Teoretisk grund för designberäkningar

2.3 Teoretisk grund för designberäkningar

2.3.1 Analys av kolvrörelse

Design av hydraulisk bergbrytare innebär beräkning av de strukturella parametrar som uppfyller prestandakraven i konstruktionsspecifikationen. Under dessa strukturella parametrar kan den hydrauliska bergbrytaren uppnå den krävda slagenergin och slagfrekvensen.

Det måste betonas kraftfullt att den hydrauliska bergbrytaren genererar slagenergi och slagfrekvens genom att kolven rör sig fram och tillbaka inom en fast slaglängd. S inuti cylinderkroppen. Under denna fast slaglängd rör sig kolven i en kontinuerlig cykel: återstötsacceleration → återstötsbromsning (avbromsning) → återstötshastigheten sjunker till noll → kraftstötsacceleration → når stötpunkten vid maximal hastighet v _m → träffar mejselns ände (avger stötningsenergi) → stannar, påbörjar nästa cykel. Denna fasta slaglängd S kallas kolvens slaglängd; den utgör en viktig grund för att bestämma cylinderkroppens dimensioner.

Kolven rör sig fram och tillbaka inuti cylinderkroppen. Från stötpunkten accelererar den under återstöten för att nå maximal återstötshastighet v _mo , sedan börjar den avbromsas på grund av ventilväxling; hastigheten sjunker snabbt från v _mo till noll — kolven stannar vid övre dödpunkt. Den sträcka kolven färdas kallas återstöten. Vid detta tillfälle, eftersom ventilen fortfarande befinner sig i sitt ursprungliga läge, börjar kolven accelerera under kraftstöten tills den når stötpunkten. När kolven träffar mejselns ände har dess hastighet nått maximum — detta kallas kolvens maximala stöthastighet v _m . Den sträcka kolven färdas från övre dödpunkt till dess att den träffar mejselns ände kallas kraftstöten. Tydligtvis måste återstöten och kraftstöten vara lika långa.

För att studera hydraulisk bergborrdesigns teori djupare är det användbart att först förstå kolvhastigheten, trycket i olika kammrar samt flödesfördelningen och variationen under drift. Anledningarna till och riktningen för förändringar i de arbetsparametrar som en hydraulisk bergborr uppvisar under drift visas i figur 2-4.

p ₀är kvävets förspänningstryck i ackumulatorn; Q är flödet som pumpen levererar till den hydrauliska bergborren; Q ₁är ackumulatorns intagflöde (+) och utsläppsflöde (−); Q ₂är intagflödet (+) och utsläppsflödet (−) till kolvens framkammare, med Q = Q ₁ + Q ₂. Q ₃är intagflödet (+) och utsläppsflödet (−) till kolvens bakkammare; p är systemtrycket.

Fig. 2-4 visar kolven vid början av returstroke. Pumpflödet Q kommer in i systemet; en del ( Q ₂) kommer in i kolvens framkammare och driver dess returstroke, medan bakkammaren släpper ut olja till tanken ( Q ₃); den andra delen ( Q ₁) kommer in i ackumulatorn och komprimerar kvävgasen, så att systemtrycket p börjar från ackumulatorns förspänningstryck p ₀och stiger kontinuerligt när Q ₁flödar in. Rörelsen hos den hydrauliska bergbrytaren, baserad på kolvens arbetsläge, kan i allmänhet delas upp i tre faser, som beskrivs nedan:

(1) Kolvens återstötförskoning

Kolven börjar återstötförskoningen från stötpunkten. När pumpen kontinuerligt injicerar flöde stiger systemtrycket p ↑ → kolvhastighet v ↑ → Q ₂↑ → Q ₁↓ → Q ₃↑, och olja fortsätter att avges till tanken. Eftersom kolvhastigheten v ↑ → Q ₂↑ → Q ₁↓, tills Q ₁= 0. Karakteristiken för denna period är v ↑ och p ↑. När Q ₁= 0 uppstår en vändpunkt: trycket p ökar inte längre, men kolvens hastighet fortsätter att öka (eftersom den drivande kraften för kolvens returstroke fortfarande finns). Efter denna vändpunkt, eftersom v ↑, minskar pumpens flöde Q inte längre kan tillfredsställa flödeskravet för kolvrörelsen, dvs. Q ₂ > Q . För att tillfredsställa flödeskravet för kolvens framkammare måste ackumulatorn nu avge olja för att kompensera pumpens brist. Utifrån principen om flödesbalans gäller att Q ₂ = Q + Q ₁; vid detta tillfälle Q ₁är flödet som strömmar ut ur ackumulatorn och in i kolvens framkammare, tills v ↑ till v = v _mo , ventilen växlar och kolven går in i avbromsningsfasen för återgående slag.

(2) Kolvens avbromsningsfas för återgående slag

Under återgående slaget, eftersom kolvens främre axel har passerat återkopplingshålet, växlar ventilen och omvänder kraftriktningen på kolven; den drivande kraften appliceras på kolven i omvänd riktning, och kolven börjar bromsa in tills v = 0. Återgående slaget är nu slutfört; kolven har nått övre dödläge och genomlöpt hela slaglängden S , redo att påbörja kraftslaget.

(3) Kolvens kraftslag

När kolvens hastighet sjunker till v = 0 omvänds kraften på kolven, så att kolvens hastighet v också omvänds, från '+' till '−'. Kolven börjar sedan accelerera under kraftslaget under den omvända kraften. Vid början av accelerationen för kraftslaget startar kolvens hastighet från v = 0, vid vilken tidpunkt kolvens oljeförbrukning Q ₃= 0; hela pumpens utlopp Q flödar in i ackumulatorn, Q ₁ = Q , Q ₂= 0. När kraftslagets hastighet v ↑ → Q ₃↑ → Q ₁↓ → Q ₂(−)↑. Det bör noteras här att eftersom framkammarens area A ₂är mindre än bakre kammarens area A ₁, måste det, enligt flödesbalansprincipen, finnas Q ₃ = Q ₂ + Q − Q ₁, med v ↑ och Q ₁↓, tills Q ₁= 0. Detta innebär att v ↑; vid detta tillfälle injiceras hela pumpens utlopp Q fullständigt i kolvens bakre kammare, dvs. Q ₃ = Q , Q ₁= 0, men kolvens hastighet v har ännu inte nått maximal hastighet v _m . Kolven fortsätter att accelerera; pumpflödet Q kan inte längre tillfredsställa efterfrågan, så ackumulatorn börjar komplettera flödet, dvs. Q ₃ = Q + Q ₁(−), tills kolven träffar mejselns bakända vid maximal hastighet v _m . I ögonblicket för stöten blir kolvens hastighet plötsligt v = 0, och kolven avger slagenergi W utåt, vilket slutför en arbetscykel.

När ackumulatorns intags-/uttagsflöde Q ₁ändras ändras även systemtrycket p motsvarande. Vid laddning av ackumulatorn, Q ₁= '+', systemtryck p ↑; när ackumulatorn avger olja till omgivningen, Q ₁= '−', systemtryck p ↓. Med andra ord åtföljs arbetet för en hydraulisk bergborr alltid av förändringar i systemtrycket. När den största mängden olja har laddats in i ackumulatorn är systemtrycket som högst. När kolven nått slagpunkten har ackumulatorn avgett den största mängden olja — detta är ögonblicket med lägsta systemtryck. Därför oscillerar systemets arbetsstryck för en hydraulisk bergborr alltid mellan ett maximalt tryck p och ett minimalt tryck p _max från det att bergboren startas tills den når stationär drift, och det är absolut omöjligt att det ska vara konstant och oförändrat. p _min fig. 2-5 visar variationen av alla systemparametrar under drift för den hydrauliska bergboren.

Fig. 2-5 Variation av systemparametrar under drift av en hydraulisk bergborrare [Förklaring: streckad = ackumulatorladdning; tvärstreckad = ackumulatorurladdning; vit = kolvmatning med olja]

Den ovan beskrivna arbetsprocessen visar att variationen av arbetsparametrar är ganska komplex – det är ett icke-linjärt system. Detta skapar betydande svårigheter för djupgående teoretisk analys och forskning. I själva verket är detta en av de främsta anledningarna till att den teoretiska forskningen kring hydrauliska bergborrare har stannat efter produktutvecklingen.

2.3.2 Nuvarande tillstånd för teoretisk forskning

Forskare världen över har i allmänhet använt två olika tekniska angreppssätt för teoretisk forskning om hydrauliska slagverk (hydrauliska bergborrare): forskning baserad på linjär systemteori och forskning baserad på icke-linjär systemteori.

1) Forskning baserad på linjär systemteori antar att kraften på kolven är konstant, att kolvens hastighet ökar linjärt med en jämn takt och att vissa inflytande faktorer ignoreras; en linjär matematisk modell byggs upp på denna grund för teoretisk forskning. Denna forskningsmetod är tydligt enkel och kan lösa vissa praktiska problem, men den är inte särskilt exakt och innebär betydande fel.

2) Forskning baserad på icke-linjär systemteori använder högre ordningens icke-linjära differentialekvationer för att beskriva rörelsemönstren hos den hydrauliska bergborren, och avbildar mer exakt kinematiken och dynamiken för kolven i den hydrauliska bergborren. Denna icke-linjära forskning är mer exakt än den linjära forskningen, men bygger fortfarande på vissa antaganden. Även om den kan avslöja vissa fysikaliska fenomen hos hydraulisk påverkan med större noggrannhet är den svår att lösa, inte lätt att tolka och kan endast ge numeriska lösningar genom datorberäkning, vilket gör den obekväm att använda.

Förutom dessa två tillvägagångssätt föreslog författarna, efter många år av intensiv forskning, den Abstrakta variabeldesign-teorin för hydrauliska bergbrytare (hydrauliska slagmekanismer). Med hjälp av den abstrakta variabeldesign-teorin kan analytiska lösningar för hydrauliska bergbrytare erhållas, vilket kan avslöja de inre mönstren i rörelsen hos hydrauliska bergbrytare i djupare utsträckning och därmed ge en teoretisk grund för teknisk innovation av användare.

Forskningsansatsen för hydraulisk bergborrare enligt abstrakt variabel design-teori: att erkänna icke-linjäriteten i de arbetsparametrar som påverkar en hydraulisk bergborrare, men använda ekvivalent kraftomformning för att linjärisera det icke-linjära systemet, så att det kan studeras med metoder för linjära system för att erhålla analytiska lösningar. De arbetsparametrar och konstruktionsparametrar för hydrauliska bergborrare som erhålls med denna metod är mycket noggranna och beräkningen är enkel. Den hydrauliska bergborrarens abstrakta variabel design-teori kommer att behandlas utförligt i kommande kapitel.