Обзор теоретических исследований гидравлических отбойных молотков

1.5 Обзор теоретических исследований гидравлических отбойных молотков

Во время работы гидравлического отбойного молотка давление масла в рабочей камере переключается с высокой частотой под управлением распределительного клапана; характеристики жидкости в масляном канале нельзя просто анализировать на основе теории гидропередачи, а необходимо применять теорию гидравлических колебаний. Сила, действующая на поршень и боёк, возрастает от нуля до десятков–сотен мегапаскалей за несколько десятков микросекунд, а затем снова падает до нуля; форма передачи энергии упругими волнами определяет, что описание рабочего процесса невозможно ограничить лишь статикой, механикой твёрдого тела и кинематикой. Принцип действия ударной машины относится к задачам динамики упругих тел, и для точного описания процесса передачи энергии необходимо использовать волновую теорию.

В зависимости от различий в базовых предположениях и математических моделях исследования гидравлических отбойных молотков подразделяются на два основных направления: исследование линейных моделей и исследование нелинейных моделей.

1.5.1 Линейные исследовательские модели для гидравлических горных отбойников

Линейные исследования — это идеализированные исследования, проводимые путём линеаризации нелинейных гидравлических горных отбойников с использованием допущений: полученные линейные модели основаны на предположении о «постоянном давлении гидравлического масла» и игнорируют некоторые факторы. Исходной посылкой таких исследований является концепция, предложенная советскими учёными О. Д. Алимовым и С. Абасовым в монографии «Теория конструкции гидравлических виброударных машин»: «При условии обеспечения заданной конечной скорости удара управление с полным выравниванием давления является оптимальным по эффективности». На основе допущения «управления при постоянном давлении» советские учёные предложили оптимальную схему проектирования, минимизирующую пиковую толкающую силу. Японский учёный Накамай и др., учитывая сопротивление трубопровода, провели теоретические и проектные исследования регулируемости хода поршня. Профессор Ли Дачжи из Пекинского университета науки и технологий предложил концепцию оптимального проектирования хода поршня. Чэнь Юфань и др. применили линейные модели ударных устройств и метод оптимального хода в безразмерном анализе для проведения безразмерного анализа параметров ударных устройств и получили ряд безразмерных соотношений между параметрами, пригодных для практического проектирования. Доцент Чэнь Динъюнь из Пекинского университета науки и технологий использовал в качестве переменной проектирования величину C = S/S_m (где S — рабочий ход, S_m — максимальный ход) и провёл безразмерный анализ гидравлических горных отбойников, установив, что зона оптимальной эффективности соответствует значениям C = 0,75–0,850. Доцент Ван Чжэн из Пекинского университета науки и технологий использовал в качестве переменной проектирования время t ускорения поршня при обратном ходе и провёл комплексный параметрический анализ, получив следующие результаты: при минимальном изменении объёма аккумулятора t = 0,406T; при минимальном гидравлическом ударе t = 0,5T. Профессор Хэ Цинхуа из Центрально-Южного университета использовал в качестве безразмерной переменной проектирования структурный коэффициент ударного устройства — отношение эффективных площадей передней и задней полостей поршня — и провёл оптимизационное проектирование ударных устройств. Поскольку многие линейные исследования не учитывают взаимное ограничивающее влияние поршня и клапана, непосредственно определяющее характеристики удара, а также состояние аккумулятора, они не могут точно отразить взаимосвязи между многочисленными конструктивными параметрами механизма. Хотя точность таких исследований относительно невысока, их результаты в целом корректно отражают влияние различных факторов на эксплуатационные характеристики и поэтому обладают определённой практической ценностью как в теоретических, так и в проектных исследованиях.

1.5.2 Нелинейные модели гидравлических отбойных молотков

Как относительно типичная и сложная однотелесная механическая система с обратной связью и слежением, гидравлический отбойный молоток, подобно нелинейным системам в других областях, демонстрирует множество нелинейных явлений и закономерностей. В исследованиях нелинейных явлений более полно учтены факторы, влияющие на движение гидравлического отбойного молотка, а также проведён сравнительно полный анализ напряжённого состояния гидравлического отбойного молотка; в результате получены системы нелинейных дифференциальных уравнений высокого порядка, описывающие его характер движения. Однако эти уравнения трудно решить аналитически, их описание неинтуитивно и может быть реализовано лишь численно с помощью компьютеров. В последние годы, по мере развития информатики и вычислительной техники, а также повсеместного распространения микрокомпьютеров, к исследованиям нелинейных математических моделей проявляется всё возрастающий интерес со стороны специалистов.

Уже в начале 1970-х годов зарубежные учёные применили цифровые компьютеры для моделирования ударных машин на пневматических горных отбойных молотках, получив относительно точные результаты. В 1976 году японский исследователь Масао Масабути первым использовал математическое моделирование для изучения гидравлических горных отбойных молотков, предложив математическую модель гидравлического ударного испытательного устройства и применив итерационные вычисления для определения скорости рабочего хода и частоты ударов, после чего сопоставил полученные значения с экспериментальными данными. В 1980-х годах японские учёные Такаучи Ёсихо, Танимата Сю и др. провели нелинейные исследования характеристик и конструкции гидравлических горных отбойных молотков, предложив аналитические модели, пригодные для оценки характеристик и проектирования таких устройств, а также теорию вывода и метод анализа этих аналитических моделей. В 1980 году Ли Дачжи и Чэнь Диньюань из Пекинского университета науки и технологий предложили нелинейную математическую модель, в которой давление в аккумуляторе принималось за рабочее давление, и нашли устойчивые численные решения. В 1983 году Хэ Цинхуа из Центрально-Южного промышленного университета в работе «Исследование численного моделирования гидравлических горных отбойных молотков» применил метод переключения состояний для построения комплексной математической модели, предложил «метод квазиравномерного ускорения» (PUA-метод), скорректировал ошибки в точках перехода между состояниями и повысил точность моделирования. В 1987 году профессор Чэнь Сяожун и доцент Чэнь Диньюань из Пекинского университета науки и технологий разработали нелинейную математическую модель ударного механизма и составили программы моделирования на языке BASIC, получив данные моделирования, достаточно хорошо согласующиеся с экспериментальными результатами. Во время работы гидравлического горного отбойного молотка из-за высокого давления, короткого цикла ударов и частой смены направления потока масла объём рабочей полости с переменным давлением постоянно изменяется; поэтому при протекании гидравлического масла через различные зазоры выделяется значительное количество тепла, что вызывает локальное повышение температуры и оказывает влияние как на характеристики ударного устройства, так и на локальную смазку; однако исследования в этой области до сих пор отсутствуют.

Из-за сложности движения гидравлического отбойного молотка нелинейные модели также строятся на основе определённых допущений, поэтому в плане описания сущностной природы явлений между линейными и нелинейными моделями фактически нет существенной разницы — различаются лишь методы решения математических моделей: для линейных моделей применяются аналитические решения, тогда как для нелинейных моделей необходимо использовать численные методы с применением компьютеров. Оба типа моделей лишь приближённо описывают характер движения ударного устройства, а для получения более точных методов описания требуется дальнейшее развитие вычислительной гидродинамики.

Следует отметить, что с развитием технологии гидравлических отбойных молотков, особенно с появлением гидропневматических комбинированных и азотно-взрывных гидравлических отбойных молотков, рабочая среда гидравлического отбойного молотка включает не только масло, но и газ; при этом введение азота дополнительно повышает трудоёмкость и сложность теоретических исследований.

1.5.3 Исследование ключевых компонентов гидравлических отбойных молотков

(1) Исследование поршня

Качество конструкции и изготовления ударного поршня в значительной степени определяет эксплуатационные характеристики ударного устройства. Китайские учёные провели масштабные исследования по данному вопросу. Преподаватель Мэн Суйминь из Гэчжоуба-ского колледжа гидроэнергетического машиностроения, опираясь на линейную модель, применил метод безразмерного анализа для предварительного исследования влияния скорости отскока поршня на рабочие параметры гидравлического отбойного молотка. Профессор Люй Дэшунь из Сянтаньского инженерного колледжа в статье «Расчёт скорости отскока поршня пневмоударного перфоратора» применил теорию волновой динамики и, проанализировав принцип работы бурового оборудования, предложил критерии оценки отскока поршня и формулы расчёта его скорости отскока, при этом были получены следующие выводы: ① Состояние отскока поршня и его скорость отскока зависят от свойств поршня, боека и горной породы; при этом их влияния не являются независимыми, а тесно взаимосвязаны. ② Чем меньше коэффициент жёсткости разгрузки горной породы, тем выше скорость отскока. Чем меньше коэффициент γ, характеризующий свойства нагружения пневмоударного перфоратора и горной породы, тем выше скорость отскока. ④ Для достижения относительно высокой эффективности бурения при проектировании ударного устройства характеристический коэффициент γ следует поддерживать в диапазоне 1 ≤ γ ≤ 2.

В отрасли постепенно сформировались некоторые руководящие принципы проектирования поршней:

1) Поршень должен быть удлинённым и иметь минимальное количество ненужных изменений поперечного сечения, что способствует повышению эффективности передачи энергии и увеличению срока службы бойка.

2) Площадь ударной поверхности поршня должна быть равной или близкой к площади торцевой поверхности хвостовика бойка, а также должна присутствовать определённая длина конуса для обеспечения эффективной передачи ударных волн.

3) Полный ход и переход поршня не должны повреждать уплотнительные конструкции на обоих концах.

4) Размеры гидравлической прокладки при холостом ходе и длины уплотнений каждого участка поршня должны быть тщательно спроектированы.

5) Необходимо правильно подобрать материал — материал поршня должен обладать высокими механическими характеристиками, высокой твёрдостью поверхности, хорошей вязкостью сердцевины, а также исключительно высокой стойкостью к износу и ударным нагрузкам.

6) Зазор при сопряжении поршня и цилиндрического корпуса должен быть обоснованно определён с учётом потерь на утечки и точности механической обработки. Обычно зазор при сопряжении поршня и цилиндрического корпуса составляет от 0,04 до 0,06 мм, а зазор при сопряжении поршня и опорной втулки — от 0,03 до 0,05 мм.

(2) Исследование распределительного клапана

В настоящее время подавляющее большинство гидравлических отбойных молотков используют поршневые системы с управлением по положению и обратной связью через золотник, реализуя высокоскоростное возвратно-поступательное движение поршня путём изменения схемы подачи масла в определённую полость ударного устройства. Хотя такая форма управления относительно проста, её переходный процесс является сравнительно сложным. В процессе переключения золотника параметры — время, скорость, ход, расход масла и другие — изменяются ступенчато, что может существенно влиять на эксплуатационные характеристики ударного устройства. В связи с этим Люй Ваньлин и др. из Пекинского университета науки и технологий провели специальное теоретическое и экспериментальное исследование характеристик управляющих золотников в гидравлических ударных системах, получив реальную траекторию движения исследуемого золотника ударного устройства, выявив закономерности движения распределительного золотника и определив основные параметры управляющего золотника, влияющие на характеристики ударного устройства. Ци Жэньцзюнь и др. из Университета Центрального Юга провели теоретический анализ процесса управления золотником, оптимизационные исследования конструкции и параметров золотника и получили ряд полезных обобщённых выводов; в целях устранения возможного насыщения скорости и кавитационных явлений при высокоскоростном движении распределительного золотника предложены эффективные решения: снижение массы и хода золотника при одновременном умеренном увеличении диаметра масляных каналов. Люй Ваньлин и Гао Ланцин из Пекинского института чёрной металлургии в работе «Анализ динамических характеристик распределительного золотника гидравлического отбойного молотка — имитационное и экспериментальное исследование», используя язык программирования BASIC, исследовали пути повышения динамических характеристик золотника и пришли к выводу, что с увеличением величины нулевого перекрытия давление в задней полости быстро падает, ударная работа возрастает, частота ударов несколько снижается, а КПД ударного устройства повышается; при чрезмерно большом значении нулевого перекрытия из-за уменьшения длины уплотнения на плече золотника надёжность его работы снижается.

(3) Исследования аккумуляторов

Аккумулятор является важным компонентом гидравлического отбойного молотка, и его конструкция напрямую влияет на общие эксплуатационные характеристики гидравлического отбойного молотка. Поэтому при исследовании характеристик гидравлического отбойного молотка проводились также исследования аккумуляторов. В 1990 году японские учёные Такаучи Ёсихо, Танимата Сю и др. выполнили экспериментальные и теоретические исследования и на основе разработанной аналитической модели с использованием уравнения состояния получили расчётную формулу для объёма азота, закачиваемого в аккумулятор, а также экспериментально подтвердили корректность этой формулы, заложив тем самым теоретическую основу для проектирования оптимального аккумулятора. В 1986 году Дуань Сяохун из Пекинского университета науки и технологий методом сосредоточенных параметров построил динамическую модель мембранных аккумуляторов высокого давления и с помощью как экспериментальных, так и вычислительных методов проанализировал частотные характеристики системы аккумулятора, обсудил оптимальное согласование между аккумулятором и гидравлическим отбойным молотком и указал, что оптимальная рабочая зона ударного устройства — это область, в которой доминирующим по энергии является второй гармонический отклик аккумулятора на изменения давления в системе. В 1986 году доцент Хэ Цинхуа из Университета Центрального Юга опубликовал статью «Возвратное масло и аккумулятор возвратного масла в гидравлических ударных механизмах», в которой отмечено, что рабочее гидравлическое давление гидравлического отбойного молотка в основном определяется силой инерции его собственных подвижных частей; это существенная особенность гидравлического отбойного молотка, отличающая его от обычных гидравлических машин, где рабочее гидравлическое давление зависит преимущественно от внешней нагрузки. Возвратное противодавление представляет собой в основном инерционное гидравлическое давление, возникающее при ускорении масла при выбросе его поршнями или клапанами в трубопровод возвратного масла; кроме того, отмечено, что поскольку расход масла в ударном устройстве отличается от характера изменения расхода масла в трубопроводе возвратного масла, кавитация возникает тогда, когда расход масла, поступающего в трубопровод возвратного масла, меньше расхода масла, движущегося по этому трубопроводу. Для снижения инерционного возвратного давления и устранения кавитации возвратного потока предложено установить в гидравлическом отбойном молотке аккумулятор возвратного масла, а также предложен метод проектирования параметров такого аккумулятора. В последние годы Пекинский университет науки и технологий провёл исследования динамических согласованных характеристик аккумуляторов гидравлических отбойных молотков, разработал программный пакет имитационного моделирования HRDP и получил результаты при верификационных расчётах оптимальных динамических согласованных характеристик аккумуляторов.

(4) Исследование устройств предотвращения холостых выстрелов и поглотителей энергии отскока зубила

Поскольку при эксплуатации гидравлического отбойного молотка неизбежно возникают явления отскока боек и холостых ударов, рабочие характеристики поглотителя энергии отскока боек и устройства предотвращения холостых ударов оказывают значительное влияние на срок службы гидравлического отбойного молотка. Профессор Мэн Суймин в статье «Анализ скорости отскока поршня горного перфоратора» систематически проанализировал факторы, вызывающие отскок хвостовой части боек, и исследовал методы поглощения энергии отскока боек. Ляо Идэ из Центрально-Южного университета в статье «Теоретические и экспериментальные исследования устройств гидравлического бурильного молотка для смягчения холостых ударов» разработал математическую модель процесса смягчения холостых ударов и провёл имитационные исследования. Доктор Ляо Цзяньюн в статье «Теория проектирования и компьютерная поддержка проектирования многоступенчатых гидравлических бурильных молотков» выполнил компьютерное моделирование и оптимизацию конструкции устройств поглощения энергии отскока боек и устройств предотвращения холостых ударов. Люй Дэшунь из Центрально-Южного университета в своей докторской диссертации «Исследование волновой динамики ударных механизмов» применил теорию волновой динамики, вывел формулы расчёта скорости отскока для каждой части ударного механизма и указал, что энергию отскока можно использовать за счёт рационального проектирования каждой части ударного механизма. Научно-исследовательский институт гидравлических строительных машин Центрально-Южного университета разработал двухступенчатое устройство смягчения холостых ударов, полностью реализовав потенциал поглотителя энергии отскока боек — это новаторское научное достижение.

1.5.4 Исследования в области технологии настройки частоты, настройки энергии и управления гидравлическими отбойными молотками

С развитием технологий гидравлических отбойных молотков требования к ним со стороны полевых строительных работ претерпели изменения. Для эффективного повышения производительности труда требуется, чтобы ударная энергия и частота ударов гидравлического отбойного молотка могли изменяться в зависимости от свойств горной породы. То есть при условии максимально полного использования установленной мощности несущей машины при более твёрдой породе гидравлический отбойный молоток должен выдавать большую ударную энергию и меньшую частоту ударов, а при более мягкой — меньшую ударную энергию и большую частоту ударов, что обеспечивает более высокую производительность. Для достижения указанных целей проводятся масштабные исследования как в России, так и за рубежом.

Из теоретических исследований гидравлических отбойных молотков следует, что их выходные параметры (энергия удара и частота) в основном можно регулировать тремя способами: ① регулировка расхода; ② регулировка хода; ③ регулировка давления обратной связи. В настоящее время подавляющее большинство отечественных и зарубежных гидравлических отбойных молотков имеют лишь один фиксированный ход — то есть их выходные параметры не регулируются. Разумеется, если такие гидравлические отбойные молотки используют регулировку расхода для изменения выходных параметров, то, хотя с теоретической точки зрения это и возможно, на практике такой подход неработоспособен, поскольку изменение расхода вызывает синхронное изменение всех выходных параметров, и независимая регулировка невозможна.

Хотя некоторые отечественные и зарубежные производители разработали и выпустили гидравлические скалорезы с регулируемым ходом поршня, их конструкция жёсткая, а регулировка осуществляется ступенчато, что делает её крайне неудобной в эксплуатации и даёт низкие результаты; поэтому такие устройства не пользуются спросом у пользователей. При распределении обратного хода по сигналу обратной связи выходные рабочие параметры регулируются главным образом путём изменения входного расхода системы или добавления нескольких отверстий для сигнала обратной связи при обратном ходе, а также путём управления включением/выключением каждого из этих отверстий для регулировки хода поршня, тем самым изменяя ударную энергию и частоту ударов гидравлического скалореза. Например, трёхскоростной шведский гидравлический скалорез Atlas-Copco. Автоматические гидравлические скалорезы серии YYG Центрально-Южного университета с автоматическим переключением передач — из-за ограничений конструкции данный принцип позволяет лишь ступенчатую регулировку рабочих параметров гидравлического скалореза; кроме того, поскольку давление и расход в ударной системе пропорциональны квадрату друг друга, одновременное повышение ударной энергии и частоты ударов вызывает чрезмерное увеличение потребляемой мощности несущей машины, что ограничивает расширение рабочего диапазона и повышение рабочей эффективности гидравлического скалореза. Профессор Такаси Такахаси из Университета Акита (Япония) в одной из своих статей описал регулировку положения сигнального отверстия обратного хода для достижения цели изменения хода поршня гидравлического скалореза. Эксперименты показали, что при увеличении хода поршня на 10 % частота ударов снижается на 8 %, однако ударная энергия возрастает на 12 %, что повышает рабочую эффективность и даёт теоретические и экспериментальные обоснования для проектирования гидравлических скалорезов с регулируемым ходом поршня. Доцент Хэ Цинхуа из Центрально-Южного университета в работе «Исследование гидравлических ударных машин с регулируемым ходом поршня» сравнил несколько типов методов переключения передач и провёл теоретический анализ взаимосвязей между различными рабочими параметрами гидравлических ударных устройств с регулируемым ходом поршня и ходами переключения передач; полученные результаты имеют очевидное руководящее значение для проектирования и эксплуатации гидравлических скалорезов с переключением передач. В данной книге предложена концепция независимой бесступенчатой регулировки рабочих параметров на основе принципа обратной связи по давлению, и на её основе был запущен в производство новый тип гидравлического скалореза. В нём регулировка единичной ударной энергии ударного устройства осуществляется путём контроля величины давления при обратном ходе поршня; одновременно частота ударов регулируется бесступенчато за счёт управления расходом переменного насоса, что позволяет независимо и бесступенчато регулировать как ударную энергию, так и частоту ударов в относительно широком диапазоне при незначительных изменениях потребляемой мощности несущей машины. Что касается теоретических исследований, конструктивного проектирования и методов управления данным новым типом гидравлического ударного устройства, авторы провели исследования гидравлических ударных устройств с независимой бесступенчатой регулировкой ударной энергии и частоты ударов. Доктор Чжао Хунцян в докторской диссертации «Исследование нового типа гидравлического дробильного устройства с независимой бесступенчатой системой регулирования» вышел за рамки традиционного метода управления по обратной связи по ходу поршня, применив методы обратной связи по давлению и управления расходом переменного насоса, тем самым реализовав независимое бесступенчатое управление ударной энергией и частотой ударов гидравлического скалореза. Дин Вэньси в своей докторской диссертации, используя давление азота в хвостовой части дробилки в качестве управляющей переменной, провёл обширные исследования дробилок принудительного распределения, управляемых высокоскоростными электромагнитными клапанами, реализовав независимую настройку частоты и энергии дробилок. Чжан Синь в работе «Исследование новой системы гидравлического ударного устройства с обратной связью по давлению и интеграцией механики и электроники» применил высокоскоростные электромагнитные клапаны, управляемые однокристальной микроЭВМ, для реализации компьютерного управления ударным устройством. Ян Гуопин в докторской диссертации «Исследование полностью гидравлического ударного устройства с независимой бесступенчатой настройкой частоты и энергии» предложил интеллектуальное ударное устройство с полностью гидравлической системой управления, позволяющее реализовать бесступенчатую регулировку ударной энергии и частоты ударов гидравлического скалореза посредством распределительного клапана пилотного типа.

1.5.5 Современное состояние исследований в области моделирования гидравлических отбойных молотков

С точки зрения проектирования и разработки продукции исследования динамических характеристик механизмов наиболее эффективно проводить на этапе разработки и проектирования изделия. Моделирование динамического отклика гидравлических систем управления всегда являлось областью, непрерывно изучаемой гидравлической промышленностью, а также широко применяемым методом исследования динамических характеристик систем управления.

Особый метод работы гидравлического отбойного молотка определяет необходимость динамического имитационного анализа и испытаний в качестве базовой предпосылки для теоретического проектирования и разработки механизмов. После появления компьютеров была устранена преграда, связанная с тем, что для получения точных или надёжных результатов оценки кинематических характеристик механизма можно было полагаться исключительно на испытания готовых изделий. Исследователи начали применять различные методы для построения математических моделей, описывающих гидравлические колебания и движение ударных машин, анализировать процессы изменения параметров гидравлических отбойных молотков с помощью имитационных технологий, а также использовать технологию виртуальных прототипов для моделирования процессов движения ударных машин. После окончательного определения проектных решений движение механизма становится чётко понятным, а соответствующие эксплуатационные параметры — поддающимися расчёту, что открывает эффективный путь для сокращения циклов разработки новых изделий, оптимизации конструкции и проведения динамического анализа эксплуатационных характеристик.

В 1960-х и 1970-х годах зарубежные учёные начали применять цифровые компьютеры для моделирования работы ударных машин. В этих работах в качестве переменной использовались давления в передней и задней полостях, рассчитывался объёмный расход жидкости через каждый порт с коррекцией по коэффициентам расхода; затем на основе уравнения состояния газа и уравнения энергетического баланса составлялись микродифференциальные уравнения, описывающие изменения состояния аккумулятора и поршня; после применения определённых приближённых допущений относительно движения клапана численное решение получалось методом конечных разностей. Результаты моделирования, особенно эксплуатационные параметры, оказались весьма близки к измеренным значениям, что позволило достичь удовлетворительных результатов. В Японии исследователи уделяли больше внимания созданию компьютерных моделей конкретных гидравлических отбойных молотков для проведения исследований, а также вводили в модели параметры, полученные в ходе экспериментов, с целью оптимизации конструктивных параметров, ударных параметров и характеристик гидравлических отбойных молотков, в результате чего были определены оптимальная площадь выходного масляного порта, оптимальный объём заряда аккумулятора и оптимальная площадь восприятия давления в задней полости соответствующего гидравлического отбойного молотка. При проведении моделирования японские исследователи уделяли особое внимание сопоставлению результатов моделирования с данными экспериментальных испытаний и корректировали компьютерные модели на основе полученных экспериментальных данных. Компания Sandvik, приняв во внимание влияние формы ударного поршня на способ передачи энергии, также разработала и внедрила в этой области специальную программу компьютерного моделирования. С помощью этой программы: ① можно смоделировать процесс передачи энергии каждой части ударного механизма; ② можно смоделировать различные конструктивные решения каждого компонента системы; ③ при различных условиях взаимодействия с объектом удара можно смоделировать влияние различных конструктивных решений на передачу энергии. Программное обеспечение компании Sandvik не только гарантирует выпуск оптимальных изделий, но и позволяет измерять и анализировать влияние всех параметров на систему удара, а также оценивать эффект от изменения отдельных параметров на эффективность работы, предоставляя пользователям практичный и эффективный инструмент расчёта.

После 1980-х годов в Китае также начались внутренние исследования в области технологий и приложений моделирования. Китайские учёные Тянь Шуцзюнь, Чэнь Юйфань и другие разработали математические модели с использованием своих собственных методов. Тянь Шуцзюнь и др. применили графы потоков мощности — передовую технологию динамического моделирования — в сочетании с методами анализа пространства состояний и в основном провели исследования программного обеспечения для динамического моделирования гидравлических отбойных молотков с управлением золотником. Данное исследование охватывало вопросы построения динамических моделей и программирования гидравлических отбойных молотков, предложив методику и подход, которые впоследствии использовались многими разработчиками программного обеспечения для моделирования, в частности профессором Чжоу Чжихуном из Пекинского университета науки и технологий, который руководил студентами Янь Юном и др. при построении динамических уравнений для поршней различных типов гидравлических отбойных молотков, распределительных клапанов, а также каждого уравнения гидравлического потока и уравнений состояния газа; затем были составлены программы моделирования на языке программирования для анализа основных процессов изменения состояния, таких как давление в передней и задней полостях, расход рабочей жидкости, перемещение и скорость поршня гидравлического отбойного молотка, что создало основу для дальнейших исследований влияния изменения параметров гидравлического отбойного молотка на его эксплуатационные характеристики. Благодаря стремительному развитию компьютерных и программных технологий программное обеспечение Matlab и AMEsim было применено для моделирования и имитации систем гидравлических отбойных молотков, обеспечив теоретическую поддержку сокращения циклов научных исследований и разработок, а также повышения качества проектирования новых моделей.

1.5.6 Экспериментальные методы исследования

Эксперимент является основным средством, с помощью которого люди познают природу и преобразуют объективный мир — обобщая и абстрагируя наблюдаемые явления и измеренные данные, выявляя внутренние связи и закономерности, а также формируя теории. Эксперимент является источником теории; эксперимент — единственный критерий проверки теории.

Параметры ударной производительности гидравлического отбойного молотка являются важным показателем уровня его проектирования, изготовления и качества. Основные параметры могут быть измерены экспериментальными методами, а результаты представлены в виде числовых данных, графиков или диаграмм. Проверка производительности заключается главным образом в измерении ударной энергии, частоты ударов, давления в системе и расхода рабочей жидкости. В настоящее время не существует единых международных стандартов испытаний для измерения этих параметров. Наиболее распространёнными в настоящее время методами испытания ударной производительности гидравлических отбойных молотков являются: метод упругих волн, метод фотоэлектрической разностной регистрации перемещений, метод электромагнитной индукции, контактный метод, высокоскоростная киносъёмка, метод индикаторной диаграммы и энергетический метод и др.

Метод стресс-волны — это метод измерения ударной энергии путём регистрации стресс-волны, возникающей на боеке при ударе ударного поршня по боеку. Фотоэлектрический метод основан на принципе фотоэлектрического преобразования: с помощью фотоэлектрического датчика непосредственно измеряется положение ударного поршня для определения его перемещения, а затем рассчитываются все эксплуатационные параметры ударного устройства. Фотоэлектрический метод, являясь бесконтактным методом измерения, особенно подходит для ударных машин, таких как гидравлические отбойные молотки, имеющие длинный ход поршня, большой диаметр и высокую скорость. Метод электромагнитной индукции использует систему датчиков электромагнитной индукции, состоящую из магнитного стержня, установленного на ударном поршне, и спиральной катушки, закреплённой на корпусе; при возвратно-поступательном движении магнитного стержня вместе с поршнем в катушке возникает ЭДС вследствие пересечения линий магнитного поля, а скорость движения поршня определяется на основе калибровочной зависимости между ЭДС и скоростью удара; далее на её основе вычисляется ударная энергия поршня.

Метод контакта — это метод расчета энергии удара с использованием конечной скорости поршня в момент его соударения с объектом. При испытаниях на производительность гидравлических отбойных молотков вышеуказанные четыре метода являются относительно распространенными; другие методы, либо из-за сложности в эксплуатации и высокой стоимости, либо из-за неполного отражения состояния движения поршня, практически не применяются.

Следует отметить, что вышеупомянутый метод анализа волн напряжения подходит лишь для испытаний ударных устройств с относительно небольшой ударной энергией, таких как гидравлические горные отбойные молотки и пневматические инструменты, и сталкивается с существенными трудностями при испытаниях гидравлических отбойных молотков с большой ударной энергией. Обычно мощность специализированных исследовательских лабораторий, изучающих волны напряжения, невелика, и они не способны проводить испытания крупногабаритных гидравлических отбойных молотков; кроме того, шум и вибрация, возникающие при испытаниях в помещении, также недопустимы. Что касается контактного метода, то, хотя его установка проста, получаемые результаты недостаточно точны и не могут быть рекомендованы к широкому применению. Единственный метод — электромагнитной индукции для испытаний гидравлических отбойных молотков — считается во всех отношениях наиболее универсальным: он применим как для гидравлических горных отбойных молотков с малой ударной энергией, так и для крупногабаритных гидравлических отбойных молотков с высокой ударной энергией; он позволяет напрямую измерять кривую скорости движения поршня, а следовательно, определять перемещение и ускорение поршня, что чрезвычайно полезно для исследователей, изучающих закономерности движения поршня. Единственный недостаток этого метода заключается в том, что магнитный стержень легко повреждается под воздействием высокочастотных колебаний поршня.

Доктор Дин Вэньси из Центрально-Южного университета в докторской диссертации «Исследование новой гидравлической системы камнедробильного оборудования с обратной связью по давлению и интеграцией азотного взрывного механизма и электропривода» предложил новый метод испытания выходных параметров ударного устройства — газодавленный метод. Данный метод использует датчик давления для регистрации изменения давления в герметичной азотной камере, установленной в хвостовой части поршня во время его движения; на основе полученных данных компьютер определяет ход поршня и его скорость перемещения, что позволяет получить два важнейших выходных параметра ударного устройства — ударную энергию и частоту ударов. По сравнению с традиционными методами испытаний бесконтактный газодавленный метод обладает такими преимуществами, как высокая устойчивость к вибрациям, минимальные затраты времени на подготовку к измерениям, одновременное определение ударной энергии и частоты ударов, удобство калибровки, низкая погрешность измерения ударных параметров и высокая точность. Он может использоваться не только в качестве метода измерения и идентификации продукции в лабораторных условиях, но и удобно применяться для онлайн-контроля в реальных производственных условиях. Данный метод уже внедрён в программу гидравлических испытаний компании Jingye и включён в отраслевой стандарт «Гидравлические камнедробильные машины».

1.5.7 Исследование вибрации, шума и управления

Помимо ударной энергии, частоты ударов и массы, показателями, характеризующими производительность гидравлических отбойных молотков, являются также уровень шума, вибрация корпуса машины и коэффициент использования энергии — важные аспекты оценки общей эффективности. По мере роста экологической осознанности развитые страны всё строже регламентируют допустимый уровень шума оборудования. Чтобы соответствовать требованиям рынка, снижение уровня шума и вибрации гидравлических отбойных молотков, а также подавление пыли постепенно становятся ключевыми конкурентными показателями; технологии их контроля сегодня представляют собой важное направление научных исследований. Учёные разных стран проводят исследования с точки зрения конструкции и материалов: на конструктивном уровне для борьбы с вибрацией и шумом применяются, например, встроенные втулочные вкладыши, шумопоглощающие устройства или стальные виброгасящие пластины «сэндвич»-конструкции. Компания Krupp оснащает все свои средние и мелкие изделия звукопоглощающими материалами. Компания Rammer устанавливает на своих новых продуктах высоконапорные водяные насосы и распыляющие сопла для достижения эффекта подавления пыли. Кроме того, с применением технологий датчиков обеспечивается точное позиционирование гидравлических скалоломов, автоматическое бурение отверстий, остановка и возврат боек, а также автоматическая регулировка ударной энергии и частоты ударов в зависимости от обрабатываемого объекта.