Visão Geral da Pesquisa Teórica sobre Fragmentadores Hidráulicos de Rocha

1.5 Visão Geral da Pesquisa Teórica sobre Fragmentadores Hidráulicos de Rocha

Durante a operação do martelo hidráulico para rochas, a pressão do óleo na câmara de trabalho comuta em alta frequência sob o controle da válvula direcional; as características do fluido na passagem de óleo não podem ser simplesmente analisadas com base na teoria da transmissão hidráulica, sendo necessário aplicar a análise da teoria das vibrações hidráulicas. A força atuante sobre o pistão e a ponteira aumenta de zero para dezenas ou centenas de megapascals em algumas dezenas de microssegundos, seguida de uma queda novamente para zero; a forma de transmissão de energia por ondas de tensão determina que a descrição do processo de trabalho não pode ser feita simplesmente com base na estática, na mecânica dos corpos rígidos ou na cinemática. O princípio da máquina de impacto pertence a problemas de dinâmica de corpos elásticos, e a teoria das ondas deve ser utilizada para descrever com precisão seu processo de transmissão de energia.

Com base nas diferenças nas hipóteses fundamentais e nos modelos matemáticos, a pesquisa sobre martelos hidráulicos para rochas divide-se em duas grandes categorias: pesquisa com modelo linear e pesquisa com modelo não linear.

1.5.1 Modelos Lineares de Pesquisa para Rompedores Hidráulicos de Rocha

A pesquisa linear é uma pesquisa idealizada conduzida por meio da linearização de fragmentadores hidráulicos de rocha não lineares por meio de suposições — modelos lineares obtidos sob a hipótese de 'pressão constante do óleo hidráulico' e ignorando certos fatores. A premissa dessa pesquisa é a visão proposta pelos estudiosos da era soviética OdAlimov e SAbasov na obra 'Teoria da Estrutura de Máquinas Hidráulicas de Vibração e Impacto': 'Nas condições de garantia de uma velocidade final de impacto determinada, o controle de pressão totalmente igualada é o controle ótimo com a maior eficiência.' Com base na suposição de 'controle de pressão constante', os estudiosos da era soviética propuseram o esquema de projeto ótimo para força de empuxo de pico mínima. O estudioso japonês Nakamai et al., considerando, sobre essa base, a resistência da tubulação, realizou pesquisas teóricas e de projeto sobre a ajustabilidade do curso do pistão. O professor Li Dazhi da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim propôs a ideia de projeto ótimo do curso. Chen Yufan et al. utilizaram modelos lineares de dispositivos de impacto, empregando análise adimensional com o método de curso ótimo, para realizar análise adimensional dos parâmetros do dispositivo de impacto, obtendo uma série de expressões relacionais entre parâmetros para orientar o trabalho de projeto. O professor Chen Dingyuan da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim, utilizando C = S/S_m (S: curso operacional, S_m: curso máximo) como variável de projeto, realizou análise adimensional de fragmentadores hidráulicos de rocha e concluiu que a zona de eficiência ótima corresponde a C = 0,75 a 0,850. O professor Wang Zheng da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim, utilizando o tempo t da aceleração de retorno do pistão como variável de projeto, realizou uma análise paramétrica abrangente e obteve os seguintes resultados: quando a variação do volume do acumulador é mínima, t = 0,406T; quando o impacto hidráulico é mínimo, t = 0,5T. O professor He Qinghua da Universidade Central do Sul utilizou o coeficiente característico estrutural do dispositivo de impacto — a razão entre as áreas efetivas das câmaras dianteira e traseira do pistão — como variável de projeto adimensional para realizar projeto de otimização em dispositivos de impacto. Como muitos estudos lineares não consideraram a relação de restrição mútua entre pistão e válvula, que afeta diretamente o desempenho do impacto e o estado do acumulador, eles não conseguem refletir com precisão as inter-relações entre os diversos parâmetros estruturais no mecanismo. Embora sua precisão de pesquisa seja relativamente baixa, seus resultados conseguem refletir, de forma geral, a relação de influência dos diversos fatores sobre o desempenho, possuindo, portanto, certo valor prático nas pesquisas teóricas e de projeto.

1.5.2 Modelos Não Lineares para Rompedores Hidráulicos de Rocha

Como um sistema de rastreamento mecânico de retroalimentação de corpo único relativamente típico e complexo, o rompedor hidráulico de rocha, tal como os sistemas não lineares em outros campos, apresenta diversos fenômenos e padrões não lineares. A pesquisa sobre não linearidades considerou de forma mais abrangente os fatores que influenciam o movimento do rompedor hidráulico de rocha, analisou de maneira relativamente completa o estado de tensão desse equipamento e obteve conjuntos de equações diferenciais não lineares de ordem superior para descrever seus padrões de movimento. Contudo, essas equações são difíceis de resolver, sua descrição não é intuitiva e só podem ser resolvidas numericamente por meio de computadores. Nos últimos anos, com o avanço da ciência e da tecnologia da computação e a popularização dos microcomputadores, a pesquisa sobre modelos matemáticos não lineares tem recebido crescente atenção por parte dos pesquisadores.

Já no início dos anos 1970, estudiosos estrangeiros aplicaram computadores digitais à pesquisa de simulação de máquinas de impacto sobre perfuratrizes pneumáticas de rocha, obtendo resultados relativamente precisos. Em 1976, o estudioso japonês Masao Masabuchi foi o primeiro a utilizar cálculos matemáticos para estudar rompedores hidráulicos de rocha, propondo um modelo matemático para um dispositivo de ensaio de impacto hidráulico e empregando cálculo iterativo para determinar a velocidade e a frequência do curso de potência, comparando-os em seguida com os valores medidos. Na década de 1980, estudiosos japoneses como Takauchi Yoshio e Tanimata Shu, entre outros, realizaram pesquisas não lineares sobre o desempenho e o projeto de rompedores hidráulicos de rocha, propondo modelos analíticos adequados para avaliação de desempenho e projeto desses rompedores, bem como a teoria de derivação e o método de análise para o modelo analítico. Em 1980, Li Dazhi e Chen Dingyuan, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim, propuseram um modelo matemático não linear utilizando a pressão do acumulador como pressão de trabalho e buscaram soluções numéricas estáveis. Em 1983, He Qinghua, da Universidade Industrial do Sul da China, em seu trabalho 'Pesquisa de Simulação Numérica de Rompedores Hidráulicos de Rocha', utilizou o método de comutação de estado para estabelecer um modelo matemático abrangente, propondo o 'Método de Cálculo de Aceleração Quase-Uniforme' (método PUA), corrigindo erros nos pontos de transição de estado e melhorando a precisão da simulação. Em 1987, o professor Chen Xiaozhong e o professor Chen Dingyuan, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim, estabeleceram um modelo matemático não linear dos mecanismos de impacto e desenvolveram programas de simulação na linguagem BASIC, obtendo dados de simulação relativamente coerentes com os resultados medidos. Durante a operação de um rompedor hidráulico de rocha, devido à alta pressão, ao curto ciclo de impacto e às frequentes comutações do fluxo de óleo, há uma câmara de pressão variável em constante mudança; assim, quando o óleo hidráulico flui através das diversas folgas, gera-se uma grande quantidade de calor, causando temperaturas locais elevadas e afetando o desempenho do dispositivo de impacto e a lubrificação local; contudo, as pesquisas nessa área ainda são inexistentes.

Devido à complexidade do movimento do martelo hidráulico para rochas, modelos não lineares também são construídos com base em certas suposições; portanto, na prática, não há muita diferença entre modelos lineares e não lineares no que diz respeito à descrição da natureza essencial dos fenômenos — apenas os métodos de resolução dos modelos matemáticos diferem. Modelos lineares utilizam soluções analíticas, enquanto modelos não lineares exigem métodos numéricos, resolvidos por meio de computadores. Ambos conseguem apenas aproximar os padrões de movimento do dispositivo de impacto, e, para obter métodos de descrição mais precisos, ainda é necessário desenvolver a dinâmica computacional de fluidos.

É fundamental destacar que, com o avanço da tecnologia dos martelos hidráulicos para rochas — especialmente com o surgimento dos martelos hidráulicos combinados hidráulico-pneumáticos e dos martelos hidráulicos com explosão por nitrogênio — o meio de trabalho do martelo hidráulico para rochas não é mais apenas óleo, mas também gás; além disso, a introdução do nitrogênio aumentou ainda mais a dificuldade e a complexidade da pesquisa teórica.

1.5.3 Pesquisa sobre Componentes-Chave de Rompedores Hidráulicos de Rocha

(1) Pesquisa sobre o Pistão

O projeto e a qualidade de fabricação do pistão de impacto determinam, em grande parte, o desempenho do dispositivo de impacto. Pesquisadores chineses realizaram estudos significativos sobre esse tema. O professor Meng Suimin, do Colégio de Engenharia Hidrelétrica de Gezhouba, com base no modelo linear, utilizou análise adimensional para explorar preliminarmente a influência da velocidade de recuo do pistão nos parâmetros operacionais do martelo hidráulico para rochas. O professor Liu Deshun, do Colégio de Engenharia de Xiangtan, no artigo 'Cálculo da velocidade de recuo do pistão de perfurador de rochas', aplicou a teoria da dinâmica das ondas e, com base na análise do princípio de funcionamento da perfuração de rochas, propôs fórmulas para avaliação do estado de recuo do pistão e para cálculo de sua velocidade de recuo em perfuradores de rochas, chegando às seguintes conclusões: ① O estado de recuo do pistão e sua velocidade de recuo estão relacionados às propriedades do pistão, da broca e da rocha, sendo que suas influências não são independentes, mas inter-relacionadas. ② Quanto menor o coeficiente de rigidez de descarga da rocha, maior será a velocidade de recuo. Quanto menor o coeficiente γ, que caracteriza as propriedades de carregamento do perfurador de rochas e da rocha, maior será a velocidade de recuo. ④ Para alcançar uma eficiência razoavelmente ideal na perfuração de rochas, ao projetar um dispositivo de impacto, o coeficiente característico γ deve ser controlado na faixa 1 ≤ γ ≤ 2.

A indústria formou gradualmente algumas diretrizes para o projeto de pistões:

1) O pistão deve ser alongado e reduzir alterações desnecessárias na seção transversal, para beneficiar a eficiência da transmissão de energia e a vida útil do cinzel.

2) A área da face de impacto do pistão deve ser igual ou próxima à área da face terminal da cauda do cinzel, devendo existir um certo comprimento cônico, para beneficiar a transmissão das ondas de impacto.

3) O curso completo e o sobrecurso do pistão não devem danificar as estruturas de vedação nas duas extremidades.

4) As dimensões do amortecedor hidráulico para disparos em vazio e os comprimentos de vedação de cada segmento do pistão devem ser bem projetados.

5) É necessária uma seleção correta de materiais — o material do pistão deve apresentar elevado desempenho mecânico, alta dureza superficial, boa tenacidade no núcleo, além de excelente resistência ao desgaste e ao impacto.

6) A folga de acoplamento entre o pistão e o corpo do cilindro deve ser determinada de forma razoável, considerando de maneira abrangente as perdas por vazamento e a precisão de usinagem. Geralmente, a folga de acoplamento entre o pistão e o corpo do cilindro é de 0,04 a 0,06 mm, e a folga de acoplamento entre o pistão e a bucha de suporte é de 0,03 a 0,05 mm.

(2) Pesquisa sobre válvula distribuidora

Atualmente, a grande maioria dos fragmentadores hidráulicos de rochas utiliza sistemas de pistão controlados por válvulas com realimentação de posição e realiza o movimento alternado de alta velocidade do pistão alterando o padrão de suprimento de óleo em uma determinada câmara do dispositivo de impacto. Embora essa forma de controle seja relativamente simples, seu processo de transição é relativamente complexo. Durante o processo de comutação da válvula, parâmetros como tempo, velocidade, curso e consumo de óleo mudam em etapas, o que pode afetar significativamente o desempenho do dispositivo de impacto. Nesse contexto, Liu Wanling et al., da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim, realizaram, por meio de teoria e experimentação, uma pesquisa específica sobre as características das válvulas de controle em sistemas hidráulicos de impacto, obtendo a trajetória real de movimento da válvula do dispositivo de impacto estudada, revelando os padrões de movimento da válvula direcional e determinando os principais parâmetros da válvula de controle que influenciam o desempenho do dispositivo de impacto. Qi Renjun et al., da Universidade do Sul da China, realizaram análise teórica do processo de controle da válvula, pesquisa de otimização da estrutura e dos parâmetros da válvula e obtiveram algumas conclusões regulares úteis; visando possíveis fenômenos de saturação de velocidade e cavitação durante o movimento de alta velocidade da válvula direcional, propuseram soluções eficazes, como reduzir a massa e o curso do êmbolo da válvula, aumentando simultaneamente, de forma adequada, o diâmetro da passagem de óleo. Liu Wanling e Gao Lanqing, do Instituto de Ferro e Aço de Pequim, no artigo 'Análise das Características Dinâmicas da Válvula Direcional de Fragmentador Hidráulico de Rochas — Pesquisa por Simulação e Experimental', utilizando programação em BASIC, investigaram formas de melhorar as características dinâmicas da válvula, concluindo que, à medida que a abertura sem superposição aumenta, a pressão na câmara traseira diminui rapidamente, o trabalho de impacto aumenta, a frequência de impacto diminui ligeiramente e a eficiência do dispositivo de impacto melhora; quando a abertura sem superposição for excessivamente grande, devido à redução do comprimento de vedação no ombro da válvula, o funcionamento da válvula torna-se pouco confiável.

(3) Pesquisa sobre acumuladores

O acumulador é um componente importante do martelo hidráulico para rochas, e sua estrutura afeta diretamente o desempenho geral da máquina. Portanto, ao pesquisar o desempenho do martelo hidráulico para rochas, também foram realizados estudos sobre acumuladores. Em 1990, os pesquisadores japoneses Takauchi Yoshio, Tanimata Shu e outros realizaram pesquisas experimentais e teóricas e, com base no modelo analítico estabelecido, utilizaram a equação de estado para obter a fórmula de cálculo do volume de carga de nitrogênio do acumulador, verificando experimentalmente a correção dessa fórmula e fornecendo uma base teórica para o projeto do acumulador ideal. Em 1986, Duan Xiaohong, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim, utilizando o método de parâmetros concentrados, estabeleceu um modelo dinâmico de acumuladores de membrana de alta pressão e empregou tanto métodos experimentais quanto computacionais para analisar as características de frequência do sistema acumulador, discutindo o acoplamento ideal entre o acumulador e o martelo hidráulico para rochas, além de destacar que a zona de trabalho ideal do dispositivo de impacto é aquela em que a resposta harmônica secundária do acumulador às variações de pressão do sistema predomina em termos de energia. Em 1986, o professor He Qinghua, da Universidade Central do Sul, publicou um artigo intitulado 'Óleo de Retorno e Acumulador de Óleo de Retorno em Mecanismos Hidráulicos de Impacto', observando que a pressão hidráulica de operação do martelo hidráulico para rochas depende principalmente da força de inércia das próprias peças móveis; trata-se de uma característica significativa que distingue o martelo hidráulico para rochas das máquinas hidráulicas convencionais, nas quais a pressão hidráulica de operação depende principalmente da carga externa. A pressão de retorno é essencialmente a pressão hidráulica de inércia gerada pelo óleo ao acelerar quando pistões ou válvulas descarregam óleo para o tubo de retorno; além disso, foi observado que, como o fluxo de descarga do dispositivo de impacto difere do padrão de variação do fluxo de óleo no tubo de retorno, ocorrerá cavitação sempre que o fluxo que entra no tubo de retorno for menor que o fluxo de óleo em movimento dentro desse tubo. Para reduzir a pressão de retorno de inércia e eliminar a cavitação de retorno, propõe-se a instalação de um acumulador de retorno no martelo hidráulico para rochas, a partir do que se propõe um método de projeto dos parâmetros desse acumulador de retorno. Nos últimos anos, a Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim conduziu pesquisas sobre as características dinâmicas de acoplamento dos acumuladores de martelos hidráulicos para rochas, desenvolveu o pacote de software de simulação HRDP e obteve resultados em cálculos de verificação das características ideais de acoplamento dinâmico do acumulador.

(4) Pesquisa sobre dispositivos de prevenção de disparos em branco e absorvedores de energia de recuo de cinzel

Como ocorrem inevitavelmente o fenômeno de recuo da ponteira e o disparo em vazio durante a operação do martelo hidráulico para rochas, o desempenho funcional do absorvedor de energia de recuo da ponteira e do dispositivo de prevenção de disparo em vazio exerce grande influência na vida útil do martelo hidráulico para rochas. O professor Meng Suimin, no artigo 'Análise da Velocidade de Recuo do Pistão de Perfuradoras de Rocha', analisou sistematicamente os fatores responsáveis pelo recuo da extremidade posterior da ponteira e investigou métodos de absorção da energia de recuo da ponteira. Liao Yide, da Universidade Central do Sul, no artigo 'Pesquisa Teórica e Experimental sobre Dispositivos Amortecedores de Disparo em Vazio para Perfuradoras Hidráulicas de Rocha', estabeleceu um modelo matemático do processo de amortecimento do disparo em vazio e realizou pesquisas por simulação. O Dr. Liao Jianyong, no artigo 'Teoria de Projeto e Projeto Auxiliado por Computador de Perfuradoras Hidráulicas de Rocha de Múltiplos Estágios', conduziu simulações computacionais e projetos de otimização de dispositivos absorvedores de energia de recuo da ponteira e de dispositivos de prevenção de disparo em vazio. Liu Deshun, da Universidade Central do Sul, em sua tese de doutorado 'Pesquisa sobre Dinâmica de Ondas nos Mecanismos de Impacto', aplicou a teoria da dinâmica de ondas, deduziu fórmulas de cálculo da velocidade de recuo para cada componente do mecanismo de impacto e destacou que a energia de recuo pode ser aproveitada mediante um projeto racional de cada parte do mecanismo de impacto. O Instituto de Pesquisa em Máquinas e Equipamentos para Engenharia Hidráulica da Universidade Central do Sul desenvolveu um dispositivo amortecedor de disparo em vazio de dois estágios, que aproveita plenamente a capacidade do absorvedor de energia de recuo da ponteira — uma conquista de pesquisa inovadora.

1.5.4 Pesquisa sobre Tecnologia de Sintonia de Frequência, Sintonia de Energia e Controle para Rompedores Hidráulicos de Rocha

Com o desenvolvimento da tecnologia de rompedores hidráulicos de rocha, a construção em campo impôs novos requisitos a esses equipamentos. Para melhorar eficazmente a eficiência produtiva, exige-se que a energia de impacto e a frequência de impacto do rompedor hidráulico de rocha possam ser ajustadas conforme as variações nas propriedades da rocha. Ou seja, mantendo-se, como premissa, a utilização máxima da capacidade instalada da máquina transportadora, quando a rocha for mais dura, o rompedor hidráulico de rocha deve fornecer maior energia de impacto e menor frequência de impacto; inversamente, deve fornecer menor energia de impacto e maior frequência de impacto, alcançando assim uma eficiência produtiva superior. Para atingir os objetivos acima mencionados, foram realizadas extensas pesquisas tanto no âmbito nacional quanto internacional.

A partir da pesquisa teórica sobre rompedores hidráulicos de rochas, sua saída (energia de impacto e frequência) pode ser ajustada principalmente por três métodos: ① ajuste da vazão; ② ajuste do curso; ③ ajuste da pressão de realimentação. Atualmente, a grande maioria dos rompedores hidráulicos de rochas nacionais e estrangeiros possui apenas um curso fixo — ou seja, sua saída não é ajustável. É claro que, se tais rompedores hidráulicos de rochas utilizarem o método de ajuste da vazão para regular a saída, embora teoricamente viável, na prática isso não é exequível, pois as variações na vazão provocam mudanças sincrônicas em seus parâmetros de saída, impossibilitando o ajuste independente.

Embora alguns fabricantes nacionais e estrangeiros tenham projetado e produzido fragmentadores hidráulicos de rocha com curso ajustável, estes não são bem recebidos pelos usuários, pois apresentam ajustes em etapas com estrutura rígida, sendo muito inconvenientes de operar e com desempenho insatisfatório. No que diz respeito à distribuição por realimentação do curso de retorno, os parâmetros operacionais de saída são ajustados principalmente mediante a alteração da vazão de entrada do sistema ou pela adição de múltiplos orifícios para sinal de realimentação do curso de retorno, controlando-se a abertura e o fechamento de cada orifício para ajustar o curso do pistão, modificando assim a energia de impacto e a frequência de impacto do fragmentador hidráulico de rocha. Por exemplo, o perfurador hidráulico de rocha de três velocidades da Atlas-Copco, produzido na Suécia. Os fragmentadores hidráulicos de rocha com mudança automática de marchas da série YYG da Universidade Central do Sul — limitados pela estrutura, esse princípio só permite ajuste em etapas dos parâmetros operacionais do fragmentador hidráulico de rocha; além disso, como a pressão e a vazão do sistema de impacto são proporcionais ao quadrado uma da outra, o aumento simultâneo da energia de impacto e da frequência de impacto provoca variações muito grandes na potência da máquina transportadora, limitando a ampliação da faixa de atuação e da eficiência operacional do fragmentador hidráulico de rocha. O professor Takashi Takahashi, da Universidade de Akita, no Japão, descreveu, em um artigo, o ajuste da posição da porta de sinal do curso de retorno para alcançar a finalidade de modificar o curso do pistão do fragmentador hidráulico de rocha. Experimentos comprovaram que, ao aumentar o curso do pistão em 10%, embora a frequência de impacto diminua em 8%, a energia de impacto pode aumentar em 12%, melhorando assim a eficiência operacional e fornecendo evidências teóricas e experimentais para o projeto de fragmentadores hidráulicos de rocha com curso ajustável. O professor He Qinghua, da Universidade Central do Sul, em seu trabalho 'Pesquisa sobre Máquinas de Impacto Hidráulicas com Curso Ajustável', comparou diversos tipos de métodos de mudança de marchas e analisou teoricamente as relações entre diversos parâmetros operacionais dos dispositivos hidráulicos de impacto com curso ajustável e os cursos de mudança de marchas; os resultados obtidos possuem clara relevância orientadora para o projeto e a utilização de fragmentadores hidráulicos de rocha com mudança de marchas. Este livro propõe o conceito de ajuste independente e contínuo (sem degraus) dos parâmetros operacionais com base no princípio de realimentação de pressão e lançou este novo produto de fragmentador hidráulico de rocha. Ele ajusta principalmente a energia de impacto individual do dispositivo de impacto controlando a magnitude da pressão de retorno do pistão; simultaneamente, controlando a vazão da bomba variável, ajusta de forma contínua a frequência do dispositivo de impacto, permitindo assim que a energia de impacto e a frequência de impacto sejam ajustadas independentemente e de forma contínua dentro de uma faixa relativamente ampla, enquanto a variação da potência da máquina transportadora permanece pequena. Quanto à pesquisa teórica, ao projeto estrutural e aos métodos de controle para esse novo tipo de máquina de impacto hidráulica, os autores realizaram investigações sobre dispositivos hidráulicos de impacto com ajuste independente e contínuo da energia de impacto e da frequência de impacto. O Dr. Zhao Hongqiang, em sua tese de doutorado 'Pesquisa sobre um Novo Tipo de Britador Hidráulico de Pedras com Controle de Ajuste Independente e Contínuo', rompeu com o método tradicional de controle por realimentação de curso dos fragmentadores hidráulicos de rocha, adotando métodos de controle por realimentação de pressão e por vazão da bomba variável, conseguindo assim o controle de ajuste independente e contínuo da energia de impacto e da frequência de impacto do fragmentador hidráulico de rocha. Ding Wensi, em sua tese de doutorado, utilizando a pressão de nitrogênio na extremidade traseira do britador como variável de controle, realizou amplo trabalho sobre britadores do tipo distribuição forçada controlados por válvulas de comutação de alta velocidade, conseguindo o ajuste independente da frequência e da energia dos britadores. Zhang Xin, em seu trabalho 'Pesquisa sobre um Novo Sistema de Dispositivo Hidráulico de Impacto com Realimentação de Pressão e Integração Mecânico-Eletrônica', empregou válvulas de comutação de alta velocidade controladas por microcontrolador de um único chip para realizar o controle computadorizado do dispositivo de impacto. Yang Guoping, em sua tese de doutorado 'Pesquisa sobre um Dispositivo Hidráulico de Impacto com Ajuste Independente e Contínuo de Frequência e Energia, puramente hidráulico', propôs um dispositivo de impacto inteligente com esquema de controle puramente hidráulico capaz de realizar ajuste contínuo da energia de impacto e da frequência de impacto do fragmentador hidráulico de rocha por meio de uma alavanca de válvula distribuidora do tipo piloto.

1.5.5 Estado Atual da Pesquisa sobre Tecnologia de Simulação de Fragmentadores Hidráulicos de Rocha

Do ponto de vista do projeto e desenvolvimento de produtos, a pesquisa sobre as características dinâmicas dos mecanismos é melhor realizada durante a fase de desenvolvimento e projeto do produto. A simulação da resposta dinâmica de sistemas de controle hidráulico sempre foi um campo continuamente estudado pela indústria hidráulica e também constitui um meio comumente utilizado para investigar as características de resposta dinâmica dos sistemas de controle.

O método de trabalho especial do martelo hidráulico para rochas determina que a análise e os ensaios de simulação dinâmica devem servir como premissa básica para o projeto e o desenvolvimento teóricos do mecanismo. Após o surgimento dos computadores, foi superado o obstáculo de depender exclusivamente de ensaios de produtos para obter resultados precisos ou confiáveis do desempenho cinemático do mecanismo. Os pesquisadores passaram a utilizar diversos métodos para estabelecer modelos matemáticos que descrevem a vibração e o movimento hidráulicos das máquinas de impacto, analisando, por meio da tecnologia de simulação, os processos de variação dos parâmetros dos martelos hidráulicos para rochas, bem como empregando a tecnologia de protótipo virtual para simular os processos de movimento das máquinas de impacto. Após a definição dos resultados do projeto, o movimento do mecanismo pode ser claramente compreendido e os parâmetros relevantes de desempenho calculados, proporcionando um excelente caminho para encurtar os ciclos de desenvolvimento de novos produtos, otimizar o projeto e realizar análises de desempenho dinâmico.

Nas décadas de 1960 e 1970, estudiosos estrangeiros começaram a aplicar computadores digitais ao trabalho de simulação de máquinas de impacto. Esses estudos tomaram como variável a pressão nas câmaras dianteira e traseira, calcularam a entrada e saída de fluido em cada orifício, corrigindo com coeficientes de vazão; em seguida, aplicaram a equação de estado dos gases e a equação de balanço energético, estabelecendo equações diferenciais microscópicas que descrevem as mudanças de estado do acumulador e do pistão; após realizar certos tratamentos aproximados do movimento da válvula, adotaram métodos de diferenças finitas para a solução numérica. Os resultados da simulação, especialmente os parâmetros de desempenho, foram muito próximos dos valores medidos, obtendo-se resultados satisfatórios. No Japão, os pesquisadores deram maior ênfase ao estabelecimento de modelos computacionais específicos para britadores hidráulicos de rochas, com fins de pesquisa, e à introdução de parâmetros obtidos experimentalmente na simulação, a fim de otimizar os parâmetros estruturais, os parâmetros de impacto e o desempenho dos britadores hidráulicos de rochas, obtendo-se assim a área ótima do orifício de retorno de óleo, o volume ótimo de carga do acumulador e a área de suporte de pressão da câmara traseira do britador hidráulico correspondente. Ao realizar simulações, os pesquisadores japoneses prestavam maior atenção à comparação entre os resultados da simulação e os resultados dos ensaios experimentais, corrigindo os modelos computacionais com base nos dados experimentais. A empresa Sandvik, após considerar o efeito da forma do pistão de impacto no método de transmissão de energia, também projetou e desenvolveu um programa de simulação computacional nessa área. Utilizando esse programa: ① pode-se simular o processo de transmissão de energia em cada parte do impacto; ② podem-se simular diferentes projetos de cada componente do sistema; ③ sob diferentes condições de objetos de impacto, podem-se simular os efeitos de diversos projetos sobre a transmissão de energia. O programa computacional da Sandvik não apenas garante a fabricação dos produtos ótimos, mas também permite medir e compreender a capacidade de todos os parâmetros de afetar o sistema de impacto e o efeito das alterações em determinados parâmetros sobre a eficiência, fornecendo-o aos usuários como uma ferramenta computacional prática e eficaz.

Após a década de 1980, também teve início no país a pesquisa doméstica sobre tecnologia e aplicações de simulação. Os estudiosos chineses Tian Shujun, Chen Yufan e outros estabeleceram modelos matemáticos utilizando respectivos métodos. Tian Shujun et al. aplicaram o power bond graph — uma tecnologia avançada de modelagem dinâmica — combinando métodos de análise no espaço de estados, realizando principalmente pesquisas sobre software de simulação dinâmica para martelos hidráulicos com controle por válvula deslizante. Essa pesquisa explorou a modelagem e a programação de simulação dinâmica de martelos hidráulicos, fornecendo um método e uma abordagem para muitos programadores de simulação posteriores, como o Professor Zhou Zhihong da Universidade de Ciência e Tecnologia de Pequim, que orientou os alunos Yan Yong et al. na utilização de power bond graphs para estabelecer equações dinâmicas para diversos tipos de pistões, válvulas direcionais e equações de fluxo hidráulico, bem como equações de estado do gás em martelos hidráulicos; em seguida, elaboraram programas de simulação em linguagem computacional para analisar os principais processos de variação de estado, tais como pressão nas câmaras dianteira e traseira, fluxo, deslocamento e velocidade do pistão do martelo hidráulico, oferecendo uma plataforma para pesquisas futuras sobre o efeito das alterações dos parâmetros do martelo hidráulico em seu desempenho. Com o rápido desenvolvimento dos computadores e da tecnologia de software, os softwares Matlab e AMEsim passaram a ser aplicados na modelagem e simulação de sistemas de martelos hidráulicos, fornecendo suporte teórico para encurtar os ciclos de pesquisa e desenvolvimento e melhorar a qualidade do projeto de novos modelos.

1.5.6 Métodos de Pesquisa Experimental

O experimento é o meio básico pelo qual as pessoas reconhecem a natureza e transformam o mundo objetivo — resumindo e abstraindo os fenômenos observados e os dados medidos por meio do experimento, identificando conexões internas e padrões, e formulando teorias. O experimento é a origem da teoria; o experimento é o único juiz para a verificação da teoria.

Os parâmetros de desempenho de impacto do martelo hidráulico para rochas são um indicador importante para avaliar seu nível de projeto, fabricação e qualidade. Os principais parâmetros podem todos ser medidos por meios experimentais, com os resultados expressos na forma de dados, curvas ou gráficos. A verificação de desempenho consiste principalmente na medição da energia de impacto, da frequência de impacto, da pressão do sistema e da vazão. Atualmente, não existem normas experimentais internacionais unificadas para a medição desses parâmetros. Os métodos de ensaio de desempenho de impacto de martelos hidráulicos para rochas mais comumente utilizados atualmente são: método da onda de tensão, método fotoelétrico de deslocamento diferencial, método de indução eletromagnética, método de contato, fotografia de alta velocidade, método do diagrama indicador e método energético, entre outros.

O método da onda de tensão é um método para medir a energia de impacto, medindo a onda de tensão gerada na broca quando o pistão de impacto atinge a broca. O método fotoelétrico utiliza o princípio de conversão fotoelétrica; por meio de um sensor fotoelétrico, toma-se a posição do pistão de impacto como medição direta para obter o deslocamento do movimento do pistão e, em seguida, calcular cada parâmetro de desempenho do dispositivo de impacto. O método fotoelétrico, sendo um método de ensaio sem contato, é muito adequado para máquinas de impacto, como rompedores hidráulicos de rochas, que possuem cursos longos do pistão, grandes diâmetros e alta velocidade. O método de indução eletromagnética utiliza o sistema de sensor de indução eletromagnética composto por uma haste magnética instalada no pistão de impacto e por uma bobina helicoidal instalada no corpo da máquina; emprega a força eletromotriz induzida gerada pela bobina ao cortar as linhas de campo magnético à medida que a haste magnética se move alternadamente com o pistão, obtendo assim a velocidade de movimento do pistão com base na relação de calibração entre a força eletromotriz e a velocidade de impacto, e, a partir dessa velocidade, calcula-se a energia de impacto do pistão.

O método de contato é um método para calcular a energia de impacto utilizando a velocidade final do pistão no momento em que este atinge o objeto atingido. Em ensaios de desempenho de rompedores de rocha, os quatro métodos acima são relativamente comuns; outros métodos, seja devido à complexidade operacional e ao alto custo, seja por não refletirem integralmente o estado de movimento do pistão, raramente são utilizados na prática.

Deve-se destacar que o método acima baseado em ondas de tensão é adequado apenas para testar dispositivos de impacto com energia de impacto relativamente pequena, como perfuratrizes hidráulicas de rocha e ferramentas pneumáticas, apresentando maior dificuldade ao testar equipamentos com alta energia de impacto, como martelos hidráulicos de rocha. A capacidade de teste das unidades de pesquisa especializadas no estudo de ondas de tensão geralmente é limitada e não permite a realização de ensaios em grandes martelos hidráulicos de rocha; além disso, o ruído e as vibrações gerados pelos testes realizados em ambientes fechados também não são aceitáveis. Quanto ao método de contato, embora seja simples de instalar, os resultados obtidos não são suficientemente precisos e, portanto, não podem ser amplamente adotados. Apenas o método de indução eletromagnética para testes de martelos hidráulicos de rocha é considerado abrangente em todos os aspectos: pode ser utilizado tanto em perfuratrizes hidráulicas de rocha de baixa energia de impacto quanto em martelos hidráulicos de rocha de grande porte e alta energia de impacto; mede diretamente a curva de velocidade de movimento do pistão, permitindo assim obter o deslocamento e a aceleração do pistão — informação extremamente útil para pesquisadores que estudam os padrões de movimento do pistão. A única desvantagem é que a haste magnética pode ser facilmente danificada sob vibração de alta frequência do pistão.

O Dr. Ding Wensi, da Universidade do Sul da China, na tese de doutorado intitulada 'Pesquisa sobre um Novo Sistema Hidráulico Integrado Máquina-Eletricidade para Britador de Rocha com Retroalimentação de Pressão por Nitrogênio Explosivo', propôs um novo método para testar os parâmetros de saída de dispositivos de impacto — o método de pressão gasosa. Esse método utiliza um sensor de pressão para detectar a variação da pressão na câmara selada de nitrogênio instalada na extremidade traseira do pistão durante o movimento deste, e, por meio de um computador, determina o curso e a velocidade de deslocamento do pistão, obtendo assim os dois importantes parâmetros de saída do dispositivo de impacto — energia de impacto e frequência de impacto. Em comparação com os métodos tradicionais de ensaio, o método não invasivo de pressão gasosa apresenta as vantagens de elevada resistência às vibrações, reduzida necessidade de preparação prévia, medição simultânea da energia e da frequência de impacto, calibração conveniente, pequeno erro nos parâmetros de impacto e alta precisão. Ele pode ser empregado não apenas como método de medição e identificação de produtos em laboratório, mas também ser facilmente utilizado para testes em linha durante operações reais. Esse método já foi aplicado no programa de ensaios hidráulicos da empresa Jingye e incorporado à norma industrial 'Britador Hidráulico de Rocha'.

1.5.7 Pesquisa sobre Vibração, Ruído e Controle

Além da energia de impacto, frequência de impacto e massa, os indicadores para medir o desempenho de martelos hidráulicos incluem também ruído, vibração do corpo da máquina e taxa de aproveitamento energético, que são aspectos importantes para avaliar o desempenho geral. À medida que a conscientização ambiental aumenta, os países desenvolvidos impõem restrições cada vez mais rigorosas ao ruído emitido pelos equipamentos. Para se adaptar às necessidades do mercado, o ruído e a vibração dos martelos hidráulicos, bem como a supressão de poeira, estão gradualmente se tornando indicadores importantes da competitividade empresarial; sua tecnologia de controle é hoje um importante tema de pesquisa. Pesquisadores de diversos países realizam estudos sob os aspectos estrutural e de materiais; estruturalmente, adotam-se medidas como revestimentos internos em forma de luvas, dispositivos silenciadores ou placas de aço amortecedoras de vibrações em configuração sanduíche para controlar vibração e ruído. A empresa Krupp equipou todos os seus produtos de médio e pequeno porte com materiais absorvedores de som. A empresa Rammer instala bombas de água de alta pressão e bicos atomizadores em seus novos produtos para obter efeitos de redução de poeira. Além disso, utiliza-se tecnologia de sensores para permitir o posicionamento preciso de rompedores hidráulicos de rocha, perfuração automática de furos, parada automática e recuo da ponteira, bem como ajuste automático da energia de impacto e da frequência de impacto com base no objeto de trabalho, entre outros.