ภาพรวมของการวิจัยเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับเครื่องทุบหินไฮดรอลิก

1.5 ภาพรวมของการวิจัยเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับเครื่องทุบหินไฮดรอลิก

ในระหว่างการปฏิบัติงานของเครื่องทุบหินไฮดรอลิก ความดันน้ำมันในห้องทำงานจะเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วภายใต้การควบคุมของวาล์วเปลี่ยนทิศทาง ลักษณะของของไหลในท่อส่งน้ำมันจึงไม่สามารถอธิบายได้เพียงแค่ตามทฤษฎีการส่งผ่านพลังงานแบบไฮดรอลิกเท่านั้น แต่จำเป็นต้องใช้การวิเคราะห์ตามทฤษฎีการสั่นสะเทือนแบบไฮดรอลิก แรงที่กระทำต่อลูกสูบและหัวทุบจะเพิ่มขึ้นจากศูนย์ไปเป็นหลายสิบถึงหลายร้อยเมกะปาสคาลภายในเวลาไม่กี่สิบไมโครวินาที จากนั้นลดลงกลับเป็นศูนย์อีกครั้ง รูปแบบของการถ่ายโอนพลังงานผ่านคลื่นความเค้นทำให้การอธิบายกระบวนการการทำงานไม่สามารถใช้ทฤษฎีสถิตศาสตร์ กลศาสตร์ของวัตถุแข็ง และจลนศาสตร์ได้เพียงอย่างเดียว หลักการของเครื่องกระทบจัดอยู่ในปัญหากลศาสตร์ของวัตถุยืดหยุ่น ดังนั้นจึงจำเป็นต้องใช้ทฤษฎีคลื่นในการอธิบายกระบวนการถ่ายโอนพลังงานอย่างแม่นยำ

จากการแตกต่างกันของสมมุติฐานพื้นฐานและแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ การวิจัยเกี่ยวกับเครื่องทุบหินไฮดรอลิกจึงแบ่งออกเป็นสองประเภทหลัก ได้แก่ การวิจัยเชิงแบบจำลองเชิงเส้น (linear model research) และการวิจัยเชิงแบบจำลองไม่เป็นเชิงเส้น (nonlinear model research)

1.5.1 แบบจำลองการวิจัยเชิงเส้นสำหรับเครื่องทุบหินไฮดรอลิก

การวิจัยเชิงเส้นเป็นการวิจัยที่ได้รับการปรับให้สมบูรณ์แบบโดยการแปลงเครื่องสลายหินไฮดรอลิกซึ่งมีลักษณะไม่เป็นเชิงเส้นให้กลายเป็นเชิงเส้นผ่านสมมุติฐานต่าง ๆ — แบบจำลองเชิงเส้นที่ได้มาภายใต้สมมุติฐานของ 'แรงดันน้ำมันไฮดรอลิกคงที่' และละเลยปัจจัยบางประการ ข้อสมมุติพื้นฐานของการวิจัยนี้อ้างอิงจากแนวคิดที่นักวิชาการยุคโซเวียต คือ OdAlimov และ SAbasov ได้เสนอไว้ในหนังสือ 'ทฤษฎีโครงสร้างเครื่องสั่นสะเทือนและกระแทกแบบไฮดรอลิก' ซึ่งระบุว่า 'ภายใต้เงื่อนไขที่รับประกันความเร็วปลายของแรงกระแทกที่กำหนดไว้ ระบบควบคุมแรงดันแบบเต็มแรงดัน (pressure-fully-equal pressure control) คือระบบควบคุมที่เหมาะสมที่สุดและมีประสิทธิภาพสูงสุด' บนพื้นฐานของสมมุติฐาน 'การควบคุมแรงดันคงที่' นักวิชาการยุคโซเวียตจึงเสนอแนวทางการออกแบบที่เหมาะสมที่สุดเพื่อให้เกิดแรงผลักสูงสุดน้อยที่สุด นักวิจัยญี่ปุ่นนามว่า Nakamai และคณะ ได้พิจารณาความต้านทานของท่อส่งน้ำมันเพิ่มเติมจากแนวคิดดังกล่าว และดำเนินการวิจัยเชิงทฤษฎีและเชิงการออกแบบเกี่ยวกับความสามารถในการปรับระยะช่วงการเคลื่อนที่ของลูกสูบ ศาสตราจารย์หลี่ ต้าจื้อ (Li Dazhi) จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีปักกิ่ง ได้เสนอแนวคิดการออกแบบระยะช่วงการเคลื่อนที่ที่เหมาะสมที่สุด เฉิน หยู่ฝาน (Chen Yufan) และคณะ ใช้แบบจำลองเชิงเส้นของอุปกรณ์กระแทก พร้อมนำวิธีการวิเคราะห์แบบไม่มีหน่วย (dimensionless analysis) ร่วมกับวิธีการออกแบบระยะช่วงการเคลื่อนที่ที่เหมาะสมที่สุด เพื่อดำเนินการวิเคราะห์แบบไม่มีหน่วยต่อพารามิเตอร์ของอุปกรณ์กระแทก และได้สมการความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์ต่าง ๆ ซึ่งสามารถใช้เป็นแนวทางในการออกแบบงานได้ อาจารย์เฉิน ติ้งหยวน (Chen Dingyuan) จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีปักกิ่ง ใช้ค่า C = S/S_m (โดยที่ S คือระยะช่วงการเคลื่อนที่ขณะทำงาน และ S_m คือระยะช่วงการเคลื่อนที่สูงสุด) เป็นตัวแปรในการออกแบบ และดำเนินการวิเคราะห์แบบไม่มีหน่วยต่อเครื่องสลายหินไฮดรอลิก จนได้ผลว่าเขตประสิทธิภาพสูงสุดอยู่ที่ค่า C = 0.75 ถึง 0.850 อาจารย์หวาง เจิ้ง (Wang Zheng) จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีปักกิ่ง ใช้เวลา t ของการเร่งกลับของลูกสูบเป็นตัวแปรในการออกแบบ และดำเนินการวิเคราะห์พารามิเตอร์โดยรวม จนได้ผลว่า เมื่อปริมาตรของแอคคิวมูเลเตอร์เปลี่ยนแปลงน้อยที่สุด t = 0.406T; และเมื่อแรงกระแทกไฮดรอลิกน้อยที่สุด t = 0.5T อาจารย์เหอ ชิงฮัว (He Qinghua) จากมหาวิทยาลัยเซ็นทรัลเซาท์ ใช้สัมประสิทธิ์ลักษณะโครงสร้างของอุปกรณ์กระแทก — คือ อัตราส่วนพื้นที่มีประสิทธิภาพของห้องด้านหน้าและด้านหลังลูกสูบ — เป็นตัวแปรในการออกแบบแบบไม่มีหน่วย เพื่อดำเนินการออกแบบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์กระแทก เนื่องจากการศึกษาเชิงเส้นจำนวนมากไม่ได้พิจารณาความสัมพันธ์แบบจำกัดซึ่งกันและกันระหว่างลูกสูบกับวาล์ว ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อสมรรถนะการกระแทก และสถานะของแอคคิวมูเลเตอร์ จึงไม่สามารถสะท้อนความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์โครงสร้างต่าง ๆ ในกลไกได้อย่างแม่นยำ แม้ว่าความแม่นยำของการวิจัยเหล่านี้จะค่อนข้างต่ำ แต่ผลลัพธ์ที่ได้สามารถแสดงความสัมพันธ์เชิงอิทธิพลของปัจจัยต่าง ๆ ต่อสมรรถนะได้โดยทั่วไป จึงมีคุณค่าเชิงปฏิบัติในระดับหนึ่งต่องานวิจัยเชิงทฤษฎีและการออกแบบ

1.5.2 แบบจำลองเชิงไม่เป็นเส้นตรงสำหรับเครื่องทุบหินไฮดรอลิก

ในฐานะระบบติดตามแบบกลไกที่มีการตอบสนองย้อนกลับแบบชิ้นส่วนเดียวซึ่งค่อนข้างพบได้ทั่วไปและมีความซับซ้อน ตัวทุบหินไฮดรอลิกนั้นมีปรากฏการณ์และรูปแบบเชิงไม่เป็นเส้นตรงหลายประการ เช่นเดียวกับระบบที่ไม่เป็นเส้นตรงอื่นๆ ในสาขาต่างๆ การวิจัยเชิงไม่เป็นเส้นตรงได้พิจารณาปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อการเคลื่อนที่ของตัวทุบหินไฮดรอลิกอย่างครอบคลุมยิ่งขึ้น วิเคราะห์สถานะแรงดันที่กระทำต่อตัวทุบหินไฮดรอลิกอย่างค่อนข้างครบถ้วน และได้ชุดสมการเชิงอนุพันธ์ไม่เป็นเส้นตรงอันดับสูงเพื่ออธิบายลักษณะการเคลื่อนที่ของมัน อย่างไรก็ตาม สมการเหล่านี้ยากต่อการแก้ไข การอธิบายไม่ชัดเจนในเชิงภาพ และสามารถแก้ไขได้เฉพาะโดยวิธีเชิงตัวเลขผ่านคอมพิวเตอร์เท่านั้น ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการพัฒนาของวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีด้านคอมพิวเตอร์ รวมทั้งการแพร่กระจายอย่างกว้างขวางของไมโครคอมพิวเตอร์ การวิจัยเกี่ยวกับแบบจำลองคณิตศาสตร์เชิงไม่เป็นเส้นตรงจึงได้รับความสนใจจากผู้คนมากยิ่งขึ้น

ตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษ 1970 นักวิชาการต่างประเทศได้นำคอมพิวเตอร์ดิจิทัลมาประยุกต์ใช้ในการวิจัยการจำลองเครื่องมือชนิดกระแทกสำหรับสว่านหินแบบลมอัด ซึ่งได้ผลลัพธ์ที่ค่อนข้างแม่นยำ ในปี ค.ศ. 1976 มาซาโอะ มาซาบูจิ นักวิชาการชาวญี่ปุ่น เป็นผู้แรกที่ใช้การคำนวณเชิงคณิตศาสตร์ในการศึกษาเครื่องทุบหินไฮดรอลิก โดยเสนอแบบจำลองทางคณิตศาสตร์สำหรับอุปกรณ์ทดสอบแรงกระแทกไฮดรอลิก และใช้วิธีการคำนวณแบบวนซ้ำเพื่อหาความเร็วและความถี่ของการเคลื่อนที่ในจังหวะให้กำลัง จากนั้นเปรียบเทียบกับค่าที่วัดได้จริง ในทศวรรษ 1980 นักวิชาการชาวญี่ปุ่น เช่น ทาคาอุจิ โยชิโอะ และทานิมาตะ ชู ฯลฯ ได้ดำเนินการวิจัยเชิงไม่เชิงเส้นเกี่ยวกับสมรรถนะและการออกแบบเครื่องทุบหินไฮดรอลิก โดยเสนอแบบจำลองเชิงวิเคราะห์ที่เหมาะสมสำหรับการประเมินสมรรถนะและการออกแบบเครื่องทุบหินไฮดรอลิก รวมทั้งทฤษฎีการอนุมานและวิธีการวิเคราะห์สำหรับแบบจำลองเชิงวิเคราะห์ดังกล่าว ในปี ค.ศ. 1980 หลี่ ต้าจื้อ และเฉิน ติ้งหยวน จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีปักกิ่ง ได้เสนอแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เชิงไม่เชิงเส้นโดยใช้ความดันของแอคคิวมูเลเตอร์เป็นความดันในการทำงาน และแสวงหาคำตอบเชิงตัวเลขที่มีเสถียรภาพ ในปี ค.ศ. 1983 เหอ ชิงฮัว จากมหาวิทยาลัยอุตสาหกรรมภาคใต้ตอนกลาง ได้ทำการวิจัยการจำลองเชิงตัวเลขสำหรับเครื่องทุบหินไฮดรอลิก โดยใช้วิธีการสลับสถานะ (state switching method) เพื่อกำหนดแบบจำลองทางคณิตศาสตร์แบบครอบคลุม พร้อมเสนอ 'วิธีการคำนวณความเร่งแบบกึ่งสม่ำเสมอ' (PUA method) ซึ่งสามารถแก้ไขข้อผิดพลาดที่จุดเปลี่ยนสถานะ และปรับปรุงความแม่นยำของการจำลองได้ ในปี ค.ศ. 1987 ศาสตราจารย์เฉิน เสี่ยวจง และอาจารย์เฉิน ติ้งหยวน จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีปักกิ่ง ได้จัดทำแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เชิงไม่เชิงเส้นของกลไกการกระแทก และเขียนโปรแกรมการจำลองด้วยภาษา BASIC ซึ่งได้ข้อมูลการจำลองที่สอดคล้องกับผลการวัดจริงค่อนข้างมาก ระหว่างการปฏิบัติงานของเครื่องทุบหินไฮดรอลิก เนื่องจากแรงดันสูง รอบเวลาการกระแทกสั้น และการสลับทิศทางการไหลของน้ำมันไฮดรอลิกอย่างบ่อยครั้ง จึงเกิดห้องแรงดันแปรผันอย่างต่อเนื่อง ดังนั้น เมื่อน้ำมันไฮดรอลิกไหลผ่านช่องว่างต่าง ๆ จะก่อให้เกิดความร้อนจำนวนมาก ส่งผลให้เกิดอุณหภูมิสูงบริเวณท้องถิ่น ซึ่งส่งผลกระทบต่อสมรรถนะของอุปกรณ์กระแทกและระบบหล่อลื่นบริเวณท้องถิ่น อย่างไรก็ตาม การวิจัยในด้านนี้ยังคงเป็นช่องว่างที่ยังไม่มีการศึกษา

เนื่องจากความซับซ้อนของการเคลื่อนที่ของเครื่องสลายหินไฮดรอลิก แบบจำลองเชิงไม่เป็นเส้นตรงจึงถูกสร้างขึ้นด้วยการตั้งสมมุติฐานบางประการ ดังนั้นจึงไม่มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญระหว่างแบบจำลองเชิงเส้นกับแบบจำลองเชิงไม่เป็นเส้นตรงในการอธิบายธรรมชาติพื้นฐานของปรากฏการณ์นั้น ๆ — มีเพียงวิธีการแก้สมการของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์เท่านั้นที่ต่างกัน กล่าวคือ แบบจำลองเชิงเส้นใช้วิธีการหาคำตอบเชิงวิเคราะห์ ในขณะที่แบบจำลองเชิงไม่เป็นเส้นตรงจำเป็นต้องใช้วิธีการเชิงตัวเลขผ่านคอมพิวเตอร์ในการหาคำตอบ ทั้งสองแบบจำลองสามารถประมาณรูปแบบการเคลื่อนที่ของอุปกรณ์กระแทกได้เพียงอย่างเดียวเท่านั้น และเพื่อให้ได้วิธีการอธิบายที่แม่นยำยิ่งขึ้น ยังจำเป็นต้องพัฒนาด้านพลศาสตร์ของไหลเชิงคำนวณ (Computational Fluid Dynamics) ต่อไป

ต้องชี้ให้เห็นว่า ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีเครื่องสลายหินไฮดรอลิก โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเกิดขึ้นของเครื่องสลายหินไฮดรอลิกแบบผสมไฮดรอลิก-ลม และเครื่องสลายหินไฮดรอลิกแบบใช้ไนโตรเจนระเบิด ทำให้สารทำงานของเครื่องสลายหินไฮดรอลิกไม่ได้จำกัดอยู่เพียงน้ำมันเท่านั้น แต่ยังรวมถึงก๊าสด้วย และการนำไนโตรเจนเข้ามาใช้งานยังเพิ่มความยากลำบากและความซับซ้อนของการวิจัยเชิงทฤษฎีให้สูงยิ่งขึ้นอีกด้วย

1.5.3 การวิจัยส่วนประกอบหลักของเครื่องทุบหินไฮดรอลิก

(1) การวิจัยลูกสูบ

คุณภาพของการออกแบบและการผลิตของลูกสูบกระทบมีผลต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์กระทบเป็นอย่างมาก นักวิชาการจีนได้ดำเนินการวิจัยในเรื่องนี้อย่างกว้างขวาง อาจารย์เหมิง สุ่ยหมิน จากวิทยาลัยวิศวกรรมไฟฟ้าพลังน้ำเกโจวป้า ได้อ้างอิงแบบจำลองเชิงเส้นและใช้การวิเคราะห์แบบไม่มีหน่วย (dimensionless analysis) เพื่อสำรวจเบื้องต้นถึงอิทธิพลของความเร็วการกระดอนกลับของลูกสูบต่อพารามิเตอร์การปฏิบัติงานของเครื่องทุบหินไฮดรอลิก ศาสตราจารย์หลิว เต๋ซุ่น จากวิทยาลัยวิศวกรรมเซียงถาน ได้เสนอสูตรการประเมินสถานะการกระดอนกลับของลูกสูบและการคำนวณความเร็วการกระดอนกลับสำหรับเครื่องเจาะหินในบทความเรื่อง 'การคำนวณความเร็วการกระดอนกลับของลูกสูบเครื่องเจาะหิน' โดยอาศัยทฤษฎีพลศาสตร์คลื่น และจากการวิเคราะห์หลักการทำงานของเครื่องเจาะหิน ได้สรุปข้อค้นพบสำคัญดังนี้: ① สถานะการกระดอนกลับและความเร็วการกระดอนกลับของลูกสูบขึ้นอยู่กับสมบัติของลูกสูบ หัวเจาะ และหิน ซึ่งอิทธิพลเหล่านี้ไม่เป็นอิสระต่อกัน แต่มีความสัมพันธ์ร่วมกันอย่างใกล้ชิด ② ยิ่งสัมประสิทธิ์ความแข็งในการปล่อยแรง (unloading stiffness coefficient) ของหินมีค่าน้อยเท่าใด ความเร็วการกระดอนกลับจะยิ่งมีค่ามากขึ้นเท่านั้น; และยิ่งสัมประสิทธิ์ γ ซึ่งแสดงสมบัติการถ่ายโอนแรงระหว่างเครื่องเจาะหินกับหินมีค่าน้อยเท่าใด ความเร็วการกระดอนกลับก็จะยิ่งมีค่ามากขึ้นเท่านั้น ④ เพื่อให้บรรลุประสิทธิภาพการเจาะหินในระดับที่เหมาะสม ในการออกแบบอุปกรณ์กระทบ ควรควบคุมสัมประสิทธิ์ลักษณะเฉพาะ (characteristic coefficient) γ ให้อยู่ในช่วง 1 ≤ γ ≤ 2

อุตสาหกรรมได้ค่อยๆ จัดทำแนวทางการออกแบบลูกสูบบางประการขึ้นมา:

1) ลูกสูบควรมีรูปทรงยาวและลดการเปลี่ยนแปลงพื้นที่หน้าตัดที่ไม่จำเป็น เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพในการถ่ายทอดพลังงานและยืดอายุการใช้งานของหัวเจาะ

2) พื้นที่ผิวกระทบของลูกสูบควรเท่ากับหรือใกล้เคียงกับพื้นที่ผิวปลายด้านหลังของหัวเจาะ และควรมีความยาวของส่วนที่เรียว (taper length) ที่เหมาะสม เพื่อส่งคลื่นกระแทกได้อย่างมีประสิทธิภาพ

3) การเคลื่อนที่แบบเต็มจังหวะ (full stroke) และเกินจังหวะ (over-stroke) ของลูกสูบต้องไม่ทำให้โครงสร้างซีลที่ปลายทั้งสองข้างเสียหาย

4) ต้องออกแบบขนาดของแผ่นรองไฮดรอลิกสำหรับการจุดระเบิดแบบไม่มีวัสดุบรรจุ (blank-firing hydraulic pad) และความยาวของส่วนที่มีการซีลในแต่ละส่วนของลูกสูบอย่างเหมาะสม

5) ต้องเลือกวัสดุให้ถูกต้อง — วัสดุลูกสูบต้องมีสมบัติเชิงกลสูง ความแข็งผิวสูง ความเหนียวของแกนกลางดีเยี่ยม รวมทั้งมีความต้านทานการสึกหรอและแรงกระแทกได้ดีมาก

6) ช่องว่างการประกอบระหว่างลูกสูบกับตัวกระบอกสูบควรกำหนดให้เหมาะสม โดยพิจารณาอย่างรอบด้านทั้งการสูญเสียจากของไหลรั่วซึมและความแม่นยำในการกลึงโดยรวม ทั่วไปแล้ว ช่องว่างการประกอบระหว่างลูกสูบกับตัวกระบอกสูบคือ 0.04 ถึง 0.06 มม. และช่องว่างการประกอบระหว่างลูกสูบกับปลอกรองรับคือ 0.03 ถึง 0.05 มม.

(2) การวิจัยวาล์วจ่าย

ปัจจุบัน แทบทั้งหมดของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกใช้ระบบลูกสูบควบคุมด้วยวาล์วแบบมีการตอบกลับตำแหน่ง และสร้างการเคลื่อนที่แบบไปกลับของลูกสูบด้วยความเร็วสูงโดยการเปลี่ยนรูปแบบการจ่ายน้ำมันในห้องหนึ่งๆ ของอุปกรณ์กระแทก แม้ว่ารูปแบบการควบคุมนี้จะค่อนข้างง่าย แต่กระบวนการเปลี่ยนผ่านนั้นมีความซับซ้อนค่อนข้างมาก ระหว่างกระบวนการสลับวาล์ว พารามิเตอร์ต่างๆ เช่น เวลา ความเร็ว ระยะทางการเคลื่อนที่ และปริมาณการใช้น้ำมัน จะเปลี่ยนแปลงเป็นขั้นตอน ซึ่งอาจส่งผลกระทบอย่างมากต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์กระแทก สำหรับประเด็นนี้ หลิว หว่านหลิง และคณะ จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีปักกิ่ง ได้ดำเนินการวิจัยพิเศษเกี่ยวกับลักษณะเฉพาะของวาล์วควบคุมในระบบกระแทกไฮดรอลิกผ่านทั้งทฤษฎีและการทดลอง โดยได้กำหนดเส้นทางการเคลื่อนที่จริงของวาล์วอุปกรณ์กระแทกที่กำลังศึกษา ชี้ให้เห็นรูปแบบการเคลื่อนที่ของวาล์วเปลี่ยนทิศทาง และระบุพารามิเตอร์หลักของวาล์วควบคุมที่มีผลต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์กระแทก ฉี เหรินจวิน และคณะ จากมหาวิทยาลัยเซ็นทรัลเซาท์ ได้ดำเนินการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีต่อกระบวนการควบคุมด้วยวาล์ว รวมทั้งวิจัยเพื่อการปรับปรุงโครงสร้างและพารามิเตอร์ของวาล์ว และได้ข้อสรุปเชิงกฎเกณฑ์ที่มีประโยชน์บางประการ; โดยมุ่งเน้นไปที่ปรากฏการณ์ความเร็วถึงค่าสูงสุด (velocity saturation) และการเกิดฟองอากาศ (cavitation) ที่อาจเกิดขึ้นระหว่างการเคลื่อนที่ด้วยความเร็วสูงของวาล์วเปลี่ยนทิศทาง จึงเสนอแนวทางแก้ไขที่มีประสิทธิภาพ ได้แก่ การลดมวลและระยะการเคลื่อนที่ของแกนวาล์ว (valve spool) พร้อมทั้งเพิ่มขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของช่องทางน้ำมันอย่างเหมาะสม หลิว หว่านหลิง และเกา หลานชิง จากวิทยาลัยเหล็กและเหล็กกล้าปักกิ่ง ในงานวิจัยเรื่อง 'การวิเคราะห์ลักษณะการเคลื่อนที่แบบพลวัตของวาล์วเปลี่ยนทิศทางสำหรับเครื่องทุบหินไฮดรอลิก — การจำลองและงานวิจัยเชิงทดลอง' ได้ใช้ภาษาโปรแกรม BASIC เพื่อสำรวจวิธีการปรับปรุงลักษณะการเคลื่อนที่แบบพลวัตของวาล์ว โดยสรุปว่า เมื่อค่าการเปิดแบบไม่มีการทับซ้อน (zero-overlap opening) เพิ่มขึ้น ความดันในห้องด้านหลังจะลดลงอย่างรวดเร็ว งานกระแทกจะเพิ่มขึ้น ความถี่การกระแทกจะลดลงเล็กน้อย และประสิทธิภาพของอุปกรณ์กระแทกจะดีขึ้น; อย่างไรก็ตาม หากค่าการเปิดแบบไม่มีการทับซ้อนนี้ใหญ่เกินไป ความยาวส่วนที่ทำหน้าที่ปิดผนึกที่ไหล่ของวาล์วจะลดลง ส่งผลให้การปฏิบัติงานของวาล์วไม่เชื่อถือได้

(3) การวิจัยเกี่ยวกับแอคคิวมูเลเตอร์

แอคคิวมูเลเตอร์เป็นส่วนประกอบที่สำคัญของเครื่องทุบหินไฮดรอลิก และโครงสร้างของมันส่งผลโดยตรงต่อประสิทธิภาพโดยรวมของเครื่องทุบหินไฮดรอลิก ดังนั้น ในการวิจัยเกี่ยวกับประสิทธิภาพของเครื่องทุบหินไฮดรอลิก จึงมีการดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับแอคคิวมูเลเตอร์ควบคู่ไปด้วย ในปี ค.ศ. 1990 นักวิชาการชาวญี่ปุ่น ได้แก่ ทาคาอุจิ โยชิโอะ (Takauchi Yoshio) และทานิมาตะ ชู (Tanimata Shu) เป็นต้น ได้ดำเนินการวิจัยเชิงทดลองและเชิงทฤษฎี และจากแบบจำลองเชิงวิเคราะห์ที่จัดทำขึ้น ได้ใช้สมการสถานะเพื่อหาสูตรคำนวณปริมาตรการบรรจุไนโตรเจนในแอคคิวมูเลเตอร์ พร้อมทั้งยืนยันความถูกต้องของสูตรดังกล่าวผ่านการทดลอง ซึ่งให้พื้นฐานเชิงทฤษฎีสำหรับการออกแบบแอคคิวมูเลเตอร์ที่เหมาะสมที่สุด ในปี ค.ศ. 1986 ต้วน เสี่ยวหง (Duan Xiaohong) จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีปักกิ่ง ได้ใช้วิธีพารามิเตอร์แบบรวม (lumped parameter method) จัดทำแบบจำลองพลศาสตร์ของแอคคิวมูเลเตอร์แบบเมมเบรนแรงดันสูง และใช้ทั้งวิธีการทดลองและวิธีการคำนวณเพื่อวิเคราะห์ลักษณะความถี่ของระบบแอคคิวมูเลเตอร์ รวมทั้งอภิปรายเกี่ยวกับการจับคู่ที่เหมาะสมระหว่างแอคคิวมูเลเตอร์กับเครื่องทุบหินไฮดรอลิก โดยชี้ว่าเขตการทำงานที่เหมาะสมของอุปกรณ์กระทบ คือบริเวณที่การตอบสนองฮาร์โมนิกที่สองของแอคคิวมูเลเตอร์ต่อการเปลี่ยนแปลงความดันของระบบมีบทบาทหลักต่อพลังงาน ในปี ค.ศ. 1986 อาจารย์เหอ ชิงฮัว (He Qinghua) จากมหาวิทยาลัยเซ็นทรัลเซาท์ ได้ตีพิมพ์บทความเรื่อง 'น้ำมันไฮดรอลิกที่ไหลกลับและแอคคิวมูเลเตอร์สำหรับน้ำมันที่ไหลกลับของกลไกกระทบไฮดรอลิก' ซึ่งชี้ว่า ความดันไฮดรอลิกในการทำงานของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกขึ้นอยู่กับแรงเฉื่อยของชิ้นส่วนที่เคลื่อนที่ภายในตัวมันเองเป็นหลัก นี่เป็นลักษณะสำคัญประการหนึ่งที่ทำให้เครื่องทุบหินไฮดรอลิกแตกต่างจากเครื่องจักรไฮดรอลิกทั่วไป ซึ่งความดันไฮดรอลิกในการทำงานขึ้นอยู่กับโหลดภายนอกเป็นหลัก ส่วนความดันย้อนกลับ (back-pressure) นั้นเกิดจากความดันไฮดรอลิกเชิงเฉื่อยที่เกิดขึ้นเมื่อน้ำมันเร่งตัวขณะที่ลูกสูบหรือวาล์วปล่อยน้ำมันเข้าสู่ท่อระบายน้ำมันย้อนกลับ และยังชี้ว่า เนื่องจากรูปแบบการไหลของอุปกรณ์กระทบไม่สอดคล้องกับรูปแบบการเปลี่ยนแปลงของการไหลของน้ำมันในท่อระบายน้ำมันย้อนกลับ ดังนั้น เมื่อการไหลเข้าสู่ท่อระบายน้ำมันย้อนกลับมีค่าน้อยกว่าการไหลของน้ำมันที่เคลื่อนที่อยู่ในท่อระบายน้ำมันย้อนกลับ จะเกิดปรากฏการณ์การกัดเซาะ (cavitation) ขึ้น เพื่อลดความดันย้อนกลับเชิงเฉื่อยและกำจัดการกัดเซาะที่เกิดจากการไหลย้อนกลับ จึงเสนอให้ติดตั้งแอคคิวมูเลเตอร์สำหรับน้ำมันที่ไหลกลับในเครื่องทุบหินไฮดรอลิก และจากแนวคิดดังกล่าว จึงได้เสนอวิธีการออกแบบพารามิเตอร์ของแอคคิวมูเลเตอร์สำหรับน้ำมันที่ไหลกลับ ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา มหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีปักกิ่งได้ดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับลักษณะการจับคู่แบบพลศาสตร์ของแอคคิวมูเลเตอร์ในเครื่องทุบหินไฮดรอลิก จัดทำซอฟต์แวร์จำลอง HRDP ขึ้น และได้บรรลุผลสำเร็จในการคำนวณตรวจสอบเพื่อประเมินลักษณะการจับคู่แบบพลศาสตร์ที่เหมาะสมที่สุดของแอคคิวมูเลเตอร์

(4) การวิจัยอุปกรณ์ป้องกันการยิงแบบเปล่าและตัวดูดซับพลังงานจากการกระดอนของสิ่ว

เนื่องจากปรากฏการณ์การกระดอนของหัวสกัด (chisel rebound) และการยิงเปล่า (blank-firing) ซึ่งเกิดขึ้นอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ระหว่างการใช้งานเครื่องทุบหินไฮดรอลิก ประสิทธิภาพในการทำงานของอุปกรณ์ดูดซับพลังงานจากการกระดอนของหัวสกัดและอุปกรณ์ป้องกันการยิงเปล่าจึงมีผลอย่างมากต่ออายุการใช้งานของเครื่องทุบหินไฮดรอลิก ศาสตราจารย์เหมิง สุ่ยหมิน ในบทความเรื่อง 'การวิเคราะห์ความเร็วในการกระดอนของลูกสูบเครื่องเจาะหิน' ได้วิเคราะห์ปัจจัยที่ก่อให้เกิดการกระดอนที่ปลายหัวสกัดอย่างเป็นระบบ และสำรวจวิธีการดูดซับพลังงานจากการกระดอนของหัวสกัด หลิว เหยี่ยอเต๋อ จากมหาวิทยาลัยจงหนาน ได้เขียนบทความเรื่อง 'การวิจัยเชิงทฤษฎีและการทดลองเกี่ยวกับอุปกรณ์รองรับการยิงเปล่าของเครื่องเจาะหินไฮดรอลิก' โดยสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของกระบวนการรองรับการยิงเปล่า และดำเนินการวิจัยโดยการจำลองสถานการณ์ ดร. เหลียว เจี้ยนหย่ง ในบทความเรื่อง 'ทฤษฎีการออกแบบและการออกแบบด้วยคอมพิวเตอร์สำหรับเครื่องเจาะหินไฮดรอลิกแบบหลายขั้นตอน' ได้ดำเนินการจำลองสถานการณ์ด้วยคอมพิวเตอร์และออกแบบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของอุปกรณ์ดูดซับพลังงานจากการกระดอนของหัวสกัดและอุปกรณ์ป้องกันการยิงเปล่า หลิว เต๋อซุน จากมหาวิทยาลัยจงหนาน ได้กล่าวไว้ในวิทยานิพจน์ระดับปริญญาเอกของเขาเรื่อง 'การวิจัยพลศาสตร์คลื่นของกลไกกระทบ' ว่า ได้นำทฤษฎีพลศาสตร์คลื่นมาประยุกต์ใช้ อนุมานสูตรคำนวณความเร็วในการกระดอนของแต่ละส่วนภายในอุปกรณ์กระทบ และชี้ให้เห็นว่า พลังงานจากการกระดอนสามารถนำมาใช้ประโยชน์ได้ผ่านการออกแบบแต่ละส่วนของอุปกรณ์กระทบอย่างเหมาะสม สถาบันวิจัยเครื่องจักรกลวิศวกรรมไฮดรอลิกแห่งมหาวิทยาลัยจงหนาน ได้พัฒนาอุปกรณ์รองรับการยิงเปล่าแบบสองขั้นตอน ซึ่งใช้ศักยภาพของอุปกรณ์ดูดซับพลังงานจากการกระดอนของหัวสกัดได้อย่างเต็มที่ — นับเป็นผลงานวิจัยเชิงสร้างสรรค์

1.5.4 การวิจัยด้านเทคโนโลยีการปรับความถี่ การปรับพลังงาน และการควบคุมสำหรับเครื่องทุบหินไฮดรอลิก

ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีเครื่องทุบหินไฮดรอลิก ความต้องการใหม่ๆ ในการก่อสร้างภาคสนามได้เกิดขึ้นสำหรับเครื่องทุบหินไฮดรอลิก เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตให้สูงขึ้นอย่างมีประสิทธิผล จึงจำเป็นต้องสามารถปรับพลังงานกระแทกและความถี่กระแทกของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกได้ตามลักษณะของหินที่เปลี่ยนแปลงไป กล่าวคือ ภายใต้เงื่อนไขที่ใช้กำลังติดตั้งสูงสุดของเครื่องต้นแบบ (carrier machine) ให้เกิดประโยชน์สูงสุด เมื่อหินมีความแข็งมากขึ้น เครื่องทุบหินไฮดรอลิกจะส่งออกพลังงานกระแทกที่สูงขึ้นและมีความถี่กระแทกต่ำลง ในทางกลับกัน เมื่อหินมีความแข็งน้อยลง จะส่งออกพลังงานกระแทกที่ต่ำลงและมีความถี่กระแทกสูงขึ้น ซึ่งจะทำให้บรรลุประสิทธิภาพการผลิตที่สูงขึ้น ทั้งนี้ เพื่อให้บรรลุวัตถุประสงค์ข้างต้น จึงมีการดำเนินการวิจัยอย่างกว้างขวางทั้งในประเทศและต่างประเทศ

จากงานวิจัยเชิงทฤษฎีเกี่ยวกับเครื่องทุบหินไฮดรอลิก ผลลัพธ์ของมัน (พลังงานกระแทกและความถี่ของการกระแทก) สามารถปรับได้เป็นหลักด้วยสามวิธี คือ ① การปรับอัตราการไหลของของเหลว; ② การปรับระยะช่วงการเคลื่อนที่ (stroke); และ ③ การปรับความดันย้อนกลับ (feedback pressure) ปัจจุบัน เครื่องทุบหินไฮดรอลิกส่วนใหญ่ทั้งในและต่างประเทศมีระยะช่วงการเคลื่อนที่ (stroke) คงที่เพียงแบบเดียวเท่านั้น กล่าวคือ ผลลัพธ์ของมันไม่สามารถปรับเปลี่ยนได้ แน่นอนว่า หากเครื่องทุบหินไฮดรอลิกประเภทนี้ใช้วิธีการปรับอัตราการไหลเพื่อปรับผลลัพธ์ แม้จะเป็นไปได้ตามหลักทฤษฎี แต่ในทางปฏิบัติแล้วไม่สามารถทำได้จริง เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงอัตราการไหลจะส่งผลให้พารามิเตอร์ผลลัพธ์ทั้งหมดเปลี่ยนแปลงไปพร้อมกัน จึงไม่สามารถปรับพารามิเตอร์ใดพารามิเตอร์หนึ่งได้อย่างอิสระ

แม้ว่าผู้ผลิตบางรายทั้งในและต่างประเทศจะได้ออกแบบและผลิตเครื่องทุบหินไฮดรอลิกที่สามารถปรับความยาวจังหวะได้ แต่เนื่องจากเป็นการปรับแบบขั้นบันไดที่มีโครงสร้างแข็งแรงมาก ทำให้ใช้งานไม่สะดวกและให้ผลลัพธ์ที่ไม่ดี จึงไม่เป็นที่นิยม among ผู้ใช้งาน สำหรับระบบกระจายสัญญาณกลับของจังหวะ (stroke feedback distribution) พารามิเตอร์การทำงานขาออกจะถูกปรับโดยหลักผ่านการเปลี่ยนอัตราการไหลเข้าสู่ระบบ หรือการเพิ่มรูสัญญาณกลับหลายรูสำหรับจังหวะย้อนกลับ และควบคุมการเปิด-ปิดของแต่ละรูสัญญาณเพื่อปรับความยาวจังหวะของลูกสูบ ซึ่งส่งผลให้พลังงานกระแทกและความถี่กระแทกของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกเปลี่ยนแปลงไป ตัวอย่างเช่น เครื่องเจาะหินไฮดรอลิกสามความเร็วของบริษัท Atlas-Copco ที่ผลิตในประเทศสวีเดน ซีรีส์ YYG ของมหาวิทยาลัยเซ็นทรัลเซาท์ ซึ่งเป็นเครื่องทุบหินไฮดรอลิกที่เปลี่ยนเกียร์อัตโนมัติ — ด้วยข้อจำกัดของโครงสร้าง หลักการนี้จึงสามารถปรับพารามิเตอร์การทำงานของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกได้เฉพาะแบบขั้นบันไดเท่านั้น และเนื่องจากความดันและอัตราการไหลของระบบกระแทกมีความสัมพันธ์แบบยกกำลังสองต่อกัน การเพิ่มพลังงานกระแทกและความถี่กระแทกพร้อมกันจะทำให้กำลังของเครื่องต้นทาง (carrier machine) เปลี่ยนแปลงอย่างมาก ส่งผลให้ขอบเขตการใช้งานและประสิทธิภาพการทำงานของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกถูกจำกัด ศาสตราจารย์ทาคาชิ ทาคาฮาชิ แห่งมหาวิทยาลัยอาคิตะ ประเทศญี่ปุ่น ได้อธิบายไว้ในบทความวิชาการว่า การปรับตำแหน่งของพอร์ตสัญญาณกลับจังหวะ (return stroke signal port) สามารถใช้บรรลุวัตถุประสงค์ในการเปลี่ยนความยาวจังหวะของลูกสูบเครื่องทุบหินไฮดรอลิกได้ การทดลองยืนยันว่า เมื่อความยาวจังหวะของลูกสูบเพิ่มขึ้น 10% แม้ความถี่กระแทกจะลดลง 8% แต่พลังงานกระแทกสามารถเพิ่มขึ้นได้ถึง 12% ซึ่งส่งผลให้ประสิทธิภาพการทำงานดีขึ้น และให้หลักฐานเชิงทฤษฎีและเชิงทดลองที่สำคัญสำหรับการออกแบบเครื่องทุบหินไฮดรอลิกที่สามารถปรับความยาวจังหวะได้ อาจารย์เหอ ชิงฮัว แห่งมหาวิทยาลัยเซ็นทรัลเซาท์ ในงานวิจัยเรื่อง 'การวิจัยเครื่องกระแทกไฮดรอลิกที่สามารถปรับความยาวจังหวะได้' ได้เปรียบเทียบวิธีการเปลี่ยนเกียร์หลายแบบ และวิเคราะห์เชิงทฤษฎีความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์การทำงานต่าง ๆ ของอุปกรณ์กระแทกไฮดรอลิกที่สามารถปรับความยาวจังหวะได้กับระยะจังหวะของการเปลี่ยนเกียร์ ซึ่งผลการวิจัยมีความสำคัญอย่างชัดเจนต่อการออกแบบและการใช้งานเครื่องทุบหินไฮดรอลิกที่เปลี่ยนเกียร์ได้ หนังสือเล่มนี้เสนอแนวคิดในการปรับพารามิเตอร์การทำงานอย่างอิสระและแบบไม่เป็นขั้นตอน (stepless) โดยอาศัยหลักการตอบสนองจากความดัน (pressure feedback principle) และได้เปิดตัวผลิตภัณฑ์เครื่องทุบหินไฮดรอลิกรุ่นใหม่นี้ขึ้นจริง โดยหลักการนี้ปรับพลังงานกระแทกต่อครั้งของอุปกรณ์กระแทกผ่านการควบคุมขนาดของความดันย้อนกลับของลูกสูบ และควบคุมอัตราการไหลของปั๊มแปรผันเพื่อปรับความถี่ของอุปกรณ์กระแทกแบบไม่เป็นขั้นตอนพร้อมกัน ทำให้ทั้งพลังงานกระแทกและความถี่กระแทกสามารถปรับได้อย่างอิสระและแบบไม่เป็นขั้นตอนภายในช่วงกว้างค่อนข้างมาก ในขณะที่การเปลี่ยนแปลงกำลังของเครื่องต้นทางมีค่าน้อยมาก สำหรับงานวิจัยเชิงทฤษฎี การออกแบบโครงสร้าง และวิธีการควบคุมสำหรับเครื่องกระแทกไฮดรอลิกชนิดใหม่นี้ ผู้เขียนได้ดำเนินการวิจัยเกี่ยวกับอุปกรณ์กระแทกไฮดรอลิกที่สามารถปรับพลังงานกระแทกและความถี่กระแทกได้อย่างอิสระและแบบไม่เป็นขั้นตอน ดร. เจ้า หงเฉียง ได้กล่าวไว้ในวิทยานิพจน์ระดับดุษฎีบัณฑิตเรื่อง 'การวิจัยเครื่องบดหินไฮดรอลิกแบบใหม่ที่มีการควบคุมการปรับแบบอิสระและไม่เป็นขั้นตอน' ว่า ได้ก้าวข้ามวิธีการควบคุมแบบตอบสนองจากจังหวะ (stroke feedback control method) แบบดั้งเดิมของเครื่องทุบหินไฮดรอลิก และใช้วิธีการควบคุมผ่านการตอบสนองจากความดัน (pressure feedback) ร่วมกับการควบคุมอัตราการไหลของปั๊มแปรผัน จึงสามารถบรรลุการควบคุมการปรับพลังงานกระแทกและความถี่กระแทกของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกแบบอิสระและไม่เป็นขั้นตอนได้ ติง เหวินซื่อ ได้ดำเนินงานวิจัยอย่างกว้างขวางในวิทยานิพจน์ระดับดุษฎีบัณฑิตของเขาเกี่ยวกับเครื่องบดแบบกระจายบังคับ (forced distribution-type crushers) ที่ควบคุมด้วยวาล์วสลับความเร็วสูง โดยใช้ความดันไนโตรเจนที่ปลายด้านท้ายของเครื่องบดเป็นตัวแปรควบคุม ซึ่งสามารถบรรลุการปรับความถี่และพลังงานของเครื่องบดแบบอิสระได้ จาง ซิน ได้กล่าวไว้ในงานวิจัยเรื่อง 'การวิจัยระบบอุปกรณ์กระแทกไฮดรอลิกแบบใหม่ที่ใช้หลักการตอบสนองจากความดันร่วมกับการผสานรวมระหว่างเครื่องจักรและอิเล็กทรอนิกส์' ว่า ได้ใช้ไมโครคอนโทรลเลอร์แบบชิปเดียวควบคุมวาล์วสลับความเร็วสูง เพื่อให้สามารถควบคุมอุปกรณ์กระแทกผ่านคอมพิวเตอร์จิ๋วได้ หยาง กั่วผิง ได้กล่าวไว้ในวิทยานิพจน์ระดับดุษฎีบัณฑิตเรื่อง 'การวิจัยอุปกรณ์กระแทกไฮดรอลิกแบบบริสุทธิ์ที่สามารถปรับความถี่และพลังงานแบบอิสระและไม่เป็นขั้นตอน' ว่า ได้เสนออุปกรณ์กระแทกอัจฉริยะที่ใช้ระบบควบคุมไฮดรอลิกแบบบริสุทธิ์ ซึ่งสามารถปรับพลังงานกระแทกและความถี่กระแทกของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกแบบไม่เป็นขั้นตอนได้ผ่านการควบคุมด้วยวาล์วกระจายแบบปิโลต์ (pilot-type distribution valve handle)

1.5.5 สถานะปัจจุบันของการวิจัยเทคโนโลยีการจำลองเครื่องทุบหินไฮดรอลิก

จากมุมมองของการออกแบบและพัฒนาผลิตภัณฑ์ การวิจัยลักษณะเชิงพลศาสตร์ของกลไกนั้นเหมาะสมที่สุดเมื่อดำเนินการในช่วงขั้นตอนการออกแบบและพัฒนาผลิตภัณฑ์ การจำลองการตอบสนองเชิงพลศาสตร์ของระบบควบคุมไฮดรอลิกเป็นเรื่องที่อุตสาหกรรมไฮดรอลิกศึกษาอย่างต่อเนื่องมาโดยตลอด และยังเป็นวิธีการที่ใช้กันทั่วไปในการศึกษาลักษณะการตอบสนองเชิงพลศาสตร์ของระบบควบคุม

วิธีการทำงานพิเศษของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกกำหนดให้การวิเคราะห์และการทดสอบการจำลองแบบเชิงพลศาสตร์ต้องทำหน้าที่เป็นข้อสมมุติฐานพื้นฐานสำหรับการออกแบบและพัฒนาเชิงทฤษฎีของกลไก หลังจากคอมพิวเตอร์ปรากฏขึ้น อุปสรรคในการพึ่งพาเฉพาะการทดสอบผลิตภัณฑ์เพื่อให้ได้ผลลัพธ์ที่แม่นยำหรือเชื่อถือได้เกี่ยวกับสมรรถนะการเคลื่อนที่ของกลไกก็ถูกขจัดออกไป นักวิจัยเริ่มใช้วิธีการต่าง ๆ เพื่อสร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ที่อธิบายการสั่นสะเทือนและแรงกระแทกของเครื่องไฮดรอลิก วิเคราะห์กระบวนการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกผ่านเทคโนโลยีการจำลอง และใช้เทคโนโลยีต้นแบบเสมือน (Virtual Prototype Technology) เพื่อจำลองกระบวนการเคลื่อนที่ของเครื่องที่สร้างแรงกระแทก หลังจากที่ผลการออกแบบถูกกำหนดแล้ว สามารถเข้าใจการเคลื่อนที่ของกลไกได้อย่างชัดเจน และคำนวณพารามิเตอร์สมรรถนะที่เกี่ยวข้องได้ ซึ่งเปิดเส้นทางที่ดีในการลดระยะเวลาการพัฒนาผลิตภัณฑ์ใหม่ ปรับปรุงการออกแบบ และดำเนินการวิเคราะห์สมรรถนะเชิงพลศาสตร์

ในช่วงทศวรรษ 1960 และ 1970 นักวิชาการต่างประเทศเริ่มนำคอมพิวเตอร์ดิจิทัลมาใช้ในการจำลองการทำงานของเครื่องมือชน (impact machine) งานเหล่านี้ใช้ความดันในห้องด้านหน้าและด้านหลังเป็นตัวแปร คำนวณอัตราการไหลเข้าและไหลออกของของไหลจากแต่ละพอร์ต โดยปรับค่าด้วยสัมประสิทธิ์การไหล จากนั้นจึงนำสมการสถานะของก๊าซและสมการดุลพลังงานมาประยุกต์ใช้ เพื่อกำหนดสมการเชิงอนุพันธ์แบบไมโคร (micro-differential equations) ที่อธิบายการเปลี่ยนแปลงสถานะของแอคคิวมูเลเตอร์และลูกสูบ หลังจากดำเนินการประมาณค่าบางประการเกี่ยวกับการเคลื่อนที่ของวาล์วแล้ว จึงใช้วิธีผลต่างจำกัด (finite difference methods) ในการหาคำตอบเชิงตัวเลข ผลลัพธ์จากการจำลอง โดยเฉพาะพารามิเตอร์สมรรถนะ ใกล้เคียงกับค่าที่วัดได้มาก จึงได้ผลลัพธ์ที่น่าพอใจ ในญี่ปุ่น นักวิจัยให้ความสำคัญมากขึ้นกับการสร้างแบบจำลองคอมพิวเตอร์สำหรับเครื่องทุบหินไฮดรอลิก (hydraulic rock breaker) แบบเฉพาะเจาะจงเพื่อการวิจัย และนำพารามิเตอร์ที่ได้จากการทดลองมาใส่ลงในแบบจำลองการจำลองเพื่อดำเนินการปรับแต่งพารามิเตอร์โครงสร้าง พารามิเตอร์การกระแทก และสมรรถนะของเครื่องทุบหินไฮดรอลิก จนได้พื้นที่พอร์ตปล่อยน้ำมันกลับที่เหมาะสมที่สุด ปริมาตรการบรรจุก๊าซในแอคคิวมูเลเตอร์ที่เหมาะสมที่สุด และพื้นที่รับแรงดันของห้องด้านหลังที่เหมาะสมที่สุดสำหรับเครื่องทุบหินไฮดรอลิกที่เกี่ยวข้อง ขณะดำเนินการจำลอง นักวิจัยญี่ปุ่นให้ความสนใจเปรียบเทียบผลลัพธ์จากการจำลองกับผลลัพธ์จากการทดสอบจริงมากขึ้น และปรับแก้แบบจำลองคอมพิวเตอร์ตามข้อมูลจากการทดสอบ บริษัท Sandvik หลังจากพิจารณาผลกระทบของรูปร่างลูกสูบชนต่อวิธีการถ่ายโอนพลังงาน ยังได้ออกแบบและพัฒนาโปรแกรมจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ในสาขานี้ด้วย โดยใช้โปรแกรมนี้: ① สามารถจำลองกระบวนการถ่ายโอนพลังงานของแต่ละส่วนที่เกี่ยวข้องกับการกระแทกได้; ② สามารถจำลองการออกแบบที่แตกต่างกันของแต่ละองค์ประกอบระบบได้; ③ ภายใต้เงื่อนไขของวัตถุที่ถูกกระแทกที่แตกต่างกัน สามารถจำลองผลกระทบของการออกแบบต่าง ๆ ต่อการถ่ายโอนพลังงานได้ โปรแกรมคอมพิวเตอร์ของ Sandvik ไม่เพียงแต่รับประกันการผลิตผลิตภัณฑ์ที่ดีที่สุดเท่านั้น แต่ยังสามารถวัดและทำความเข้าใจความสามารถของพารามิเตอร์ทั้งหมดที่มีผลต่อระบบการกระแทก รวมทั้งผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์บางตัวต่อประสิทธิภาพ และยังนำเสนอเครื่องมือคำนวณที่มีประโยชน์และมีประสิทธิภาพนี้ให้ผู้ใช้งานอีกด้วย

หลังจากช่วงทศวรรษ 1980 การวิจัยภายในประเทศเกี่ยวกับเทคโนโลยีการจำลองและแอปพลิเคชันก็เริ่มต้นขึ้นเช่นกัน นักวิชาการชาวจีน เช่น เถียน ซู่จุน และเฉิน หยู่ฝาน รวมถึงผู้อื่น ได้สร้างแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ขึ้นโดยใช้วิธีการของตนเองอย่างตามลำดับ เถียน ซู่จุน และคณะ ได้นำ "Power Bond Graph" — ซึ่งเป็นเทคโนโลยีการสร้างแบบจำลองแบบไดนามิกขั้นสูง — มาประยุกต์ใช้ร่วมกับวิธีการวิเคราะห์ในพื้นที่สถานะ (state-space analysis) โดยมุ่งเน้นการวิจัยซอฟต์แวร์การจำลองแบบไดนามิกสำหรับเครื่องทุบหินไฮดรอลิกที่ควบคุมด้วยวาล์วเลื่อน งานวิจัยนี้ได้สำรวจการสร้างแบบจำลองและการเขียนโปรแกรมการจำลองแบบไดนามิกสำหรับเครื่องทุบหินไฮดรอลิก ซึ่งให้วิธีการและแนวทางหนึ่งแก่นักพัฒนาโปรแกรมการจำลองรุ่นต่อๆ ไปจำนวนมาก เช่น ศาสตราจารย์โจว จื้อหง จากมหาวิทยาลัยวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีปักกิ่ง ซึ่งได้ให้คำแนะนำแก่นักศึกษา หยัน หย่ง และคณะ ในการใช้ Power Bond Graph เพื่อกำหนดสมการไดนามิกสำหรับลูกสูบเครื่องทุบหินไฮดรอลิกหลายชนิด วาล์วเปลี่ยนทิศทาง และสมการการไหลไฮดรอลิกแต่ละสมการ รวมทั้งสมการสถานะของก๊าซ จากนั้นจึงเขียนโปรแกรมการจำลองในภาษาคอมพิวเตอร์เพื่อวิเคราะห์กระบวนการเปลี่ยนแปลงสถานะหลักต่างๆ ของเครื่องทุบหินไฮดรอลิก เช่น ความดันในห้องด้านหน้าและด้านหลัง อัตราการไหล การกระจัดและอัตราเร็วของลูกสูบ ซึ่งทำหน้าที่เป็นแพลตฟอร์มหนึ่งสำหรับการวิจัยเพิ่มเติมเกี่ยวกับผลกระทบของการเปลี่ยนแปลงพารามิเตอร์ของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกต่อประสิทธิภาพการทำงานของมัน ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของคอมพิวเตอร์และเทคโนโลยีซอฟต์แวร์ ซอฟต์แวร์ Matlab และ AMEsim จึงถูกนำมาประยุกต์ใช้ในการสร้างแบบจำลองและจำลองระบบเครื่องทุบหินไฮดรอลิก ซึ่งให้การสนับสนุนเชิงทฤษฎีในการลดระยะเวลาการวิจัยและพัฒนา และยกระดับคุณภาพการออกแบบรุ่นใหม่

1.5.6 วิธีการวิจัยเชิงทดลอง

การทดลองเป็นวิธีพื้นฐานที่มนุษย์ใช้ในการรับรู้ธรรมชาติและเปลี่ยนแปลงโลกภายนอก — โดยสรุปและทำให้เป็นแนวคิดนามธรรมจากปรากฏการณ์ที่สังเกตเห็นและข้อมูลที่วัดได้ผ่านการทดลอง ค้นหาความเชื่อมโยงภายในและรูปแบบต่าง ๆ แล้วจึงก่อรูปเป็นทฤษฎี การทดลองคือแหล่งกำเนิดของทฤษฎี และการทดลองก็คือผู้ตัดสินเพียงหนึ่งเดียวในการตรวจสอบความถูกต้องของทฤษฎี

พารามิเตอร์ประสิทธิภาพการกระแทกของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกเป็นตัวชี้วัดสำคัญในการประเมินระดับการออกแบบ การผลิต และคุณภาพของอุปกรณ์ ซึ่งพารามิเตอร์หลักทั้งหมดสามารถวัดได้ผ่านวิธีการทดลอง และแสดงผลลัพธ์ในรูปแบบของข้อมูล โค้งกราฟ หรือแผนภูมิ การตรวจสอบประสิทธิภาพนั้นมุ่งเน้นไปที่การวัดพลังงานการกระแทก ความถี่การกระแทก แรงดันระบบ และอัตราการไหล อย่างไรก็ตาม ปัจจุบันยังไม่มีมาตรฐานการทดลองสากลที่เป็นเอกภาพสำหรับวิธีการวัดพารามิเตอร์เหล่านี้ วิธีการทดสอบประสิทธิภาพการกระแทกของเครื่องทุบหินไฮดรอลิกที่ใช้กันโดยทั่วไปในปัจจุบัน ได้แก่ วิธีคลื่นความเค้น (stress wave method), วิธีวัดการเปลี่ยนแปลงการกระจัดด้วยโฟโตอิเล็กทริก (photoelectric displacement differential method), วิธีเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า (electromagnetic induction method), วิธีสัมผัส (contact method), การถ่ายภาพความเร็วสูง (high-speed photography), วิธีไดอะแกรมตัวบ่งชี้ (indicator diagram method) และวิธีวัดพลังงาน (energy method) เป็นต้น

วิธีการคลื่นความเครียดเป็นวิธีหนึ่งในการวัดพลังงานกระแทก โดยการวัดคลื่นความเครียดที่เกิดขึ้นบนหัวส่งแรง (chisel) เมื่อตัวลูกสูบกระแทกกระทบกับหัวส่งแรง วิธีโฟโตอิเล็กทริกใช้หลักการแปลงพลังงานแสงเป็นพลังงานไฟฟ้า ผ่านเซนเซอร์โฟโตอิเล็กทริก โดยใช้ตำแหน่งของตัวลูกสูบกระแทกเป็นค่าที่วัดโดยตรง เพื่อหาการกระจัดของการเคลื่อนที่ของลูกสูบ จากนั้นจึงคำนวณหาพารามิเตอร์ประสิทธิภาพต่าง ๆ ของอุปกรณ์กระแทกต่อไป วิธีโฟโตอิเล็กทริกซึ่งเป็นวิธีการทดสอบแบบไม่สัมผัส (non-contact testing method) จึงเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับเครื่องกระแทกประเภทต่าง ๆ เช่น เครื่องทุบหินไฮดรอลิก ที่มีระยะช่วงการเคลื่อนที่ของลูกสูบยาว เส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ และมีความเร็วสูง วิธีการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าใช้ระบบเซนเซอร์เหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งประกอบด้วยแท่งแม่เหล็กที่ติดตั้งอยู่บนตัวลูกสูบกระแทก และขดลวดแบบเกลียว (helical coil) ที่ติดตั้งอยู่บนตัวเรือน โดยอาศัยแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เหนี่ยวนำขึ้นในขดลวดเมื่อแท่งแม่เหล็กเคลื่อนที่กลับไปกลับมาพร้อมกับลูกสูบและตัดเส้นแรงแม่เหล็ก แล้วจึงหาความเร็วของการเคลื่อนที่ของลูกสูบจากความสัมพันธ์เชิงคาลิเบรชันระหว่างแรงเคลื่อนไฟฟ้ากับความเร็วในการกระแทก และนำค่าความเร็วนี้ไปคำนวณหาพลังงานกระแทกของลูกสูบต่อไป

วิธีการสัมผัสคือวิธีหนึ่งในการคำนวณพลังงานกระแทกโดยใช้ความเร็วสุดท้ายของลูกสูบเมื่อลูกสูบกระทบวัตถุที่ถูกกระแทก ในการทดสอบสมรรถนะของเครื่องทุบหิน วิธีข้างต้นทั้ง 4 วิธีนี้เป็นที่นิยมใช้ค่อนข้างมาก ส่วนวิธีอื่นๆ นั้นไม่ค่อยพบการใช้งานจริง เนื่องจากมีความซับซ้อนในการดำเนินการและมีต้นทุนสูง หรือไม่สามารถสะท้อนสถานะการเคลื่อนที่ของลูกสูบได้อย่างครบถ้วน

ต้องชี้ให้เห็นว่า วิธีการวัดคลื่นความเครียดข้างต้นนี้เหมาะสำหรับการทดสอบอุปกรณ์กระแทกที่มีพลังงานกระแทกค่อนข้างต่ำเท่านั้น เช่น เครื่องเจาะหินไฮดรอลิกและเครื่องมือลม ในขณะที่การทดสอบอุปกรณ์ที่มีพลังงานกระแทกสูง เช่น เครื่องทุบหินไฮดรอลิก จะมีความยากลำบากมากกว่า ความสามารถในการทดสอบของหน่วยวิจัยเฉพาะทางที่ศึกษาเรื่องคลื่นความเครียดนั้นมักมีขีดจำกัดไม่มากนัก จึงไม่สามารถรองรับการทดสอบเครื่องทุบหินไฮดรอลิกขนาดใหญ่ได้ นอกจากนี้ เสียงรบกวนและแรงสั่นสะเทือนที่เกิดขึ้นจากการทดสอบในอาคารยังไม่อยู่ในเกณฑ์ที่ยอมรับได้อีกด้วย ส่วนวิธีการสัมผัสแม้จะติดตั้งได้ง่าย แต่ผลลัพธ์ที่ได้ไม่เพียงพอต่อความแม่นยำ และจึงไม่สามารถนำไปใช้แพร่หลายได้ ขณะที่วิธีการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าสำหรับการทดสอบเครื่องทุบหินไฮดรอลิกนั้นถือว่าครอบคลุมทุกด้าน: สามารถใช้ได้ทั้งกับเครื่องเจาะหินไฮดรอลิกที่มีพลังงานกระแทกต่ำและเครื่องทุบหินไฮดรอลิกขนาดใหญ่ที่มีพลังงานกระแทกสูงมาก; วัดความเร็วของการเคลื่อนที่ของลูกสูบโดยตรง ทำให้สามารถคำนวณหาการกระจัดและความเร่งของลูกสูบได้ ซึ่งมีประโยชน์อย่างยิ่งต่อนักวิจัยที่ศึกษารูปแบบการเคลื่อนที่ของลูกสูบ ข้อเสียเพียงประการเดียวคือ แท่งแม่เหล็กมีแนวโน้มเสียหายได้ง่ายภายใต้การสั่นสะเทือนของลูกสูบที่มีความถี่สูง

ดร.ติง เหวินซี จากมหาวิทยาลัยจงหนาน ได้เสนอวิธีการใหม่ในการทดสอบพารามิเตอร์ผลลัพธ์ของอุปกรณ์กระแทก — คือ วิธีวัดความดันก๊าซ ซึ่งปรากฏในวิทยานิพจน์ระดับปริญญาเอกเรื่อง 'การวิจัยระบบบดหินไฮดรอลิกแบบบูรณาการระหว่างเครื่องจักรและไฟฟ้าที่ใช้ไนโตรเจนระเบิดพร้อมระบบตอบสนองความดันแบบใหม่' วิธีนี้ใช้เซ็นเซอร์วัดความดันตรวจจับการเปลี่ยนแปลงของความดันภายในห้องบรรจุไนโตรเจนที่ปิดผนึกซึ่งติดตั้งอยู่บริเวณปลายส่วนท้ายของลูกสูบขณะที่ลูกสูบเคลื่อนที่ จากนั้นใช้คอมพิวเตอร์คำนวณระยะการเคลื่อนที่ (stroke) และความเร็วของการเคลื่อนที่ของลูกสูบ เพื่อให้ได้พารามิเตอร์ผลลัพธ์ที่สำคัญสองประการของอุปกรณ์กระแทก ได้แก่ พลังงานกระแทก (impact energy) และความถี่การกระแทก (impact frequency) เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการทดสอบแบบดั้งเดิม วิธีวัดความดันก๊าซแบบไม่สัมผัส (non-contact gas pressure method) มีข้อดีหลายประการ ได้แก่ ทนต่อการสั่นสะเทือนได้ดีมาก ต้องเตรียมการล่วงหน้าน้อยมาก สามารถวัดพลังงานกระแทกและแรงกระแทกพร้อมกันได้ สะดวกต่อการสอบเทียบ ความคลาดเคลื่อนของพารามิเตอร์การกระแทกต่ำ และมีความแม่นยำสูง วิธีนี้ไม่เพียงแต่สามารถใช้เป็นวิธีการวัดและระบุคุณสมบัติผลิตภัณฑ์ในห้องปฏิบัติการเท่านั้น แต่ยังสามารถนำไปใช้ในการตรวจสอบแบบออนไลน์ (online testing) ได้อย่างสะดวกในสภาพการทำงานจริงอีกด้วย ปัจจุบันวิธีนี้ได้นำไปใช้แล้วในโครงการทดสอบไฮดรอลิกของบริษัทจิงเย่ และได้รับการบรรจุลงในมาตรฐานอุตสาหกรรมเรื่อง 'เครื่องบดหินไฮดรอลิก'

1.5.7 การวิจัยเกี่ยวกับการสั่นสะเทือน เสียงรบกวน และการควบคุม

นอกเหนือจากพลังงานการกระแทก ความถี่ของการกระแทก และมวลแล้ว ตัวชี้วัดสำหรับการวัดประสิทธิภาพของเครื่องกระแทกไฮดรอลิกยังรวมถึงระดับเสียง การสั่นสะเทือนของตัวเครื่อง และอัตราการใช้พลังงาน ซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการประเมินประสิทธิภาพโดยรวม ท่ามกลางการตระหนักถึงสิ่งแวดล้อมที่เพิ่มขึ้น ประเทศพัฒนาแล้วได้กำหนดข้อจำกัดที่เข้มงวดยิ่งขึ้นเกี่ยวกับระดับเสียงของอุปกรณ์ เพื่อปรับตัวให้สอดคล้องกับความต้องการของตลาด ระดับเสียงและการสั่นสะเทือนของเครื่องกระแทกไฮดรอลิก รวมทั้งการควบคุมฝุ่น จึงค่อยๆ กลายเป็นตัวชี้วัดสำคัญในการแข่งขันทางธุรกิจ โดยเทคโนโลยีการควบคุมเหล่านี้ได้กลายเป็นหัวข้อวิจัยที่สำคัญ นักวิจัยจากหลายประเทศดำเนินการศึกษาวิจัยจากมุมมองด้านโครงสร้างและวัสดุ ทั้งในเชิงโครงสร้าง เช่น การติดตั้งปลอกบุภายใน (liner sleeves) อุปกรณ์ลดเสียง (silencing devices) หรือการซ้อนแผ่นเหล็กที่มีคุณสมบัติลดการสั่นสะเทือน (vibration-damping steel plates) เพื่อควบคุมการสั่นสะเทือนและเสียง บริษัท Krupp ได้ติดตั้งวัสดุดูดซับเสียงไว้ในผลิตภัณฑ์ขนาดกลางและขนาดเล็กทั้งหมดของตน ส่วนบริษัท Rammer ได้ติดตั้งปั๊มน้ำแรงดันสูงและหัวฉีดน้ำแบบฝอย (atomising nozzles) บนผลิตภัณฑ์รุ่นใหม่เพื่อให้บรรลุผลการลดฝุ่น นอกจากนี้ ยังมีการนำเทคโนโลยีเซนเซอร์มาใช้เพื่อให้เครื่องสกัดหินไฮดรอลิกสามารถระบุตำแหน่งได้อย่างแม่นยำ ทำการเจาะรูอัตโนมัติ หยุดการทำงานของหัวสกัดและดึงหัวสกัดกลับ รวมทั้งปรับพลังงานการกระแทกและความถี่ของการกระแทกโดยอัตโนมัติตามวัตถุที่กำลังทำงาน