Prezentare generală a cercetării teoretice privind spărgătoarele hidraulice pentru stânci

1.5 Prezentare generală a cercetării teoretice privind spărgătoarele hidraulice pentru stânci

În timpul funcționării ciocanului hidraulic pentru spart stânci, presiunea uleiului din camera de lucru se comută la o frecvență înaltă sub controlul supapei de direcționare; caracteristicile fluidului din conducta de ulei nu pot fi analizate simplu conform teoriei transmisiei hidraulice, iar pentru analiză trebuie aplicată teoria vibrațiilor hidraulice. Forța care acționează asupra pistonului și a sculei crește de la zero la zeci sau sute de megapascali în câteva zeci de microsecunde, apoi scade din nou la zero; forma de transmitere a energiei prin unde de tensiune determină faptul că descrierea procesului de lucru nu poate fi realizată simplu cu ajutorul staticii, mecanicii corpurilor rigide și al teoriei cinematicii. Principiul mașinii de impact aparține domeniului problemelor de dinamică ale corpurilor elastice, iar pentru descrierea precisă a procesului de transmitere a energiei trebuie utilizată teoria undelor.

În funcție de diferențele existente între ipotezele de bază și modelele matematice, cercetarea privind ciocanele hidraulice pentru spart stânci se împarte în două mari categorii: cercetarea bazată pe modele liniare și cercetarea bazată pe modele neliniare.

1.5.1 Modele de cercetare liniară pentru spărgătoare hidraulice de stâncă

Cercetarea liniară este o cercetare idealizată, realizată prin liniarizarea spargerilor hidraulice de stâncă neliniare, pe baza unor ipoteze — modele liniare obținute sub ipoteza «presiunii constante a uleiului hidraulic» și ignorând anumite factori. Premisa acestei cercetări este punctul de vedere propus de cercetătorii din epoca sovietică, OdAlimov și SAbasov, în lucrarea «Teoria structurii mașinilor hidraulice de vibro-percuție»: «În condiția asigurării unei viteze finale date la capătul percuției, controlul presiunii complet egalizate reprezintă controlul optim, cu eficiența cea mai ridicată.» Pe baza ipotezei «controlului la presiune constantă», cercetătorii din epoca sovietică au propus schema de proiectare optimă pentru forța de împingere maximă minimă. Cercetătorul japonez Nakamai și colegii săi, pornind de la această bază și luând în considerare rezistența conductelor, au efectuat cercetări teoretice și de proiectare privind reglabilitatea cursei pistonului. Profesorul Li Dazhi de la Universitatea de Știință și Tehnologie din Beijing a propus ideea proiectării optime a cursei. Chen Yufan și colegii săi au utilizat modele liniare ale dispozitivelor de percuție, aplicând analiza adimensională cu metoda cursei optime, pentru a efectua o analiză adimensională a parametrilor dispozitivelor de percuție, obținând o serie de expresii relaționale între parametri, utile în activitatea de proiectare. Profesorul Chen Dingyuan de la Universitatea de Știință și Tehnologie din Beijing, folosind ca variabilă de proiectare raportul C = S/S_m (unde S este cursa de funcționare, iar S_m este cursa maximă), a efectuat o analiză adimensională a spargerilor hidraulice de stâncă și a stabilit că zona de eficiență optimă este C = 0,75–0,850. Profesorul Wang Zheng de la Universitatea de Știință și Tehnologie din Beijing, utilizând ca variabilă de proiectare timpul t al accelerației pistonului în cursa de revenire, a efectuat o analiză completă a parametrilor și a obținut următoarele rezultate: când variația volumului acumulatorului este minimă, t = 0,406T; când impactul hidraulic este minim, t = 0,5T. Profesorul He Qinghua de la Universitatea Central-Sud a folosit coeficientul structural caracteristic al dispozitivului de percuție — raportul dintre suprafețele eficiente ale camerei frontale și celei posterioare ale pistonului — ca variabilă de proiectare adimensională pentru a efectua o proiectare optimizată a dispozitivelor de percuție. Deoarece multe studii liniare nu au luat în considerare relația de constrângere reciprocă dintre piston și distribuitor, care influențează direct performanța de percuție și starea acumulatorului, acestea nu pot reflecta cu exactitate interrelațiile dintre numeroșii parametri structurali ai mecanismului. Deși precizia acestor cercetări este relativ scăzută, rezultatele lor pot reflecta în linii mari influența diferiților factori asupra performanței și, prin urmare, prezintă o anumită valoare practică în cercetarea teoretică și de proiectare.

1.5.2 Modele neliniare pentru spărgătoare hidraulice de stâncă

Ca un sistem tipic și relativ complex de urmărire mecanică cu reacție inversă cu un singur corp, spărgătoarea hidraulică de stâncă, la fel ca sistemele neliniare din alte domenii, prezintă numeroase fenomene și modele neliniare. Cercetarea neliniară a luat în considerare în mod mai cuprinzător factorii care influențează mișcarea spărgătoarei hidraulice de stâncă, a analizat relativ exhaustiv starea de efort a acesteia și a obținut sisteme de ecuații diferențiale neliniare de ordin superior pentru a descrie modelele sale de mișcare. Totuși, aceste ecuații sunt dificil de rezolvat, descrierea nu este intuitivă și pot fi rezolvate doar numeric, cu ajutorul calculatoarelor. În ultimii ani, odată cu dezvoltarea științei și tehnologiei calculatoarelor și cu răspândirea calculatoarelor micro, cercetarea privind modelele matematice neliniare a atras o atenție tot mai mare din partea specialiștilor.

Încă de la începutul anilor 1970, cercetători străini au aplicat calculatoarele digitale în cercetarea de simulare a mașinilor de impact pentru perforatoarele pneumatice de stâncă, obținând rezultate relativ precise. În 1976, cercetătorul japonez Masao Masabuchi a fost cel mai devreme care a folosit calculul matematic pentru studierea spărgătoarelor hidraulice de stâncă, propunând un model matematic pentru un dispozitiv de testare a impactului hidraulic și utilizând calculul iterativ pentru determinarea vitezei și frecvenței cursei de putere, comparând ulterior rezultatele cu valorile măsurate. În anii 1980, cercetătorii japonezi Takauchi Yoshio, Tanimata Shu și alții au efectuat cercetări neliniare privind performanța și proiectarea spărgătoarelor hidraulice de stâncă, propunând modele analitice adecvate evaluării performanței și proiectării acestor spărgătoare hidraulice, precum și teoria derivării și metoda de analiză pentru modelul analitic. În 1980, Li Dazhi și Chen Dingyuan de la Universitatea de Știință și Tehnologie din Beijing au propus un model matematic neliniar care folosea presiunea acumulatorului ca presiune de lucru și au căutat soluții numerice stabile. În 1983, He Qinghua de la Universitatea Industrială din Sudul Central, în lucrarea „Cercetare privind simularea numerică a spărgătoarelor hidraulice de stâncă”, a utilizat metoda comutării stărilor pentru a elabora un model matematic cuprinzător, a propus „metoda de calcul cu accelerație quasi-uniformă” (metoda PUA), a corectat erorile la punctele de tranziție între stări și a îmbunătățit astfel acuratețea simulării. În 1987, profesorul Chen Xiaozhong și domnul Chen Dingyuan de la Universitatea de Știință și Tehnologie din Beijing au elaborat un model matematic neliniar al mecanismelor de impact și au scris programe de simulare în BASIC, obținând date de simulare relativ conforme cu rezultatele măsurate. În timpul funcționării spărgătoarelor hidraulice de stâncă, datorită presiunii ridicate, duratei scurte a ciclului de impact și comutărilor frecvente ale debitului de ulei, există o cameră de presiune variabilă în mod continuu; astfel, atunci când uleiul hidraulic curge prin diverse jocuri, se generează o cantitate mare de căldură, provocând temperaturi locale ridicate care afectează atât performanța dispozitivului de impact, cât și ungerea locală; totuși, cercetarea în această zonă rămâne încă inexistentă.

Datorită complexității mișcării ciocanelor hidraulice pentru stânci, sunt construite, de asemenea, modele neliniare pe baza unor ipoteze specifice, astfel încât, în realitate, nu există o diferență semnificativă între modelele liniare și cele neliniare în ceea ce privește descrierea naturii esențiale a fenomenelor — doar metodele de rezolvare ale modelului matematic diferă. Modelele liniare folosesc soluții analitice, în timp ce modelele neliniare necesită metode numerice, care trebuie aplicate cu ajutorul calculatorului. Ambele tipuri de modele pot doar aproxima modelele de mișcare ale dispozitivului de impact, iar pentru a obține metode de descriere mai precise este încă necesară dezvoltarea dinamicii computaționale a fluidelor.

Trebuie subliniat faptul că, pe măsură ce tehnologia ciocanelor hidraulice pentru stânci evoluează, în special cu apariția ciocanelor hidraulice combinate hidraulic-pneumatice și a celor hidraulice cu explozie de azot, mediul de lucru al ciocanelor hidraulice pentru stânci nu mai este reprezentat doar de ulei, ci și de gaz; introducerea azotului a crescut în mod suplimentar dificultatea și complexitatea cercetării teoretice.

1.5.3 Cercetare privind componentele cheie ale spargerilor hidraulice de stâncă

(1) Cercetare privind pistonul

Calitatea proiectării și a fabricației pistonului de impact determină, în mare măsură, performanța dispozitivului de impact. Cercetătorii chinezi au efectuat cercetări semnificative în această direcție. Profesorul Meng Suimin de la Colegiul de Inginerie Hidroelectrică Gezhouba, bazându-se pe modelul liniar, a utilizat analiza adimensională pentru a explora preliminar influența vitezei de revenire a pistonului asupra parametrilor de funcționare ai spărgătorului hidraulic de stâncă. Profesorul Liu Deshun de la Colegiul de Inginerie Xiangtan, în lucrarea „Calculul vitezei de revenire a pistonului perforatorului de stâncă”, a aplicat teoria dinamicii undelor și, pe baza analizei principiului de funcționare al perforatorului de stâncă, a propus formule pentru judecarea stării de revenire a pistonului și pentru calculul vitezei de revenire a acestuia, obținând următoarele concluzii: ① Starea de revenire a pistonului și viteza de revenire sunt legate de proprietățile pistonului, burghiului și stâncii, iar influențele lor nu sunt independente, ci interconectate. ② Cu cât coeficientul de rigiditate la descărcare al stâncii este mai mic, cu atât viteza de revenire este mai mare. Cu cât coeficientul γ, care caracterizează proprietățile de încărcare ale perforatorului de stâncă și ale stâncii, este mai mic, cu atât viteza de revenire este mai mare. ④ Pentru a obține o eficiență relativă ideală a forării stâncii, la proiectarea unui dispozitiv de impact, coeficientul caracteristic γ trebuie controlat în intervalul 1 ≤ γ ≤ 2.

Industria a formulat treptat unele directive privind proiectarea pistonului:

1) Pistonul trebuie să fie alungit și să reducă modificările inutile ale secțiunii transversale, pentru a sprijini eficiența transmisiei energiei și durata de viață a burghiului.

2) Suprafața frontală de impact a pistonului trebuie să aibă o arie egală sau cât mai apropiată de cea a suprafeței frontale a cozii burghiului, iar o anumită lungime de conicitate trebuie să existe, pentru a sprijini transmiterea undelor de impact.

3) Cursa completă și cursa excesivă a pistonului nu trebuie să deterioreze structurile de etanșare de la ambele capete.

4) Dimensiunile pernei hidraulice pentru funcționarea fără scule și lungimile de etanșare ale fiecărui segment al pistonului trebuie proiectate corespunzător.

5) Este necesară o selecție corectă a materialului — materialul pistonului trebuie să prezinte performanțe mecanice ridicate, duritate superficială ridicată, tenacitate bună în miez și o rezistență foarte bună la uzură și la impact.

6) Jocul de montare dintre piston și corpul cilindrului trebuie stabilit în mod rațional, luându-se în considerare în mod cuprinzător pierderile prin scurgere și precizia prelucrării. În general, jocul de montare dintre piston și corpul cilindrului este de 0,04–0,06 mm, iar jocul de montare dintre piston și manșonul de susținere este de 0,03–0,05 mm.

(2) Cercetarea supapei de distribuție

În prezent, o mare majoritate a spargerilor hidraulice de stâncă folosesc sisteme cu piston comandate de supape cu reacție de poziție și realizează mișcarea reciprocă rapidă a pistonului prin modificarea modelului de alimentare cu ulei într-o anumită cameră a dispozitivului de lovire. Deși această formă de comandă este relativ simplă, procesul său de tranziție este relativ complex. În timpul procesului de comutare a supapei, parametrii precum timpul, viteza, cursa, consumul de ulei și alții se modifică treptat, ceea ce poate avea un efect semnificativ asupra performanței dispozitivului de lovire. În acest sens, Liu Wanling et al. de la Universitatea de Știință și Tehnologie din Beijing au efectuat, pe baza teoriei și a experimentelor, o cercetare specializată privind caracteristicile supapelor de comandă din sistemele hidraulice de lovire, obținând traiectoria reală de mișcare a supapei dispozitivului de lovire studiat, dezvăluind legile mișcării supapei de direcționare și determinând principalii parametri ai supapei de comandă care influențează performanța dispozitivului de lovire. Qi Renjun et al. de la Universitatea din Sudul Central au efectuat o analiză teoretică a procesului de comandă prin supapă, o cercetare de optimizare a structurii și a parametrilor supapei și au obținut unele concluzii benefice privind regularitățile respective; având în vedere posibilele fenomene de saturație a vitezei și de cavitație în timpul mișcării rapide a supapei de direcționare, au propus soluții eficiente de reducere a masei și a cursei tijei supapei, împreună cu o creștere corespunzătoare a diametrului trecerii pentru ulei. Liu Wanling și Gao Lanqing de la Colegiul de Oțel și Font din Beijing, în lucrarea „Analiza caracteristicilor dinamice ale supapei de direcționare a spargerii hidraulice de stâncă — Cercetare prin simulare și experimentală”, folosind programarea în BASIC, au investigat modalitățile de îmbunătățire a caracteristicilor dinamice ale supapei, concluzionând că, pe măsură ce deschiderea fără suprapunere la zero crește, presiunea din camera posterioară scade rapid, lucrul de lovire crește, frecvența loviturilor scade ușor, iar eficiența dispozitivului de lovire se îmbunătățește; atunci când deschiderea fără suprapunere la zero este prea mare, datorită scăderii lungimii de etanșare la umărul supapei, funcționarea supapei devine nesigură.

(3) Cercetare privind acumulatorii

Acumulatorul este un component important al spărgătorului hidraulic de stâncă, iar structura sa afectează direct performanța generală a acestuia. Prin urmare, în cadrul cercetărilor privind performanța spărgătorului hidraulic de stâncă, s-au desfășurat și studii privind acumulatoarele. În 1990, cercetătorii japonezi Takauchi Yoshio, Tanimata Shu și colab., prin cercetări experimentale și teoretice, au stabilit, pe baza modelului analitic elaborat, o formulă de calcul pentru volumul de încărcare cu azot al acumulatorului, utilizând ecuația de stare, iar corectitudinea formulei a fost verificată experimental, oferind o bază teoretică pentru proiectarea acumulatorului optim. În 1986, Duan Xiaohong de la Universitatea de Știință și Tehnologie din Beijing a elaborat, folosind metoda parametrilor concentrați, un model dinamic al acumulatoarelor cu membrană de înaltă presiune și a analizat, atât experimental, cât și prin calcule, caracteristicile de frecvență ale sistemului acumulator; de asemenea, a discutat cuplajul optim dintre acumulator și spărgătorul hidraulic de stâncă, subliniind faptul că zona de funcționare optimă a dispozitivului de impact este aceea în care răspunsul armonic secundar al acumulatorului la variațiile presiunii sistemului domină energetic. În 1986, profesorul He Qinghua de la Universitatea Central-Sud a publicat articolul „Uleiul de retur și acumulatorul de ulei de retur pentru mecanismele hidraulice de impact”, în care a evidențiat că presiunea hidraulică de funcționare a spărgătorului hidraulic de stâncă depinde în principal de forța de inerție a părților sale mobile; aceasta reprezintă o caracteristică semnificativă a spărgătorului hidraulic de stâncă, care îl distinge de mașinile hidraulice obișnuite, unde presiunea hidraulică de funcționare depinde în principal de sarcina exterioară. Presiunea de retur este în principal presiunea hidraulică de inerție generată de accelerarea uleiului în momentul în care pistoanele sau supapele evacuează uleiul în conducta de retur; de asemenea, se precizează că, deoarece debitul evacuat de dispozitivul de impact diferă de modelul de variație a debitului de ulei din conducta de retur, va apărea cavitația atunci când debitul care intră în conducta de retur este mai mic decât debitul de ulei care se deplasează în această conductă. Pentru reducerea presiunii de retur de inerție și eliminarea cavității de retur, se propune instalarea unui acumulator de retur în spărgătorul hidraulic de stâncă, iar pe această bază se propune o metodă de proiectare a parametrilor acestui acumulator de retur. În ultimii ani, Universitatea de Știință și Tehnologie din Beijing a efectuat cercetări privind caracteristicile de cuplare dinamică ale acumulatoarelor spărgătorului hidraulic de stâncă, a elaborat pachetul de software de simulare HRDP și a obținut rezultate în calculele de verificare privind caracteristicile optime de cuplare dinamică ale acumulatorului.

(4) Cercetare privind dispozitivele de prevenire a declanșării în gol și amortizoarele de energie pentru revenirea burghiului

Deoarece în timpul funcționării fracturatorului hidraulic de rocă apar fenomene inevitabile de rebound al ciocanului și de ardere în gol, performanța de lucru a absorbitorului de energie de rebound al ciocanului și a dispozitivului de prevenire a arderii în gol are un efect mare asupra În lucrarea "Analyse a vitezei de reîntâlnire a pistonului de foraj în rocă", profesorul Meng Suimin a analizat sistematic factorii de reîntâlnire a cozii ciocanului și a explorat metode de absorbție a energiei de reîntâlnire a ciocanului. Liao Yide de la Universitatea Centrală de Sud, în lucrarea "Teoria și cercetarea experimentală asupra dispozitivelor tamponatoare cu tragere în gol pentru forajul hidraulic de rocă", a stabilit un model matematic al procesului tamponatoare cu tragere în gol și a efectuat cercetări de simulare Dr. Liao Jianyong, în lucrarea "Teoria proiectării și proiectarea asistată de calculator a forajelor hidraulice de rocă cu mai multe etape", a efectuat simularea pe calculator și proiectarea optimizată a dispozitivelor de absorbție a energiei de rebote a ciocanului și a dispozitivelor Liu Deshun de la Universitatea Centrală de Sud, în disertația sa de doctorat "Wave Dynamics Research of Impact Mechanisms", a aplicat teoria dinamicii undelor, a derivat formule de calcul al vitezei de rebound pentru fiecare parte a dispozitivului de impact și a subliniat că energia de rebound poate fi utilizată prin Institutul de cercetare în inginerie hidraulică a mașinilor de la Universitatea Centrală de Sud a dezvoltat un dispozitiv tampon cu foc liber în două etape, care a utilizat pe deplin capacitatea absorbitorului de energie de rebound al ciocanului o realizare creativă de cercetare

1.5.4 Cercetare privind tehnologia de reglare a frecvenței, reglarea energiei și controlul pentru spărgătoarele hidraulice de stânci

În contextul dezvoltării tehnologiei spărgătoarelor hidraulice de stânci, construcțiile de teren au formulat noi cerințe față de aceste echipamente. Pentru a îmbunătăți eficient productivitatea, se cere ca energia de impact și frecvența de impact ale spărgătorului hidraulic de stânci să poată fi ajustate în funcție de modificările proprietăților stâncii. Adică, în condițiile utilizării la maxim a capacității instalate a mașinii portante, atunci când stânca este mai dură, spărgătorul hidraulic de stânci furnizează o energie de impact mai mare și o frecvență de impact mai mică; invers, furnizează o energie de impact mai mică și o frecvență de impact mai mare, realizând astfel o productivitate superioară. Pentru atingerea acestor obiective, s-au desfășurat cercetări ample, atât la nivel național, cât și internațional.

Din cercetarea teoretică privind spărgătoarele hidraulice de stâncă, ieșirea acestora (energia de impact și frecvența) poate fi reglată în principal prin trei metode: ① reglarea debitului; ② reglarea cursei; ③ reglarea presiunii de reacție. În prezent, marea majoritate a spărgătoarelor hidraulice de stâncă produse în țară și în străinătate au o singură cursă fixă — adică ieșirea lor nu este reglabilă. Desigur, dacă astfel de spărgătoare hidraulice de stâncă folosesc metoda reglării debitului pentru a ajusta ieșirea, deși este teoretic fezabilă, în practică nu este aplicabilă. Deoarece modificările debitului vor determina modificări sincrone ale parametrilor de ieșire, nu se poate realiza o reglare independentă.

Deși unii producători naționali și străini au proiectat și fabricat spărgătoare hidraulice pentru stânci cu cursă reglabilă, acestea nu sunt apreciate de utilizatori, deoarece ajustarea lor se face în trepte, pe baza unei structuri rigide, fiind foarte incomode de utilizat și oferind rezultate slabe. În ceea ce privește distribuția cu reacție a cursei de revenire, parametrii de funcționare ai acestora sunt ajustați în principal prin modificarea debitului de intrare în sistem sau prin adăugarea mai multor orificii pentru semnale de reacție ale cursei de revenire, iar controlul deschiderii/închiderii fiecărui orificiu permite ajustarea cursei pistonului, modificând astfel energia de impact și frecvența de impact a spărgătorului hidraulic pentru stânci. De exemplu, burghiul hidraulic pentru stânci cu trei viteze al firmei Atlas-Copco, produs în Suedia. Seria YYG de spărgătoare hidraulice pentru stânci cu schimbare automată de trepte a vitezelor, dezvoltată de Universitatea Central-Sudică — din cauza limitărilor structurale, acest principiu poate realiza doar o ajustare în trepte a parametrilor de funcționare ai spărgătorului hidraulic pentru stânci; de asemenea, deoarece presiunea și debitul sistemului de impact sunt proporționale cu pătratul unul față de celălalt, creșterea simultană a energiei de impact și a frecvenței de impact determină variații foarte mari ale puterii mașinii purtătoare, ceea ce limitează extinderea domeniului de lucru și eficiența funcționării spărgătorului hidraulic pentru stânci. Profesorul Takashi Takahashi de la Universitatea Akita din Japonia, într-un articol științific, a descris ajustarea poziției orificiului de semnal pentru cursa de revenire, în vederea modificării cursei pistonului spărgătorului hidraulic pentru stânci. Experimentele au demonstrat că, atunci când cursa pistonului este mărită cu 10%, deși frecvența de impact scade cu 8%, energia de impact poate crește cu 12%, ceea ce îmbunătățește eficiența de funcționare și oferă dovezi teoretice și experimentale pentru proiectarea spărgătoarelor hidraulice pentru stânci cu cursă reglabilă. Profesorul He Qinghua de la Universitatea Central-Sudică, în lucrarea „Cercetare privind mașinile hidraulice de impact cu cursă reglabilă”, a comparat mai multe tipuri de metode de schimbare a treptelor și a analizat teoretic relațiile dintre diferiții parametri de funcționare ai dispozitivelor hidraulice de impact cu cursă reglabilă și cursele de schimbare a treptelor; rezultatele obținute au o semnificație clară de ghidare pentru proiectarea și utilizarea spărgătoarelor hidraulice pentru stânci cu schimbare a treptelor. Această carte introduce conceptul de ajustare independentă și fără trepte a parametrilor de funcționare, bazat pe principiul reacției la presiune, și a lansat acest nou produs spărgător hidraulic pentru stânci. Acesta reglează în principal energia unică de impact a dispozitivului de impact prin controlul mărimii presiunii de revenire a pistonului; în același timp, prin controlul debitului pompei variabile, ajustează fără trepte frecvența dispozitivului de impact, astfel încât energia de impact și frecvența de impact pot fi ajustate independent și fără trepte într-un domeniu relativ larg, în timp ce variația puterii mașinii purtătoare rămâne redusă. În ceea ce privește cercetarea teoretică, proiectarea structurală și metodele de comandă pentru acest nou tip de mașină hidraulică de impact, autorii au efectuat studii privind dispozitivele hidraulice de impact care permit ajustarea independentă și fără trepte a energiei de impact și a frecvenței de impact. Dr. Zhao Hongqiang, în teza de doctorat „Cercetare privind un nou tip de spărgător hidraulic pentru piatră cu comandă independentă și fără trepte”, a depășit metoda tradițională de comandă cu reacție a cursei de la spărgătoarele hidraulice pentru stânci, adoptând metode de comandă bazate pe reacția la presiune și pe controlul debitului pompei variabile, realizând astfel o comandă independentă și fără trepte a energiei de impact și a frecvenței de impact ale spărgătorului hidraulic pentru stânci. Ding Wensi, în teza sa de doctorat, folosind presiunea de azot din partea posterioară a spărgătorului ca variabilă de comandă, a efectuat o activitate extensivă privind spărgătoarele de tip distribuție forțată, comandate prin supape de comutație rapidă, realizând ajustarea independentă a frecvenței și a energiei spărgătorului. Zhang Xin, în lucrarea „Cercetare privind un nou tip de sistem hidraulic de impact cu reacție la presiune și integrare mecano-electrică”, a utilizat supape de comutație rapidă comandate de un microcontroler monoplicat pentru a realiza comanda computerizată a dispozitivului de impact. Yang Guoping, în teza de doctorat „Cercetare privind un dispozitiv pur hidraulic de impact cu ajustare independentă și fără trepte a frecvenței și a energiei”, a propus un dispozitiv inteligent de impact cu o schemă de comandă pur hidraulică, capabil să realizeze ajustarea fără trepte a energiei de impact și a frecvenței de impact ale spărgătorului hidraulic pentru stânci prin intermediul unei manete de distribuție de tip pilot.

1.5.5 Starea actuală a cercetării tehnologiei de simulare a spargerilor hidraulice de stâncă

Din perspectiva proiectării și dezvoltării produselor, cercetarea caracteristicilor dinamice ale mecanismelor este mai bine realizată în etapa de dezvoltare și proiectare a produsului. Simularea răspunsului dinamic a sistemelor de comandă hidraulice a constituit întotdeauna un domeniu continuu de studiu pentru industria hidraulică și reprezintă, de asemenea, o metodă frecvent utilizată pentru studierea caracteristicilor de răspuns dinamic ale sistemelor de comandă.

Metoda specială de funcționare a spargerii hidraulice de stâncă determină faptul că analiza și testarea prin simulare dinamică trebuie să constituie premisa de bază pentru proiectarea teoretică și dezvoltarea mecanismului. După apariția calculatoarelor, obstacolul reprezentat de dependența exclusivă de testarea produselor pentru obținerea unor rezultate precise sau fiabile privind performanța în mișcare a mecanismului a fost depășit. Cercetătorii au început să utilizeze diverse metode pentru stabilirea modelelor matematice care descriu vibrația hidraulică și mișcarea mașinilor de impact, analizând procesele de variație a parametrilor spargerilor hidraulice de stâncă prin tehnologia de simulare și folosind tehnologia prototipului virtual pentru simularea proceselor de mișcare ale mașinilor de impact. După stabilirea rezultatelor proiectării, mișcarea mecanismului poate fi înțeleasă clar, iar parametrii de performanță relevanți pot fi calculați, oferind o cale eficientă pentru scurtarea ciclurilor de dezvoltare a noilor produse, optimizarea proiectării și efectuarea analizei performanței dinamice.

În anii 1960 și 1970, cercetători străini au început să aplice calculatoarele digitale în lucrările de simulare a mașinilor de impact. Aceste lucrări au luat în considerare presiunea din camerele din față și din spate ca variabilă, au calculat debitul de fluid care intră și iese prin fiecare orificiu, corectându-l cu coeficienții de debit; apoi au aplicat ecuația stării gazului și ecuația bilanțului energetic pentru a stabili ecuații diferențiale microscopice care descriu modificările stării acumulatorului și ale pistonului; după ce au aplicat anumite aproximații privind mișcarea supapei, au utilizat metodele diferențelor finite pentru rezolvarea numerică. Rezultatele simulărilor, în special parametrii de performanță, s-au dovedit a fi foarte apropiate de valorile măsurate, obținându-se rezultate satisfăcătoare. În Japonia, cercetătorii au acordat o atenție sporită elaborării unor modele computerizate specifice pentru ciocanele hidraulice de spart rocă, în scopul cercetării, introducând în simulare parametri obținuți experimental pentru a efectua optimizarea parametrilor structurali, a parametrilor de impact și a performanței ciocanelor hidraulice de spart rocă, obținându-se astfel aria optimă a orificiului de retur a uleiului, volumul optim de încărcare al acumulatorului și aria de rezistență la presiune a camerei din spate corespunzătoare acestui tip de ciocan hidraulic de spart rocă. În timpul efectuării simulărilor, cercetătorii japonezi au acordat o atenție deosebită comparării rezultatelor simulărilor cu cele obținute în cadrul testărilor experimentale și au corectat modelele computerizate pe baza datelor obținute în urma testelor. Compania Sandvik, după ce a luat în considerare influența formei pistonului de impact asupra modului de transmitere a energiei, a proiectat și dezvoltat, de asemenea, un program de simulare computerizată în această zonă. Folosind acest program: ① se poate simula procesul de transmitere a energiei în fiecare componentă a sistemului de impact; ② se pot simula diferite variante de proiectare ale fiecărui component al sistemului; ③ în condiții diferite privind tipul obiectului supus impactului, se pot simula efectele diverselor variante de proiectare asupra transmiterii energiei. Programul computerizat al Sandvik nu doar garantează fabricarea produselor optime, ci permite, de asemenea, măsurarea și înțelegerea modului în care toți parametrii afectează sistemul de impact, precum și evaluarea efectului modificărilor unor parametri asupra eficienței, punând la dispoziția utilizatorilor un instrument de calcul practic și eficient.

După anii 1980, au început și cercetările interne privind tehnologia și aplicațiile simulării. Cercetătorii chinezi Tian Shujun, Chen Yufan și alții au elaborat, fiecare prin metodele sale specifice, modele matematice. Tian Shujun și colegii săi au aplicat graficele de legătură de putere — o tehnică avansată de modelare dinamică — combinându-le cu metode de analiză în spațiul stărilor, concentrându-se în principal pe cercetarea unui software de simulare dinamică pentru spărgătoarele hidraulice cu distribuitor cu sertar. Această cercetare a explorat modelarea și programarea simulării dinamice a spărgătoarelor hidraulice, oferind o metodă și o abordare pentru mulți programatori ulteriori de simulare, precum profesorul Zhou Zhihong de la Universitatea de Știință și Tehnologie din Beijing, care a condus studenții Yan Yong și alții în utilizarea graficelor de legătură de putere pentru stabilirea ecuațiilor dinamice ale pistoanelor unor tipuri diferite de spărgătoare hidraulice, ale supapelor de direcționare, precum și ale fiecărei ecuații de debit hidraulic și ale ecuațiilor stării gazului; apoi au scris programe de simulare în limbaj de programare pentru computer, efectuând analiza proceselor principale de variație a stărilor, cum ar fi presiunea din camerele din față și din spate, debitul, deplasarea și viteza pistonului spărgătorului hidraulic, oferind o platformă pentru cercetări ulterioare privind influența modificărilor parametrilor spărgătorului hidraulic asupra performanței acestuia. În contextul dezvoltării rapide a calculatoarelor și a tehnologiei software, programele Matlab și AMEsim au fost aplicate în modelarea și simularea sistemelor spărgătoarelor hidraulice, oferind suport teoretic pentru reducerea duratei ciclurilor de cercetare și dezvoltare și pentru îmbunătățirea calității proiectării noilor modele.

1.5.6 Metode experimentale de cercetare

Experimentul este mijlocul fundamental prin care oamenii își cunosc natura și transformă lumea obiectivă — sintetizând și abstractizând fenomenele observate și datele măsurate prin experiment, identificând conexiunile și modelele interne și formulând teorii. Experimentul este sursa teoriei; experimentul este singurul judecător care verifică teoria.

Parametrii de performanță ai ciocanelor hidraulice pentru spart stânci reprezintă un indicator important pentru evaluarea nivelului de proiectare, fabricație și calitate. Principalele parametri pot fi toți măsurați prin metode experimentale, iar rezultatele sunt exprimate sub formă de date, curbe sau diagrame. Verificarea performanței se concentrează în principal pe măsurarea energiei de impact, a frecvenței de impact, a presiunii sistemului și a debitului. Metodele actuale de măsurare a acestor parametri nu beneficiază de standarde experimentale internaționale unificate. Metodele de testare a performanței impactului ciocanelor hidraulice pentru spart stânci, utilizate în prezent în mod obișnuit, sunt: metoda undei de tensiune, metoda diferențială fotoelectrică de deplasare, metoda inducției electromagnetice, metoda de contact, fotografierea de înaltă viteză, metoda diagramei indicatoare și metoda energetică, etc.

Metoda undei de tensiune este o metodă de măsurare a energiei de impact prin măsurarea undei de tensiune generate pe burghiul de lovire în momentul în care pistonul de impact lovește burghiul. Metoda fotoelectrică se bazează pe principiul conversiei fotoelectrice; prin intermediul unui senzor fotoelectric, poziția pistonului de impact este luată ca măsură directă de testare pentru a obține deplasarea mișcării pistonului, iar ulterior se calculează fiecare parametru de performanță al dispozitivului de impact. Metoda fotoelectrică, fiind o metodă de testare fără contact, este foarte potrivită pentru mașinile de impact, cum ar fi spargerile hidraulice de stâncă, care au curse lungi ale pistonului, diametre mari și viteze ridicate. Metoda inducției electromagnetice folosește un sistem de senzori bazat pe inducție electromagnetică, compus dintr-un tijă magnetic montat pe pistonul de impact și o bobină elicoidală montată pe carcasă; această metodă utilizează forța electromotoare indusă în bobină prin tăierea liniilor de câmp magnetic de către tija magnetică, care se mișcă alternativ împreună cu pistonul, obținându-se astfel viteza mișcării pistonului pe baza relației de calibrare dintre forța electromotoare și viteza de impact, iar din aceasta se calculează energia de impact a pistonului.

Metoda de contact este o metodă de calculare a energiei de impact folosind viteza finală a pistonului în momentul impactului cu obiectul lovit. În testarea performanței ciocanelor hidraulice pentru stânci, cele patru metode de mai sus sunt relativ frecvente; alte metode, fie datorită complexității operaționale și costurilor ridicate, fie datorită reflectării incomplete a stării de mișcare a pistonului, sunt rar utilizate în practică.

Trebuie subliniat faptul că metoda de undă de tensiune descrisă mai sus este potrivită doar pentru testarea dispozitivelor de impact cu energie de impact relativ mică, cum ar fi perforatoarele hidraulice pentru stânci și uneltele pneumatice, iar testarea dispozitivelor cu energie mare de impact, cum ar fi spărgătoarele hidraulice pentru stânci, prezintă o dificultate semnificativă. Capacitatea de testare a unităților de cercetare specializate în studiul undelor de tensiune este, în general, limitată și nu permite testarea spărgătoarelor hidraulice mari pentru stânci; de asemenea, zgomotul și vibrațiile generate în timpul testărilor în interior nu sunt acceptabile. În ceea ce privește metoda de contact, deși instalarea acesteia este simplă, rezultatele obținute nu sunt suficient de precise și, prin urmare, nu pot fi promovate. Singura metodă considerată completă din toate punctele de vedere pentru testarea spărgătoarelor hidraulice pentru stânci este cea bazată pe inducție electromagnetică: aceasta poate fi utilizată atât pentru perforatoarele hidraulice pentru stânci cu energie mică de impact, cât și pentru spărgătoarele hidraulice mari cu energie ridicată de impact; măsoară direct curba vitezei de mișcare a pistonului, permițând astfel obținerea deplasării și accelerației pistonului, informații extrem de utile pentru cei care studiază modelele de mișcare ale pistonului. Singurul dezavantaj constă în faptul că tija magnetică se deteriorează ușor sub acțiunea vibrațiilor pistonului la frecvență înaltă.

Dr. Ding Wensi de la Universitatea din Sudul Central, în teza de doctorat „Cercetare privind un nou sistem hidraulic integrat mașină-electric pentru ciocanul de zdrobit piatră cu feedback de presiune și explozie cu azot”, a propus o nouă metodă de testare a parametrilor de ieșire ai dispozitivului de impact — metoda presiunii gazului. Această metodă folosește un senzor de presiune pentru a detecta efectul asupra presiunii camerei etanșe de azot instalate în partea posterioară a pistonului în timpul mișcării acestuia și, prin intermediul unui calculator, determină cursa și viteza de mișcare a pistonului, obținând astfel cei doi parametri importanți de ieșire ai dispozitivului de impact — energia de impact și frecvența de impact. Comparativ cu metodele tradiționale de testare, metoda necontact de măsurare a presiunii gazului prezintă avantajele unei rezistențe ridicate la vibrații, a unui volum redus de pregătire, a măsurării simultane a energiei și frecvenței de impact, a calibrării ușoare, a unei erori mici a parametrilor de impact și a unei precizii ridicate. Aceasta poate fi utilizată nu doar ca metodă de măsurare și identificare a produselor în laborator, ci și în mod convenabil pentru testarea în timp real în condiții de lucru reale. A fost aplicată în programul de teste hidraulice al companiei Jingye și a fost inclusă în standardul de industrie „Ciocan hidraulic de zdrobit piatră”.

1.5.7 Cercetare privind vibrația, zgomotul și controlul

În afară de energia de impact, frecvența de impact și masă, indicatorii pentru măsurarea performanței mașinilor hidraulice de impact includ, de asemenea, zgomotul, vibrația carcasei mașinii și rata de utilizare a energiei, care reprezintă aspecte importante în evaluarea performanței globale. Pe măsură ce conștientizarea ecologică crește, țările dezvoltate impun restricții din ce în ce mai stricte privind zgomotul echipamentelor. Pentru a se adapta cerințelor pieței, zgomotul și vibrația mașinilor hidraulice de impact, precum și suprimarea prafului, devin treptat indicatori importanți ai concurenței comerciale; tehnologia de control a acestora este astăzi un domeniu important de cercetare. Cercetătorii din diverse țări desfășoară studii din punct de vedere structural și material; din punct de vedere structural, se aplică măsuri precum manșoane interioare amortizoare, dispozitive de atenuare a zgomotului sau plăci de oțel amortizoare de vibrații în construcția tip „sandwich”. Compania Krupp a echipat toate produsele sale de dimensiune medie și mică cu materiale fonoabsorbante. Compania Rammer instalează pompe de apă la presiune înaltă și duze de pulverizare pe noile produse dezvoltate pentru a obține efecte de reducere a prafului. În plus, utilizarea tehnologiei senzorilor permite poziționarea precisă a spărgătoarelor hidraulice de stâncă, forarea automată a găurilor, oprirea și retragerea automată a sculelor, precum și reglarea automată a energiei de impact și a frecvenței de impact în funcție de obiectul de lucru etc.