada pembinaan model komputer bagi jentera pemecah batu hidraulik tertentu untuk tujuan penyelidikan, serta memasukkan parameter yang diperoleh daripada eksperimen ke dalam simulasi bagi mengoptimumkan parameter struktur, parameter hentaman, dan prestasi jentera pemecah batu hidraulik, sehingga memperoleh luas port minyak balik yang optimum, isipadu pengisian akumulator yang optimum, dan luas permukaan tahan tekanan ruang belakang yang optimum bagi jentera pemecah batu hidraulik berkenaan. Semasa menjalankan simulasi, penyelidik Jepun memberi tumpuan lebih besar kepada perbandingan antara hasil simulasi dengan hasil ujian eksperimen, serta membetulkan model komputer berdasarkan data ujian. Syarikat Sandvik, setelah mengambil kira kesan bentuk omboh hentaman terhadap kaedah pemindahan tenaga, juga mereka bentuk dan membangunkan program simulasi komputer dalam bidang ini. Dengan menggunakan program ini: ① proses pemindahan tenaga bagi setiap bahagian hentaman boleh disimulasikan; ② pelbagai rekabentuk bagi setiap komponen sistem boleh disimulasikan; ③ di bawah pelbagai keadaan objek hentaman, kesan pelbagai rekabentuk terhadap pemindahan tenaga boleh disimulasikan. Program komputer Sandvik tidak hanya menjamin penghasilan produk yang optimum tetapi juga dapat mengukur dan memahami keupayaan semua parameter untuk mempengaruhi sistem hentaman serta kesan perubahan tertentu pada parameter terhadap kecekapan, serta menyediakannya kepada pengguna sebagai alat pengiraan yang praktikal dan berkesan.

Selepas tahun 1980-an, penyelidikan domestik mengenai teknologi dan aplikasi simulasi juga bermula. Sarjana Cina seperti Tian Shujun, Chen Yufan, dan lain-lain telah membina model matematik menggunakan kaedah masing-masing. Tian Shujun dan rakan-rakan memanfaatkan graf ikatan kuasa — suatu teknologi pemodelan dinamik lanjutan — dengan menggabungkannya bersama kaedah analisis ruang keadaan, terutamanya dalam penyelidikan perisian simulasi dinamik untuk penghancur batu hidraulik berpemalaran injap gelangsar. Penyelidikan ini meneroka pemodelan dan pengaturcaraan simulasi dinamik bagi penghancur batu hidraulik, serta menyediakan suatu kaedah dan pendekatan kepada banyak juruprogram simulasi kemudian, seperti Profesor Zhou Zhihong dari Universiti Sains dan Teknologi Beijing yang membimbing pelajar-pelajarnya Yan Yong dan rakan-rakan dalam menggunakan graf ikatan kuasa untuk membina persamaan dinamik bagi beberapa jenis omboh, injap arah, serta setiap persamaan aliran hidraulik dan persamaan keadaan gas dalam penghancur batu hidraulik; seterusnya menyusun program simulasi dalam bahasa komputer untuk menganalisis proses perubahan keadaan utama seperti tekanan di ruang hadapan dan belakang, aliran, anjakan dan halaju omboh penghancur batu hidraulik, serta menyediakan suatu platform bagi penyelidikan lanjut mengenai kesan perubahan parameter penghancur batu hidraulik terhadap prestasinya. Dengan perkembangan pesat komputer dan teknologi perisian, perisian Matlab dan AMEsim telah digunakan dalam pemodelan dan simulasi sistem penghancur batu hidraulik, memberikan sokongan teori bagi memendekkan kitar penyelidikan dan pembangunan serta meningkatkan kualiti rekabentuk model-model baharu.

1.5.6 Kaedah Penyelidikan Eksperimen

Eksperimen merupakan kaedah asas yang digunakan manusia untuk mengenali alam semula jadi dan mengubah dunia objektif — dengan merumuskan serta menyerap fenomena yang diperhatikan dan data yang diukur melalui eksperimen, mencari hubungan dalaman dan corak, serta membentuk teori. Eksperimen merupakan sumber teori; eksperimen juga merupakan satu-satunya penilai untuk mengesahkan teori.

Parameter prestasi impak penghancur batu hidraulik merupakan indikator penting untuk mengukur tahap rekabentuk, pembuatan, dan kualitinya. Parameter utama semuanya boleh diukur melalui kaedah eksperimen, dan keputusannya diungkapkan dalam bentuk data, lengkung, atau carta. Pengesahan prestasi terutamanya melibatkan pengukuran tenaga impak, frekuensi impak, tekanan sistem, dan aliran. Kaedah pengukuran bagi parameter-parameter ini sehingga kini tidak mempunyai piawaian eksperimen antarabangsa yang disepakati secara bersama. Kaedah ujian prestasi impak penghancur batu hidraulik yang kini biasa digunakan termasuklah: kaedah gelombang tegasan, kaedah pembezaan anjakan fotoelektrik, kaedah aruhan elektromagnetik, kaedah sentuh, fotografi berkelajuan tinggi, kaedah gambar rajah penunjuk, dan kaedah tenaga, dsb.

Kaedah gelombang tekanan ialah kaedah untuk mengukur tenaga hentaman dengan mengukur gelombang tekanan yang dihasilkan pada tatal apabila piston hentaman menghentam tatal. Kaedah fotoelektrik menggunakan prinsip penukaran fotoelektrik; melalui sensor fotoelektrik, kedudukan piston hentaman diambil sebagai pengukuran ujian langsung untuk memperoleh sesaran gerakan piston, dan seterusnya mengira setiap parameter prestasi peranti hentaman. Kaedah fotoelektrik, sebagai kaedah pengujian tanpa sentuh, sangat sesuai untuk mesin hentaman seperti pemecah batu hidraulik yang mempunyai lejang piston panjang, diameter besar, dan halaju tinggi. Kaedah aruhan elektromagnetik menggunakan sistem sensor aruhan elektromagnetik yang terdiri daripada rod magnet yang dipasang pada piston hentaman dan gegelung heliks yang dipasang pada badan mesin, menggunakan daya gerak elektrik teraruh yang dihasilkan oleh gegelung apabila memotong garis medan magnet semasa rod magnet bergerak balas bersama piston, serta memperoleh halaju gerakan piston berdasarkan hubungan kalibrasi antara daya gerak elektrik dan halaju hentaman, dan daripadanya mengira tenaga hentaman piston.

Kaedah sentuh ialah kaedah untuk mengira tenaga impak dengan menggunakan halaju akhir omboh apabila ia melanggar objek yang dipukul. Dalam ujian prestasi pemecah batu, keempat-empat kaedah di atas adalah agak biasa; kaedah lain, sama ada disebabkan oleh kerumitan operasi dan kos tinggi, atau disebabkan oleh ketidaklengkapan dalam mencerminkan keadaan gerakan omboh, jarang digunakan dalam amalan sebenar.

Perlu ditekankan bahawa kaedah gelombang tegasan di atas hanya sesuai untuk menguji peranti impak dengan tenaga impak yang relatif kecil seperti gerudi batu hidraulik dan alat-alat pneumatik, serta menghadapi kesukaran yang lebih besar dalam menguji tenaga impak yang besar pada pemecah batu hidraulik. Kapasiti pengujian unit penyelidikan khusus yang mengkaji gelombang tegasan umumnya tidak besar dan tidak mampu mengendali pengujian pemecah batu hidraulik berskala besar; bunyi bising dan getaran yang dihasilkan daripada pengujian di dalam bangunan juga tidak dapat diterima. Mengenai kaedah sentuh, walaupun pemasangannya mudah, hasilnya tidak cukup tepat dan tidak boleh dipromosikan secara meluas. Hanya kaedah induksi elektromagnetik untuk pengujian pemecah batu hidraulik yang dianggap komprehensif dari semua aspek: ia boleh digunakan baik untuk gerudi batu hidraulik berenergi impak kecil mahupun pemecah batu hidraulik berenergi impak tinggi berskala besar; ia mengukur secara langsung lengkung halaju pergerakan omboh, seterusnya memperoleh anjakan dan pecutan omboh, yang sangat berguna bagi mereka yang mengkaji corak pergerakan omboh. Kelemahan satu-satunya ialah rod magnetik mudah rosak di bawah getaran omboh berfrekuensi tinggi.

Dr. Ding Wensi dari Universiti Selatan Tengah, dalam tesis doktor berjudul 'Kajian Mengenai Sistem Penghancur Batu Hidraulik Bersepadu Mesin-Elektrik Jenis Baharu dengan Suap Balik Tekanan menggunakan Letupan Nitrogen', mencadangkan kaedah baharu untuk menguji parameter keluaran peranti hentaman — iaitu kaedah tekanan gas. Kaedah ini menggunakan sensor tekanan untuk mengesan kesan terhadap tekanan dalam ruang nitrogen tertutup yang dipasang di bahagian belakang omboh semasa pergerakan omboh, dan melalui komputer menentukan jarak langkah omboh serta halaju pergerakannya, seterusnya memperoleh dua parameter keluaran penting peranti hentaman — tenaga hentaman dan frekuensi hentaman. Berbanding dengan kaedah ujian tradisional, kaedah tekanan gas tanpa sentuh ini mempunyai kelebihan seperti rintangan getaran yang kuat, kerja persiapan yang minimum, pengukuran serentak tenaga dan frekuensi hentaman, penskalan yang mudah, ralat parameter hentaman yang kecil, serta ketepatan tinggi. Kaedah ini tidak hanya boleh digunakan sebagai kaedah pengukuran dan pengenalpastian untuk produk makmal, tetapi juga boleh digunakan secara mudah untuk ujian dalam talian dalam operasi sebenar. Kaedah ini telah diaplikasikan dalam program ujian hidraulik Syarikat Jingye dan dimasukkan ke dalam piawaian industri 'Penghancur Batu Hidraulik'.

1.5.7 Kajian mengenai Getaran, Bunyi, dan Kawalan

Selain tenaga hentaman, frekuensi hentaman, dan jisim, penunjuk untuk mengukur prestasi jentera hentaman hidraulik juga termasuk bunyi, getaran badan jentera, dan kadar penggunaan tenaga—yang merupakan aspek penting dalam menilai prestasi keseluruhan. Seiring meningkatnya kesedaran alam sekitar, negara-negara maju semakin memberlakukan sekatan ketat terhadap bunyi peralatan. Untuk menyesuaikan diri dengan keperluan pasaran, bunyi dan getaran jentera hentaman hidraulik, serta penekanan debu, secara beransur-ansur menjadi penunjuk penting dalam persaingan perniagaan; teknologi kawalan bagi aspek-aspek ini kini merupakan tajuk penyelidikan yang penting. Sarjana dari pelbagai negara menjalankan penyelidikan dari segi struktur dan bahan; dari segi struktur, langkah-langkah seperti sarung lapisan dalaman, peranti kedap bunyi, atau pelat keluli penyerap getaran berlapis digunakan untuk mengawal getaran dan bunyi. Syarikat Krupp telah memasang bahan penyerap bunyi pada semua produk sederhana dan sederhana kecilnya. Syarikat Rammer memasang pam air tekanan tinggi dan muncung pemercik pada produk baharu yang dibangunkannya untuk mencapai kesan pengurangan debu. Selain itu, penggunaan teknologi sensor membolehkan penentuan kedudukan tepat jentera pemecah batu hidraulik, pemboran lubang secara automatik, penghentian pahat dan penarikan balik pahat, serta penyesuaian automatik tenaga hentaman dan frekuensi hentaman berdasarkan objek kerja, dan sebagainya.