Prehľad teoretického výskumu hydraulických kameňolomných zariadení

1.5 Prehľad teoretického výskumu hydraulických kameňolomných zariadení

Počas prevádzky hydraulického kameňolomu sa tlak oleja v pracovnej komore prepína s vysokou frekvenciou pod kontrolou smerového ventilu; vlastnosti kvapaliny v olejovom potrubí nie je možné jednoducho analyzovať na základe teórie hydraulického prenosu, ale je potrebné použiť analýzu podľa teórie hydraulických vibrácií. Sila pôsobiaca na piest a dláto stúpa z nuly na desiatky až stovky megapascalov v priebehu niekoľkých desiatok mikrosekúnd a následne klesne späť na nulu; forma prenosu energie prostredníctvom napäťových vĺn určuje, že popis pracovného procesu nemôže využívať jednoducho statické, teóriu tuhých telies a kinematiku. Zásadný princíp nárazového stroja patrí do oblasti dynamiky pružných telies a na presný popis procesu prenosu energie je potrebné použiť vlnovú teóriu.

Na základe rozdielov v základných predpokladoch a matematických modeloch sa výskum hydraulických kameňolomov delí na dve hlavné kategórie: výskum lineárnych modelov a výskum nelineárnych modelov.

1.5.1 Lineárne výskumné modely hydraulických kameňolomov

Lineárny výskum je idealizovaný výskum, ktorý sa vykonáva lineárizáciou nelineárnych hydraulických kameňolomov prostredníctvom predpokladov – lineárne modely získané za predpokladu „konštantného tlaku hydraulického oleja“ a s ignorovaním určitých faktorov. Východiskom tohto výskumu je názor sovietskych odborníkov OdAlimova a SAbasova z knihy „Teória konštrukcie hydraulických vibračných nárazových strojov“, ktorý hovorí: „Za podmienky zabezpečenia daného koncového rýchlostného nárazu je riadenie tlaku pri plne rovnakom tlaku optimálnym riadením s najvyššou účinnosťou.“ Na základe predpokladu „riadenia konštantného tlaku“ navrhli sovietski odborníci optimálny návrhový plán pre minimálnu maximálnu tlačnú silu. Japonský odborník Nakamai a kol. na tomto základe, pri zohľadnení odporu potrubia, vykonali teoretický a návrhový výskum prispôsobiteľnosti zdvihu piesta. Profesor Li Dazhi z Pekinskej univerzity vedy a technológií navrhol myšlienku optimálneho návrhu zdvihu. Chen Yufan a kol. použili lineárne modely nárazových zariadení a pomocou bezrozmernej analýzy s metódou optimálneho zdvihu vykonali bezrozmernú analýzu parametrov nárazových zariadení, čím získali rad vzťahov medzi parametrami na vedenie návrhovej práce. Doc. Chen Dingyuan z Pekinskej univerzity vedy a technológií použil ako návrhovú premennú pomer C = S/S_m (S: pracovný zdvih, S_m: maximálny zdvih) a vykonal bezrozmernú analýzu hydraulických kameňolomov, pričom zistil, že optimálna zóna účinnosti je v rozmedzí C = 0,75 až 0,850. Doc. Wang Zheng z Pekinskej univerzity vedy a technológií použil ako návrhovú premennú čas t zrýchlenia piesta pri návrate a vykonal komplexnú analýzu parametrov, z ktorej vyplýva: keď je zmena objemu akumulátora minimálna, potom t = 0,406T; keď je hydraulický náraz minimálny, potom t = 0,5T. Prof. He Qinghua z Centrálnej južnej univerzity použil štrukturálny charakteristický koeficient nárazového zariadenia – pomer efektívnych plôch prednej a zadnej komory piesta – ako bezrozmernú návrhovú premennú a vykonal optimalizačný návrh nárazových zariadení. Keďže mnohé lineárne štúdie nepreberali vzájomný obmedzujúci vzťah medzi piestom a ventilom, ktorý priamo ovplyvňuje výkon nárazu a stav akumulátora, nedokážu presne odrážať medzizávislosti medzi mnohými štrukturálnymi parametrami v mechanizme. Hoci je ich výskumná presnosť relatívne nízka, ich výsledky základne odrážajú vplyv jednotlivých faktorov na výkon a preto majú určitú praktickú hodnotu v teoretickom a návrhovom výskume.

1.5.2 Nelineárne modely pre hydraulické kameňolomy

Ako relatívne typický a zložitý jednotelový mechanický systém so spätnou väzbou sledovania má hydraulický kameňolom, podobne ako nelineárne systémy v iných oblastiach, mnoho nelineárnych javov a vzorov. Výskum nelineárnych javov komplexnejšie zohľadnil vplyvné faktory pohybu hydraulického kameňolomu, relatívne komplexne analyzoval napäťový stav hydraulického kameňolomu a získal sústavy nelineárnych diferenciálnych rovníc vyšších rádov na popis jeho pohybových vzorov. Rovnice však je ťažké vyriešiť, ich popis nie je intuitívny a dajú sa riešiť len numericky pomocou počítačov. V posledných rokoch sa v dôsledku rozvoja informatiky a technológií a rozšírenia mikropočítačov dostáva výskum nelineárnych matematických modelov stále väčšej pozornosti.

Už v raných 70. rokoch 20. storočia cudzí vedci použili digitálne počítače na simuláciu nárazových strojov pre pneumatické hornické vŕtačky a dosiahli pomerne presné výsledky. V roku 1976 bol japonský vedec Masao Masabuchi prvým, kto použil matematické výpočty na štúdium hydraulických kameňolomných zariadení, pričom navrhol matematický model pre hydraulické nárazové skúšobné zariadenie a pomocou iteratívnych výpočtov určil rýchlosť a frekvenciu pracovného zdvihu, následne porovnal výsledky s meranými hodnotami. V 80. rokoch 20. storočia japonskí vedci Takauchi Yoshio, Tanimata Shu a kol. vykonali nelineárne výskumy výkonu a návrhu hydraulických kameňolomných zariadení a navrhli analytické modely vhodné na hodnotenie výkonu a návrh hydraulických kameňolomných zariadení, ako aj odvodzovaciu teóriu a analytickú metódu pre tieto analytické modely. V roku 1980 Li Dazhi a Chen Dingyuan z Pekinskej univerzity vedy a technológií navrhli nelineárny matematický model, v ktorom tlak v akumulátore slúžil ako pracovný tlak, a hľadali stabilné numerické riešenia. V roku 1983 He Qinghua z Centrálnej južnej priemyselnej univerzity v práci „Numerická simulácia hydraulických kameňolomných zariadení“ použil metódu prepínania stavov na vytvorenie komplexného matematického modelu, navrhol „metódu výpočtu kvázisúrovnej akcelerácie“ (metóda QUA) a opravil chyby v bodoch prechodu medzi stavmi, čím zvýšil presnosť simulácie. V roku 1987 profesor Chen Xiaozhong a docent Chen Dingyuan z Pekinskej univerzity vedy a technológií vytvorili nelineárny matematický model nárazových mechanizmov a napísali simulačné programy v jazyku BASIC, pričom získali simulačné údaje relatívne zhodné s meranými výsledkami. Počas prevádzky hydraulického kameňolomného zariadenia vzniká v dôsledku vysokého tlaku, krátkeho nárazového cyklu a častého prepínania toku oleja neustále sa meniaca premenná tlaková komora; keď preto hydraulický olej preteká rôznymi medzerami, vzniká veľké množstvo tepla, čo spôsobuje lokálne vysoké teploty a ovplyvňuje výkon nárazového zariadenia a lokálne mazanie; však výskum v tejto oblasti je stále nezmapovaný.

Vzhľadom na zložitosť pohybu hydraulického kameňolomu sa nelineárne modely tiež vytvárajú na základe určitých predpokladov, preto v skutočnosti neexistuje veľký rozdiel medzi lineárnymi a nelineárnymi modelmi z hľadiska popisu zásadnej podstaty javov – líšia sa len metódy riešenia matematických modelov. Lineárne modely využívajú analytické riešenia, zatiaľ čo nelineárne modely vyžadujú numerické metódy riešenia prostredníctvom počítačov. Oba typy modelov môžu iba približne opísať pohybové vzory nárazového zariadenia a pre získanie presnejších popisných metód je stále potrebný ďalší rozvoj výpočtového modelovania prúdenia tekutín.

Je potrebné zdôrazniť, že s rozvojom technológie hydraulických kameňolomov, najmä s výskytom kombinovaných hydraulicko-pneumatických a dusíkovo-výbušných hydraulických kameňolomov, sa pracovné prostredie hydraulického kameňolomu neskladá už len z oleja, ale aj z plynu; a zavedenie dusíka ešte viac zvyšuje náročnosť a zložitosť teoretického výskumu.

1.5.3 Výskum kľúčových komponentov hydraulických kameňolomov

(1) Výskum piestov

Kvalita návrhu a výroby nárazového piesta do značnej miery určuje výkon nárazového zariadenia. Čínski vedci uskutočnili v tejto oblasti významné výskumy. Učiteľ Meng Suimin z Gezhouba Hydroelektrickej inžinierskej vysoké školy, vychádzajúc z lineárneho modelu, použil bezrozmernú analýzu na predbežné skúmanie vplyvu odrazovej rýchlosti piesta na prevádzkové parametre hydraulického kameňolomného zariadenia. Profesor Liu Deshun z Xiangtanskej inžinierskej vysoké školy v článku „Výpočet odrazovej rýchlosti piesta kameňolomného zariadenia“ aplikoval teóriu vlnových javov a na základe analýzy princípu činnosti kameňolomného zariadenia navrhol kritériá na posúdenie odrazu piesta a vzorce na výpočet odrazovej rýchlosti piesta kameňolomného zariadenia, pričom dospel k nasledujúcim záverom: ① Stav odrazu piesta a jeho odrazová rýchlosť súvisia s vlastnosťami piesta, dláta a horniny, pričom ich vplyvy nie sú nezávislé, ale navzájom prepojené. ② Čím je menší koeficient tuhosti pri odľahčovaní horniny, tým je väčšia odrazová rýchlosť. Čím je menší koeficient γ charakterizujúci zaťažovacie vlastnosti kameňolomného zariadenia a horniny, tým je väčšia odrazová rýchlosť. ④ Aby sa dosiahla relatívne ideálna účinnosť kameňolomného zariadenia, pri návrhu nárazového zariadenia by mal byť charakteristický koeficient γ udržiavaný v rozsahu 1 ≤ γ ≤ 2.

Priemysel postupne vytvoril niektoré smernice pre návrh piestov:

1) Piest by mal byť predĺžený a znížiť nepotrebné zmeny prierezu, aby sa zvýšila účinnosť prenosu energie a životnosť kladiva.

2) Plocha nárazovej plochy piestu by mala byť rovnaká alebo čo najviac blízka ploche zadného konca kladiva a mala by mať určitú dĺžku kužeľa, aby sa zlepšil prenos nárazových vĺn.

3) Plný zdvih a prekročenie zdvihu piestu nesmú poškodiť tesniace štruktúry na oboch koncoch.

4) Rozmery hydraulického tlmiča pri prázdnom výstrele a dĺžky tesnenia jednotlivých úsekov piestu musia byť dobre navrhnuté.

5) Je potrebný správny výber materiálu – materiál piestu musí mať vysoké mechanické vlastnosti, vysokú povrchovú tvrdosť, dobrú húževnatosť jadra, veľmi dobrú odolnosť proti opotrebovaniu a odolnosť proti nárazu.

6) Montážna medzera medzi piestom a valcovým telesom by mala byť primerane určená s komplexným zohľadnením únikových strát a strojníckej presnosti. Všeobecne je montážna medzera medzi piestom a valcovým telesom 0,04 až 0,06 mm a montážna medzera medzi piestom a opornou objímkou je 0,03 až 0,05 mm.

(2) Výskum rozdeľovacieho ventilu

V súčasnosti väčšina hydraulických kameňolomných zariadení využíva systémy piestov riadené polohovou spätnou väzbou cez uzávery a dosahuje vysokorýchlostné striedavé pohyby piesta zmenou vzoru prívodu oleja do určitej komory nárazového zariadenia. Hoci tento spôsob riadenia je relatívne jednoduchý, jeho prechodný proces je relatívne zložitý. Počas prepínania uzáverov sa čas, rýchlosť, zdvih, spotreba oleja a ďalšie parametre menia postupne, čo môže výrazne ovplyvniť výkon nárazového zariadenia. V tejto súvislosti Liu Wanling a kol. z Pekingskej univerzity vedy a technológie prostredníctvom teoretických a experimentálnych štúdií uskutočnili špeciálne výskumy charakteristík riadiacich uzáverov v hydraulických nárazových systémoch, získali skutočnú trajektóriu pohybu skúmaného uzávera nárazového zariadenia, odhalili zákony pohybu smerového uzávera a určili hlavné parametre riadiaceho uzávera ovplyvňujúce výkon nárazového zariadenia. Qi Renjun a kol. z Centrálnej južnej univerzity vykonali teoretickú analýzu procesu riadenia uzáverom, optimalizačný výskum konštrukcie a parametrov uzávera a získali niektoré užitočné zákonitosti; so zreteľom na možné javy saturácie rýchlosti a kavitácie počas vysokorýchlostného pohybu smerového uzávera navrhli účinné riešenia, ktoré spočívajú v znížení hmotnosti a zdvihu uzáverovej tyče a súčasnom primeranom zväčšení priemeru olejových kanálov. Liu Wanling a Gao Lanqing z Pekinskej železniarskej a oceliarskej vysokej školy v práci „Analýza dynamických charakteristík smerového uzávera hydraulického kameňolomného zariadenia – simulácia a experimentálne výskumy“, pomocou programovacieho jazyka BASIC, preskúmali možnosti zlepšenia dynamických charakteristík uzávera a dospeli k záveru, že so zvyšovaním nulového prekrytia sa tlak v zadnej komore rýchlo zníži, nárazová práca sa zvýši, nárazová frekvencia sa mierne zníži a účinnosť nárazového zariadenia sa zlepší; ak je však nulové prekrytie príliš veľké, v dôsledku zníženia dĺžky tesnenia na ramienku uzávera sa prevádzka uzávera stane nespoľahlivou.

(3) Výskum akumulátorov

Akumulátor je dôležitou súčasťou hydraulického kameňolomného zariadenia a jeho štruktúra priamo ovplyvňuje celkový výkon tohto zariadenia. Preto sa pri výskume výkonu hydraulického kameňolomného zariadenia uskutočnil tiež výskum akumulátorov. V roku 1990 japonskí vedci Takauchi Yoshio, Tanimata Shu a kol. vykonali experimentálne a teoretické výskumy a na základe vytvorenej analytickej modelovej predstavy použili stavovú rovnicu na odvodenie výpočtového vzorca pre objem dusíka v akumulátore a experimentálne overili správnosť tohto vzorca, čím poskytli teoretický základ pre návrh optimálneho akumulátora. V roku 1986 Duan Xiaohong z Pekingskej univerzity vedy a technológií pomocou metódy sústredených parametrov vytvoril dynamický model vysokotlakových membránových akumulátorov a pomocou experimentálnych aj výpočtových metód analyzoval frekvenčné charakteristiky systému akumulátora, diskutoval o optimálnom spätom väzobnom pomeri medzi akumulátorom a hydraulickým kameňolomným zariadením a upozornil, že optimálna pracovná oblasť úderového zariadenia je tá, v ktorej dominuje energeticky druhá harmonická odpoveď akumulátora na zmeny tlaku v systéme. V roku 1986 učiteľ He Qinghua z Centrálnej južnej univerzity publikoval článok s názvom „Návratový olej a návratový akumulátor hydraulických úderových mechanizmov“, v ktorom uviedol, že prevádzkový hydraulický tlak hydraulického kameňolomného zariadenia závisí predovšetkým od zotrvačnej sily jeho vlastných pohyblivých častí; ide o významnú charakteristiku hydraulického kameňolomného zariadenia, ktorá ho odlišuje od bežných hydraulických strojov, kde prevádzkový hydraulický tlak závisí predovšetkým od vonkajšej zaťaženia. Návratový protitlak je predovšetkým zotrvačný hydraulický tlak vznikajúci zrýchlením oleja pri vypúšťaní oleja piestmi alebo ventilmi do návratovej potrubnej siete; ďalej sa uvádza, že keď sa prietok oleja vypúšťaného úderovým zariadením líši od vzoru zmeny prietoku oleja v návratovej potrubnej sieti, vznikne kavitácia v prípade, že prietok oleja vstupujúceho do návratovej potrubnej siete je menší ako prietok oleja pohybujúceho sa v tejto sieti. Na zníženie zotrvačného návratového tlaku a odstránenie kavitácie v návratovej potrubnej sieti sa navrhuje inštalácia návratového akumulátora do hydraulického kameňolomného zariadenia a z toho vyplýva navrhnutá metóda návrhu parametrov návratového akumulátora. V posledných rokoch Pekingská univerzita vedy a technológií uskutočnila výskum dynamických spätých väzobných charakteristík akumulátorov hydraulických kameňolomných zariadení, vypracovala softvérový simulačný balík HRDP a dosiahla výsledky pri overovacích výpočtoch optimálnych dynamických spätých väzobných charakteristík akumulátora.

(4) Výskum zariadení na prevenciu výstrelov do prázdna a tlmičov energie odrazu dláta

Keďže počas prevádzky hydraulického kameňolomného zariadenia nevyhnutne vznikajú javy odrazu dláta a prázdneho výstreľovania, má prevádzkový výkon absorbera energie odrazu dláta a zariadenia na zabránenie prázdneho výstreľovania veľký vplyv na životnosť hydraulického kameňolomného zariadenia. Profesor Meng Suimin v článku „Analýza rýchlosti odrazu piesta kameňolomného zariadenia“ systematicky analyzoval faktory spôsobujúce odraz zadnej časti dláta a preskúmal metódy absorpcie energie odrazu dláta. Liao Yide z Centrálnej južnej univerzity v článku „Teoretický a experimentálny výskum tlmiacich zariadení proti prázdnemu výstreľovaniu pre hydraulické kameňolomné zariadenia“ vytvoril matematický model procesu tlmenia prázdneho výstreľovania a vykonal simulačný výskum. Dr. Liao Jianyong v článku „Návrhová teória a počítačový návrh viacstupňových hydraulických kameňolomných zariadení“ vykonal počítačovú simuláciu a optimalizačný návrh zariadení na absorpciu energie odrazu dláta a zariadení na zabránenie prázdneho výstreľovania. Liu Deshun z Centrálnej južnej univerzity vo svojej dizertačnej práci „Výskum vlnovej dynamiky nárazových mechanizmov“ aplikoval teóriu vlnovej dynamiky, odvodil vzorce na výpočet rýchlosti odrazu jednotlivých častí nárazového zariadenia a poukázal na to, že energiu odrazu je možné využiť prostredníctvom racionálneho návrhu jednotlivých častí nárazového zariadenia. Výskumný ústav hydraulických strojov a zariadení Centrálnej južnej univerzity vyvinul dvojstupňové tlmiace zariadenie proti prázdnemu výstreľovaniu, ktoré plne využíva schopnosti absorbera energie odrazu dláta – ide o inovatívny výskumný výsledok.

1.5.4 Výskum technológií ladenia frekvencie, ladenia energie a riadenia hydraulických kameňolomov

S rozvojom technológie hydraulických kameňolomov vyžaduje stavenisková výstavba od týchto zariadení nové požiadavky. Na účinné zvýšenie výrobnosti sa vyžaduje, aby sa nárazová energia a nárazová frekvencia hydraulického kameňolomu mohli meniť v závislosti od vlastností horniny. To znamená, že za predpokladu maximálneho využitia inštalovanej kapacity nosného stroja pri tvrdších horninách hydraulický kameňolom poskytuje vyššiu nárazovú energiu a nižšiu nárazovú frekvenciu; naopak pri mäkších horninách poskytuje nižšiu nárazovú energiu a vyššiu nárazovú frekvenciu, čím sa dosahuje vyššia výrobnosť. Na dosiahnutie uvedených cieľov sa uskutočnil intenzívny výskum doma aj v zahraničí.

Z teoretického výskumu hydraulických kameňolomov sa ich výstup (nárazová energia a frekvencia) dá upraviť hlavne tromi spôsobmi: ① úpravou prietoku; ② úpravou zdvihu; ③ úpravou spätného tlaku. V súčasnosti väčšina domácich i zahraničných hydraulických kameňolomov má iba jeden pevný zdvih – teda ich výstup nie je nastaviteľný. Samozrejme, ak takéto hydraulické kameňolomy využívajú na úpravu výstupu metódu úpravy prietoku, je to hoci teoreticky možné, v praxi však nefunkčné. Zmeny prietoku totiž spôsobia súčasné zmeny v jeho výstupných parametroch, čím sa nedá dosiahnuť nezávislá úprava.

Hoci niektorí domáci aj zahraniční výrobcovia navrhli a vyrobili hydraulické kameňolamy s nastaviteľnou zdvihovou dĺžkou, tieto zariadenia sa užívateľom nepáčia, pretože ich tuhé konštrukcie umožňujú len stupňovité nastavenia, čo je veľmi nepraktické a dáva slabé výsledky. Pri rozdeľovaní spätného zdvihu na základe spätnej väzby sa pracovné parametre výstupu upravujú predovšetkým zmenou prítoku do systému alebo pridaním viacerých otvorov pre signál spätného zdvihu a ovládaním zapínania a vypínania jednotlivých signalizačných otvorov, čím sa upravuje zdvih piesta a tým sa mení nárazová energia a nárazová frekvencia hydraulického kameňolamu. Príkladom je švédska trojrychlostná hydraulická kameňolamná vrtáková súprava firmy Atlas-Copco. Automatické hydraulické kameňolamy s postupným prepínaním rýchlostí série YYG z Centrálnej južnej univerzity – kvôli obmedzeniam konštrukcie sa tento princíp môže použiť len na stupňovité nastavenie pracovných parametrov hydraulického kameňolamu; keďže tlak a prietok v nárazovom systéme sú navzájom úmerné druhej mocnine, súčasné zvýšenie nárazovej energie a nárazovej frekvencie spôsobí veľmi výraznú zmenu výkonu nosného stroja, čo obmedzuje rozšírenie pracovného rozsahu a pracovnej účinnosti hydraulického kameňolamu. Profesor Takashi Takahashi z Akitskej univerzity v Japonsku v jednom článku opísal nastavenie polohy signalizačného otvoru pre spätný zdvih s cieľom zmeniť zdvih piesta hydraulického kameňolamu. Experimenty potvrdili, že keď sa zdvih piesta zväčší o 10 %, hoci nárazová frekvencia klesne o 8 %, nárazová energia sa zvýši o 12 %, čo zlepšuje pracovnú účinnosť a poskytuje teoretické a experimentálne dôkazy pre návrh hydraulických kameňolamov so stupňovo nastaviteľnou zdvihovou dĺžkou. Doc. He Qinghua z Centrálnej južnej univerzity v práci „Výskum hydraulických nárazových strojov so stupňovo nastaviteľnou zdvihovou dĺžkou“ porovnal niekoľko typov metód prepínania rýchlostí a teoreticky analyzoval vzťahy medzi rôznymi pracovnými parametrami hydraulických nárazových zariadení so stupňovo nastaviteľnou zdvihovou dĺžkou a zdvihmi prepínania rýchlostí; výsledky majú zreteľný vodidlý význam pre návrh a prevádzku hydraulických kameňolamov s postupným prepínaním rýchlostí. Táto kniha predkladá koncept nezávislého a plynulého nastavovania pracovných parametrov na základe princípu spätnej väzby tlaku a uvádza na trh tento nový typ hydraulického kameňolamu. Hlavnou funkciou je úprava jednotlivej nárazovej energie nárazového zariadenia prostredníctvom regulácie veľkosti tlaku pri spätnom pohybe piesta; súčasne sa frekvencia nárazového zariadenia plynule nastavuje prostredníctvom regulácie prietoku premenného čerpadla, čím sa nárazová energia a nárazová frekvencia môžu nezávisle a plynule nastaviť v relatívne širokom rozsahu, pričom zmena výkonu nosného stroja je malá. V oblasti teoretického výskumu, konštrukčného návrhu a riadiacich metód pre tento nový typ hydraulického nárazového stroja autori vykonali výskum hydraulických nárazových zariadení s nezávislým plynulým nastavením nárazovej energie a nárazovej frekvencie. Dr. Zhao Hongqiang vo svojej dizertačnej práve „Výskum nového typu hydraulického kameňolamu s nezávislým plynulým nastavením riadenia“ prelomil tradičnú metódu riadenia hydraulických kameňolamov založenú na spätnej väzbe zdvihu a namiesto nej použil metódy riadenia založené na spätnej väzbe tlaku a riadení prietoku premenného čerpadla, čím dosiahol nezávislé plynulé nastavenie riadenia nárazovej energie a nárazovej frekvencie hydraulického kameňolamu. Ding Wensi vo svojej dizertačnej práve využil tlak dusíka na zadnom konci kameňolamu ako riadiacu premennú a uskutočnil rozsiahlu prácu s kameňolammi typu „nútené rozdeľovanie“, ktoré sú riadené vysokorýchlostnými prepínačovými ventilmi, čím dosiahol nezávislé ladenie frekvencie a energie kameňolamov. Zhang Xin v práci „Výskum nového typu hydraulického nárazového zariadenia so spätnej väzbou tlaku a integrovaným elektromechanickým systémom“ použil jednočipový mikropočítač na riadenie vysokorýchlostných prepínačových ventilov, čím dosiahol mikropočítačové riadenie nárazového zariadenia. Yang Guoping vo svojej dizertačnej práve „Výskum čisto hydraulického nezávislého plynulého nárazového zariadenia s ladením frekvencie a energie“ navrhol inteligentné nárazové zariadenie s čisto hydraulickým riadiacim systémom, ktoré dokáže realizovať plynulé nastavenie nárazovej energie a nárazovej frekvencie hydraulického kameňolamu prostredníctvom riadiaceho kľúča rozdeľovacieho ventilu typu pilot.

1.5.5 Súčasný stav výskumu technológie simulácie hydraulických kladiv

Z hľadiska návrhu a vývoja výrobku je výskum dynamických vlastností mechanizmov najvhodnejší v štádiu vývoja a návrhu výrobku. Simulácia dynamických odpovedí hydraulických riadiacich systémov bola vždy oblasťou, ktorú hydraulický priemysel neustále skúma, a je tiež bežným prostriedkom na štúdium dynamických odpovedných charakteristík riadiacich systémov.

Špeciálna pracovná metóda hydraulického kameňolomného zariadenia určuje, že dynamická simulačná analýza a testovanie musia slúžiť ako základný predpoklad pre teoretický návrh a vývoj mechanizmu. Po zavedení počítačov bol odstránený prekážka spočívajúca v tom, že sa na získanie presných alebo spoľahlivých výsledkov pohybových vlastností mechanizmu mohlo spoliehať len na testovanie výrobkov. Výskumníci začali používať rôzne metódy na vytvorenie matematických modelov opisujúcich hydraulické vibračné a nárazové stroje, analyzovali procesy zmeny parametrov hydraulických kameňolomných zariadení prostredníctvom simulačnej technológie a využívali technológiu virtuálneho prototypu na simuláciu pohybových procesov nárazových strojov. Po určení výsledkov návrhu je možné jasne pochopiť pohyb mechanizmu a vypočítať príslušné výkonové parametre, čím sa otvára dobrá cesta na skracovanie vývojových cyklov nových výrobkov, optimalizáciu návrhu a vykonávanie dynamickej výkonovej analýzy.

V 60. a 70. rokoch 20. storočia začali zahraniční vedci používať digitálne počítače na simuláciu práce nárazových strojov. V týchto prácach sa ako premenná používal tlak v prednej a zadnej komore, vypočítal sa prietok kvapaliny do každého prípojného otvoru a z neho, ktorý sa upravil pomocou súčiniteľov prietoku; potom sa aplikovala stavová rovnica plynu a rovnica energetickej bilancie a zostavili sa mikrodiferenciálne rovnice opisujúce zmeny stavu akumulátora a piesta; po určitých približných úpravách pohybu ventilov sa na numerické riešenie použili metódy konečných rozdielov. Výsledky simulácie, najmä výkonové parametre, boli veľmi blízko meraným hodnotám, čo prinieslo uspokojivé výsledky. V Japonsku sa výskumníci viac zameriavali na vytváranie počítačových modelov pre konkrétne hydraulické kameňolamy na účely výskumu a do simulácie zavádzali parametre získané z experimentov, aby vykonali optimalizáciu konštrukčných parametrov, nárazových parametrov a výkonu hydraulických kameňolamov, čím získali optimálnu plochu vratného olejového otvoru, optimálny objem náplne akumulátora a plochu zadnej komory odolnej voči tlaku pre príslušný hydraulický kameňolam. Pri vykonávaní simulácie japonskí výskumníci venovali väčšiu pozornosť porovnávaniu výsledkov simulácie s výsledkami experimentálnych testov a počítačové modely korigovali podľa testovacích údajov. Spoločnosť Sandvik, po zohľadnení vplyvu tvaru nárazového piesta na spôsob prenosu energie, tiež navrhla a vyvinula počítačový simulačný program v tomto oblasti. Pomocou tohto programu: ① sa dá simulovať proces prenosu energie každej časti nárazu; ② sa dajú simulovať rôzne návrhy jednotlivých komponentov systému; ③ za rôznych podmienok nárazu na objekt sa dajú simulovať vplyvy rôznych návrhov na prenos energie. Počítačový program spoločnosti Sandvik nielen zabezpečuje výrobu optimálnych výrobkov, ale tiež umožňuje merať a pochopiť schopnosť všetkých parametrov ovplyvniť nárazový systém a vplyv zmien určitých parametrov na účinnosť, a poskytuje ho používateľom ako praktický a účinný výpočtový nástroj.

Po roku 1980 sa začali aj domáce výskumné činnosti v oblasti simulačnej technológie a jej aplikácií. Čínski vedci Tian Šu-jün, Chen Jü-fan a ďalší vypracovali matematické modely pomocou svojich vlastných metód. Tian Šu-jün a kol. použili tzv. výkonový spojový graf – pokročilú techniku dynamického modelovania – v kombinácii s metódami analýzy stavového priestoru a zameriavali sa predovšetkým na výskum softvéru pre dynamickú simuláciu hydraulických kladiv so šmykľavými ventilmi. Tento výskum sa zaoberal dynamickým simulačným modelovaním a programovaním hydraulických kladiv, čím poskytol metódu a prístup pre mnohých neskorších simulačných programátorov, napríklad profesora Čou Čchi-honga z Pekinskej univerzity vedy a technológií, ktorý riadil študentov Jen Jonga a kol. pri vytváraní dynamických rovníc pre niekoľko typov piestov hydraulických kladiv, smerových ventilov a jednotlivých rovníc hydraulického toku a rovníc stavu plynu pomocou výkonových spojových grafov; následne boli tieto rovnice preložené do počítačového jazyka a vytvorené simulačné programy na analýzu hlavných procesov zmeny stavu, ako sú tlak v prednej a zadnej komore, prietok, posun a rýchlosť piesta hydraulického kladiva, čím bola poskytnutá platforma pre ďalší výskum vplyvu zmien parametrov hydraulického kladiva na jeho výkon. Vzhľadom na rýchly rozvoj počítačov a softvérových technológií sa na modelovanie a simuláciu systémov hydraulických kladiv začali používať softvéry Matlab a AMEsim, čo poskytlo teoretickú podporu pre skracovanie výskumných a vývojových cyklov a zvyšovanie kvality návrhu nových modelov.

1.5.6 Experimentálne výskumné metódy

Experiment je základný prostriedok, ktorým ľudia poznávajú prírodu a menia objektívny svet – zhrnutie a abstrahovanie pozorovaných javov a nameraných údajov prostredníctvom experimentu, zisťovanie vnútorných súvislostí a vzorov a tvorba teórií. Experiment je zdrojom teórie; experiment je jediným súdom na overenie teórie.

Hydraulické parametre nárazovej výkonnosti kameňolomov sú dôležitým ukazovateľom na posúdenie ich návrhu, úrovne výroby a kvality. Hlavné parametre je možné všetky merať experimentálnymi metódami, pričom výsledky sa vyjadrujú vo forme údajov, kriviek alebo grafov. Overovanie výkonu sa týka predovšetkým merania nárazovej energie, nárazovej frekvencie, tlaku v systéme a prietoku. Meracie metódy týchto parametrov zatiaľ nemajú jednotné medzinárodné experimentálne štandardy. V súčasnosti bežne používané metódy testovania nárazovej výkonnosti hydraulických kameňolomov sú: metóda tlakových vĺn, fotoelektrická metóda rozdielového posunutia, elektromagnetická indukčná metóda, kontaktná metóda, rýchla fotografiá, metóda indikátorového diagramu a energetická metóda atď.

Metóda stresovej vlny je metóda na meranie nárazovej energie prostredníctvom merania stresovej vlny vznikajúcej na kladive, keď nárazový piest narazí na kladivo. Fotoelektrická metóda využíva princíp fotoelektrickej konverzie; pomocou fotoelektrického senzora sa priamo meria poloha nárazového piesta, čím sa získa posun pohybu piesta a následne sa vypočítajú jednotlivé prevádzkové parametre nárazového zariadenia. Fotoelektrická metóda, ako nekontaktná metóda testovania, je veľmi vhodná pre nárazové stroje, napríklad hydraulické kameňolamy, ktoré majú dlhý zdvih piesta, veľký priemer a vysokú rýchlosť. Metóda elektromagnetickej indukcie využíva systém senzorov elektromagnetickej indukcie pozostávajúci z magnetického tyče namontovanej na nárazovom pieste a špirálového vinutia namontovaného na skrini; indukovaná elektromotorická sila vzniká v cievke pri rezaní magnetických indukčných čiar pri vracacom pohybe magnetického tyče spolu s piestom a na základe kalibračného vzťahu medzi elektromotorickou silou a rýchlosťou nárazu sa určuje rýchlosť pohybu piesta, z ktorej sa následne vypočíta nárazová energia piesta.

Kontaktná metóda je metóda na výpočet nárazovej energie pomocou konečnej rýchlosti piesta v momente nárazu do nárazového predmetu. Pri skúšaní výkonu kameňolomov sa vyššie uvedené štyri metódy používajú relatívne často; iné metódy sa v praxi zriedka používajú buď z dôvodu operatívnej zložitosti a vysokých nákladov, alebo preto, lebo neúplne zachytávajú pohybový stav piesta.

Je potrebné zdôrazniť, že vyššie uvedená metóda stresových vĺn je vhodná len na testovanie nárazových zariadení s relatívne malou nárazovou energiou, ako sú hydraulické kamenolamy a pneumatické nástroje, a má väčšie ťažkosti pri testovaní veľkých nárazových energií hydraulických kamenolamov. Testovacia kapacita špecializovaných výskumných jednotiek študujúcich stresové vlny je zvyčajne malá a nedokáže zvládnuť testovanie veľkých hydraulických kamenolamov; tiež hluk a vibrácie vznikajúce pri vnútornom testovaní nie sú akceptovateľné. Čo sa týka kontaktovej metódy, aj keď je jednoduchá na inštaláciu, jej výsledky nie sú dostatočne presné a nemôžu byť rozšírené. Jedinou metódou, ktorá sa považuje za komplexnú vo všetkých ohľadoch pre testovanie hydraulických kamenolamov, je elektromagnetická indukčná metóda: môže sa použiť nielen pre hydraulické kamenolamy s malou nárazovou energiou, ale aj pre veľké hydraulické kamenolamy s vysokou nárazovou energiou; priamo meria krivku rýchlosti pohybu piesta, čím umožňuje získať posunutie a zrýchlenie piesta, čo je veľmi užitočné pre osoby študujúce vzory pohybu piesta. Jedinou nevýhodou je, že magnetická tyč je pri vysokofrekvenčných vibráciách piesta ľahko poškoditeľná.

Dr. Ding Wensi z Univerzity Stredného juhu v doktorskej dizertačnej práci „Výskum nového integrovaného hydraulického systému na drvenie kameňa s tlakovou spätnou väzbou a dusíkovou výbušninou – elektromechanickým systémom“ navrhol novú metódu pre testovanie výstupných parametrov nárazového zariadenia – tzv. plynovú tlakovú metódu. Táto metóda využíva tlakový snímač na detekciu vplyvu pohybu piesta na tlak v uzavretej dusíkovej komore umiestnenej na zadnom konci piesta a prostredníctvom počítača určuje zdvih a rýchlosť pohybu piesta, čím získava dva dôležité výstupné parametre nárazového zariadenia – nárazovú energiu a nárazovú frekvenciu. V porovnaní s tradičnými metódami testovania má bezkontaktná plynová tlaková metóda výhody, ako je vysoká odolnosť voči vibráciám, minimálna prípravná práca, súčasné meranie nárazovej energie a frekvencie, pohodlná kalibrácia, malá chyba nárazových parametrov a vysoká presnosť. Táto metóda sa dá použiť nielen ako metóda merania a identifikácie v laboratórnych podmienkach, ale aj pohodlne v reálnych prevádzkových podmienkach pri online testovaní. Bola aplikovaná v hydraulickom testovacom programe spoločnosti Jingye a začlenená do priemyselného štandardu „Hydraulický kameňolam“.

1.5.7 Výskum vibrácií, hluku a riadenia

Okrem úderovej energie, úderovej frekvencie a hmotnosti patria medzi ukazovatele merania výkonu hydraulických úderných strojov tiež hluk, vibrácie strojového tela a miera využitia energie, čo sú dôležité aspekty pri posudzovaní celkového výkonu. So zvyšujúcim sa environmentálnym povedomím majú rozvinuté krajiny stále prísnejšie obmedzenia týkajúce sa hluku vybavenia. Aby sa výrobcovia prispôsobili požiadavkám trhu, hluk a vibrácie hydraulických úderných strojov, ako aj potláčanie prachu, sa postupne stávajú dôležitými ukazovateľmi konkurencieschopnosti podnikov; technológie ich regulácie sú dnes dôležitou výskumnou téma. Vedci z rôznych krajín vykonávajú výskum z hľadiska konštrukcie a materiálov; z konštrukčného hľadiska sa na kontrolu vibrácií a hluku uplatňujú opatrenia, ako sú napríklad vstavané vložkové rukávy, tlmiče hluku alebo medzivrstvy tlmiacich oceľových dosiek. Spoločnosť Krupp vybavila všetky svoje stredné a menšie produkty zvukopohltivými materiálmi. Spoločnosť Rammer inštaluje na novovyvíjané produkty vysokotlakové vodné čerpadlá a rozprašovacie trysky, aby dosiahla účinok zníženia prachu. Okrem toho sa pomocou senzorovej technológie dosahuje presné umiestnenie hydraulických kameňolomných kladív, automatické vŕtanie otvorov, zastavenie a spätné vysunutie dláta, ako aj automatická úprava úderovej energie a úderovej frekvencie podľa pracovných objektov atď.