Översikt över teoretisk forskning om hydrauliska bergbrytare

1.5 Översikt över teoretisk forskning om hydrauliska bergbrytare

Under drift av hydraulisk bergbrytare växlar oljetrycket i arbetskammaren med hög frekvens under styrning av riktningssventilen; egenskaperna hos vätskan i oljepassagen kan inte enkelt diskuteras utifrån teorin för hydraulisk kraftöverföring, utan analys enligt teorin för hydraulisk vibration måste tillämpas. Kraften som verkar på kolven och mejseln stiger från noll till tiotals–hundratals megapascal inom några tiotusendels mikrosekunder, för att sedan sjunka tillbaka till noll; energiöverföringens form via spänningsvågor innebär att beskrivningen av arbetsprocessen inte enkelt kan baseras på statik, stelkroppsmekanik eller kinematik. Principen för slagmaskinen hör till problem inom elastiska kroppars dynamik, och vågteori måste användas för att exakt beskriva dess energiöverföringsprocess.

Baserat på skillnader i grundläggande antaganden och matematiska modeller delas forskningen kring hydrauliska bergbrytare in i två huvudkategorier: forskning om linjära modeller och forskning om icke-linjära modeller.

1.5.1 Linjära forskningsmodeller för hydrauliska bergbrytare

Linjär forskning är en idealiserad forskning som utförs genom att linjärisera icke-linjära hydrauliska bergborrare med hjälp av antaganden – linjära modeller som erhållits under antagandet av 'konstant hydraulisk oljetryck' och där vissa faktorer ignoreras. Forskningsförutsättningen är den uppfattning som sovjetiska forskare från 1900-talet, OdAlimov och SAbasov, föreslog i boken 'Teori för strukturen hos hydrauliska vibrations- och slagmaskiner': 'Under villkoret att en given slaghastighet vid stötens slut garanteras är tryckfullt lika tryckstyrning den optimala styrningen med högst verkningsgrad.' På grundval av antagandet om 'konstant tryckstyrning' föreslog sovjetiska forskare ett optimalt konstruktionsförslag för minimal maximal tryckkraft. Den japanske forskaren Nakamai m.fl. utförde, utgående från detta antagande men med hänsyn till rörrådighet, teoretisk och konstruktionsmässig forskning om justerbarheten av kolvrörelsen. Professor Li Dazhi vid Beijing University of Science and Technology föreslog idén om optimal kolvrörelsekonstruktion. Chen Yufan m.fl. använde linjära modeller av slagdon och tillämpade dimensionslös analys med den optimala kolvrörelsemetsoden för att utföra en dimensionslös analys av slagdonparametrar, vilket resulterade i en serie parameterrälningsuttryck för att vägleda konstruktionsarbetet. Lärare Chen Dingyuan vid Beijing University of Science and Technology använde C = S/S_m (S: driftkolvrörelse, S_m: maximal kolvrörelse) som designvariabel för att utföra en dimensionslös analys av hydrauliska bergborrare och kom fram till att den optimala verkningsgradszonen ligger vid C = 0,75–0,850. Lärare Wang Zheng vid Beijing University of Science and Technology använde tiden t för kolvens återacceleration som designvariabel för att utföra en omfattande parameteranalys och kom fram till följande: när volymändringen i ackumulatorn är minimal är t = 0,406T; när den hydrauliska stötkraften är minimal är t = 0,5T. Lärare He Qinghua vid Central South University använde slagdonets strukturella karaktäristiska koefficient – förhållandet mellan effektiva areor i kolvens fram- och bakkammare – som dimensionslös designvariabel för att utföra optimeringsdesign av slagdon. Eftersom många linjära studier inte har beaktat den ömsesidiga begränsningsrelationen mellan kolven och ventilen, vilken direkt påverkar slagprestandan och tillståndet i ackumulatorn, kan de inte korrekt återspegla de ömsesidiga sambanden mellan de många strukturella parametrarna i mekanismen. Även om deras forskningsprecision är relativt låg kan deras resultat i princip återge hur olika faktorer påverkar prestandan, och har därför ett visst praktiskt värde inom teoretisk och konstruktionsmässig forskning.

1.5.2 Icke-linjära modeller för hydrauliska bergbrytare

Som ett relativt typiskt och komplext mekaniskt återkopplingsspårsystem med en enda kropp har den hydrauliska bergbrytaren, likt icke-linjära system inom andra områden, många icke-linjära fenomen och mönster. Icke-linjär forskning har mer omfattande beaktat de inflytande faktorerna för rörelsen hos den hydrauliska bergbrytaren, analyserat spänningsläget hos den hydrauliska bergbrytaren relativt omfattande och erhållit icke-linjära differentialekvationssystem av högre ordning för att beskriva dess rörelsemönster. Men ekvationerna är svåra att lösa, beskrivningen är inte intuitiv och kan endast lösas numeriskt med hjälp av datorer. Under de senaste åren har forskningen kring icke-linjära matematiska modeller fått ökad uppmärksamhet från människor, tack vare utvecklingen inom datavetenskap och teknik samt spridningen av mikrodatorer.

Redan på tidiga 1970-talet tillämpade utländska forskare digitala datorer på simulering av slagmaskiner för luftdrivna bergborrningar, vilket gav relativt noggranna resultat. År 1976 var den japanske forskaren Masao Masabuchi den förste att använda matematisk beräkning för att studera hydrauliska bergbrytare, där han föreslog en matematisk modell för en hydraulisk slagsimuleringsanordning och använde iterativ beräkning för att bestämma kraftslagets hastighet och frekvens, vilka sedan jämfördes med mätvärden. Under 1980-talet utförde japanska forskare, bland andra Takauchi Yoshio och Tanimata Shu, icke-linjär forskning om prestanda och konstruktion av hydrauliska bergbrytare, där de föreslog analytiska modeller som är lämpliga för bedömning av prestanda och konstruktion av hydrauliska bergbrytare samt härledningsteori och analysmetod för den analytiska modellen. År 1980 föreslog Li Dazhi och Chen Dingyuan vid Beijing University of Science and Technology en icke-linjär matematisk modell där ackumulatortrycket används som arbetspress, och de sökte stabila numeriska lösningar. År 1983 använde He Qinghua vid Central South Industrial University i arbetet 'Numerisk simulering av hydrauliska bergbrytare' tillståndsväxlingsmetoden för att etablera en omfattande matematisk modell, föreslog 'metoden för nästan enhetlig acceleration' (PUA-metoden), korrigerade fel vid tillståndsovergångspunkter och förbättrade simuleringens noggrannhet. År 1987 etablerade professor Chen Xiaozhong och läraren Chen Dingyuan vid Beijing University of Science and Technology en icke-linjär matematisk modell för slagmekanismer och skrev simuleringsprogram i BASIC, vilket resulterade i simuleringsdata som relativt väl överensstämde med mätvärden. Under drift av en hydraulisk bergbrytare uppstår på grund av högt tryck, kort slagcykel och frekvent växling av oljeflöde ett kontinuerligt föränderligt tryckutrymme; när hydrauloljan därför strömmar genom olika klara spelrum genereras stora mängder värme, vilket orsakar lokala höga temperaturer och påverkar slaganordningens prestanda samt lokal smörjning; dock är forskningen inom detta område fortfarande outforskat.

På grund av komplexiteten i hydrauliska bergbrytarens rörelse byggs icke-linjära modeller också på basis av vissa antaganden, så det finns egentligen inte mycket skillnad mellan linjära och icke-linjära modeller när det gäller att beskriva sakens väsentliga natur – endast lösningsmetoderna för den matematiska modellen skiljer sig åt. Linjära modeller använder analytiska lösningar, medan icke-linjära modeller måste använda numeriska metoder via datorer för att lösas. Båda kan endast approximera rörelsemönstren för stötenheten, och för att erhålla mer exakta beskrivningsmetoder krävs fortfarande utveckling inom beräkningsströmningsmekanik.

Det måste påpekas att med utvecklingen av hydraulisk bergbrytarteknologi, särskilt med framkomsten av hydraulisk-pneumatiska kombinerade bergbrytare och kväveexplosiva hydrauliska bergbrytare, är arbetsmediet för den hydrauliska bergbrytaren inte längre bara olja utan även gas; och införandet av kväve har ytterligare ökat svårighetsgraden och komplexiteten i den teoretiska forskningen.

1.5.3 Forskning om nyckelkomponenter i hydrauliska bergbrytare

(1) Kolvforskning

Utformningen och tillverkningskvaliteten hos stötpistonen avgör i stor utsträckning prestandan hos stötenheten. Kinesiska forskare har genomfört omfattande forskning inom detta område. Lärare Meng Suimin vid Gezhouba-hydroelektriska ingenjörscollege, som byggde på det linjära modellen, använde dimensionslös analys för att utföra en första undersökning av hur pistons återstöthastighet påverkar driftsparametrarna för hydrauliska bergborrningsutrustningar. Professor Liu Deshun vid Xiangtan-ingeniörscollege, i artikeln 'Beräkning av återstöthastigheten för bergborrpiston', tillämpade vågdynamikteori och föreslog, utifrån en analys av bergborrens arbetsprincip, formler för bedömning av pistons återstöt och för beräkning av återstöthastigheten för bergborrpistoner, och kom fram till följande slutsatser: ① Pistons återstötstatus och återstöthastighet är beroende av egenskaperna hos piston, mejsel och berg, och deras inverkan är inte oberoende utan sammanlänkad. ② Ju mindre lastavlastningsstyvhetkoefficienten för berget är, desto större blir återstöthastigheten. Ju mindre koefficienten γ, som karakteriserar lastegenskaperna hos bergborren och berget, är, desto större blir återstöthastigheten. ④ För att uppnå en relativt ideal bergborrningseffekt bör den karaktäristiska koefficienten γ vid konstruktion av en stötenhet hållas inom intervallet 1 ≤ γ ≤ 2.

Branschen har gradvis utvecklat vissa riktlinjer för kolvdesign:

1) Kolven bör vara förlängd och ha så få onödiga tvärsnittsförändringar som möjligt, för att främja effektiv energiöverföring och slipens livslängd.

2) Arean av kolvens slagyta bör vara lika stor som eller nästan lika stor som arean av slipens bakkant, och en viss konisk längd bör finnas för att främja överföringen av slagvågor.

3) Fullt slag och överslag för kolven får inte skada tätningskonstruktionerna i båda ändarna.

4) Dimensionerna på hydrauliska kuddar för tomfyrning samt tätningslängderna för varje kolvsegment måste utformas noggrant.

5) Rätt materialval krävs – kolvmaterialet måste ha hög mekanisk prestanda, hög ythårdhet, god kärnhårdhet, mycket bra slitfasthet och slagfasthet.

6) Spelningen mellan kolven och cylinderkroppen bör bestämmas på ett rimligt sätt, med hänsyn tagen till läckförluster och bearbetningsnoggrannhet. I allmänhet är spelningen mellan kolven och cylinderkroppen 0,04–0,06 mm, och spelningen mellan kolven och stödröret är 0,03–0,05 mm.

(2) Forskning kring fördelningsventiler

För närvarande använder stora delar av hydrauliska bergbrytare positionsmatningsventilstyrda kolvsystem och uppnår höghastighetskolvrörelse genom att ändra oljetillförseln i en viss kammare i slagverkets påverkansanordning. Även om denna styrform är relativt enkel är dess övergångsprocess relativt komplex. Under ventilsättningsprocessen ändras parametrar som tid, hastighet, slaglängd och oljeförbrukning i flera steg, vilket kan ha en betydande inverkan på slagverkets prestanda. I detta avseende har Liu Wanling m.fl. vid Beijing University of Science and Technology genomfört specialiserad forskning om egenskaperna hos styrventiler i hydrauliska slagverkssystem, både teoretiskt och experimentellt, och erhållit den faktiska rörelsebanan för den undersökta slagverksventilen, avslöjat mönster i riktventilens rörelse samt fastställt de huvudsakliga ventilparametrarna som påverkar slagverkets prestanda. Qi Renjun m.fl. vid Central South University har utfört teoretisk analys av ventilstyrprocessen, optimeringsforskning av ventilens konstruktion och parametrar och erhållit några nyttiga regelbundna slutsatser; med avseende på möjliga hastighetsmättnad och kavitationsfenomen under höghastighetsrörelse hos riktventilen föreslogs effektiva lösningar såsom minskning av ventilspolens massa och slaglängd samtidigt som oljepassagens diameter ökades lämpligen. Liu Wanling och Gao Lanqing vid Beijing Iron and Steel College, i arbetet "Dynamisk egenskapsanalys av riktventil för hydraulisk bergbrytare – simulering och experimentell forskning", undersökte med hjälp av BASIC-programmering hur ventilegenskaperna kunde förbättras dynamiskt och drog slutsatsen att när nollöverlappningsöppningen ökar sjunker trycket i bakre kammaren snabbt, slagarbetet ökar, slagfrekvensen minskar något och verkningsgraden för slagverket förbättras; om nollöverlappningsöppningen blir för stor minskar dock täthetslängden vid ventilaxeln, vilket leder till otillförlitlig ventildrift.

(3) Forskning kring ackumulatorer

Ackumulatorn är en viktig komponent i den hydrauliska bergbrytaren, och dess konstruktion påverkar direkt den totala maskinprestandan för den hydrauliska bergbrytaren. Därför har forskning kring ackumulatorer också bedrivits samtidigt som man undersökt prestandan hos den hydrauliska bergbrytaren. År 1990 utförde japanska forskare, bland andra Takauchi Yoshio och Tanimata Shu, experimentell och teoretisk forskning och använde, utifrån den upprättade analytiska modellen, tillståndsekvationen för att erhålla beräkningsformeln för kvävgasvolymen i ackumulatorn; formelns korrekthet verifierades experimentellt och bidrog till att skapa en teoretisk grund för utformningen av den optimala ackumulatorn. År 1986 etablerade Duan Xiaohong vid Beijing University of Science and Technology, med hjälp av metoden för sammanfattade parametrar, en dynamisk modell för högtrycksmembranackumulatorer och analyserade med både experimentella och beräkningsbaserade metoder frekvenskarakteristikerna för ackumulatorsystemet. Vidare diskuterades den optimala kopplingen mellan ackumulatorn och den hydrauliska bergbrytaren, och det påpekades att den optimala arbetszonen för stödanordningen är den zon där den sekundära harmoniska responsen från ackumulatorn på systemtryckförändringar dominerar i energi. År 1986 publicerade läraren He Qinghua vid Central South University artikeln 'Returolja och returackumulator för hydrauliska slagmekanismer', där det framhölls att den driftshydrauliska trycket för den hydrauliska bergbrytaren främst beror på tröghetskraften från dess egna rörliga delar; detta är en betydande egenskap som skiljer den hydrauliska bergbrytaren från vanlig hydraulisk utrustning, där det driftshydrauliska trycket främst beror på yttre belastning. Returbacktrycket utgörs främst av det tröghetsbetingade hydrauliska trycket som bildas när oljan accelererar vid utsläpp av olja från kolvar eller ventiler till returledningen; det påpekades även att eftersom utsläppets flöde från stödanordningen skiljer sig från mönstret för oljeflödesvariationen i returledningen kommer kavitation att uppstå om flödet in i returledningen är mindre än oljeflödet som rör sig i returledningen. För att minska det tröghetsbetingade returtrycket och eliminera returkavitation föreslogs installation av en returackumulator i den hydrauliska bergbrytaren, och utifrån detta föreslogs även en metod för dimensionering av returackumulatorparametrar. Under de senaste åren har Beijing University of Science and Technology bedrivit forskning kring de dynamiska kopplingsegenskaperna hos ackumulatorer i hydrauliska bergbrytare, utvecklat programvarupaketet HRDP för simulering och uppnått resultat vid verifieringsberäkningar av optimala dynamiska kopplingsegenskaper för ackumulatorer.

(4) Forskning om anordningar för att förhindra tomfyrning och energiabsorberande verktyg för mejselns rekyl

Eftersom oundvikliga huggjärnsrestitution och tomfyrningsfenomen uppstår under drift av hydrauliska bergbrytare påverkar prestandan hos huggjärnsrestitutionsenergiabsorberaren och anordningen för att förhindra tomfyrning i stor utsträckning bergbrytarens livslängd. Professor Meng Suimin analyserade systematiskt i artikeln "Analys av restitutionshastigheten för bergborrpistonen" faktorerna bakom huggjärnets restitutionshastighet i dess ände och undersökte metoder för absorption av huggjärnsrestitutionsenergi. Liao Yide från Central South University etablerade i artikeln "Teoretisk och experimentell forskning om buffertanordningar för tomfyrning vid hydrauliska bergborrar" en matematisk modell av tomfyrningsbuffertprocessen och utförde simuleringar. Dr. Liao Jianyong genomförde i artikeln "Designteori och datorstödd design av flerstegs hydrauliska bergborrar" datorsimulering och optimeringsdesign av huggjärnsrestitutionsenergiabsorberande anordningar samt anordningar för att förhindra tomfyrning. Liu Deshun från Central South University tillämpade i sin doktorsavhandling "Vågdynamikforskning av stötmechanismer" vågdynamikteori, härledde beräkningsformler för restitutionshastigheten för varje del av stötenheten och påpekade att restitutionenergin kan utnyttjas genom rationell konstruktion av varje del av stötenheten. Forskningsinstitutet för hydrauliska anläggningsmaskiner vid Central South University utvecklade en tvåstegs tomfyrningsbuffertanordning som fullt utnyttjar kapaciteten hos huggjärnsrestitutionsenergiabsorberaren – ett kreativt forskningsresultat.

1.5.4 Forskning om frekvenstuning, energituning och styrteknik för hydrauliska bergbrytare

Med utvecklingen av tekniken för hydrauliska bergbrytare har fältbyggnaden ställt nya krav på dessa verktyg. För att effektivt förbättra produktionsverkningsgraden krävs det att slagenergin och slagfrekvensen hos den hydrauliska bergbrytaren kan anpassas efter förändringar i bergens egenskaper. Det vill säga, under förutsättning att den installerade effekten hos bärfarkosten utnyttjas maximalt, ska den hydrauliska bergbrytaren ge högre slagenergi och lägre slagfrekvens vid hårdare berg, medan den ger lägre slagenergi och högre slagfrekvens vid mjukare berg – vilket därmed uppnår en högre produktionsverkningsgrad. För att uppnå ovanstående mål har omfattande forskning bedrivits både inom- och utomlands.

Från teoretisk forskning om hydrauliska bergbrytare kan dess effekt (stödenergi och frekvens) främst justeras med tre metoder: ① justering av flöde; ② justering av slaglängd; ③ justering av återkopplingstryck. För närvarande har den stora majoriteten av inhemska och utländska hydrauliska bergbrytare endast en fast slaglängd – det vill säga deras effekt är inte justerbar. Förstås, om sådana hydrauliska bergbrytare använder flödesjustering för att justera effekten, är detta teoretiskt möjligt men i praktiken inte genomförbart. Eftersom ändringar i flödet orsakar synkrona ändringar i dess effektparametrar kan ingen oberoende justering uppnås.

Även om vissa inhemska och utländska tillverkare har konstruerat och tillverkat hydrauliska bergbrytare med justerbar slaglängd, är dessa på grund av sin stelstrukturerade stegvisa justering mycket obekväma att använda och ger dåliga resultat, vilket gör att de inte är populära bland användare. När det gäller slaglängdsåterkopplingens fördelning justeras de utgående driftparametrarna främst genom att ändra systemets inmatningsflöde eller genom att lägga till flera återstötsignalhål, samt genom att styra öppning och stängning av varje signalhål för att justera kolvens slaglängd, vilket därmed ändrar bergbrytarens slagenergi och slagfrekvens. Till exempel den svenska trehastighets-hydrauliska bergbrytaren från Atlas-Copco. Central South Universitys YYG-serie automatiska växlingshydrauliska bergbrytare – begränsade av konstruktionen kan denna princip endast uppnå stegvis justering av bergbrytarens driftparametrar, och eftersom tryck och flöde i slagssystemet är proportionella mot varandras kvadrat kommer samtidig ökning av både slagenergi och slagfrekvens att orsaka mycket stora förändringar i bärfordonets effekt, vilket begränsar utvidgningen av bergbrytarens arbetsområde och arbetsverkningsgrad. Professor Takashi Takahashi vid Akita University i Japan beskrev i en artikel justering av positionen för återstötsignalporten för att uppnå ändring av bergbrytarens kolvspålgängd. Experiment visade att när kolvspålgängden ökades med 10 % minskade slagfrekvensen med 8 %, men slagenergin kunde öka med 12 %, vilket förbättrade arbetsverkningsgraden och gav teoretisk och experimentell bekräftelse för konstruktionen av bergbrytare med justerbar slaglängd. Lärare He Qinghua vid Central South University, i arbetet "Forskning om hydrauliska slagmaskiner med justerbar slaglängd", jämförde flera typer av växlingsmetoder och analyserade teoretiskt sambanden mellan olika driftparametrar hos hydrauliska slagapparater med justerbar slaglängd och växlingslag. Resultaten har tydlig vägledande betydelse för konstruktion och användning av växlingshydrauliska bergbrytare. Denna bok introducerar begreppet oberoende och steglös justering av driftparametrar baserat på tryckåterkopplingsprincipen och har lanserat denna nya typ av hydraulisk bergbrytare. Den justerar främst den enskilda slagenergin hos slagapparaten genom att styra storleken på kolvens återstötspress; samtidigt justeras slagapparatens frekvens steglöst genom att styra variabelflödespumpens flöde, så att både slagenergi och slagfrekvens kan justeras oberoende av varandra och steglöst inom ett relativt brett intervall, medan förändringen i bärfordonets effekt förblir liten. När det gäller teoretisk forskning, konstruktionsutformning och styrmetoder för denna nya typ av hydraulisk slagapparat har författarna utfört forskning på hydrauliska slagapparater med oberoende steglös justering av slagenergi och slagfrekvens. Dr. Zhao Hongqiang, i doktorsavhandlingen "Forskning om ny typ av hydraulisk bergkrossare med oberoende steglös justeringskontroll", bröt igenom den traditionella slaglängdsåterkopplingsstyrningen för hydrauliska bergbrytare och införde istället tryckåterkoppling och variabelflödespumpstyrning, vilket möjliggjorde oberoende steglös justeringskontroll av bergbrytarens slagenergi och slagfrekvens. Ding Wensi utförde i sin doktorsavhandling, med kvävepressen vid krossarens bakänd som styrvariabel, omfattande arbete på tvångsfördelningskrossare som styrdes av höghastighetsväxlingsventiler och uppnådde därmed oberoende justering av krossarens frekvens och energi. Zhang Xin, i arbetet "Forskning om ett nytt tryckåterkopplingssystem för hydraulisk slagapparat med maskin-elektronisk integration", använde en mikrodatorstyrd höghastighetsväxlingsventil för att uppnå mikrodatorstyrning av slagapparaten. Yang Guoping, i doktorsavhandlingen "Forskning om en renhydraulisk oberoende steglös frekvens- och energijusteringshydraulisk slagapparat", föreslog en intelligent slagapparat med ett rent hydrauliskt styrkoncept som kan uppnå steglös justering av bergbrytarens slagenergi och slagfrekvens via en pilotstyrd fördelningsventil.

1.5.5 Nuvarande tillstånd för forskning inom simuleringsteknik för hydrauliska bergborrare

Ur ett perspektiv av produktutveckling och -design är det bäst att utföra dynamisk karaktärsforskning på mekanismer under produktutvecklings- och designfasen. Dynamisk responssimulering av hydrauliska styrsystem har alltid varit ett område som kontinuerligt studerats av den hydrauliska industrin och är också ett vanligt sätt att undersöka dynamiska responskarakteristiker för styrsystem.

Den speciella arbetsmetoden för hydrauliska bergbrytare innebär att dynamisk simuleringsanalys och provning måste utgöra den grundläggande utgångspunkten för teoretisk konstruktions- och utvecklingsarbete av mekanismer. Efter att datorer introducerades bröts hinderet att enbart förlita sig på produktprovning för att erhålla exakta eller tillförlitliga resultat av mekanismens rörelseprestanda. Forskare började använda olika metoder för att ställa upp matematiska modeller som beskriver hydraulisk vibration och slagsmaskiners rörelse, analysera parametervariationsprocesserna hos hydrauliska bergbrytare genom simulerings-teknik och använda virtuell prototyp-teknik för att simulera rörelseprocesserna hos slagmaskiner. När konstruktionsresultaten är fastställda kan mekanismens rörelse tydligt förstås och relevanta prestandaparametrar beräknas, vilket ger en bra väg för att förkorta utvecklingscyklerna för nya produkter, optimera konstruktionen och utföra dynamisk prestandaanalys.

Under 1960- och 1970-talen började utländska forskare använda digitala datorer för att simulera verkan av slagmaskiner. Dessa arbeten använde trycket i fram- och bakkammaren som variabel, beräknade vätskeflödet in och ut från varje port och justerade detta med flödeskoefficienter; därefter tillämpades gaslagen och energibalanslagen för att ställa upp mikrodifferentialekvationer som beskrev tillståndsförändringar i ackumulatorn och kolven. Efter att ha gjort vissa approximativa antaganden om ventilstyrningens rörelse användes differensmetoder för numerisk lösning. Simuleringsresultaten, särskilt prestandaparametrarna, var mycket nära de uppmätta värdena och gav tillfredsställande resultat. I Japan lade forskare större vikt vid att utveckla datormodeller för specifika hydrauliska bergborrare för forskningsändamål samt införa experimentellt erhållna parametrar i simuleringen för att optimera konstruktionsparametrar, slagparametrar och prestanda hos hydrauliska bergborrare, vilket resulterade i att den optimala återförda oljeportens area, den optimala ackumulatorns fyllningsvolym och den bakre kammarens tryckbärande area för motsvarande hydrauliska bergborrare kunde fastställas. Vid genomförandet av simuleringar fäste japanska forskare större uppmärksamhet på att jämföra simuleringsresultat med experimentella testresultat och justerade datormodellerna enligt testdata. Företaget Sandvik utvecklade, efter att ha beaktat hur slagkolvens form påverkar energiöverföringsmetoden, även ett datorsimuleringsprogram inom detta område. Med detta program kan: ① energiöverföringsprocessen i varje del av slagverkan simuleras; ② olika utformningar av varje systemkomponent simuleras; ③ under olika typer av slagsobjektsförhållanden kan effekten av olika utformningar på energiöverföringen simuleras. Sandviks datorprogram garanterar inte bara tillverkningen av optimala produkter, utan möjliggör också mätning och förståelse av hur alla parametrar påverkar slagsystemet samt hur förändringar i vissa parametrar påverkar verkningsgraden, och ställer detta som ett praktiskt och effektivt beräkningsverktyg till förfogande för användarna.

Efter 1980-talet inleddes även inhemsk forskning kring simuleringsteknologi och tillämpningar. Kinesiska forskare som Tian Shujun, Chen Yufan och andra utvecklade alla matematiska modeller med hjälp av sina respektive metoder. Tian Shujun m.fl. tillämpade kraftrörelsegrafik (power bond graph) – en avancerad teknik för dynamisk modellering – i kombination med tillståndsrumsanalysmetoder och utförde främst forskning kring dynamisk simuleringsprogramvara för hydrauliska bergborrare med glidventilstyrning. Denna forskning utforskade dynamisk simuleringsmodellering och programmering av hydrauliska bergborrare och tillhandahöll en metod och ett angreppssätt för många senare simuleringsprogrammerare, såsom professor Zhou Zhihong vid Beijing University of Science and Technology, som handledde studenter som Yan Yong m.fl. i att använda kraftrörelsegrafik för att ställa upp dynamiska ekvationer för flera typer av kolvar, riktventiler och varje hydraulisk flödesekvation samt gasstatus-ekvationer för hydrauliska bergborrare; därefter skrevs simuleringsprogram i ett datorspråk för att analysera de viktigaste tillståndsförändringsprocesserna, såsom trycket i fram- och bakkammaren, flödet, kolvrörelsen och hastigheten hos den hydrauliska bergborraren, vilket tillhandahöll en plattform för vidare forskning om hur parametervariationer hos den hydrauliska bergborraren påverkar dess prestanda. Med den snabba utvecklingen av datorer och programvaruteknik har Matlab och AMEsim-programvaran tillämpats för modellering och simulering av system för hydrauliska bergborrare, vilket gett teoretiskt stöd för att förkorta forsknings- och utvecklingscykler samt förbättra konstruktionskvaliteten för nya modeller.

1.5.6 Experimentella forskningsmetoder

Experiment är det grundläggande sättet för människor att förstå naturen och omvandla den objektiva världen – genom att sammanfatta och abstrahera fenomen som observerats och data som mätts experimentellt, identifiera inre samband och mönster samt formulera teorier. Experiment är källan till teori; experiment är den enda domaren för att verifiera teorier.

Hydrauliska bergbrytarens slagprestandaparametrar är en viktig indikator för att bedöma dess design, tillverkningsnivå och kvalitet. De främsta parametrarna kan alla mätas experimentellt, och resultaten uttrycks i form av data, kurvor eller diagram. Prestandaverifiering handlar främst om mätning av slagenergi, slagfrekvens, systemtryck och flöde. Mätmetoderna för dessa parametrar saknar för närvarande en enhetlig internationell provningsstandard. De metoder för provning av hydrauliska bergbrytares slagprestanda som för närvarande används vanligen är: spänningsvågsmetoden, fotoelektriska förskjutningsdifferensmetoden, elektromagnetisk induktionsmetod, kontaktmetoden, höghastighetsfotografering, indikatordiagrammetoden och energimetoden, m.m.

Stressvågsmetoden är en metod för att mäta slagenergi genom att mäta stressvågen som genereras på mejseln när slagkolven träffar mejseln. Fotocellmetoden använder principen för fotoelektrisk omvandling; genom en fotocellsensor används slagkolvens position som direkt mätvärde för att erhålla kolvens rörelseförflyttning, varefter varje prestandaparameter för slagverktyget beräknas ytterligare. Fotocellmetoden, som är en icke-kontaktmätmetod, är mycket lämplig för slagmaskiner såsom hydrauliska bergbrytare med långa kolvrörelser, stora diametrar och hög hastighet. Metoden med elektromagnetisk induktion använder ett sensorsystem för elektromagnetisk induktion som består av en magnetisk stav monterad på slagkolven och en spiralformad spole monterad på kåpan; den inducerade elektromotoriska kraften som genereras när spolen skär magnetfältlinjerna används medan den magnetiska staven rör sig fram och tillbaka tillsammans med kolven, och kolvens rörelshastighet erhålls baserat på kalibreringsförhållandet mellan elektromotorisk kraft och slaghastighet, varpå kolvens slagenergi därefter beräknas.

Kontaktmetoden är en metod för att beräkna slagneffekten med hjälp av kolvens sluthastighet vid kontakt med det objekt som träffas. Vid prestandatestning av bergborrare är de ovanstående fyra metoderna relativt vanliga; andra metoder, antingen på grund av operativ komplexitet och hög kostnad eller på grund av att de inte fullständigt återger kolvens rörelsetillstånd, förekommer sällan i praktisk användning.

Det måste påpekas att ovanstående metod för spänningsvågsanalys endast är lämplig för provning av verktyg med relativt liten stötningsenergi, såsom hydrauliska bergborrmaskiner och pneumatiska verktyg, och att det är betydligt svårare att använda metoden för provning av verktyg med stor stötningsenergi, såsom hydrauliska bergkrossare. Testkapaciteten hos specialiserade forskningsenheter som studerar spänningsvågor är i allmänhet begränsad och kan inte hantera provning av stora hydrauliska bergkrossare; även buller och vibrationer som uppstår vid inomhusprovning är oacceptabla. När det gäller kontaktmetoden, trots att den är enkel att installera, är resultaten inte tillräckligt exakta och kan därför inte rekommenderas för bredare användning. Endast elektromagnetisk induktionsmetod för provning av hydrauliska bergkrossare anses vara heltäckande i alla avseenden: den kan användas både för hydrauliska bergborrmaskiner med liten stötningsenergi och för stora hydrauliska bergkrossare med hög stötningsenergi; den mäter direkt kolvens rörelsehastighetskurva, vilket gör att kolvens förflyttning och acceleration kan bestämmas – en mycket användbar funktion för personer som studerar kolvrörelsemönster. Den enda nackdelen är att den magnetiska staven lätt skadas vid högfrekvent kolvvibration.

Dr. Ding Wensi vid Central South University, i doktorsavhandlingen "Forskning kring ett nytt tryckåterkopplingssystem för kväveexplosiv maskin-el-integrerad hydraulisk stenkrossare", föreslog en ny metod för att testa utgående parametrar för slagdon – gastrycksmetoden. Denna metod använder en trycksensor för att detektera effekten på trycket i den försegla kvävekammaren som är monterad vid kolvens baksida under kolvrörelsen och bestämmer via en dator kolvens slaglängd och rörelsehastighet, vilket gör att de två viktigaste utgående parametrarna för slagdonet – slagenergi och slagfrekvens – kan erhållas. Jämfört med traditionella testmetoder har den icke-kontakta gastrycksmetoden fördelarna med stark vibrationstålighet, minimal förberedelsearbetsinsats, samtidig mätning av slagenergi och slagfrekvens, bekväm kalibrering, liten felmarginal för slagparametrar samt hög noggrannhet. Den kan inte bara användas som en mät- och identifieringsmetod för laboratorieprodukter, utan kan även bekvämt användas för online-testning i praktisk verksamhet. Metoden har tillämpats i Jingye-företagets hydrauliktestprogram och inkluderats i branschstandarden "Hydraulisk stenkrossare".

1.5.7 Forskning om vibrationer, buller och styrning

Förutom stötningsenergi, stötningsfrekvens och massa inkluderar indikatorerna för mätning av hydrauliska stötmaskiners prestanda även buller, vibrationer i maskinkroppen och energiutnyttjandegrad, vilka är viktiga aspekter för att bedöma den totala prestandan. Eftersom medvetenheten om miljöfrågor ökar har utvecklade länder allt striktare begränsningar för utrustningsbuller. För att anpassa sig till marknadens krav blir buller och vibrationer hos hydrauliska stötmaskiner, samt dammminskning, successivt viktiga konkurrensindikatorer; deras kontrollteknik är nu ett viktigt forskningsområde. Forskare från olika länder utför forskning från strukturella och materialmässiga synvinklar; strukturellt tillämpas åtgärder såsom inbyggda fodringsskydd, ljuddämpande enheter eller mellanlagrade vibrationsdämpande stålplattor för att kontrollera vibrationer och buller. Krupp företaget har utrustat alla sina medelstora och mindre produkter med ljudabsorberande material. Rammer företaget installerar högtrycksvattenpumpar och atomiserande munstycken på sina nyutvecklade produkter för att uppnå effekter av dammminskning. Dessutom används sensorteknik för att uppnå exakt positionering av hydrauliska bergbrytare, automatisk borrning av hål, automatisk stoppning och återdragning av mejslar samt automatisk justering av stötningsenergi och stötningsfrekvens beroende på arbetsobjektet, etc.