Oversikt over teoretisk forskning på hydrauliske steinbrytere

1.5 Oversikt over teoretisk forskning på hydrauliske steinbrytere

Under drift av hydraulisk bergbryter skifter oljetrykket i arbeidskammeret med høy frekvens under styring av rettningsventilen; egenskapene til væsken i oljekanalen kan ikke enkelt analyseres ut fra teorien om hydraulisk kraftoverføring, og det må anvendes analyse basert på teorien om hydraulisk svingning. Kraften som virker på stempelet og meisselen stiger fra null til ti- til hundretalls megapascal innen noen tiere mikrosekunder, og faller deretter tilbake til null; formen på energioverføringen via spenningsbølger betyr at beskrivelsen av arbeidsprosessen ikke kan forenkles ved å bruke statikk, fast-legemekanikk og kinematikk. Prinsippet for slagmaskinen hører til i kategorien elastiske-legemekinematikk, og bølgeteori må brukes for å beskrive energioverføringsprosessen nøyaktig.

Basert på forskjeller i grunnleggende antakelser og matematiske modeller deles forskningen på hydrauliske bergbrytere inn i to hovedkategorier: forskning basert på lineære modeller og forskning basert på ikke-lineære modeller.

1.5.1 Lineære forskningsmodeller for hydrauliske bergbrytere

Lineær forskning er idealisert forskning som utføres ved å linearisere ikke-lineære hydrauliske bergbrytere gjennom antakelser – lineære modeller som oppnås under antagelsen om 'konstant hydraulisk oljetrykk' og der visse faktorer ignoreres. Forskningsgrunnlaget er den oppfatningen som sovjettidens forskere OdAlimov og SAbasov fremsatte i boken 'Teori for struktur av hydrauliske vibrasjons- og slagmaskiner': 'Under betingelsen av å sikre en gitt slaghastighet ved støtenden er trykkstyring med fullt likt trykk den optimale styringen med høyest virkningsgrad.' På grunnlag av antagelsen om 'konstant trykkstyring' foreslo sovjettidens forskere det optimale konstruksjonsskjemaet for minimal maksimal støtkraft. Den japanske forskeren Nakamai m.fl., som tok hensyn til rørledningsmotstand på denne bakgrunnen, gjennomførte teoretisk og konstruksjonsrelatert forskning på justerbarheten til stempelets slaglengde. Professor Li Dazhi ved Beijing University of Science and Technology foreslo idéen om optimal slaglengdekonstruksjon. Chen Yufan m.fl. brukte lineære modeller av slagverktøy og utførte dimensjonsløs analyse ved hjelp av metoden for optimal slaglengde, og gjennomførte dermed en dimensjonsløs analyse av parametrene til slagverktøyene, og fikk en rekke uttrykk for parameterrelasjoner som kan veilede konstruksjonsarbeidet. Førsteamanuensis Chen Dingyuan ved Beijing University of Science and Technology brukte C = S/S_m (S: driftsslaglengde, S_m: maksimal slaglengde) som designvariabel og utførte en dimensjonsløs analyse av hydrauliske bergbrytere, og kom fram til at området for optimal virkningsgrad er C = 0,75–0,850. Førsteamanuensis Wang Zheng ved Beijing University of Science and Technology brukte tiden t for akselerasjonen til stempelets returbevegelse som designvariabel og utførte en omfattende parameteranalyse, og kom fram til følgende: når volumendringen i akkumulatoren er minimal, er t = 0,406T; når det hydrauliske slaget er minimalt, er t = 0,5T. Professor He Qinghua ved Central South University brukte den strukturelle karakteristiske koeffisienten til slagverktøyet – forholdet mellom effektive arealer i stempelets forreste og bakre kammer – som dimensjonsløs designvariabel for å gjennomføre optimal konstruksjon av slagverktøy. Ettersom mange lineære studier ikke har tatt hensyn til den gjensidige begrensningen mellom stempelet og ventilen, som direkte påvirker slagytelsen og tilstanden til akkumulatoren, kan de ikke nøyaktig reflektere de gjensidige sammenhengene mellom de mange strukturelle parameterne i mekanismen. Selv om presisjonen i deres forskning er relativt lav, kan resultatene likevel i grove trekk vise hvordan ulike faktorer påvirker ytelsen, og har derfor en viss praktisk verdi innen teoretisk og konstruksjonsrelatert forskning.

1.5.2 Ikke-lineære modeller for hydrauliske bergbrytere

Som et relativt typisk og komplekst mekanisk tilbakekoplingsystem med ett legeme har den hydrauliske bergbryteren, akkurat som ikke-lineære systemer innen andre felt, mange ikke-lineære fenomener og mønstre. Ikke-lineær forskning har mer omfattende tatt hensyn till de faktorer som påverkar rörelsen hos den hydrauliska bergbryteren, analyserat spänningsläget hos den hydrauliska bergbryteren relativt omfattande och erhållit högre ordningens icke-linjära differentialekvationssystem för att beskriva dess rörelsemönster. Men ekvationerna är svårlösta, beskrivningen är inte intuitiv och kan endast lösas numeriskt med hjälp av datorer. De senaste åren har forskningen kring icke-linjära matematiska modeller fått ökad uppmärksamhet från människor, tack vare utvecklingen inom datavetenskap och teknik samt spridningen av mikrodatorer.

Allerede på tidlig 1970-tall brukte utenlandske forskere digitale datamaskiner til simulering av virkningen av luftdrevne bergboringsmaskiner, og oppnådde relativt nøyaktige resultater. I 1976 var den japanske forskeren Masao Masabuchi den første som brukte matematisk beregning til å studere hydrauliske bergknusere, og han foreslo en matematisk modell for en hydraulisk virkningsprøveapparat samt brukte iterativ beregning til å finne hastighet og frekvens ved kraftslaget, og sammenlignet deretter resultatene med målte verdier. I 1980-årene utførte japanske forskere som Takauchi Yoshio og Tanimata Shu m.fl. ikke-lineær forskning på ytelse og utforming av hydrauliske bergknusere, og foreslo analytiske modeller som er egnet for vurdering av ytelsen og utforming av hydrauliske bergknusere, samt utledningsteori og analysemetoder for disse analytiske modellene. I 1980 foreslo Li Dazhi og Chen Dingyuan ved Beijing University of Science and Technology en ikke-lineær matematisk modell der akkumulatortrykket brukes som arbeidstrykk, og de fant stabile numeriske løsninger. I 1983 brukte He Qinghua ved Central South Industrial University i «Numerisk simulering av hydrauliske bergknusere» tilstandsskiftemetoden til å etablere en omfattende matematisk modell, foreslo «metoden for kvasi-uniform akselerasjon» (PUA-metoden), rettet opp feil ved tilstandsovergangspunktene og forbedret simuleringens nøyaktighet. I 1987 etablerte professor Chen Xiaozhong og lærer Chen Dingyuan ved Beijing University of Science and Technology en ikke-lineær matematisk modell for virkningsmekanismer og skrev simuleringsprogrammer i BASIC, og fikk simuleringdata som var relativt i samsvar med målte resultater. Under driften av en hydraulisk bergknuser oppstår på grunn av høyt trykk, kort virkningsperiode og hyppig omstilling av oljestrømmen et kontinuerlig foranderlig variabelt trykkrom; når hydraulikkvæsken derfor strømmer gjennom ulike spalter, genereres det en stor mengde varme, noe som fører til lokale høye temperaturer og påvirker både virkningsutstyrets ytelse og lokal smøring; forskning innen dette området er imidlertid fortsatt manglende.

På grunn av kompleksiteten i bevegelsen til hydrauliske bergbrytere bygges også ikke-lineære modeller på grunnlag av visse antakelser, så det er faktisk ikke mye forskjell mellom lineære og ikke-lineære modeller når det gjelder beskrivelse av den vesentlige naturen til tingene – bare løsningsmetodene for de matematiske modellene varierer. Lineære modeller bruker analytiske løsninger, mens ikke-lineære modeller må løses ved hjelp av numeriske metoder på datamaskiner. Begge kan bare gi en tilnærmet beskrivelse av bevegelsesmønstrene til støttenheten, og for å oppnå mer nøyaktige beskrivelsesmetoder er det fortsatt behov for videre utvikling av beregningsfluidodynamikk.

Det må understrekes at med utviklingen av teknologien for hydrauliske bergbrytere, spesielt med fremveksten av hydraulisk-pneumatiske kombinerte bergbrytere og nitrogeneksplosive hydrauliske bergbrytere, er arbeidsmediet for den hydrauliske bergbryteren ikke lenger bare olje, men også gass; og innføringen av nitrogen har ytterligere økt vanskelighetsgraden og kompleksiteten i teoretisk forskning.

1.5.3 Forskning på nøkkeldeler for hydrauliske bergbrytere

(1) Stempelforskning

Design og produksjonskvaliteten til støtpistonen bestemmer i stor grad ytelsen til støtutstyret. Kinesiske forskere har gjennomført betydelig forskning på dette området. Lærer Meng Suimin ved Gezhouba Hydroelektriske Ingeniørhøgskole, som bygget videre på det lineære modellen, brukte dimensjonsløs analyse for å gjøre en innledende undersøkelse av hvordan pistons tilbakestillingshastighet påvirker driftsparametrene til hydrauliske bergbrytere. Professor Liu Deshun ved Xiangtan Ingeniørhøgskole, i artikkelen «Beregning av tilbakestillingshastigheten til bergborepistonen», anvendte bølgedynamikkteori og, ut fra en analyse av virkningsprinsippet for bergboring, foreslo han kriterier for å vurdere pistons tilbakestillingsstatus samt formler for beregning av tilbakestillingshastigheten til bergborepistoner, og kom frem til følgende konklusjoner: ① Pistons tilbakestillingsstatus og tilbakestillingshastighet er avhengige av egenskapene til pisonen, meisselen og bergarten, og deres innvirkning er ikke uavhengig, men gjensidig forbundet. ② Jo mindre utlastningsstivhetskoefisienten til bergarten er, jo større blir tilbakestillingshastigheten. Jo mindre koefisienten γ som karakteriserer belastningsegenskapene til bergboreutstyret og bergarten er, jo større blir tilbakestillingshastigheten. ④ For å oppnå en relativt ideell bergboreeffektivitet bør den karakteristiske koefisienten γ kontrolleres innenfor området 1 ≤ γ ≤ 2 ved utforming av et støtutstyr.

Industrien har gradvis utviklet noen veiledende prinsipper for stempelkonstruksjon:

1) Stempelet bør være forlenget og ha så få unødvendige tverrsnittsendringer som mulig, for å forbedre effektiviteten til energioverføringen og øke levetiden til meisselen.

2) Arealet av stempelets slagflate bør være like stort som eller nær likt arealet av meisselens bakre endeflate, og det bør finnes en viss konisk lengde for å sikre god overføring av slagbølger.

3) Full slaglengde og overlagret slaglengde for stempelet må ikke skade tettningsstrukturene i begge ender.

4) Dimensjonene på hydraulisk dempingsplate ved tomgang og tettningslengdene for hver stemelsegment må dimensjoneres nøye.

5) Riktig materialevalg er påkrevd – stempelet må være laget av et materiale med høy mekanisk styrke, høy overflatethardhet, god kjernehårdhet samt svært god slitasjemotstand og slagmotstand.

6) Innpassingsklaringen mellom stempel og sylinderekropp bør bestemmes rimelig, med hensyn til både lekkasjetap og bearbeidlingsnøyaktighet. Vanligvis er innpassingsklaringen mellom stempel og sylinderekropp 0,04 til 0,06 mm, og innpassingsklaringen mellom stempel og støtteskall er 0,03 til 0,05 mm.

(2) Fordelingsventilforskning

For tiden bruker den overveiende majoriteten av hydrauliske bergbrytere posisjonsstyrt ventilstyrte pistonsystemer og oppnår høyhastighetsoscillerende pistonsbevegelser ved å endre oljetilførselsmønsteret i en bestemt kammer i støtutstyret. Selv om denne styringsformen er relativt enkel, er dens overgangsprosess relativt kompleks. Under ventilsbytteprosessen endres tid, hastighet, slaglengde, oljeforbruk og andre parametere trinnvis, noe som kan ha betydelig innvirkning på støtutstyrets ytelse. I denne sammenheng utførte Liu Wanling et al. fra Beijing University of Science and Technology, gjennom teoretisk analyse og eksperimenter, spesialundersøkelser av egenskapene til kontrollventiler i hydrauliske støtsystemer, og fikk den faktiske bevegelsesbanen til den undersøkte støtutstyrsventilen, avdekket mønstrene i rettningsventilens bevegelse og fastslått de viktigste parametrene til kontrollventilen som påvirker støtutstyrets ytelse. Qi Renjun et al. fra Central South University utførte teoretisk analyse av ventilstyringsprosessen, optimaliseringsforskning på ventilkonstruksjon og -parametere, og kom fram til noen nyttige regelmessighetskonklusjoner; med tanke på mulig hastighetssaturering og kavitasjonsfenomener under høyhastighetsbevegelse av rettningsventilen foreslo de effektive løsninger som reduserer ventilstempelmasse og -slaglengde samtidig som diameteren på oljepassasjen økes litt. Liu Wanling og Gao Lanqing fra Beijing Iron and Steel College, i artikkelen «Dynamisk karakteristikk-analyse av rettningsventil for hydraulisk bergbryter — simulering og eksperimentell forskning», undersøkte ved hjelp av BASIC-programmering hvordan man kan forbedre ventilens dynamiske egenskaper, og konkluderte med at når null-overlappingsåpningen økes, faller trykket i bakre kammer raskt, støtarbeidet øker, støtfrekvensen minsker noe, og effektiviteten til støtutstyret forbedres; når null-overlappingsåpningen blir for stor, blir imidlertid ventilen upålitelig i driften på grunn av redusert tetningslengde ved ventilskulderen.

(3) Akkumulatorforskning

Akumulatoren er en viktig komponent i hydraulisk bergbryter, og dens konstruksjon påvirker direkte den totale maskinens ytelse for den hydrauliske bergbryteren. Derfor har forskning på akumulatorer også blitt gjennomført samtidig med forskningen på hydraulisk bergbryters ytelse. I 1990 utførte japanske forskere, blant annet Takauchi Yoshio og Tanimata Shu, eksperimentell og teoretisk forskning, og basert på den etablerte analytiske modellen brukte de tilstandslikningen til å utlede beregningsformelen for nitrogenfyllingsvolumet i akumulatoren, og verifiserte eksperimentelt riktigheten til formelen, noe som ga et teoretisk grunnlag for utforming av den optimale akumulatoren. I 1986 etablerte Duan Xiaohong ved Beijing University of Science and Technology, ved hjelp av metoden med samlede parametere, en dynamisk modell for høytrykksmembranakumulatorer, og analyserte ved både eksperimentelle og beregningsmessige metoder frekvenskarakteristikken til akumulatorsystemet, diskuterte den optimale koblingen mellom akumulatoren og den hydrauliske bergbryteren, og pekte på at det optimale driftsområdet for støtutstyret er det området der den sekundære harmoniske responsen fra akumulatoren på systemtrykkendringer dominerer i energi. I 1986 publiserte professor He Qinghua ved Central South University artikkelen «Retur-olje og retur-oljeakumulator for hydrauliske støtmechanismer», der det påpekes at det operative hydrauliske trykket i den hydrauliske bergbryteren hovedsakelig avhenger av treghetskreftene i dets egne bevegelige deler; dette er en betydningsfull egenskap ved den hydrauliske bergbryteren som skiller den fra vanlig hydraulisk maskinvare, hvor det operative hydrauliske trykket hovedsakelig avhenger av ytre belastning. Returtrykket skyldes hovedsakelig det treghetsbetingede hydrauliske trykket som oppstår når oljen akselereres mens stempel eller ventiler slipper ut olje til retur-oljerøret; og det påpekes at siden utløpsstrømmen fra støtutstyret avviker fra mønsteret for oljestrømmens variasjon i retur-røret, vil kavitasjon oppstå når strømmen inn i retur-røret er mindre enn oljestrømmen som beveger seg i retur-røret. For å redusere det treghetsbetingede returtrykket og eliminere returkavitasjon foreslås det å montere en retur-akumulator i den hydrauliske bergbryteren, og fra dette utledes en metode for dimensjonering av retur-akumulatorparametre. De siste årene har Beijing University of Science and Technology foretatt forskning på dynamiske koblingskarakteristika for akumulatorer i hydrauliske bergbrytere, utviklet programvarepakken HRDP for simulering, og oppnådd resultater i verifikasjonsberegninger av optimale dynamiske koblingskarakteristika for akumulatorer.

(4) Forskning på apparater for å forhindre blankfiring og energiabsorberende verkøy for meisselens tilbakeslag

Fordi uunngåelige meisselrebound- og tomfyringsfenomener oppstår under drift av hydraulisk bergbryter, har arbeidsytelsen til meisselrebound-energiabsorberen og tomfyringsforebyggende enheten stor innvirkning på levetiden til den hydrauliske bergbryteren. Professor Meng Suimin analyserte systematisk faktorene som fører til meisselens bakre rebound i artikkelen «Analyse av reboundhastighet for bergborepistoner» og undersøkte metoder for absorpsjon av meisselrebound-energi. Liao Yide ved Central South University utviklet en matematisk modell for tomfyringsbufferprosessen og gjennomførte simuleringer i artikkelen «Teoretisk og eksperimentell forskning på hydrauliske bergbore-tomfyringsbufferenheter». Dr. Liao Jianyong utførte datamaskinsimulering og optimaliseringsdesign av meisselrebound-energiabsorberenheter og tomfyringsforebyggende enheter i artikkelen «Design-teori og datamaskinstøttet design av flertrinns hydrauliske bergboremaskiner». Liu Deshun ved Central South University brukte bølgedynamikkteori, utledet beregningsformler for reboundhastigheten til hver del av støtenheten og pekte på at reboundenergien kan utnyttes gjennom rasjonell design av hver del av støtenheten i sin doktoravhandling «Bølgedynamisk forskning på støtmechanismer». Hydraulisk ingeniørmaskin-institutt ved Central South University utviklet en totrinns tomfyringsbufferenhet som fullt ut utnytter kapasiteten til meisselrebound-energiabsorberen – en kreativ forskningsprestasjon.

1.5.4 Forskning på frekvensinnstilling, energiinnstilling og styringsteknologi for hydrauliske bergbrytere

Med utviklingen av teknologien for hydrauliske bergbrytere har feltkonstruksjonen stilt nye krav til disse verktøyene. For å effektivt forbedre produksjonseffektiviteten kreves det at slagenergien og slagfrekvensen til den hydrauliske bergbryteren kan justeres basert på endringer i bergartens egenskaper. Det vil si at, under forutsetning av maksimal utnyttelse av den installerte kapasiteten til bæremaskinen, skal den hydrauliske bergbryteren levere høyere slagenergi og lavere slagfrekvens ved hardere bergarter, mens den leverer lavere slagenergi og høyere slagfrekvens ved mykere bergarter – noe som fører til høyere produksjonseffektivitet. For å oppnå disse målene er omfattende forskning gjort både nasjonalt og internasjonalt.

Fra teoretisk forskning på hydrauliske bergbrytere kan utgangen (slagenergi og frekvens) hovedsakelig justeres på tre måter: ① justering av strømningshastighet; ② justering av slaglengde; ③ justering av tilbakeføringstrykk. For tiden har det overveiende flertallet av innenlandske og utenlandske hydrauliske bergbrytere kun én fast slaglengde — det vil si at deres utgang ikke er justerbar. Selvfølgelig kan slike hydrauliske bergbrytere i teorien justere utgangen ved å justere strømningshastigheten, men i praksis er dette ikke gjennomførbart. Fordi endringer i strømningshastigheten fører til synkrone endringer i utgangsparameterne, er uavhengig justering ikke mulig.

Selv om noen innenlandske og utenlandske produsenter har utformet og produsert hydrauliske bergbrytere med justerbart slaglengde, er disse ikke populære blant brukere på grunn av deres stive konstruksjon med trinnvis justering, som er svært ubekvem å bruke og gir dårlige resultater. Ved slaglengdefeedback-fordeling justeres de utgående driftsparameterne hovedsakelig ved å endre systemets inngående væskestrøm eller ved å legge til flere returstrøm-feedback-signalhull, og ved å styre på/av-slåing av hvert enkelt signalhull justeres pistonslaglengden, og dermed endres bergbryterens slageffekt og slagfrekvens. For eksempel den svenske trehastighets-hydrauliske bergbryteren fra Atlas-Copco. Central South Universitys YYG-serie av automatisk girskiftende hydrauliske bergbrytere – begrenset av konstruksjonen kan dette prinsippet kun oppnå trinnvis justering av driftsparameterne til hydrauliske bergbrytere, og siden trykk og strøm i slagsystemet er proporsjonale med kvadratet av hverandre, vil samtidig økning av slageffekt og slagfrekvens føre til svært store endringer i kraftbehovet til bæremaskinen, noe som begrenser utvidelsen av bergbryterens driftsområde og driftseffektivitet. Professor Takashi Takahashi ved Akita University i Japan beskrev i en artikkel justering av posisjonen til returstrøm-signalporten for å oppnå endring av pistonslaglengden i hydrauliske bergbrytere. Eksperimenter viste at når pistonslaglengden økes med 10 %, reduseres slagfrekvensen med 8 %, mens slageffekten øker med 12 %, noe som forbedret driftseffektiviteten og ga teoretisk og eksperimentell dokumentasjon for utforming av hydrauliske bergbrytere med justerbart slaglengde. Førsteamanuensis He Qinghua ved Central South University, i «Forskning på hydrauliske slagmaskiner med justerbart slaglengde», sammenlignet flere typer girskiftmetoder og analyserte teoretisk sammenhengene mellom ulike driftsparametre for hydrauliske slagapparater med justerbart slaglengde og girskiftslaglengder; resultatene har tydelig veiledende betydning for utforming og bruk av girskiftende hydrauliske bergbrytere. Denne boken introduserer konseptet om uavhengig og trinnløs justering av driftsparametre basert på trykkfeedback-prinsippet og har lansert dette nye produktet av hydraulisk bergbryter. Den justerer hovedsakelig den enkelte slageffekten til slagapparatet ved å kontrollere størrelsen på pistons returtrykk; samtidig justeres slagapparatets frekvens trinnløst ved å kontrollere variabelpumpens strøm, slik at slageffekt og slagfrekvens hver for seg kan justeres uavhengig og trinnløst innen et relativt stort område, mens endringen i kraftbehovet til bæremaskinen forblir liten. Når det gjelder teoretisk forskning, konstruksjonsutforming og styringsmetoder for denne nye typen hydraulisk slagmaskin, har forfatterne utført forskning på hydrauliske slagapparater med uavhengig trinnløs justering av slageffekt og slagfrekvens. Dr. Zhao Hongqiang, i doktoravhandlingen «Forskning på ny type hydraulisk steinmaler med uavhengig trinnløs justeringskontroll», gjennombrot den tradisjonelle slaglengdefeedback-styringsmetoden for hydrauliske bergbrytere, og benyttet i stedet trykkfeedback- og variabelpumpestrømstyringsmetoder, og realiserte dermed uavhengig trinnløs justeringskontroll av slageffekt og slagfrekvens for hydrauliske bergbrytere. Ding Wensi, i sin doktoravhandling, brukte nitrogentrykket i bakenden av steinmaleren som styringsvariabel og utførte omfattende arbeid med tvungne fordelingsbergbrytere som styres av hurtigsvitsjventiler, og realiserte uavhengig frekvensjustering og energi-justering av bergbrytere. Zhang Xin, i «Forskning på ny type trykkfeedback-basert hydraulisk slagapparat-system med maskin-elektronisk integrasjon», brukte mikrokontrollerstyrte hurtigsvitsjventiler for å realisere mikrodatorkontroll av slagapparatet. Yang Guoping, i doktoravhandlingen «Forskning på ren hydraulisk uavhengig trinnløs frekvens- og energi-justerings hydraulisk slagapparat», foreslo en intelligent slagapparat med en ren hydraulisk styringsløsning som kan realisere trinnløs justering av slageffekt og slagfrekvens for hydrauliske bergbrytere gjennom en pilotstyrt fordelingsventilhåndtak.

1.5.5 Nåværende status for forskning på simuleringsteknologi for hydrauliske steinbrytere

Fra et produktutviklings- og designperspektiv er det best å gjøre dynamisk karakteristikkforskning på mekanismer under produktutviklings- og designfasen. Dynamisk responssimulering av hydrauliske styringssystemer har alltid vært et felt som hydraulikkindustrien kontinuerlig har studert, og det er også en vanlig metode for å undersøke dynamiske responskarakteristikker til styringssystemer.

Den spesielle arbeidsmetoden til hydraulisk bergbryter bestemmer at dynamisk simulering og testing må være grunnlaget for teoretisk mekanisk design og utvikling. Etter at datamaskiner ble introdusert, ble hindringen knyttet til å være avhengig av produkttesting alene for å oppnå nøyaktige eller pålitelige resultater av mekanismens bevegelsesytelse overvunnet. Forskere begynte å bruke ulike metoder for å etablere matematiske modeller som beskriver hydraulisk vibrasjon og bevegelse i påvirkningsmaskiner, analysere parameterendringsprosessene i hydrauliske bergbrytere gjennom simuleringsteknologi og bruke virtuell prototypeteknologi til å simulere bevegelsesprosessene i påvirkningsmaskiner. Når designresultatene er fastlagt, kan mekanismens bevegelse tydelig forstås og relevante ytelsesparametre beregnes, noe som gir en god vei til å forkorte utviklingscyklene for nye produkter, optimere designet og utføre dynamisk ytelsesanalyse.

I 1960- og 1970-tallet begynte utenlandske forskere å bruke digitale datamaskiner til simulering av virkemåten til slagmaskiner. Disse arbeidene brukte trykket i for- og bakrommet som variabel, beregnet væskestrømmen inn og ut fra hver port og korrigerte dette med strømningskoeffisienter; deretter anvendte de gassens tilstandsligning og energibalanseligningen for å utlede mikrodifferensialligninger som beskriver tilstandsforandringer i akkumulatoren og stempelen. Etter å ha gjort visse tilnærminger av ventilstyringens bevegelser, ble differansemetoden brukt til numerisk løsning. Simuleringsresultatene, spesielt ytelsesparametrene, var svært nære målte verdier, og man oppnådde tilfredsstillende resultater. I Japan la forskere større vekt på å utvikle datamaskinmodeller for spesifikke hydrauliske bergbrytere til forskningsformål og å inkludere eksperimentelt oppnådde parametere i simuleringen for å optimere konstruksjonsparametre, slagparametre og ytelse for hydrauliske bergbrytere, noe som resulterte i bestemmelse av optimalt returoljeportareal, optimal ladningsvolum for akkumulatoren og optimal trykkbærende areal i bakrommet for den aktuelle hydrauliske bergbryteren. Under simuleringen la japanske forskere også større vekt på å sammenligne simuleringsresultater med eksperimentelle testresultater og justerte datamaskinmodellene i henhold til testdataene. Sandviks selskap utviklet, etter å ha vurdert hvordan slagstempelens form påvirker energioverføringsmåten, også et datamaskinsimuleringsprogram innen dette området. Ved hjelp av dette programmet: ① kan energioverføringsprosessen i hver del av slagmekanismen simuleres; ② kan ulike designløsninger for hvert systemkomponent simuleres; ③ kan effekten av ulike designløsninger på energioverføringen simuleres under ulike typer slagobjekter. Sandviks datamaskinprogram garanterer ikke bare produksjonen av optimale produkter, men muliggjør også måling og forståelse av hvordan alle parametre påvirker slagsystemet samt effekten av endringer i bestemte parametre på effektiviteten, og stilles til rådighet for brukerne som et praktisk og effektivt beregningsverktøy.

Etter 1980-tallet ble også innenlandsk forskning på simulerings-teknologi og -applikasjoner påbegynt. Kinesiske forskere som Tian Shujun, Chen Yufan og andre utviklet matematiske modeller ved hjelp av sine respektive metoder. Tian Shujun et al. brukte kraftbondgrafer – en avansert teknikk for dynamisk modellering – i kombinasjon med tilstandsromsanalysemetoder, og utførte hovedsakelig forskning på dynamisk simuleringssøftware for hydrauliske bergbrytere med skyveventilstyring. Denne forskningen undersøkte dynamisk simuleringmodellering og programmering av hydrauliske bergbrytere, og bidro med en metode og tilnærming for mange senere simuleringsprogrammerere, blant annet professor Zhou Zhihong ved Beijing University of Science and Technology, som veiledet studenter som Yan Yong et al. i å bruke kraftbondgrafer til å utlede dynamiske ligninger for flere typer pistoner, rettningsventiler og hver enkelt hydraulisk strømningsligning samt gassstatusligninger for hydrauliske bergbrytere; deretter utviklet de simuleringprogrammer i et dataprogrammeringsspråk for å analysere de viktigste tilstandsforandringene, som trykk i front- og bakrom, strømning, kolbeforflytning og -hastighet i den hydrauliske bergbryteren, og skapte dermed en plattform for videre forskning på hvordan endringer i parametrene til den hydrauliske bergbryteren påvirker dens ytelse. Med den raske utviklingen innen datamaskin- og programvareteknologi har Matlab og AMEsim blitt anvendt på modellering og simulering av systemer for hydrauliske bergbrytere, og gir teoretisk støtte for å forkorte forsknings- og utviklingsperioder samt forbedre designkvaliteten til nye modeller.

1.5.6 Eksperimentelle forskningsmetoder

Eksperiment er det grunnleggende middel som mennesker bruker for å erkjenne naturen og omforme den objektive verden — ved å oppsummere og abstrahere fenomener som er observert og data som er målt gjennom eksperiment, finne interne sammenhenger og mønstre, og utvikle teorier. Eksperiment er kilden til teori; eksperiment er den eneste dommeren for verifisering av teori.

Hydrauliske bergbryteres slagytelsesparametere er en viktig indikator for å måle deres design, produksjonsnivå og kvalitet. De viktigste parametrene kan alle måles ved eksperimentelle metoder, og resultatene uttrykkes i form av data, kurver eller diagrammer. Ytelsesverifikasjon handler hovedsakelig om måling av slageffekt, slagfrekvens, systemtrykk og strømningshastighet. Målemetodene for disse parameterne har for tiden ingen forenklede internasjonale eksperimentelle standarder. De hydrauliske bergbryteres slagytelsesprøvemethodene som for tiden brukes vanligst er: spenningsbølge-metoden, fotoelektrisk forskyvningsdifferensialmetode, elektromagnetisk induksjonsmetode, kontaktmetoden, high-speed-fotografering, indikatordiagrammetoden og energimetoden osv.

Stressbølge-metoden er en metode for måling av støttningsenergi ved å måle stressbølgen som genereres på meisselen når støtpistonen treffer meisselen. Fotoelektrisk metode bruker prinsippet om fotoelektrisk omforming; gjennom en fotoelektrisk sensor, der posisjonen til støtpistonen brukes som direkte målingsparameter for å bestemme forskyvningen av pistonen, og deretter videre beregne hver enkelt ytelsesparameter for støttenheten. Den fotoelektriske metoden, som er en kontaktfri testmetode, er svært egnet for støttenheter som hydrauliske bergbrytere med lange pistonslag, store diameter og høy hastighet. Metoden basert på elektromagnetisk induksjon bruker et elektromagnetisk induksjonssensorsystem som består av en magnetisk stav montert på støtpistonen og en spiralformet spole montert på huset; den induserte elektromotoriske kraften som oppstår når spolen skjærer magnetfeltlinjene, mens den magnetiske staven beveger seg frem og tilbake sammen med pistonen, brukes til å bestemme pistons hastighet basert på kalibreringsforholdet mellom elektromotorisk kraft og støthastighet, og fra dette beregnes støtenergien til pistonen.

Kontaktmetoden er en metode for å beregne påvirkningsenergi ved hjelp av sluttfarten til stempelet når det treffer det objektet som skal slås. I ytelsestester av bergbrytere er de ovennevnte fire metodene relativt vanlige; andre metoder, enten på grunn av operasjonell kompleksitet og høy kostnad eller på grunn av at de ikke fullt ut reflekterer stemplets bevegelsestilstand, sees sjelden i praktisk bruk.

Det må påpekes at den ovennevnte stressbølgemetoden bare er egnet for testing av påvirkningsutstyr med relativt liten påvirkningsenergi, som hydrauliske bergborere og pneumatiske verktøy, og at det er større utfordringer ved testing av utstyr med stor påvirkningsenergi, som hydrauliske bergknusere. Testkapasiteten til spesialiserte forskningsenheter som studerer stressbølger er vanligvis begrenset og kan ikke håndtere testing av store hydrauliske bergknusere; støyen og vibrasjonene som oppstår ved innendørs testing er også uakseptable. Når det gjelder kontaktmetoden, er den selv om den er enkel å montere, ikke nøyaktig nok i sine resultater og kan derfor ikke anbefales for bred anvendelse. Kun elektromagnetisk induksjonsmetode for testing av hydrauliske bergknusere anses som helhetlig i alle henseender: den kan brukes både for hydrauliske bergborere med liten påvirkningsenergi og for store hydrauliske bergknusere med høy påvirkningsenergi; den måler direkte hastighetskurven til stempelet, og gir dermed stempelets forskyvning og akselerasjon, noe som er svært nyttig for personer som studerer stempelets bevegelsesmønster. Den eneste ulempen er at magnetstangen lett skades under høyfrekvent stempelevibrasjon.

Dr. Ding Wensi ved Central South University, i doktoravhandlingen «Forskning på et nytt type trykktilbakemeldingsbasert nitrogeneksplosivt maskin-elektrisk integrert hydraulisk steinmaler-system», foreslo en ny metode for testing av utgangsparametere til støtutstyr – gass-trykkmetoden. Denne metoden bruker en trykksensor til å registrere virkningen på trykket i den forsegla nitrogenkammeret som er montert i enden av stempelet under stempelets bevegelse, og bestemmer via datamaskin stempelets slaglengde og bevegelseshastighet, og dermed får man de to viktigste utgangsparameterne til støtutstyret – støtenergi og støtfrekvens. I forhold til tradisjonelle testmetoder har den kontaktløse gass-trykkmetoden fordeler som sterkt vibrasjonsmotstand, minimal forberedelsesarbeid, samtidig måling av støtenergi og støtfrekvens, praktisk kalibrering, liten feil i støtparametrene og høy nøyaktighet. Den kan ikke bare brukes som en måle- og identifikasjonsmetode for laboratorieprodukter, men kan også enkelt brukes til online-testing i faktisk drift. Den har blitt anvendt i Jingye-selskapets hydrauliske testprogram og inkludert i bransjestandarden «Hydraulisk steinmaler».

1.5.7 Forskning på vibrasjon, støy og kontroll

I tillegg til støtningsenergi, støtningsfrekvens og masse inkluderer indikatorene for måling av ytelsen til hydrauliske støtmaskiner også støy, vibrasjoner i maskinkroppen og energiutnyttelsesgrad, som er viktige aspekter ved vurdering av den totale ytelsen. Ettersom miljøbevisstheten øker, har utviklede land stadig strengere begrensninger for utstyrsstøy. For å tilpasse seg markedets behov blir støy og vibrasjoner fra hydrauliske støtmaskiner, samt støvnedsettelse, gradvis viktigere indikatorer på forretningskonkurranse; kontrollteknologien for disse faktorene er nå et viktig forskningsemne. Forskere fra ulike land utfører forskning fra strukturelle og materielle aspekter; strukturelt anvendes tiltak som innebygde futterhylser, dempingsanordninger eller mellomlagte stålplater med vibrationsdempende egenskaper for å kontrollere vibrasjoner og støy. Krupp-selskapet har utstyrt alle sine mellomstore og mindre produkter med lyddempende materialer. Rammer-selskapet monterer høytrykksvannspumper og fordampingsdyser på sine nyutviklede produkter for å oppnå effektiv støvredusering. I tillegg brukes sensorteknologi til å oppnå nøyaktig posisjonering av hydrauliske bergbrytere, automatisk boring av hull, automatisk stopp og tilbakedragning av meissel, samt automatisk justering av støtningsenergi og støtningsfrekvens basert på arbeidsobjektet osv.