Teoretisk grunnlag for utregninger av konstruksjon

2.3 Teoretisk grunnlag for utregninger av konstruksjonen

2.3.1 Analyse av stempelets bevegelse

Utforming av hydraulisk bergbryter innebär å beregne de strukturelle parameterne som oppfyller ytelseskravene angitt i konstruksjonsspesifikasjonen. Under disse strukturelle parameterne kan den hydrauliske bergbryteren oppnå den nødvendige støttenrgien og støtfrekvensen.

Det må understrekes sterkt at den hydrauliske bergbryteren produserer støttenrgi og støtfrekvens ved hjelp av stempelets frem- og tilbakebevegelse innenfor en fast slaglengde. S innenfor sylinderkroppen. Over denne faste slaglengden beveger stempelet seg i en kontinuerlig syklus: tilbakestøtakselerasjon → tilbakestøtkobling (bremsing) → tilbakestøtfarten synker til null → kraftstøtakselerasjon → treffer støtpunktet med maksimal hastighet v _m → treffer meisselens hale (utsetter støtenergi) → stopper, starter neste syklus. Denne faste slaglengden S kalles stempelet slag; den er en viktig grunnlag for å bestemme sylinderkroppens dimensjoner.

Stemplet beveger seg frem og tilbake innenfor sylinderkroppen. Fra støtpunktet akselererer det på tilbakestøtet for å nå maksimal tilbakestøthastighet v _mo , deretter begynner det å bremse på grunn av ventilsbytting; farten synker raskt fra v _mo til null — stempelet stopper ved øverste dødpunkt. Strekningen stempelet tilbakelegger, kalles tilbakestøtstrokket. På dette tidspunktet, fordi ventilen fortsatt er i sitt opprinnelige tilstand, begynner stempelet å akselerere under krafttrokket inntil det treffer støtpunktet. Når stempelet kommer i kontakt med meisselens hale, har hastigheten nådd maksimum — kalt stempelets maksimale støthastighet v _m . Strekningen stempelet tilbakelegger fra øverste dødpunkt til det treffer meisselens hale, kalles krafttrokket. Tydeligvis må tilbakestøtstrokket og krafttrokket være like lange.

For å studere teorien bak konstruksjon av hydrauliske bergbrytere grundigere, er det nyttig å forstå stempelets hastighet, trykkene i de ulike kamrene samt strømningsfordelingen og -variasjonen under drift. Årsakene til og retningen på endringene i driftsparametrene til en hydraulisk bergbryter under drift er vist i figur 2-4.

p ₀er nitrogenforladingstrykket i akkumulatoren; Q: er strømmen som pumpen leverer til den hydrauliske bergbryteren; Q: ₁er akkumulatorens tilstrømningsstrøm (+) og utstrømningsstrøm (−); Q: ₂er tilstrømningsstrømmen (+) og utstrømningsstrømmen (−) i pistons fremre kammer, med Q: = Q: ₁ + Q: ₂. Q: ₃er tilstrømningsstrømmen (+) og utstrømningsstrømmen (−) i pistons bakre kammer; p er systemtrykket.

Fig. 2–4 viser pistonen ved starten av returstrekningen. Pumpestrømmen Q: går inn i systemet; en del ( Q: ₂) går inn i pistons fremre kammer og driver returstrekningen, mens bakre kammer utvider olje til tanken ( Q: ₃); den andre delen ( Q: ₁) går inn i akkumulatoren og komprimerer nitrogenen, slik at systemtrykket p starter fra akkumulatorens forladesstrykk p ₀og stiger kontinuerlig når Q: ₁strømmer inn. Bevegelsen til den hydrauliske bergbryteren, basert på stempelens arbeidstilstand, kan generelt deles inn i tre faser, som beskrevet nedenfor:

(1) Stempelets returstrøkakselerasjon

Stempelet starter returstrøket fra støtpunktet. Ettersom pumpen kontinuerlig injiserer væske, øker systemtrykket p ↑ → stempelets hastighet v ↑ → Q: ₂↑ → Q: ₁↓ → Q: ₃↑, og olje fortsetter å bli utvannet til tanken. Fordi stempelets hastighet v ↑ → Q: ₂↑ → Q: ₁↓, inntil Q: ₁= 0. Egenskapen til denne perioden er v ↑ og p ↑. Når Q: ₁= 0, oppstår et vendepunkt: trykket p øker ikke lenger, men stempelhastigheten fortsetter å øke (fordi den drevende kraften for stempelens returbevegelse fortsatt eksisterer). Etter dette vendepunktet, fordi v ↑, pumpens volumstrøm Q: kan ikke lenger dekke strømbehovet for stempelbevegelsen, dvs. Q: ₂ > Q: . For å dekke strømbehovet i stempelfrontkammeret må akkumulatoren nå frigjøre olje for å kompensere for pumpens underskudd. Basert på prinsippet om strømbalanse, Q: ₂ = Q: + Q: ₁; på dette tidspunktet Q: ₁er strømmen som strømmer ut av akkumulatoren og inn i stempelfrontkammeret, inntil v ↑ til v = v _mo , ventilen bytter, og stempelet går inn i tilbake-stroksavbremsingsfasen.

(2) Stempelets tilbake-stroksavbremsing

Under tilbake-stroken har stempelets forreste skulder passert tilbakemeldingshullet, slik at ventilen bytter og reverserer kraftretningen på stempelet; den drivende kraften påføres stempelet i motsatt retning, og stempelet begynner å bremse ned inntil v = 0. Tilbake-stroken er nå fullført; stempelet har nådd øverste dødpunkt og tilbakelagt hele slaglengden S , klar for kraftstroken å begynne.

(3) Stempelets kraftstrok

Når stempelets hastighet synker til v = 0, reverseres kraften på stempelet, slik at stempelets hastighet v også reverseres og endres fra '+' til '−'. Stempelet begynner deretter å akselerere under kraftstroken under den omvendte kraften. Ved starten av kraftstrokakselerasjonen starter stempelets hastighet fra v = 0, på hvilket tidspunkt stempelets oljeforbruk Q: ₃= 0; hele pumpeutladningen Q: strømmer inn i akkumulatoren, Q: ₁ = Q: , Q: ₂= 0. Ettersom kraftstøtfarten v ↑ → Q: ₃↑ → Q: ₁↓ → Q: ₂(−)↑. Det bør bemerkes her at fordi frontkammerets areal En ₂er mindre enn bakre kammerets areal En ₁, må det, basert på prinsippet om strømbalanse, være Q: ₃ = Q: ₂ + Q: − Q: ₁, med v ↑ og Q: ₁↓, inntil Q: ₁= 0. Dette betyr v ↑; på dette tidspunktet injiseres hele pumpeutladningen Q: fullstendig inn i pistons bakre kammer, dvs. Q: ₃ = Q: , Q: ₁= 0, men pistons hastighet v har ennå ikke nådd maksimal hastighet v _m . Stempelet fortsetter å akselerere; pumpestrømmen Q: kan ikke lenger dekke behovet, så akkumulatoren begynner å supplere strømmen, dvs. Q: ₃ = Q: + Q: ₁(−), inntil stempelet treffer meisselens bakre ende med maksimal hastighet v _m . I øyeblikket av støtet blir stempelets hastighet plutselig v = 0, og stempelet overfører støtenergi W til omgivelsene, og én arbeidsperiode er fullført.

Ettersom akkumulatorens innstrømning/utstrømning Q: ₁endres, endres også systemtrykket p tilsvarende. Ved ladning av akkumulatoren, Q: ₁= '+', systemtrykk p ↑; når akkumulatoren tømmes til omgivelsene, Q: ₁= '−', systemtrykk p ↓. Med andre ord følges arbeidsprosessen til en hydraulisk bergbryter alltid av endringer i systemtrykket. Når mest olje er fylt inn i akkumulatoren, er systemtrykket på sitt høyeste. Når stempelen har nådd slagpunktet, har akkumulatoren tømt ut mest olje — dette er øyeblikket med lavest systemtrykk. Derfor svinger systemets arbeidstrykk for den hydrauliske bergbryteren alltid frem og tilbake mellom et maksimalt trykk p og et minimalt trykk p _maks , og det er absolutt umulig at det skal være konstant og uendret. p _min fig. 2-5 viser variasjonen av alle systemparametre når den hydrauliske bergbryteren er i drift.

Fig. 2-5 Variasjon i systemparametere under drift av en hydraulisk bergbryter [Forklaring: skravert = akkumulatorladning; tverrskravert = akkumulatordischarge; hvit = oljeforbruk i stempel]

Den ovenfor beskrevne arbeidsprosessen viser at variasjonen i driftsparametere er ganske kompleks — det er et ikke-lineært system. Dette skaper betydelige utfordringer for grundig teoretisk analyse og forskning. I praksis er dette en av de viktigste årsakene til at den teoretiske forskningen på hydrauliske bergbrytere har hinket bak produktutviklingen.

2.3.2 Nåværende status for teoretisk forskning

Forskere verden over har generelt fulgt to ulike tekniske tilnærminger til teoretisk forskning på hydrauliske slagverktøy (hydrauliske bergbrytere): forskning basert på lineær systemteori og forskning basert på ikke-lineær systemteori.

1) Forskning basert på lineær systemteori antar at kraften på stempelet er konstant, at stempelets hastighet øker lineært med en jevn rate og at visse påvirkende faktorer ignoreres; et lineært matematisk modell bygges på denne grunnlaget for teoretisk forskning. Denne forskningsmetoden er tydeligvis enkel og kan løse noen praktiske problemer, men den er ikke særlig nøyaktig og innebär betydelige feil.

2) Forskning basert på ikkelineær systemteori bruker differensiallikninger av høyere orden og ikkelineære likninger til å beskrive bevegelsesmønstrene til hydraulisk bergbryter, og gir en mer nøyaktig fremstilling av kinematikken og dynamikken til stempelet i en hydraulisk bergbryter. Denne ikkelineære forskningen er mer nøyaktig enn den lineære forskningen, men den bygger fortsatt på noen antakelser. Selv om den kan avdekke noen fysiske fenomener ved hydraulisk støt med større nøyaktighet, er den vanskelig å løse, ikke lett å tolke og kan bare gi numeriske løsninger gjennom datamaskinberegning, noe som gjør den ubekvem å bruke.

I tillegg til disse to tilnærmingene foreslo forfatterne, etter mange år med dedisert forskning, den Abstrakte variabeldesign-teorien for hydrauliske bergbrytere (hydrauliske støtmechanismer). Ved å bruke abstrakt variabeldesign-teori kan analytiske løsninger for hydrauliske bergbrytere finnes, noe som kan avdekke de indre mønstrene i bevegelsen til hydrauliske bergbrytere på en grundig måte og gi et teoretisk grunnlag for teknisk innovasjon av brukere.

Forskningsmetoden for teorien om abstrakt variabelutforming av hydraulisk bergbryter: å anerkjenne ikkelineariteten i driftsparametrene til hydraulisk bergbryter, men bruke ekvivalent krafttransformasjon for å linearisere det ikkelineære systemet, slik at det kan analyseres ved hjelp av metoder for lineære systemer for å få analytiske løsninger. Drifts- og konstruksjonsparametrene for hydrauliske bergbrytere som er oppnådd med denne metoden er svært nøyaktige, og beregningene er enkle. Teorien om abstrakt variabelutforming av hydraulisk bergbryter vil behandles spesifikt i senere kapitler.