Overzicht van het theoretisch onderzoek naar hydraulische rotsbreekmachines

1.5 Overzicht van het theoretisch onderzoek naar hydraulische rotsbreekmachines

Tijdens de werking van een hydraulische rotsbreekmachine wisselt de oliedruk in de werkruimte met hoge frequentie onder controle van de richtingsklep; de eigenschappen van de vloeistof in de olieleiding kunnen niet eenvoudig worden besproken op basis van de theorie van hydraulische transmissie, en er moet gebruik worden gemaakt van analyse volgens de theorie van hydraulische trillingen. De kracht die op de zuiger en het beitelwerk werkt, stijgt binnen een paar tientallen microseconden van nul tot tientallen tot honderden megapascal, waarna deze weer terugdaalt naar nul; de vorm van energietransmissie via spanningsgolven betekent dat de beschrijving van het arbeidsproces niet eenvoudig kan berusten op statica, starre lichamenmechanica en kinematica. Het principe van de slagmachine behoort tot dynamische problemen van elastische lichamen, en om het energietransmissieproces nauwkeurig te beschrijven, moet gebruik worden gemaakt van golventheorie.

Op basis van de verschillen in basisaannames en wiskundige modellen valt het onderzoek naar hydraulische rotsbreekmachines uiteen in twee grote categorieën: onderzoek naar lineaire modellen en onderzoek naar niet-lineaire modellen.

1.5.1 Lineaire onderzoeksmodellen voor hydraulische rotsonderbrekers

Lineair onderzoek is geïdealiseerd onderzoek dat wordt uitgevoerd door niet-lineaire hydraulische rotsonderbrekers te lineariseren via aannames — lineaire modellen die worden verkregen onder de aanname van 'constante hydraulische oliedruk' en waarbij bepaalde factoren worden genegeerd. De onderzoeksgrondslag is het standpunt dat Sovjet-tijdse wetenschappers OdAlimov en SAbasov in hun werk 'Theorie van de constructie van hydraulische trillings-impactmachines' naar voren brachten: 'Onder de voorwaarde dat een gegeven eindsnelheid van de slag wordt gewaarborgd, is volledig gelijke drukregeling de optimale regeling met het hoogste rendement.' Op basis van de aanname van 'constante drukregeling' stelden Sovjet-tijdse wetenschappers het optimale ontwerpschema voor minimale piekstootkracht voor. De Japanse wetenschapper Nakamai en collega’s voerden, op deze basis en rekening houdend met leidingweerstand, theoretisch en ontwerpgericht onderzoek uit naar de instelbaarheid van de zuigerhub. Professor Li Dazhi van de Universiteit van Wetenschap en Technologie Beijing stelde het idee van een optimale hubontwerpmethode voor. Chen Yufan en collega’s gebruikten lineaire modellen van impactapparaten en pasten dimensionloze analyse toe met behulp van de methode van de optimale hub om een dimensionloze analyse uit te voeren van de parameters van impactapparaten, waardoor een reeks relationele uitdrukkingen voor parameters werd verkregen die dienen als richtlijn voor ontwerpwerkzaamheden. Docent Chen Dingyuan van de Universiteit van Wetenschap en Technologie Beijing voerde, met C = S/S_m (S: werkzame hub, S_m: maximale hub) als ontwerpvariabele, een dimensionloze analyse uit van hydraulische rotsonderbrekers en vond dat het gebied van optimale efficiëntie ligt tussen C = 0,75 en 0,850. Docent Wang Zheng van de Universiteit van Wetenschap en Technologie Beijing voerde, met de tijd t van de versnelling van de terugkeer van de zuiger als ontwerpvariabele, een uitgebreide parameteranalyse uit en vond: wanneer de accumulatorinhoudswijziging minimaal is, geldt t = 0,406T; wanneer de hydraulische impact minimaal is, geldt t = 0,5T. Docent He Qinghua van de Centrale Zuidelijke Universiteit gebruikte de structurele kenmerkcoëfficiënt van het impactapparaat — de verhouding van de effectieve oppervlakten van de voor- en achterkamer van de zuiger — als dimensionloze ontwerpvariabele om optimalisatieontwerpen voor impactapparaten uit te voeren. Aangezien veel lineaire studies de wederzijdse beperkingsrelatie tussen zuiger en klep, die direct van invloed is op de impactprestaties, en de toestand van de accumulator niet hebben meegenomen, kunnen zij de onderlinge relaties tussen de vele structurele parameters in het mechanisme niet nauwkeurig weerspiegelen. Hoewel de precisie van hun onderzoek relatief laag is, weerspiegelen hun resultaten in grote lijnen de invloedsrelaties van diverse factoren op de prestaties en hebben daarom een zekere praktische waarde in theoretisch en ontwerpgericht onderzoek.

1.5.2 Niet-lineaire modellen voor hydraulische rotsbreekmachines

Als een relatief typisch en complex mechanisch feedbackvolgsysteem met één lichaam vertoont de hydraulische rotsbreekmachine, net als niet-lineaire systemen op andere gebieden, talloze niet-lineaire verschijnselen en patronen. Bij het onderzoek naar niet-lineariteit zijn de beïnvloedende factoren van de beweging van de hydraulische rotsbreekmachine uitgebreider in aanmerking genomen, is de spanningsstaat van de hydraulische rotsbreekmachine relatief volledig geanalyseerd en zijn hogeregraads niet-lineaire differentiaalvergelijkingen opgesteld om de bewegingspatronen ervan te beschrijven. De vergelijkingen zijn echter moeilijk oplosbaar, de beschrijving is niet intuïtief en kan alleen numeriek worden opgelost met behulp van computers. De afgelopen jaren heeft het onderzoek naar niet-lineaire wiskundige modellen dankzij de ontwikkeling van de computerwetenschap en -technologie en de verspreiding van microcomputers steeds meer aandacht gekregen.

Al in de vroege jaren 1970 pasten buitenlandse wetenschappers digitale computers toe bij simulatieonderzoek naar pneumatische rotboorapparaten, waarbij relatief nauwkeurige resultaten werden verkregen. In 1976 was de Japanse wetenschapper Masao Masabuchi de eerste die wiskundige berekeningen gebruikte om hydraulische rotbrekers te bestuderen; hij stelde een wiskundig model op voor een hydraulisch impacttestapparaat en gebruikte iteratieve berekeningen om de snelheid en frequentie van de krachtslag te bepalen, waarna deze werden vergeleken met gemeten waarden. In de jaren 1980 voerden Japanse wetenschappers zoals Takauchi Yoshio en Tanimata Shu niet-lineair onderzoek uit naar de prestaties en het ontwerp van hydraulische rotbrekers, waarbij zij analytische modellen voorstelden die geschikt zijn voor de beoordeling en het ontwerp van hydraulische rotbrekers, evenals de afleidingstheorie en de analysemethode voor dit analytische model. In 1980 stelden Li Dazhi en Chen Dingyuan van de Universiteit van Wetenschap en Technologie Beijing een niet-lineair wiskundig model voor dat de druk in de accu als werkingsdruk gebruikt, en zij vonden stabiele numerieke oplossingen. In 1983 gebruikte He Qinghua van de Centrale Zuidelijke Industriële Universiteit in zijn werk ‘Numerieke simulatie van hydraulische rotbrekers’ de toestandsoverschakelmethode om een uitgebreid wiskundig model op te stellen, stelde de ‘quasi-uniforme versnellingsberekeningsmethode’ (PUA-methode) voor, corrigeerde fouten bij toestandsovergangspunten en verbeterde daarmee de nauwkeurigheid van de simulatie. In 1987 stelden professor Chen Xiaozhong en docent Chen Dingyuan van de Universiteit van Wetenschap en Technologie Beijing een niet-lineair wiskundig model van impactmechanismen op en schreven simulatieprogramma’s in BASIC, waarmee simulatiegegevens werden verkregen die redelijk overeenkwamen met gemeten resultaten. Tijdens de werking van een hydraulische rotbreker ontstaat, door de hoge druk, de korte impactcyclus en de frequente omkering van de olievloei, een continu veranderende variabele drukkamer; wanneer hydraulische olie daarom door diverse spleten stroomt, wordt er een grote hoeveelheid warmte geproduceerd, wat lokale hoge temperaturen veroorzaakt en zowel de prestaties van het impactapparaat als de lokale smering negatief beïnvloedt; onderzoek op dit gebied is echter nog steeds onbestaand.

Vanwege de complexiteit van de beweging van hydraulische rotsbreekmachines worden ook niet-lineaire modellen opgesteld op basis van bepaalde aannames, waardoor er in feite weinig verschil is tussen lineaire en niet-lineaire modellen wat betreft de beschrijving van de essentiële aard van de verschijnselen — alleen de wiskundige oplossingsmethoden voor de modellen verschillen. Lineaire modellen maken gebruik van analytische oplossingen, terwijl niet-lineaire modellen numerieke methoden via computers vereisen om op te lossen. Beide kunnen slechts een benadering geven van de bewegingspatronen van het slagapparaat; om nauwkeuriger beschrijvingsmethoden te verkrijgen, is verdere ontwikkeling van de computationele vloeistofdynamica nog steeds nodig.

Het moet worden benadrukt dat met de ontwikkeling van de technologie voor hydraulische rotsbreekmachines, met name met de opkomst van hydraulisch-pneumatische gecombineerde en stikstof-explosieve hydraulische rotsbreekmachines, het werkmedium van de hydraulische rotsbreekmachine niet langer uitsluitend olie is, maar ook gas; en de introductie van stikstof heeft het theoretisch onderzoek verder bemoeilijkt en gecomplexificeerd.

1.5.3 Onderzoek naar belangrijke onderdelen van hydraulische rotsonderbrekers

(1) Zuigeronderzoek

De ontwerp- en fabricagekwaliteit van de slagpistool bepaalt in grote mate de prestaties van het slagapparaat. Chinese wetenschappers hebben hier uitgebreid onderzoek naar verricht. Docent Meng Suimin van het Gezhouba Hydroelectric Engineering College heeft, voortbouwend op het lineaire model, met behulp van dimensieloze analyse een eerste verkenning uitgevoerd naar de invloed van de terugslag-snelheid van de pistool op de bedrijfsparameters van hydraulische rotshamers. Professor Liu Deshun van het Xiangtan Engineering College stelde in het artikel 'Berekening van de terugslag-snelheid van de rotshamerpistool' op basis van de golfdynamiektheorie en na analyse van het werkingprincipe van rotshammen formules voor de beoordeling van de pistoolterugslag en de berekening van de terugslag-snelheid van rotshammerpistolen voor. Daarbij kwam hij tot de volgende conclusies: ① De terugslagtoestand en de terugslag-snelheid van de pistool hangen samen met de eigenschappen van de pistool, de beitel en het gesteente; hun invloeden zijn niet onafhankelijk, maar onderling verbonden. ② Hoe kleiner de ontladingsstijfheidscoëfficiënt van het gesteente, hoe groter de terugslag-snelheid. Hoe kleiner de coëfficiënt γ die de belastingseigenschappen van de rotshammer en het gesteente karakteriseert, hoe groter de terugslag-snelheid. ④ Om een relatief ideale rotshammefficiëntie te bereiken, dient bij het ontwerpen van een slagapparaat de kenmerkende coëfficiënt γ te worden beheerst binnen het bereik 1 ≤ γ ≤ 2.

De industrie heeft geleidelijk een aantal richtlijnen voor zuigerontwerp opgesteld:

1) De zuiger moet langwerpig zijn en onnodige dwarsdoorsnedevariaties moeten worden verminderd, om de efficiëntie van energietransmissie en de levensduur van de beitel te verbeteren.

2) Het oppervlak van de zuigerstootvlak moet even groot of zo dicht mogelijk bij het oppervlak van de achterkant van de beitel liggen, en er moet een zekere conische lengte aanwezig zijn om de overdracht van stootgolven te bevorderen.

3) Een volledige slag en een overslag van de zuiger mogen de afdichtingsstructuren aan beide uiteinden niet beschadigen.

4) De afmetingen van de hydraulische dempingskussens bij leegschieten en de afdichtingslengtes van elk zuigersegment moeten zorgvuldig worden ontworpen.

5) Er is juiste materiaalkeuze vereist — het zuigermateriaal moet een hoge mechanische prestatie, een hoge oppervlaktehardheid, een goede kerntaaiheid en zeer goede slijtvastheid en slagvastheid bezitten.

6) De speling tussen zuiger en cilinderlichaam moet redelijkerwijs worden bepaald, waarbij zowel lekverliezen als bewerkingsnauwkeurigheid geheel in aanmerking moeten worden genomen. Over het algemeen bedraagt de speling tussen zuiger en cilinderlichaam 0,04 tot 0,06 mm, en de speling tussen zuiger en ondersteuningsbus 0,03 tot 0,05 mm.

(2) Onderzoek naar verdeelkleppen

Op dit moment gebruiken de overgrote meerderheid van hydraulische rotsbreekmachines positiegevoede klepbestuurde zuigersystemen en realiseren ze een hoog-snelheids heen-en-weergaande zuigerbeweging door het olieleveringspatroon in een bepaalde kamer van het slagapparaat te wijzigen. Hoewel deze besturingsvorm relatief eenvoudig is, is het overgangsproces erbij relatief complex. Tijdens het omschakelen van de klep veranderen tijd, snelheid, slaglengte, olieverbruik en andere parameters trapsgewijs, wat een aanzienlijke invloed kan hebben op de prestaties van het slagapparaat. Hiervoor hebben Liu Wanling e.a. van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie Beijing, via theorie en experiment, specifiek onderzoek uitgevoerd naar de kenmerken van regelkleppen in hydraulische slagsystemen, waarbij zij de werkelijke bewegingsbaan van de onderzochte slagapparaatklep bepaalden, de patronen van de beweging van de richtingsklep blootlegden en de belangrijkste parameters van de regelklep identificeerden die van invloed zijn op de prestaties van het slagapparaat. Qi Renjun e.a. van de Centrale Zuidelijke Universiteit voerden een theoretische analyse uit van het klepbesturingsproces en optimalisatieonderzoek naar de klepstructuur en -parameters, en verkregen een aantal nuttige regelmatigheden; met betrekking tot mogelijke snelheidssaturatie en cavitatieverschijnselen tijdens de hoog-snelheidsbeweging van de richtingsklep stelden zij effectieve oplossingen voor, zoals het verminderen van de massa en slaglengte van de klepschuif terwijl de doorsnede van de oliekanalen passend wordt vergroot. Liu Wanling en Gao Lanqing van het Beijing Instituut voor IJzer en Staal onderzochten in hun publicatie ‘Dynamische kenmerkanalyse van de richtingsklep van een hydraulische rotsbreekmachine — Simulatie- en experimenteel onderzoek’ met behulp van BASIC-programmering de verbetering van de dynamische kenmerken van de klep en concludeerden dat, naarmate de nul-overlappingsopening toeneemt, de druk in de achterkamer snel daalt, het slagwerk toeneemt, de slagfrequentie enigszins afneemt en de efficiëntie van het slagapparaat verbetert; wanneer de nul-overlappingsopening echter te groot is, wordt de werking van de klep onbetrouwbaar door de afname van de afdichtlengte aan de klepschouder.

(3) Onderzoek naar accu’s

De accumulator is een belangrijk onderdeel van de hydraulische rotsbreekmachine, en zijn constructie beïnvloedt direct de algehele machineprestaties van de hydraulische rotsbreekmachine. Daarom is, naast het onderzoek naar de prestaties van hydraulische rotsbreekmachines, ook onderzoek uitgevoerd naar accumulatoren. In 1990 voerden Japanse wetenschappers Takauchi Yoshio, Tanimata Shu e.a. experimenteel en theoretisch onderzoek uit en stelden, op basis van het opgestelde analytische model, met behulp van de toestandsvergelijking de berekeningsformule op voor het stikstofvolumen dat in de accumulator wordt ingevuld; de juistheid van deze formule werd experimenteel gevalideerd, waardoor een theoretische basis werd gelegd voor het ontwerpen van de optimale accumulator. In 1986 stelde Duan Xiaohong van de Universiteit van Wetenschap en Technologie Beijing, met behulp van de geconcentreerde-parametermethode, een dynamisch model op van hogedruk-membraanaccumulatoren en analyseerde met zowel experimentele als rekenkundige methoden de frequentiekarakteristieken van het accumulator-systeem; hij besprak de optimale koppeling tussen de accumulator en de hydraulische rotsbreekmachine en wees erop dat het optimale werkgebied van het slagapparaat wordt gekenmerkt door een dominante energiebijdrage van de tweede harmonische respons van de accumulator op drukveranderingen in het systeem. In 1986 publiceerde docent He Qinghua van de Centrale Zuid-Chinese Universiteit het artikel 'Terugstroomolie en terugstroomolie-accumulator van hydraulische slagmechanismen', waarin hij opmerkte dat de werkhydraulische druk van de hydraulische rotsbreekmachine voornamelijk afhangt van de traagheidskracht van de eigen bewegende onderdelen; dit is een kenmerkende eigenschap van de hydraulische rotsbreekmachine die deze onderscheidt van gewone hydraulische machines, waarbij de werkhydraulische druk voornamelijk afhangt van de externe belasting. De terugstroomdruk bestaat voornamelijk uit de traagheids-hydraulische druk die ontstaat wanneer olie versneld wordt bij het afvoeren van olie via zuigers of kleppen naar de retourleiding; bovendien wordt opgemerkt dat, omdat de afvoerstroom van het slagapparaat verschilt van het stroomverlooppatroon van de olie in de retourleiding, cavitatie optreedt wanneer de stroom die de retourleiding binnenkomt kleiner is dan de olie-stroom die zich in de retourleiding verplaatst. Om de traagheids-terugstroomdruk te verminderen en cavitatie in de retourstroom te elimineren, wordt voorgesteld om een retouraccumulator in de hydraulische rotsbreekmachine te installeren, en hieruit wordt een ontwerpmethode voor de parameters van de retouraccumulator afgeleid. De afgelopen jaren heeft de Universiteit van Wetenschap en Technologie Beijing onderzoek uitgevoerd naar de dynamische koppelingskenmerken van accumulatoren voor hydraulische rotsbreekmachines, het simulatiesoftwarepakket HRDP samengesteld en resultaten behaald bij validatieberekeningen voor optimale dynamische koppelingskenmerken van de accumulator.

(4) Onderzoek naar apparaten ter voorkoming van blanco-afvuren en energie-absorberende systemen voor beitelterugslag

Omdat onvermijdelijke beitelterugslag en blanco-afvuurverschijnselen optreden tijdens de werking van een hydraulische rotsonderbreker, heeft de werking van de energieabsorber voor beitelterugslag en het apparaat ter voorkoming van blanco-afvuren een grote invloed op de levensduur van de hydraulische rotsonderbreker. Professor Meng Suimin analyseerde in het artikel 'Analyse van de terugslagsnelheid van de boorpijpzuiger' systematisch de factoren die bijdragen aan de terugslag van de beitelpunt en onderzocht methoden voor absorptie van de terugslagenergie van de beitel. Liao Yide van de Centrale Zuidelijke Universiteit stelde in het artikel 'Theoretisch en experimenteel onderzoek naar buffersystemen voor blanco-afvuren bij hydraulische rotsonderbrekers' een wiskundig model op van het bufferproces bij blanco-afvuren en voerde simulatieonderzoek uit. Dr. Liao Jianyong onderzocht in het artikel 'Ontwerpteorie en computerondersteund ontwerp van meervoudige hydraulische rotsonderbrekers' met behulp van computersimulatie en optimalisatie het ontwerp van energieabsorbers voor beitelterugslag en apparaten ter voorkoming van blanco-afvuren. Liu Deshun van de Centrale Zuidelijke Universiteit paste in zijn proefschrift 'Golfdynamisch onderzoek naar slagmechanismen' de theorie van golfdynamica toe, leidde berekeningsformules af voor de terugslagsnelheid van elk onderdeel van het slagapparaat en wees erop dat de terugslagenergie kan worden benut door een rationeel ontwerp van elk onderdeel van het slagapparaat. Het Instituut voor Onderzoek naar Hydraulische Technische Machines van de Centrale Zuidelijke Universiteit ontwikkelde een tweevoudig buffersysteem voor blanco-afvuren, waarmee volledig gebruik werd gemaakt van de capaciteit van de energieabsorber voor beitelterugslag — een creatief onderzoeksresultaat.

1.5.4 Onderzoek naar frequentieafstemming, energieafstemming en besturingstechnologie voor hydraulische rotshakkers

Met de ontwikkeling van de technologie voor hydraulische rotshakkers heeft de bouw op locatie nieuwe eisen gesteld aan deze apparaten. Om de productie-efficiëntie effectief te verbeteren, wordt vereist dat de slagenergie en slagfrequentie van de hydraulische rotshakker kunnen worden aangepast op basis van veranderingen in de roteigenschappen. Dat wil zeggen dat, onder het voorbehoud van een maximaal gebruik van het geïnstalleerde vermogen van de draagmachine, de hydraulische rotshakker bij hardere rots een grotere slagenergie en lagere slagfrequentie levert; omgekeerd levert hij bij zachtere rots een kleinere slagenergie en hogere slagfrequentie, waardoor een hogere productie-efficiëntie wordt bereikt. Om bovenstaande doelstellingen te realiseren, is zowel binnenlandse als internationale uitgebreid onderzoek uitgevoerd.

Uit theoretisch onderzoek naar hydraulische rotsbreekmachines blijkt dat de uitvoer (slagenergie en frequentie) hoofdzakelijk kan worden aangepast op drie manieren: ① aanpassen van de debietstroom; ② aanpassen van de slaglengte; ③ aanpassen van de terugkoppelingsdruk. Momenteel hebben het overgrote deel van de binnenlandse en buitenlandse hydraulische rotsbreekmachines slechts één vaste slaglengte — dat wil zeggen dat hun uitvoer niet instelbaar is. Uiteraard is het, hoewel theoretisch haalbaar, in de praktijk niet uitvoerbaar om bij dergelijke hydraulische rotsbreekmachines de uitvoer aan te passen via debietaanpassing. Immers, wijzigingen in het debiet veroorzaken synchrone wijzigingen in de bijbehorende uitvoerparameters, waardoor een onafhankelijke aanpassing niet mogelijk is.

Hoewel sommige binnenlandse en buitenlandse fabrikanten slagverstelbare hydraulische rotshamerapparaten hebben ontworpen en geproduceerd, worden deze wegens hun starre, trapsgewijze constructieaanpassing en zeer onhandig gebruik met slechte resultaten niet door gebruikers gewaardeerd. Bij de terugslagfeedbackverdeling worden de uitgaande werkparameters voornamelijk aangepast door de systeeminvoerstroom te wijzigen of door meerdere terugslagfeedbacksignaalopening te voorzien en via het aan- en uitschakelen van elk signaalopening de zuigerstroke aan te passen, waardoor de slagenergie en slagfrequentie van de hydraulische rotshamer veranderen. Een voorbeeld hiervan is de driesnelheidshydraulische rotshamer van Atlas-Copco, geproduceerd in Zweden. De YYG-serie automatisch versnellingswisselende hydraulische rotshamers van de Centrale Zuidelijke Universiteit — beperkt door de constructie — kan dit principe slechts een trapsgewijze aanpassing van de werkparameters van de hydraulische rotshamer realiseren; en aangezien de druk en stroom in het slag-systeem kwadratisch met elkaar samenhangen, leidt een gelijktijdige toename van slagenergie en slagfrequentie tot zeer grote wijzigingen in het vermogen van de draagmachine, wat de uitbreiding van het werkbereik en de werkefficiëntie van de hydraulische rotshamer beperkt. Professor Takashi Takahashi van de Universiteit van Akita in Japan beschreef in een wetenschappelijk artikel het aanpassen van de positie van de terugslagsignaalpoort om de zuigerstroke van de hydraulische rotshamer te wijzigen. Experimenten bewezen dat, wanneer de zuigerstroke met 10% wordt vergroot, hoewel de slagfrequentie met 8% daalt, de slagenergie met 12% kan stijgen, wat de werkefficiëntie verbetert en theoretisch en experimenteel bewijs levert voor het ontwerpen van slagverstelbare hydraulische rotshamers. Docent He Qinghua van de Centrale Zuidelijke Universiteit, in zijn publicatie 'Onderzoek naar slagverstelbare hydraulische slagmachines', vergeleek verschillende soorten versnellingswisselmethode en analyseerde theoretisch de relaties tussen diverse werkparameters van slagverstelbare hydraulische slagapparaten en de versnellingswisselstroke; de resultaten hebben duidelijke richtinggevende betekenis voor het ontwerp en het gebruik van versnellingswisselende hydraulische rotshamers. Dit boek introduceert het concept van onafhankelijke, traploze aanpassing van werkparameters op basis van het drukfeedbackprincipe en heeft dit nieuwe product hydraulische rotshamer op de markt gebracht. Het past voornamelijk de enkelvoudige slagenergie van het slagapparaat aan door de grootte van de zuigerterugslagdruk te regelen; tegelijkertijd wordt, door de variabele pompstroom te regelen, de slagfrequentie van het slagapparaat traploos aangepast, zodat slagenergie en slagfrequentie elk onafhankelijk en traploos binnen een relatief groot bereik kunnen worden aangepast, terwijl de wijziging in het vermogen van de draagmachine gering blijft. Wat betreft het theoretisch onderzoek, het constructieontwerp en de besturingsmethoden voor dit nieuwe type hydraulische slagmachine, hebben de auteurs onderzoek verricht naar hydraulische slagapparaten met onafhankelijke, traploze aanpassing van slagenergie en slagfrequentie. Dr. Zhao Hongqiang, in zijn proefschrift 'Onderzoek naar een nieuw type hydraulische steenslijper met onafhankelijke, traploze aanpassingsregeling', brak door de traditionele terugslagfeedbackbesturingsmethode van hydraulische rotshamers, paste drukfeedback- en variabele-pompstroombesturingsmethoden toe en realiseerde daarmee onafhankelijke, traploze aanpassingsregeling van slagenergie en slagfrequentie van hydraulische rotshamers. Ding Wensi, in zijn proefschrift, gebruikte de stikstofdruk aan de achterzijde van de slijper als regelgrootheid en verrichtte uitgebreid onderzoek naar gedwongen verdeeltype slijpers die worden bestuurd door snelle schakelkleppen, waardoor onafhankelijke frequentieregeling en energieregeling van slijpers werd bereikt. Zhang Xin, in 'Onderzoek naar een nieuw type drukfeedbackhydraulisch slagapparaatsysteem met machine-elektrische integratie', gebruikte een microcontrollergestuurde snelle schakelklep om computergestuurde bediening van het slagapparaat te realiseren. Yang Guoping, in zijn proefschrift 'Onderzoek naar een puur hydraulisch onafhankelijk, traploos frequentie- en energieregelend hydraulisch slagapparaat', stelde een intelligente slagapparaat voor met een puur hydraulische regelschema die traploze aanpassing van slagenergie en slagfrequentie van hydraulische rotshamers mogelijk maakt via een piloottype verdeelklephendel.

1.5.5 Huidige staat van het onderzoek naar simulatietechnologie voor hydraulische rotsonders

Vanuit een productontwerp- en -ontwikkelingsperspectief is onderzoek naar dynamische kenmerken van mechanismen het beste uit te voeren tijdens de fase van productontwikkeling en -ontwerp. De dynamische responssimulatie van hydraulische regelsystemen is altijd een gebied geweest dat continu door de hydraulische industrie wordt bestudeerd en is ook een veelgebruikte methode voor het onderzoeken van de dynamische responskenmerken van regelsystemen.

De speciale werkwijze van de hydraulische rotsbreekmachine bepaalt dat dynamische simulatieanalyse en testen als basisvoorwaarde moeten dienen voor het theoretisch ontwerp en de ontwikkeling van het mechanisme. Nadat computers beschikbaar kwamen, werd de belemmering weggenomen die voortkwam uit het uitsluitend vertrouwen op producttests om nauwkeurige of betrouwbare resultaten te verkrijgen met betrekking tot de bewegingsprestaties van het mechanisme. Onderzoekers begonnen diverse methoden toe te passen om wiskundige modellen op te stellen die de hydraulische trilling en de beweging van de slagmachine beschrijven, analyseerden de parameterveranderingsprocessen van hydraulische rotsbreekmachines via simulatietechnologie en maakten gebruik van virtuele-prototype-technologie om de bewegingsprocessen van slagmachines te simuleren. Nadat de ontwerpresultaten zijn vastgesteld, kan de beweging van het mechanisme duidelijk worden begrepen en kunnen relevante prestatieparameters worden berekend, wat een goede weg biedt om de ontwikkelingscycli van nieuwe producten te verkorten, het ontwerp te optimaliseren en dynamische prestatieanalyse uit te voeren.

In de jaren 1960 en 1970 begonnen buitenlandse onderzoekers digitale computers toe te passen op simulatiewerk van slagmachines. Deze studies namen de druk in de voor- en achterkamer als variabele, berekenden de vloeistofstroming naar en uit elke aansluiting, en corrigeerden deze met stromingscoëfficiënten; vervolgens werden de gaswet en de energiebalansvergelijking toegepast om micro-differentiaalvergelijkingen op te stellen die de toestandsveranderingen van de accumulator en de zuiger beschrijven; na het toepassen van bepaalde benaderingen van de klepbeweging werd gebruikgemaakt van eindige-differentiemethoden voor numerieke oplossing. De simulatieresultaten, met name de prestatieparameters, waren zeer dicht bij de gemeten waarden en leverden bevredigende resultaten op. In Japan richtten onderzoekers zich meer op het opstellen van computermodellen voor specifieke hydraulische rotshakkers ter ondersteuning van onderzoek, en introduceerden experimenteel verkregen parameters in de simulatie om structurele parameters, slagparameters en prestaties van hydraulische rotshakkers te optimaliseren, waardoor het optimale oppervlak van de retourolieaansluiting, het optimale laadvolume van de accumulator en het optimale drukdragend oppervlak van de achterkamer voor de betreffende hydraulische rotshakker werden bepaald. Tijdens het uitvoeren van simulaties besteedden Japanse onderzoekers extra aandacht aan het vergelijken van simulatieresultaten met experimentele testresultaten en pasten zij de computermodellen aan op basis van testgegevens. Het bedrijf Sandvik ontwikkelde, na rekening te hebben gehouden met het effect van de vorm van de slagzuiger op de energietransmissiemethode, ook een computergesimuleerd programma op dit gebied. Met behulp van dit programma: ① kan het energietransmissieproces van elk onderdeel van de slag worden gesimuleerd; ② kunnen verschillende ontwerpen van elk systeemonderdeel worden gesimuleerd; ③ kunnen, onder verschillende condities van het slagobject, de effecten van diverse ontwerpen op de energietransmissie worden gesimuleerd. Het computergesimuleerde programma van Sandvik garandeert niet alleen de productie van optimale producten, maar maakt het ook mogelijk om het effect van alle parameters op het slagstelsel te meten en te begrijpen, evenals het effect van wijzigingen in bepaalde parameters op het rendement, en stelt dit als een praktisch en effectief rekenhulpmiddel ter beschikking van gebruikers.

Na de jaren tachtig begon ook binnenland onderzoek naar simulatietechnologie en toepassingen. Chinese wetenschappers zoals Tian Shujun en Chen Yufan stelden allen wiskundige modellen op met behulp van hun respectievelijke methoden. Tian Shujun en collega’s pasten power bond graph — een geavanceerde dynamische modelleringsmethode — toe, in combinatie met state-space-analysemethoden, en voerden voornamelijk onderzoek uit naar dynamische simulatiesoftware voor hydraulische rotsbreekmachines met schuifafsluiterregeling. Dit onderzoek verkende de dynamische simulatiemodellering en programmering van hydraulische rotsbreekmachines en bood een methode en aanpak voor vele latere simulatieprogrammeurs, zoals professor Zhou Zhihong van de Universiteit van Wetenschap en Technologie Beijing, die zijn studenten Yan Yong en anderen begeleidde bij het gebruik van power bond graphs om dynamische vergelijkingen op te stellen voor diverse typen zuigers, richtingskleppen en elk hydraulisch stromingsvergelijking en gasstatusvergelijking van hydraulische rotsbreekmachines; vervolgens werden simulatieprogramma’s in een computertaal geschreven om de belangrijkste toestandsveranderingsprocessen te analyseren, zoals de druk in de voor- en achterkamer, de stroming, de zuigerverplaatsing en de zuigersnelheid van de hydraulische rotsbreekmachine, waardoor een platform werd geboden voor verdere onderzoeken naar het effect van wijzigingen in de parameters van hydraulische rotsbreekmachines op hun prestaties. Met de snelle ontwikkeling van computers en softwaretechnologie zijn Matlab en AMEsim-software toegepast op het modelleren en simuleren van systemen voor hydraulische rotsbreekmachines, wat theoretische steun biedt voor het verkorten van onderzoeks- en ontwikkelingscycli en het verbeteren van de ontwerpkwaliteit van nieuwe modellen.

1.5.6 Experimentele onderzoeksmethoden

Het experiment is het basisinstrument waarmee mensen de natuur leren kennen en de objectieve wereld transformeren — door verschijnselen die via experimenten worden waargenomen en gegevens die via experimenten worden gemeten, te generaliseren en te abstraheren, interne verbanden en patronen te ontdekken en theorieën te vormen. Het experiment is de bron van theorie; het experiment is de enige maatstaf voor het verifiëren van theorieën.

De impactprestatieparameters van een hydraulische rotsbreekhamer zijn een belangrijke indicator voor het beoordelen van het ontwerp, de fabricageniveau en de kwaliteit. De belangrijkste parameters kunnen allemaal experimenteel worden gemeten, waarbij de resultaten worden weergegeven in de vorm van gegevens, curves of diagrammen. Prestatieverificatie betreft voornamelijk het meten van de impactenergie, de impactfrequentie, de systeemdruk en de stroming. Voor de meting van deze parameters bestaan momenteel geen gehandhaafde internationale experimentele normen. De momenteel meest gebruikte methoden voor het testen van de impactprestaties van hydraulische rotsbreekhamers zijn: de spanningsgolfmethode, de foto-elektrische verplaatsingsdifferentiële methode, de elektromagnetische inductiemethode, de contactmethode, high-speed-fotografie, de indicatordiagrammethode en de energiemethode, enzovoort.

De spanningsgolfmethode is een methode voor het meten van de slagenergie door de spanningsgolf te meten die wordt opgewekt in de beitel wanneer de slagpistoon de beitel raakt. De foto-elektrische methode maakt gebruik van het principe van foto-elektrische omzetting; via een foto-elektrische sensor wordt de positie van de slagpistoon als directe meetwaarde gebruikt om de verplaatsing van de pistoonbeweging te bepalen, waarna vervolgens elk prestatieparameter van het slagapparaat kan worden berekend. De foto-elektrische methode, als niet-contactmeetmethode, is zeer geschikt voor slagmachines zoals hydraulische rotsonderbrekers met lange pistoonslagen, grote diameters en hoge snelheden. De elektromagnetische inductiemethode maakt gebruik van het elektromagnetische inductiesensorsysteem, bestaande uit een magneetstaaf die op de slagpistoon is gemonteerd en een spoel die op het behuizing is aangebracht; de geïnduceerde elektromotorische kracht die ontstaat wanneer de spoel de magnetische veldlijnen doorsnijdt tijdens de heen-en-weer-beweging van de magneetstaaf samen met de pistoon wordt gebruikt om de snelheid van de pistoonbeweging te bepalen op basis van de kalibratieverhouding tussen elektromotorische kracht en slagvelociteit, en hieruit wordt vervolgens de slagenergie van de pistoon berekend.

De contactmethode is een methode voor het berekenen van de impactenergie aan de hand van de eindsnelheid van de zuiger wanneer deze het getroffen object raakt. Bij prestatietests van rotshamers zijn bovenstaande vier methoden relatief gebruikelijk; andere methoden worden in de praktijk zelden toegepast, hetzij vanwege de operationele complexiteit en hoge kosten, hetzij omdat zij de bewegingstoestand van de zuiger niet volledig weerspiegelen.

Er dient op gewezen te worden dat de bovengenoemde spanningsgolfmethode alleen geschikt is voor het testen van slagapparaten met relatief lage slagenergie, zoals hydraulische rotsboren en pneumatische gereedschappen, en dat het veel moeilijker is om hydraulische rotsslagmachines met grote slagenergie hiermee te testen. De testcapaciteit van gespecialiseerde onderzoekseenheden die zich bezighouden met spanningsgolven is over het algemeen beperkt en kan niet worden ingezet voor het testen van grote hydraulische rotsslagmachines; ook het geluid en de trillingen die bij binnentesten worden opgewekt, zijn onaanvaardbaar. Wat betreft de contactmethode: hoewel deze eenvoudig te installeren is, zijn de resultaten niet voldoende nauwkeurig en kan deze methode daarom niet worden toegepast. Alleen de elektromagnetische inductiemethode voor het testen van hydraulische rotsslagmachines wordt in alle opzichten als uitgebreid beschouwd: zij kan zowel worden gebruikt voor hydraulische rotsboren met lage slagenergie als voor grote hydraulische rotsslagmachines met hoge slagenergie; zij meet rechtstreeks de snelheidscurve van de zuiger, waardoor de zuigerverplaatsing en -versnelling kunnen worden bepaald — een zeer nuttige eigenschap voor onderzoekers die zich bezighouden met zuigerbewegingspatronen. Het enige nadeel is dat de magnetische staaf gemakkelijk kan beschadigen onder invloed van trillingen van de zuiger met hoge frequentie.

Dr. Ding Wensi van de Centrale Zuidelijke Universiteit stelde in het proefschrift 'Onderzoek naar een nieuw type drukgevoelige stikstof-explosieve machine-elektrische geïntegreerde hydraulische steenbreker' een nieuwe methode voor om de uitvoerparameters van een slagapparaat te testen — de gasdrukmethode. Deze methode maakt gebruik van een druksensor om het effect op de druk in de afgesloten stikstofkamer, die aan de achterzijde van de zuiger is geïnstalleerd, te meten tijdens de beweging van de zuiger; via een computer worden vervolgens de zuigerweg en de bewegingssnelheid bepaald, waardoor de twee belangrijke uitvoerparameters van het slagapparaat — slagenergie en slagfrequentie — kunnen worden verkregen. In vergelijking met traditionele testmethoden biedt de niet-contact gasdrukmethode voordelen zoals sterke trillingsbestendigheid, minimale voorbereidingswerkzaamheden, gelijktijdige meting van slagenergie en -frequentie, gemakkelijke kalibratie, kleine fouten in de slagparameters en hoge nauwkeurigheid. De methode kan niet alleen worden gebruikt als meet- en identificatiemethode voor laboratoriumproducten, maar ook gemakkelijk voor online-testen tijdens daadwerkelijk werk. De methode is toegepast in het hydraulische testprogramma van Jingye Company en opgenomen in de branche-standaard 'Hydraulische steenbreker'.

1.5.7 Onderzoek naar trillingen, geluid en regeling

Naast slagenergie, slagfrequentie en massa omvatten de indicatoren voor het meten van de prestaties van hydraulische slagmaachines ook geluidsniveau, trillingen van het machineframe en energiegebruiksgraad, wat belangrijke aspecten zijn voor de beoordeling van de algehele prestaties. Naarmate het milieubewustzijn toeneemt, worden de regelgevingen in ontwikkelde landen met betrekking tot het geluidsniveau van apparatuur steeds strenger. Om aan de markteisen te voldoen, worden het geluidsniveau en de trillingen van hydraulische slagmaachines, evenals stofonderdrukking, geleidelijk belangrijke concurrentie-indicatoren; de technologie voor hun controle is nu een belangrijk onderzoeksgebied. Wetenschappers uit verschillende landen voeren onderzoek uit op structureel en materiaaltechnisch gebied; op structureel vlak worden maatregelen zoals ingebouwde voeringen, geluidsdempende apparaten of sandwichplaten van trillingsdempend staal toegepast om trillingen en geluid te beheersen. Het bedrijf Krupp heeft al zijn middelgrote en kleinere producten voorzien van geluidsabsorberende materialen. Het bedrijf Rammer installeert op zijn nieuw ontwikkelde producten hogedrukwatompompen en vernevelingsmonden om stofreductie te bereiken. Daarnaast wordt sensor-technologie gebruikt om een nauwkeurige positionering van hydraulische rotsonderbrekers te realiseren, automatisch gaten te boren, de beitel te stoppen en in te trekken, en de slagenergie en slagfrequentie automatisch aan te passen op basis van het werkobject, enzovoort.