Przegląd teoretycznych badań nad hydraulicznymi młotami do skał

1.5 Przegląd teoretycznych badań nad hydraulicznymi młotami do skał

Podczas pracy hydraulicznego młota do skał ciśnienie oleju w komorze roboczej zmienia się z wysoką częstotliwością pod kontrolą zaworu rozdzielającego; właściwości cieczy w przewodzie olejowym nie mogą być analizowane wyłącznie na podstawie teorii przekazywania mocy hydraulicznej, a konieczne jest zastosowanie analizy z zakresu teorii drgań hydraulicznych. Siła działająca na tłok i klin wzrasta od zera do dziesiątek–setek megapaskali w ciągu kilkudziesięciu mikrosekund, po czym spada z powrotem do zera; forma przekazywania energii za pomocą fal naprężeń oznacza, że opis procesu roboczego nie może opierać się wyłącznie na statyce, mechanice ciała sztywnego oraz kinematyce. Zasada działania młota uderzeniowego należy do zagadnień dynamiki ciała sprężystego, a dokładny opis procesu przekazywania energii wymaga zastosowania teorii fal.

W zależności od różnic w podstawowych założeniach i modelach matematycznych badania hydraulicznych młotów do skał dzielą się na dwie główne kategorie: badania oparte na modelu liniowym oraz badania oparte na modelu nieliniowym.

1.5.1 Liniowe modele badawcze dla hydraulicznych młotów skalnych

Badania liniowe to uidealizowane badania przeprowadzane poprzez liniowienie nieliniowych hydraulicznych młotów do rozdrabniania skał za pomocą założeń — modele liniowe uzyskane przy założeniu „stałego ciśnienia oleju hydraulicznego” oraz pomijające pewne czynniki. Założeniem tych badań jest pogląd zaproponowany przez radzieckich uczonych Oda Alimova i Sabasowa w książce „Teoria konstrukcji maszyn hydraulicznych do drgań i uderzeń”: „Przy zapewnieniu zadanej końcowej prędkości uderzenia sterowanie ciśnieniowe z pełnym wyrównaniem ciśnień jest optymalnym sterowaniem o najwyższej sprawności.” Na podstawie założenia „sterowania przy stałym ciśnieniu” radzieccy uczeni zaproponowali optymalny schemat projektowy minimalnej maksymalnej siły ciągu. Japoński uczony Nakamai i inni, uwzględniając na tej podstawie opór przepływu w przewodach, przeprowadzili badania teoretyczne i projektowe dotyczące regulowalności skoku tłoka. Profesor Li Dazhi z Uniwersytetu Nauki i Technologii Pekinu zaproponował koncepcję optymalnego projektowania skoku tłoka. Chen Yufan i inni wykorzystali liniowe modele urządzeń uderzeniowych, stosując analizę bezwymiarową z metodą optymalnego skoku, aby przeprowadzić analizę bezwymiarową parametrów urządzeń uderzeniowych, uzyskując szereg wyrażeń związanych z parametrami, które mogą służyć jako wskazówki dla prac projektowych. Doktor Chen Dingyuan z Uniwersytetu Nauki i Technologii Pekinu, przyjmując jako zmienną projektową współczynnik C = S/S_m (gdzie S to skok roboczy, a S_m to maksymalny skok), przeprowadził analizę bezwymiarową hydraulicznych młotów do rozdrabniania skał i stwierdził, że optymalna strefa sprawności odpowiada wartościom C = 0,75–0,850. Profesor Wang Zheng z Uniwersytetu Nauki i Technologii Pekinu, przyjmując jako zmienną projektową czas t przyspieszania tłoka w fazie powrotu, przeprowadził kompleksową analizę parametrów i stwierdził, że: przy minimalnej zmianie objętości akumulatora t = 0,406T; przy minimalnym uderzeniu hydraulicznym t = 0,5T. Profesor He Qinghua z Uniwersytetu Środkowego Południa wykorzystał współczynnik charakterystyczny konstrukcji urządzenia uderzeniowego — stosunek efektywnych powierzchni komór przedniej i tylnej tłoka — jako bezwymiarową zmienną projektową w celu przeprowadzenia optymalizacji projektowej urządzeń uderzeniowych. Ponieważ wiele badań liniowych nie uwzględnia wzajemnego ograniczającego wpływu tłoka i zaworu, który bezpośrednio wpływa na wydajność uderzeniową oraz stan akumulatora, nie są one w stanie dokładnie oddać wzajemnych zależności między wieloma parametrami konstrukcyjnymi w mechanizmie. Choć dokładność tych badań jest stosunkowo niska, ich wyniki w podstawowym zakresie odzwierciedlają wpływ różnych czynników na wydajność i dlatego mają określoną wartość praktyczną w badaniach teoretycznych i projektowych.

1.5.2 Modele nieliniowe dla hydraulicznych młotów do skał

Jako stosunkowo typowy i złożony jednociałowy system mechanicznego sprzężenia zwrotnego do śledzenia ruchu, hydrauliczny młot do skał, podobnie jak układy nieliniowe w innych dziedzinach, wykazuje wiele zjawisk i wzorców nieliniowych. Badania nad zjawiskami nieliniowymi uwzględniły w sposób bardziej kompleksowy czynniki wpływające na ruch hydraulicznego młota do skał, przeprowadziły stosunkowo wyczerpującą analizę stanu naprężeń w tym urządzeniu oraz uzyskały układy nieliniowych równań różniczkowych wyższych rzędów opisujące jego wzorce ruchu. Jednak te równania są trudne do rozwiązania, ich opis nie jest intuicyjny i mogą być rozwiązywane wyłącznie numerycznie przy użyciu komputerów. W ostatnich latach, wraz z rozwojem nauk komputerowych i technologii oraz powszechnym rozpowszechnieniem mikrokomputerów, badania nad nieliniowymi modelami matematycznymi zyskują rosnące zainteresowanie wśród specjalistów.

Już na początku lat 70. XX wieku zagraniczni naukowcy zastosowali komputery cyfrowe do badań symulacyjnych maszyn uderzeniowych wykorzystujących wiertniki pneumatyczne do skał, uzyskując stosunkowo dokładne wyniki. W 1976 r. japoński uczony Masao Masabuchi jako pierwszy zastosował obliczenia matematyczne do badania hydraulicznych młotów do skał, proponując model matematyczny urządzenia do badań uderzeniowych hydraulicznych oraz wykorzystując obliczenia iteracyjne do wyznaczenia prędkości i częstotliwości skoku roboczego, a następnie porównując je z wartościami zmierzonymi. W latach 80. XX wieku japońscy naukowcy Takauchi Yoshio, Tanimata Shu i inni przeprowadzili badania nieliniowe dotyczące wydajności i konstrukcji hydraulicznych młotów do skał, proponując modele analityczne odpowiednie do oceny wydajności i projektowania hydraulicznych młotów do skał oraz teorię wyprowadzenia i metodę analizy tych modeli analitycznych. W 1980 r. Li Dazhi i Chen Dingyuan z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Pekinie zaproponowali nieliniowy model matematyczny, w którym ciśnienie akumulatora było przyjmowane jako ciśnienie robocze, oraz poszukiwali stabilnych rozwiązań numerycznych. W 1983 r. He Qinghua z Uniwersytetu Przemysłowego Środkowego Południa w pracy „Badania symulacji numerycznej hydraulicznych młotów do skał” zastosował metodę przełączania stanów do stworzenia kompleksowego modelu matematycznego, zaproponował „metodę obliczeń quasi-jednostajnego przyspieszenia” (metoda PUA), skorygował błędy występujące w punktach przełączenia stanów oraz poprawił dokładność symulacji. W 1987 r. profesor Chen Xiaozhong oraz nauczyciel Chen Dingyuan z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Pekinie opracowali nieliniowy model matematyczny mechanizmów uderzeniowych oraz napisali programy symulacyjne w języku BASIC, uzyskując dane symulacyjne stosunkowo zgodne z wartościami zmierzonymi. Podczas pracy hydraulicznego młota do skał, z powodu wysokiego ciśnienia, krótkiego cyklu uderzenia oraz częstego przełączania przepływu oleju, występuje stale zmieniająca się komora o zmiennej wartości ciśnienia; w związku z tym przepływ oleju hydraulicznego przez różne szczeliny generuje dużą ilość ciepła, powodując lokalne podwyższenie temperatury i wpływając negatywnie na wydajność urządzenia uderzeniowego oraz lokalne smarowanie; jednak badania w tej dziedzinie pozostają nadal nieprzeprowadzone.

Ze względu na złożoność ruchu hydraulicznego młota do skał nieliniowe modele są również budowane na podstawie określonych założeń, dlatego w rzeczywistości nie ma istotnej różnicy między modelami liniowymi a nieliniowymi pod względem opisu istotnej natury zjawisk — różnią się jedynie metodami rozwiązywania modeli matematycznych. Modele liniowe wykorzystują rozwiązania analityczne, podczas gdy modele nieliniowe wymagają zastosowania metod numerycznych przy użyciu komputerów. Oba typy modeli mogą jedynie przybliżać wzorce ruchu urządzenia uderzeniowego, a aby uzyskać bardziej dokładne metody opisu, konieczny jest dalszy rozwój dynamiki płynów obliczeniowej.

Należy podkreślić, że wraz z rozwojem technologii hydraulicznych młotów do skał, w szczególności z pojawieniem się hybrydowych młotów hydrauliczno-pneumatycznych oraz hydraulicznych młotów wykorzystujących azot pod ciśnieniem wybuchowym, ośrodek roboczy hydraulicznego młota do skał nie ogranicza się już wyłącznie do oleju, lecz obejmuje także gaz; wprowadzenie azotu zwiększa dodatkowo trudność i złożoność badań teoretycznych.

1.5.3 Badania kluczowych komponentów hydraulicznych młotów skalnych

(1) Badania tłoka

Jakość projektowania i produkcji tłoka uderzeniowego w dużym stopniu decyduje o wydajności urządzenia uderzeniowego. Chińscy naukowcy przeprowadzili na ten temat istotne badania. Nauczyciel Meng Suimin z Gezhouba College of Hydroelectric Engineering, opierając się na modelu liniowym, zastosował analizę bezwymiarową do wstępnego zbadania wpływu prędkości odbicia tłoka na parametry pracy hydraulicznego młota górniczego. Profesor Liu Deshun z Xiangtan Engineering College w artykule „Obliczanie prędkości odbicia tłoka w wiertnicy górniczej” zastosował teorię dynamiki fal oraz, analizując zasadę działania wiertnicy górniczej, zaproponował kryteria oceny odbicia tłoka oraz wzory do obliczania prędkości jego odbicia, uzyskując następujące wnioski: ① Stan odbicia tłoka oraz jego prędkość są związane z właściwościami tłoka, dłuta i skały, przy czym ich wpływ nie jest niezależny, lecz wzajemnie powiązany. ② Im mniejszy współczynnik sztywności odciążania skały, tym większa prędkość odbicia. Im mniejszy współczynnik γ charakteryzujący właściwości obciążania wiertnicy górniczej i skały, tym większa prędkość odbicia. ④ Aby osiągnąć stosunkowo optymalną wydajność wiercenia skał, przy projektowaniu urządzenia uderzeniowego współczynnik charakterystyczny γ należy kontrolować w zakresie 1 ≤ γ ≤ 2.

Przemysł stopniowo wypracował pewne wytyczne projektowania tłoków:

1) Tłok powinien być wydłużony i ograniczać niepotrzebne zmiany przekroju poprzecznego, aby zwiększyć sprawność przekazywania energii oraz przedłużyć żywotność kruszarki.

2) Powierzchnia czołowa tłoka uderzająca powinna mieć powierzchnię możliwie równą lub zbliżoną do powierzchni czołowej tylnego końca kruszarki, a także powinna występować określona długość stożkowości, aby zapewnić skuteczne przekazywanie fal uderzeniowych.

3) Pełny skok i nadmierny skok tłoka nie mogą uszkadzać konstrukcji uszczelniających na obu końcach.

4) Wymiary hydraulicznej poduszki przeciwzapalnej oraz długości uszczelnień poszczególnych segmentów tłoka muszą zostać odpowiednio zaprojektowane.

5) Konieczne jest prawidłowe dobranie materiału — materiał tłoka musi charakteryzować się wysokimi właściwościami mechanicznymi, dużą twardością powierzchniową, dobrą odpornością rdzenia na uderzenia oraz bardzo dobrą odpornością na zużycie i uderzenia.

6) Dopasowanie luzu montażowego między tłokiem a korpusem cylindra powinno być odpowiednio dobrane, uwzględniając w sposób kompleksowy straty spowodowane przeciekami oraz dokładność obróbki. Ogólnie rzecz biorąc, luz montażowy między tłokiem a korpusem cylindra wynosi od 0,04 do 0,06 mm, natomiast luz montażowy między tłokiem a rękawem podporowym – od 0,03 do 0,05 mm.

(2) Badania zaworu rozdzielającego

Obecnie większość hydraulicznych młotów skalnych wykorzystuje systemy tłokowe z zaworami sterowanymi sygnałem zwrotnym położenia, a szybką ruchową ruchem posuwisto-zwrotnym tłoka osiąga się poprzez zmianę schematu dopływu oleju do określonej komory urządzenia uderzeniowego. Choć taka metoda sterowania jest stosunkowo prosta, to jej proces przejściowy jest dość skomplikowany. W trakcie przełączania zaworu parametry takie jak czas, prędkość, skok oraz zużycie oleju zmieniają się etapowo, co może znacznie wpływać na wydajność urządzenia uderzeniowego. W związku z tym Liu Wanling i inni z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Pekinie przeprowadzili – na podstawie badań teoretycznych i eksperymentalnych – szczegółowe badania charakterystyk zaworów sterujących w układach hydraulicznych uderzeniowych, uzyskując rzeczywistą trajektorię ruchu badanego zaworu urządzenia uderzeniowego, ujawniając prawidłowości ruchu zaworu kierunkowego oraz określając główne parametry zaworu sterującego wpływające na wydajność urządzenia uderzeniowego. Qi Renjun i inni z Uniwersytetu Środkowego Południa przeprowadzili analizę teoretyczną procesu sterowania zaworem, badania optymalizacyjne struktury i parametrów zaworu oraz uzyskali pewne korzystne wnioski ogólne; w celu zapobieżenia możliwemu nasyceniu prędkości i zjawisku kawitacji podczas wysokoprędkościowego ruchu zaworu kierunkowego zaproponowano skuteczne rozwiązania polegające na zmniejszeniu masy i skoku tłoczka zaworu przy jednoczesnym umiarkowanym zwiększeniu średnicy przekroju przepływowego oleju. Liu Wanling i Gao Lanqing z Pekinskiego Instytutu Metalurgii i Stali w pracy „Analiza charakterystyk dynamicznych zaworu kierunkowego hydraulicznego młota skalnego – badania symulacyjne i eksperymentalne”, wykorzystując język programowania BASIC, zbadali możliwości poprawy charakterystyk dynamicznych zaworu i stwierdzili, że wraz ze wzrostem otwarcia bez przełożenia (zero-overlap) ciśnienie w komorze tylnej szybko spada, praca uderzeniowa rośnie, częstotliwość uderzeń nieco maleje, a sprawność urządzenia uderzeniowego wzrasta; jednakże przy zbyt dużym otwarciu bez przełożenia, z powodu skrócenia długości uszczelnienia na barku zaworu, praca zaworu staje się niestabilna.

(3) Badania akumulatorów

Akumulator jest ważnym elementem hydraulicznego młota do skał, a jego konstrukcja wpływa bezpośrednio na ogólną wydajność maszyny. Dlatego też badania nad wydajnością hydraulicznego młota do skał obejmują również badania akumulatorów. W 1990 r. japońscy naukowcy Takauchi Yoshio, Tanimata Shu i inni przeprowadzili badania eksperymentalne i teoretyczne oraz, opierając się na opracowanym modelu analitycznym, zastosowali równanie stanu do uzyskania wzoru obliczeniowego objętości napełnienia akumulatora azotem, który następnie zweryfikowali eksperymentalnie, zapewniając podstawę teoretyczną do projektowania optymalnego akumulatora. W 1986 r. Duan Xiaohong z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Pekinie, stosując metodę parametrów skupionych, opracował dynamiczny model membranowych akumulatorów wysokociśnieniowych i zastosował zarówno metody eksperymentalne, jak i obliczeniowe do analizy charakterystyk częstotliwościowych układu akumulatora; omówił także optymalne sprzężenie między akumulatorem a hydraulicznym młotem do skał, wskazując, że optymalna strefa pracy urządzenia uderzeniowego to taka, w której dominującym czynnikiem energetycznym jest druga harmoniczna odpowiedzi akumulatora na zmiany ciśnienia w układzie. W 1986 r. prof. He Qinghua z Uniwersytetu Środkowego Południa opublikował artykuł pt. „Olej powrotny i akumulator oleju powrotnego w mechanizmach uderzeniowych hydraulicznych”, w którym stwierdził, że robocze ciśnienie hydrauliczne hydraulicznego młota do skał zależy głównie od siły bezwładności własnych części ruchomych – jest to istotna cecha odróżniająca hydrauliczny młot do skał od zwykłych urządzeń hydraulicznych, w których robocze ciśnienie hydrauliczne zależy głównie od obciążenia zewnętrznego. Ciśnienie powrotne wynika głównie z hydraulicznego ciśnienia bezwładnościowego powstającego przy przyspieszaniu oleju podczas odpływu oleju przez tłoczki lub zawory do przewodu oleju powrotnego; wskazano również, że ze względu na różnicę pomiędzy charakterem przepływu w urządzeniu uderzeniowym a charakterem zmian przepływu oleju w przewodzie powrotnym, kawitacja występuje wtedy, gdy przepływ wpływający do przewodu powrotnego jest mniejszy niż przepływ oleju poruszającego się w tym przewodzie. Aby zmniejszyć ciśnienie powrotne bezwładnościowe i wyeliminować kawitację powrotną, zaproponowano zainstalowanie akumulatora oleju powrotnego w hydraulicznym młocie do skał oraz zaproponowano metodę projektowania parametrów takiego akumulatora. W ostatnich latach Uniwersytet Nauki i Technologii w Pekinie prowadził badania nad charakterystykami dynamicznego sprzężenia akumulatorów hydraulicznego młota do skał, opracował pakiet oprogramowania symulacyjnego HRDP oraz osiągnął rezultaty w obliczeniach weryfikacyjnych dotyczących optymalnych charakterystyk dynamicznego sprzężenia akumulatora.

(4) Badania nad urządzeniami zapobiegającymi odpalaniu na sucho oraz pochłaniaczami energii odbicia dłuta

Ponieważ podczas pracy hydraulicznego młota skalnego nieuniknione są zjawiska odbicia klinu i odpalania na sucho, wydajność działania urządzenia pochłaniającego energię odbicia klinu oraz urządzenia zapobiegającego odpalaniu na sucho ma duży wpływ na czas eksploatacji hydraulicznego młota skalnego. Profesor Meng Suimin w artykule „Analiza prędkości odbicia tłoka wiertarki skalnej” przeprowadził systemową analizę czynników powodujących odbicie tyłu klinu oraz zbadał metody pochłaniania energii odbicia klinu. Liao Yide z Uniwersytetu Środkowego Południa w artykule „Teoretyczne i eksperymentalne badania urządzeń buforujących odpalanie na sucho w hydraulicznych wiertarkach skalnych” opracował model matematyczny procesu buforowania odpalania na sucho i przeprowadził badania symulacyjne. Dr Liao Jianyong w artykule „Teoria projektowania i wspomagane komputerowo projektowanie wielostopniowych hydraulicznych wiertarek skalnych” przeprowadził symulacje komputerowe oraz optymalizację projektową urządzeń pochłaniających energię odbicia klinu i urządzeń zapobiegających odpalaniu na sucho. Liu Deshun z Uniwersytetu Środkowego Południa w swojej rozprawie doktorskiej „Badania dynamiki falowej mechanizmów uderzeniowych” zastosował teorię dynamiki fal, wyprowadził wzory obliczeniowe prędkości odbicia dla poszczególnych części mechanizmu uderzeniowego oraz wskazał, że energię odbicia można wykorzystać poprzez racjonalne zaprojektowanie poszczególnych elementów mechanizmu uderzeniowego. Instytut Badawczy Maszynerii Inżynierskiej Hydraulicznej Uniwersytetu Środkowego Południa opracował dwustopniowe urządzenie buforujące odpalanie na sucho, które w pełni wykorzystuje zdolności urządzenia pochłaniającego energię odbicia klinu – to innowacyjne osiągnięcie badawcze.

1.5.4 Badania nad technologią strojenia częstotliwości, strojenia energii oraz sterowania dla hydraulicznych młotów do kruszenia skał

Wraz z rozwojem technologii hydraulicznych młotów do kruszenia skał wymagania stawiane w warunkach terenowych w zakresie budowy uległy zmianie. Aby skutecznie poprawić wydajność produkcji, konieczne jest, aby energia uderzeniowa i częstotliwość uderzeń hydraulicznego młota do kruszenia skał mogły się zmieniać w zależności od właściwości skały. Oznacza to, że przy maksymalnym wykorzystaniu mocy zainstalowanej maszyny nośnej, w przypadku twardszej skały hydrauliczny młot do kruszenia skał generuje większą energię uderzeniową i niższą częstotliwość uderzeń; natomiast w przypadku miększej skały – mniejszą energię uderzeniową i wyższą częstotliwość uderzeń, co pozwala osiągnąć wyższą wydajność produkcji. W celu osiągnięcia powyższych celów prowadzone są szerokie badania zarówno w kraju, jak i za granicą.

Z teoretycznych badań nad hydraulicznymi młotami do skał wynika, że ich wydajność (energia uderzenia i częstotliwość) można regulować głównie na trzy sposoby: ① poprzez regulację przepływu; ② poprzez regulację skoku; ③ poprzez regulację ciśnienia zwrotnego. Obecnie większość krajowych i zagranicznych hydraulicznych młotów do skał ma tylko jeden stały skok — oznacza to, że ich wydajność nie jest regulowana. Oczywiście, jeśli takie hydrauliczne młoty do skał stosują metodę regulacji przepływu w celu dostosowania wydajności, to choć teoretycznie jest to możliwe, w praktyce nie jest to realizowalne. Wynika to z faktu, że zmiany przepływu powodują jednoczesne zmiany parametrów wydajności, uniemożliwiając niezależną regulację.

Chociaż niektórzy krajowi i zagraniczni producenci zaprojektowali i wyprodukowali hydrauliczne młoty do rozbijania skał z regulowaną długością suwu, ze względu na ich sztywną konstrukcję oraz krokowe (stopniowe) regulacje są one bardzo niewygodne w użytkowaniu i dają słabe rezultaty, dlatego nie cieszą się uznaniem wśród użytkowników. W przypadku rozdziału sygnału zwrotnego suwu parametry robocze urządzenia są dostosowywane głównie poprzez zmianę przepływu wejściowego układu lub dodanie wielu otworów sygnału zwrotnego suwu w fazie powrotnej oraz kontrolę włączania/wyłączania poszczególnych otworów sygnałowych w celu regulacji suwu tłoka, co z kolei zmienia energię uderzeniową i częstotliwość uderzeń hydraulicznego młota do rozbijania skał. Przykładem może być trójprędkościowy szwedzki hydrauliczny młot do wiercenia skał firmy Atlas-Copco. Automatyczne hydrauliczne młoty do rozbijania skał serii YYG Uniwersytetu Środkowego Południa — ze względu na ograniczenia konstrukcyjne, zastosowana zasada pozwala jedynie na krokową regulację parametrów roboczych hydraulicznego młota do rozbijania skał; ponadto, ponieważ ciśnienie i przepływ w układzie uderzeniowym są do siebie proporcjonalne w kwadracie, jednoczesne zwiększenie energii uderzeniowej i częstotliwości uderzeń powoduje bardzo duże zmiany mocy maszyny nośnej, co ogranicza zakres pracy oraz wydajność hydraulicznego młota do rozbijania skał. Profesor Takashi Takahashi z Uniwersytetu w Akicie w Japonii w jednej ze swoich publikacji opisał metodę regulacji położenia otworu sygnału zwrotnego suwu w celu zmiany długości suwu tłoka hydraulicznego młota do rozbijania skał. Eksperymenty wykazały, że przy zwiększeniu suwu tłoka o 10% częstotliwość uderzeń spada o 8%, natomiast energia uderzeniowa wzrasta o 12%, co poprawia wydajność pracy i dostarcza podstaw teoretycznych oraz dowodów eksperymentalnych dla projektowania hydraulicznych młotów do rozbijania skał z regulowaną długością suwu. Dr He Qinghua z Uniwersytetu Środkowego Południa w pracy „Badania nad hydraulicznymi urządzeniami uderzeniowymi z regulowaną długością suwu” porównał kilka typów metod zmiany przełożenia oraz przeprowadził analizę teoretyczną zależności pomiędzy różnymi parametrami roboczymi hydraulicznych urządzeń uderzeniowych z regulowaną długością suwu a długością suwu przy zmianie przełożenia; uzyskane wyniki mają wyraźne znaczenie kierunkowe dla projektowania i eksploatacji hydraulicznych młotów do rozbijania skał z regulowaną zmianą przełożenia. W tej książce zaproponowano koncepcję niezależnej i bezstopniowej regulacji parametrów roboczych opartą na zasadzie sprzężenia zwrotnego ciśnienia oraz wprowadzono nowy produkt – hydrauliczny młot do rozbijania skał. Głównie reguluje on pojedynczą energię uderzeniową urządzenia uderzeniowego poprzez kontrolę wartości ciśnienia powrotnego tłoka; równocześnie za pomocą sterowania przepływem pompy zmiennej bezstopniowo regulowana jest częstotliwość działania urządzenia uderzeniowego, dzięki czemu zarówno energia uderzeniowa, jak i częstotliwość uderzeń mogą być niezależnie i bezstopniowo dostosowywane w stosunkowo szerokim zakresie przy niewielkich zmianach mocy maszyny nośnej. W zakresie badań teoretycznych, projektowania konstrukcyjnego oraz metod sterowania dla tego nowego typu hydraulicznego urządzenia uderzeniowego autorzy przeprowadzili badania nad hydraulicznymi urządzeniami uderzeniowymi z niezależną bezstopniową regulacją energii uderzeniowej i częstotliwości uderzeń. Dr Zhao Hongqiang w doktoranckiej rozprawie „Badania nad nowym typem hydraulicznego kruszarka skalnego z niezależnym sterowaniem bezstopniowym” przełamał tradycyjną metodę sterowania sprzężeniem zwrotnym suwu stosowaną w hydraulicznych młotach do rozbijania skał i zastosował metodę sprzężenia zwrotnego ciśnienia oraz sterowania przepływem pompy zmiennej, dzięki czemu osiągnięto niezależne bezstopniowe sterowanie energią uderzeniową i częstotliwością uderzeń hydraulicznego młota do rozbijania skał. Ding Wensi w swojej rozprawie doktorskiej, przyjmując jako zmienną sterującą ciśnienie azotu w tylnej części kruszarki, przeprowadził obszerne badania nad kruszarkami typu rozdzielacz wymuszony sterowanymi zaworami szybkozamykania, realizując niezależne strojenie częstotliwości i energii kruszarek. Zhang Xin w pracy „Badania nad nowym typem systemu hydraulicznego urządzenia uderzeniowego ze sprzężeniem zwrotnym ciśnienia z integracją mechaniczno-elektryczną” zastosował sterowane mikrokontrolerem zawory szybkozamykania w celu zrealizowania sterowania komputerowego urządzenia uderzeniowego. Yang Guoping w doktoranckiej rozprawie „Badania nad czysto hydraulicznym urządzeniem uderzeniowym z niezależnym bezstopniowym strojeniem częstotliwości i energii” zaproponował inteligentne urządzenie uderzeniowe z czysto hydrauliczną koncepcją sterowania, które umożliwia bezstopniową regulację energii uderzeniowej i częstotliwości uderzeń hydraulicznego młota do rozbijania skał za pomocą zaworu rozdzielającego typu pilotowego.

1.5.5 Obecny stan badań nad technologią symulacji hydraulicznych młotów skalnych

Z punktu widzenia projektowania i rozwoju produktu badania charakterystyk dynamicznych mechanizmów najlepiej przeprowadzać w fazie rozwoju i projektowania produktu. Symulacja odpowiedzi dynamicznej układów sterowania hydraulicznego zawsze była dziedziną ciągle badaną przez branżę hydrauliczną oraz powszechnie stosowaną metodą analizy charakterystyk dynamicznych odpowiedzi układów sterowania.

Specyficzna metoda pracy hydraulicznego młota skalnego determinuje, że analiza i badania symulacji dynamicznej muszą stanowić podstawę teoretycznego projektowania i rozwoju mechanizmu. Po pojawieniu się komputerów usunięto przeszkodę wynikającą z konieczności polegania wyłącznie na testach produktu w celu uzyskania dokładnych lub wiarygodnych wyników dotyczących wydajności ruchowej mechanizmu. Badacze zaczęli stosować różne metody do tworzenia modeli matematycznych opisujących drgania i uderzenia maszyn hydraulicznych, analizując procesy zmian parametrów hydraulicznych młotów skalnych za pomocą technologii symulacyjnej oraz wykorzystując technologię wirtualnego prototypu do symulowania procesów ruchowych maszyn uderzeniowych. Po ustaleniu wyników projektu ruch mechanizmu można jasno zrozumieć, a odpowiednie parametry wydajności obliczyć, co zapewnia skuteczną ścieżkę skracania cykli rozwoju nowych produktów, optymalizacji projektu oraz przeprowadzania analizy wydajności dynamicznej.

W latach 60. i 70. XX wieku zagraniczni badacze zaczęli stosować komputery cyfrowe do symulacji działania maszyn uderzeniowych. W tych pracach ciśnienie w przedniej i tylnej komorze było zmienną, na podstawie której obliczano przepływ cieczy do i z każdego otworu, korygując wyniki współczynnikami przepływu; następnie zastosowano równanie stanu gazu oraz równanie bilansu energii, by stworzyć mikro-równania różniczkowe opisujące zmiany stanu akumulatora i tłoka; po dokonaniu pewnych przybliżeń dotyczących ruchu zaworu zastosowano metody różnic skończonych do numerycznego rozwiązania równań. Wyniki symulacji, zwłaszcza parametry wydajnościowe, były bardzo bliskie wartościom zmierzonym, co dało satysfakcjonujące rezultaty. W Japonii badacze skupiali się bardziej na tworzeniu modeli komputerowych konkretnych hydraulicznych młotów górniczych w celach badawczych oraz wprowadzaniu do symulacji parametrów uzyskanych w eksperymentach w celu optymalizacji parametrów konstrukcyjnych, parametrów uderzenia oraz wydajności hydraulicznych młotów górniczych, uzyskując optymalną powierzchnię otworu odpływowego oleju, optymalny objętościowy ładunek akumulatora oraz optymalną powierzchnię tylniej komory odporną na ciśnienie dla danego hydraulicznego młota górniczego. Przy prowadzeniu symulacji japońscy badacze zwracali szczególną uwagę na porównywanie wyników symulacji z wynikami badań eksperymentalnych oraz korygowali modele komputerowe na podstawie danych pomiarowych. Firma Sandvik, biorąc pod uwagę wpływ kształtu tłoka uderzeniowego na sposób przekazywania energii, opracowała również program komputerowy do symulacji w tej dziedzinie. Za pomocą tego programu: ① można symulować proces przekazywania energii przez poszczególne elementy uderzenia; ② można symulować różne projekty poszczególnych komponentów systemu; ③ przy różnych typach materiałów uderzanych można symulować wpływ różnych rozwiązań projektowych na przekazywanie energii. Program komputerowy firmy Sandvik nie tylko zapewnia produkcję optymalnych produktów, ale także umożliwia pomiar i zrozumienie wpływu wszystkich parametrów na system uderzeniowy oraz skutków zmian poszczególnych parametrów na efektywność, dostarczając użytkownikom praktycznego i skutecznego narzędzia obliczeniowego.

Po latach 80. XX wieku rozpoczęły się również wewnętrzne badania nad technologią i zastosowaniami symulacji w Chinach. Chińscy naukowcy, tacy jak Tian Shujun, Chen Yufan i inni, opracowali modele matematyczne przy użyciu własnych metod. Tian Shujun i inni zastosowali grafy mocy (power bond graph) — zaawansowaną technologię modelowania dynamicznego — łącząc ją z metodami analizy w przestrzeni stanu, przeprowadzając głównie badania nad oprogramowaniem do symulacji dynamicznej hydraulicznych młotów skalnych sterowanych zaworami suwakowymi. Badania te dotyczyły modelowania i programowania symulacji dynamicznej hydraulicznych młotów skalnych, zapewniając metodę i podejście dla wielu późniejszych programistów symulacji, takich jak profesor Zhou Zhihong z Uniwersytetu Nauki i Technologii w Pekinie, który kierował pracami doktorskimi studentów Yan Yong i innych, wykorzystujących grafy mocy do budowy równań dynamicznych dla różnych typów tłoków hydraulicznych młotów skalnych, zaworów rozdzielających oraz poszczególnych równań przepływu hydraulicznego i równań stanu gazu; następnie opracowali programy symulacyjne w języku programowania komputerowego w celu analizy głównych procesów zmian stanu, takich jak ciśnienie w komorach przedniej i tylnej, przepływ, przemieszczenie i prędkość tłoka hydraulicznego młota skalnego, zapewniając platformę do dalszych badań nad wpływem zmian parametrów hydraulicznego młota skalnego na jego wydajność. Wraz z szybkim rozwojem technologii komputerowych i oprogramowania oprogramowanie Matlab oraz AMEsim zostały zastosowane do modelowania i symulacji systemów hydraulicznych młotów skalnych, zapewniając wsparcie teoretyczne w skracaniu cykli badań i rozwoju oraz poprawie jakości projektowania nowych modeli.

1.5.6 Metody badań eksperymentalnych

Eksperyment jest podstawowym środkiem, za pomocą którego ludzie poznają naturę i przekształcają świat obiektywny — poprzez eksperyment dokonuje się uogólniania i abstrahowania od zaobserwowanych zjawisk oraz zmierzonych danych, odkrywając wewnętrzne powiązania i wzorce oraz formując teorie. Eksperyment jest źródłem teorii; eksperyment jest jedynym sędzią weryfikującym teorię.

Parametry wydajności uderzeniowej hydraulicznego młota do skał są ważnym wskaźnikiem oceny jego projektu, poziomu produkcji oraz jakości. Główne parametry można mierzyć metodami eksperymentalnymi, a wyniki przedstawia się w postaci danych liczbowych, krzywych lub wykresów. Weryfikacja wydajności dotyczy głównie pomiaru energii uderzeniowej, częstotliwości uderzeń, ciśnienia w układzie oraz przepływu. Obecnie nie istnieją jednolite międzynarodowe normy eksperymentalne dotyczące metod pomiaru tych parametrów. Obecnie powszechnie stosowane metody badania wydajności uderzeniowej hydraulicznych młotów do skał to m.in.: metoda fali naprężeń, metoda różnicowa fotoelektrycznego przemieszczenia, metoda indukcji elektromagnetycznej, metoda kontaktowa, fotografowanie z dużą prędkością, metoda diagramu wskaźnikowego oraz metoda energetyczna.

Metoda fali naprężeniowej to metoda pomiaru energii uderzenia poprzez pomiar fali naprężeniowej generowanej na dłuto w momencie, gdy tłoczek uderzający uderza w dłuto. Metoda fotoelektryczna wykorzystuje zasadę przetwarzania fotoelektrycznego; za pomocą czujnika fotoelektrycznego bezpośrednim pomiarem jest położenie tłoczka uderzającego, co pozwala określić przemieszczenie ruchu tłoczka, a następnie obliczyć poszczególne parametry wydajnościowe urządzenia uderzeniowego. Jako bezkontaktowa metoda pomiarowa metoda fotoelektryczna jest szczególnie odpowiednia dla maszyn uderzeniowych, takich jak hydrauliczne młoty do skał, charakteryzujących się dużą długością skoku tłoczka, dużym średnicą oraz wysoką prędkością. Metoda indukcji elektromagnetycznej wykorzystuje system czujników indukcyjnych elektromagnetycznych składający się z magnetycznego pręta zamontowanego na tłoczku uderzającym oraz cewki heloidalnej zamontowanej w korpusie urządzenia; wykorzystuje siłę elektromotoryczną indukowaną w cewce podczas przecinania linii pola magnetycznego przez poruszający się razem z tłoczkiem pręt magnetyczny, a na podstawie kalibracyjnej zależności pomiędzy siłą elektromotoryczną a prędkością uderzenia określa prędkość ruchu tłoczka, a następnie – na jej podstawie – oblicza energię uderzenia tłoczka.

Metoda kontaktowa to metoda obliczania energii uderzenia na podstawie końcowej prędkości tłoka w chwili uderzenia w przedmiot, który jest uderzany. W badaniach wydajności łamaczy skalnych powyższe cztery metody są stosunkowo powszechne; inne metody, z powodu skomplikowanej obsługi i wysokich kosztów lub niepełnego odzwierciedlenia stanu ruchu tłoka, rzadko występują w praktycznym zastosowaniu.

Należy zaznaczyć, że powyższa metoda fal naprężeń nadaje się wyłącznie do badania urządzeń uderzeniowych o stosunkowo niskiej energii uderzenia, takich jak hydrauliczne wiertniki skalne i narzędzia pneumatyczne, a stwarza znaczne trudności przy badaniu urządzeń o dużej energii uderzenia, np. hydraulicznych łamaczy skalnych. Przepustowość pomiarowa dedykowanych jednostek badawczych zajmujących się falami naprężeń jest zazwyczaj niewielka i nie pozwala na przeprowadzanie badań dużych hydraulicznych łamaczy skalnych; ponadto hałas i drgania generowane podczas badań w warunkach pomieszczenia są również nieakceptowalne. Co do metody kontaktowej, choć jej montaż jest prosty, to uzyskiwane wyniki nie są wystarczająco dokładne i nie nadają się do szerszego zastosowania. Jedyną metodą uznawaną za kompleksową we wszystkich aspektach jest metoda indukcji elektromagnetycznej stosowana przy badaniu hydraulicznych łamaczy skalnych: może być ona wykorzystywana zarówno do badania hydraulicznych wiertników skalnych o małej energii uderzenia, jak i dużych hydraulicznych łamaczy skalnych o wysokiej energii uderzenia; umożliwia bezpośrednie pomiar krzywej prędkości ruchu tłoka, dzięki czemu można wyznaczyć przemieszczenie i przyspieszenie tłoka – informacje te są szczególnie przydatne dla osób badających wzorce ruchu tłoka. Jedynym mankamentem tej metody jest łatwość uszkodzenia pręta magnetycznego pod wpływem wysokoczęstotliwościowych drgań tłoka.

Dr. Ding Wensi z Uniwersytetu Środkowego Południa w swojej rozprawie doktorskiej pt. „Badania nad nowym typem systemu hydraulicznego młota do kruszenia skał z integrowaną maszynowo-elektryczną sprzęgłą zwrotną ciśnieniową i azotową” zaproponował nową metodę pomiaru parametrów wyjściowych urządzenia uderzeniowego — metodę ciśnienia gazowego. Metoda ta wykorzystuje czujnik ciśnienia do wykrywania zmian ciśnienia w uszczelnionej komorze azotowej zamontowanej na tylnym końcu tłoka podczas ruchu tłoka, a następnie za pomocą komputera określa skok tłoka oraz prędkość jego ruchu, dzięki czemu uzyskuje się dwa kluczowe parametry wyjściowe urządzenia uderzeniowego — energię uderzenia oraz częstotliwość uderzeń. W porównaniu z tradycyjnymi metodami pomiarowymi bezkontaktowa metoda ciśnienia gazowego charakteryzuje się takimi zaletami jak wysoka odporność na wibracje, minimalna liczba czynności przygotowawczych, jednoczesny pomiar energii i częstotliwości uderzeń, wygodna kalibracja, niewielki błąd pomiaru parametrów uderzeniowych oraz duża dokładność. Może być stosowana nie tylko jako metoda pomiaru i identyfikacji produktów w warunkach laboratoryjnych, ale także wygodnie wykorzystywana do testów online w rzeczywistych warunkach pracy. Została zastosowana w programie badań hydraulicznych firmy Jingye oraz wpisana do normy branżowej pt. „Hydrauliczny młot do kruszenia skał”.

1.5.7 Badania nad wibracjami, hałasem i sterowaniem

Oprócz energii uderzeniowej, częstotliwości uderzeń i masy wskaźnikami oceny wydajności maszyn uderzeniowych hydraulicznych są również poziom hałasu, wibracje korpusu maszyny oraz współczynnik wykorzystania energii – wszystkie te czynniki stanowią istotne aspekty oceny ogólnej wydajności. W miarę wzrostu świadomości ekologicznej kraje rozwinięte wprowadzają coraz surowsze ograniczenia dotyczące hałasu generowanego przez sprzęt. Aby dostosować się do potrzeb rynku, poziom hałasu i wibracji maszyn uderzeniowych hydraulicznych, a także skuteczność zapobiegania powstawaniu pyłu, stają się stopniowo kluczowymi wskaźnikami konkurencyjności przedsiębiorstw; technologie ich kontrolowania są obecnie ważnym tematem badań naukowych. Naukowcy z różnych krajów prowadzą badania w zakresie konstrukcji i materiałów; pod względem konstrukcyjnym stosuje się takie środki jak wbudowane wkładki z otuliną, urządzenia tłumiące hałas lub warstwowe płyty stalowe zapobiegające wibracjom, aby ograniczyć drgania i hałas. Firma Krupp wyposażyła wszystkie swoje średnie i mniejsze produkty w materiały pochłaniające dźwięk. Firma Rammer montuje na nowo opracowanych produktach wysokociśnieniowe pompy wodne oraz dysze rozpylające w celu osiągnięcia efektu redukcji pyłu. Ponadto wykorzystanie technologii czujników umożliwia precyzyjne pozycjonowanie łamaczy skalnych hydraulicznych, automatyczne wiercenie otworów, zatrzymywanie i cofanie dłuta oraz automatyczne dostosowywanie energii uderzeniowej i częstotliwości uderzeń w zależności od rodzaju obrabianego materiału.