Pangkalahatang Batayan para sa mga Kalkulasyon sa Disenyo

2.3 Teoretikal na Batayan para sa mga Kalkulasyon sa Disenyo

2.3.1 Pagsusuri ng Galaw ng Piston

Ang disenyo ng hidraulikong rock breaker ay nangangahulugan ng pagkakalkula ng mga parameter ng istruktura na kailangang tumugon sa mga kinakailangang pagganap na nakasaad sa teknikal na tukoy sa disenyo. Sa ilalim ng mga parameter ng istruktura na ito, ang hidraulikong rock breaker ay makakamit ang kinakailangang enerhiya ng impact at dalas ng impact.

Dapat lubos na diinang ipinapalabas ng hidraulikong rock breaker ang enerhiya ng impact at dalas ng impact sa pamamagitan ng paggalaw pasulong at pabalik ng piston sa loob ng isang nakatakda o tiyak na stroke. S sa loob ng katawan ng silindro. Sa itinakdang stroke na ito, ang piston ay gumagalaw nang tuloy-tuloy: pagmabilis sa pagbalik na stroke → pagpapabagal sa pagbalik na stroke (pagbubrem) → ang bilis ng pagbalik na stroke ay bumababa hanggang sa zero → pagmabilis sa power stroke → umaabot sa punto ng impact sa maximum na bilis v _m → umaabot sa dulo ng chisel (nagpapalabas ng enerhiyang impact) → tumitigil, nagsisimula ang susunod na cycle. Ang itinakdang stroke na ito S ay tinatawag na piston stroke; ito ay mahalagang batayan sa pagtukoy ng mga dimensyon ng katawan ng silindro.

Ang piston ay gumagalaw pabalik at pasulong sa loob ng katawan ng silindro. Simula sa punto ng impact, ito ay tumutulak at lumalabilis sa pagbalik na stroke upang marating ang maximum na bilis ng pagbalik na stroke v _mo , pagkatapos ay nagsisimulang papabagal dahil sa pagbabago ng valve; ang bilis ay mabilis na bumababa mula sa v _mo hanggang sa zero — tumitigil ang piston sa itaas na dead center. Ang paggalaw na tinatahak ng piston ay tinatawag na return stroke. Sa puntong ito, dahil ang valve ay nananatili pa sa orihinal nitong estado, ang piston ay nagsisimulang pabilisin sa power stroke hanggang sa makabangga ito sa impact point. Kapag ang piston ay nakakontak sa dulo ng chisel, ang bilis nito ay umabot na sa pinakamataas — tinatawag itong maximum impact velocity ng piston v _m ang stroke na tinatahak ng piston mula sa itaas na dead center hanggang sa pagkabangga nito sa dulo ng chisel ay tinatawag na power stroke. Malinaw na dapat magkapareho ang haba ng return stroke at power stroke.

Upang mas malalim na pag-aralan ang teorya sa disenyo ng hydraulic rock breaker, kapaki-pakinabang muna na unawain ang bilis ng piston, ang iba’t ibang presyon sa loob ng mga chamber, at ang distribusyon at pagbabago ng daloy habang gumagana. Ang mga dahilan kung bakit at ang direksyon ng mga pagbabago sa mga working parameter ng hydraulic rock breaker habang gumagana ay ipinapakita sa Fig. 2-4.

p ₀ay ang pre-charge pressure ng nitrogen sa accumulator; Q ay ang daloy na ipinapadala sa hydraulic rock breaker ng pump; Q ₁ay ang daloy ng pagsipsip (+) at daloy ng paglabas (−) ng accumulator; Q ₂ay ang daloy ng pagsipsip (+) at daloy ng paglabas (−) ng unahan ng silindro ng piston, na may Q = Q ₁ + Q ₂. Q ₃ay ang daloy ng pagsipsip (+) at daloy ng paglabas (−) ng likurang silindro ng piston; p ay ang presyon ng sistema.

Fig. 2-4 ay nagpapakita ng piston sa simula ng balik na stroke. Ang daloy ng bomba Q ay pumapasok sa sistema; ang isang bahagi ( Q ₂) ay pumapasok sa unahan ng silindro ng piston at pinapagalaw ang kanyang balik na stroke, habang ang likurang silindro ay nagpapalabas ng langis patungo sa tangke ( Q ₃); ang iba pang bahagi ( Q ₁) ay pumapasok sa accumulator at pinipiga ang nitrogen, kaya ang presyon ng sistema p ay nagsisimula sa pre-charge pressure ng accumulator p ₀at nagpapataas nang patuloy habang Q ₁pumapasok. Ang paggalaw ng hydraulic rock breaker, batay sa estado ng paggana ng piston, ay maaaring pangkalahatan na hatiin sa tatlong yugto, na inilarawan sa sumusunod:

(1) Pagpapabilis ng balik-na-paggalaw ng piston

Ang piston ay nagsisimula ng balik-na-paggalaw mula sa punto ng impact. Habang ang bomba ay patuloy na nagpapadadaloy ng daloy, ang presyon ng sistema p ↑ → bilis ng piston v ↑ → Q ₂↑ → Q ₁↓ → Q ₃↑, at ang langis ay patuloy na inilalabas papunta sa tangke. Dahil ang bilis ng piston v ↑ → Q ₂↑ → Q ₁↓, hanggang sa Q ₁= 0. Ang katangian ng panahong ito ay v ↑ at p ↑. Kapag Q ₁= 0, lumilitaw ang isang turning point: ang presyon p ay hindi na tumataas, ngunit patuloy na tumataas ang bilis ng piston (dahil nananatili pa rin ang pwersang nagpapagalaw sa pagbalik ng piston). Pagkatapos ng turning point na ito, dahil sa v ↑, ang daloy ng bomba Q ay hindi na kayang tugunan ang kailangan sa daloy para sa galaw ng piston, i.e. Q ₂ > Q . Upang tugunan ang kailangan sa daloy ng unahan ng silindro ng piston, kailangan nang maglabas ng langis ang accumulator upang kompensahin ang kulang ng bomba. Batay sa prinsipyo ng balanseng daloy, Q ₂ = Q + Q ₁; sa puntong ito Q ₁ay ang daloy na lumalabas mula sa accumulator at pumapasok sa unahan ng silindro ng piston, hanggang sa v ↑ patungo sa v = v _mo , ang mga valve ay nagbabago, at ang piston ay pumasok sa yugto ng pagpapabagal ng balik na paggalaw.

(2) Pagpapabagal ng Balik na Galaw ng Piston

Sa panahon ng balik na galaw, dahil ang unahan ng balikat ng piston ay dumadaan na sa butas ng feedback, ang valve ay nagbabago at binabaligtad ang direksyon ng puwersa sa piston; ang nagpapagalaw na puwersa ay inilalapat sa piston sa kabaligtaran ng direksyon, at ang piston ay nagsisimulang mapabagal hanggang v = 0. Ang balik na galaw ay ngayon natapos na; ang piston ay nakarating na sa itaas na patay na sentro (top dead center) at tumakbo na ang buong galaw S , handa nang simulan ang kapangyarihan ng galaw.

(3) Kapangyarihan ng Galaw ng Piston

Kapag ang bilis ng piston ay bumaba sa v = 0, ang puwersa sa piston ay nababaligtad, kaya ang bilis ng piston v ay nababaligtad din, mula sa '+' papunta sa '−'. Ang piston ay nagsisimulang mabilis na gumalaw sa ilalim ng nababaligtad na puwersa sa panahon ng kapangyarihan ng galaw. Sa simula ng pagpabilis ng kapangyarihan ng galaw, ang bilis ng piston ay nagsisimula sa v = 0, kung saan nagsisimula ang pagkonsumo ng langis ng piston Q ₃= 0; ang buong daloy ng bomba Q ay pumapasok sa accumulator, Q ₁ = Q , Q ₂= 0. Habang tumataas ang bilis ng power-stroke v ↑ → Q ₃↑ → Q ₁↓ → Q ₂(−)↑. Dapat tandaan dito na dahil ang lawak ng harapang silid A ₂ay mas maliit kaysa sa lawak ng likurang silid A ₁, batay sa prinsipyo ng balanseng daloy, kailangang mayroon Q ₃ = Q ₂ + Q − Q ₁, kasama si v ↑ at Q ₁↓, hanggang sa Q ₁= 0. Ibig sabihin nito v ↑; sa puntong ito, ang buong daloy ng bomba Q ay ganap na ipinapasok sa likurang silid ng piston, i.e. Q ₃ = Q , Q ₁= 0, ngunit ang bilis ng piston v hindi pa nakakarating sa maximum na bilis v _m . Patuloy na tumataas ang bilis ng piston; ang daloy ng bomba Q ay hindi na kayang tugunan ang kailangan, kaya nagsisimula nang magdagdag ng daloy ang accumulator, i.e. Q ₃ = Q + Q ₁(−), hanggang sa maka-impact ang piston sa dulo ng chisel sa maximum na bilis v _m . Sa sandaling mag-impact, biglang nawawala ang bilis ng piston v = 0, at inilalabas ng piston ang enerhiyang impact W sa labas, kumpleto ang isang kumpletong siklo ng paggana.

Dahil nagbabago ang daloy ng intake/discharge ng accumulator, Q ₁nagbabago rin ang presyon ng sistema p ayon sa pagbabago. Kapag pinapuno ang accumulator, Q ₁= '+', presyon ng sistema p ↑; kapag ang accumulator ay nagpapalabas ng langis palabas, Q ₁= '−', presyon ng sistema p ↓. Sa ibang salita, ang proseso ng paggana ng isang hydraulic rock breaker ay laging kasama ang mga pagbabago sa presyon ng sistema. Kapag ang pinakamaraming langis ay na-charge na sa accumulator, ang presyon ng sistema ay nasa pinakamataas na antas. Kapag ang piston ay nakarating na sa punto ng impact, ang accumulator ay nagpalabas na ng pinakamaraming langis — ito ang sandali ng pinakamababang presyon ng sistema. Kaya naman, mula noong simulan ang hydraulic rock breaker hanggang sa umabot ito sa matatag na operasyon, ang presyon ng sistemang gumagana nito p ay palaging umauulit-ulit sa pagitan ng pinakamataas na presyon p _max at pinakamababang presyon p _min , at lubos na imposible para dito na manatili nang pare-pareho at walang pagbabago. Ang Fig. 2-5 ay nagpapakita ng pagbabago ng lahat ng mga parameter ng sistema habang gumagana ang hydraulic rock breaker.

Fig. 2-5 Pagkakaiba ng mga parameter ng sistema habang gumagana ang isang hydraulic rock breaker [Legenda: may guhit na pahalang = pagpapuno sa accumulator; may krus na guhit = pagbubuhos ng accumulator; puti = pagkonsumo ng langis ng piston]

Ang proseso ng paggana na inilarawan sa itaas ay nagpapakita na ang pagkakaiba ng mga parameter ng paggana ay lubhang kumplikado — ito ay isang nonlinear na sistema. Ito ay nagdudulot ng malaking hamon sa malalim na teoretikal na pagsusuri at pananaliksik. Sa katunayan, isa ito sa pangunahing dahilan kung bakit nananatiling naiuna ang pag-unlad ng produkto kaysa sa teoretikal na pananaliksik tungkol sa mga hydraulic rock breaker.

2.3.2 Kasalukuyang Kalagayan ng Teoretikal na Pananaliksik

Ang mga mananaliksik sa buong mundo ay karaniwang sumusunod sa dalawang magkaibang pamamaraang teknikal sa teoretikal na pananaliksik tungkol sa mga hydraulic impact device (mga hydraulic rock breaker): ang pananaliksik na batay sa linear system theory at ang pananaliksik na batay sa nonlinear system theory.

1) Ang pananaliksik na batay sa teorya ng linyar na sistema ay nagsusuposisyon na ang puwersa sa piston ay pare-pareho, ang bilis ng piston ay tumataas nang linyar sa isang pantay na rate, at ang ilang mga salik na nakaaapekto ay binabale-wala; isang linyar na modelong matematikal ang itinatayo sa batayan na ito para sa teoretikal na pananaliksik. Malinaw na simple ang paraan ng pananaliksik na ito at maaari nitong malutas ang ilang praktikal na problema, ngunit hindi ito lubos na tumpak at may malaking mga kamalian.

2) Ang pananaliksik na batay sa teorya ng di-linyar na sistema ay gumagamit ng mga di-linyar na diperensiyal na ekwasyon ng mataas na orden upang ilarawan ang mga modelo ng paggalaw ng hydraulic rock breaker, at mas tumpak na ilarawan ang kinematika at dinamika ng piston ng hydraulic rock breaker. Mas tumpak ang pananaliksik na di-linyar kaysa sa linyar, ngunit umaasa pa rin ito sa ilang mga suposisyon. Bagaman maaari nitong mas tumpak na ipakita ang ilang mga pisikal na pangyayari ng hydraulic impact, mahirap itong lutasin, hindi madaling intindihin, at maaari lamang magbigay ng mga numerikal na solusyon sa pamamagitan ng kompyuter na kalkulasyon, na nagdudulot ng kahirapan sa paggamit.

Bukod sa dalawang pamamaraang ito, ang mga may-akda, matapos ang maraming taon ng tiyak na pananaliksik, ay nagmungkahi ng Teorya ng Abstraktong Variable na Disenyo para sa mga Hydraulic Rock Breaker (mga hydraulic impact mechanism). Gamit ang teorya ng abstraktong variable na disenyo, maaaring makahanap ng mga analitikal na solusyon para sa mga hydraulic rock breaker, na maaaring malalim na ilantad ang panloob na mga pattern ng galaw ng hydraulic rock breaker at magbigay ng teoretikal na batayan para sa teknikal na inobasyon ng mga gumagamit.

Ang pamamaraan sa pananaliksik ng teorya sa disenyo ng hydraulic rock breaker na may abstraktong variable: kinikilala ang di-linearidad ng mga parametero sa paggana ng hydraulic rock breaker, ngunit gumagamit ng ekwibalente na transpormasyon ng puwersa upang linearisahin ang di-linear na sistema, kaya’t maaari itong pag-aralan gamit ang mga paraan sa linear na sistema upang makakuha ng mga analitikal na solusyon. Ang mga parametero sa paggana at estruktura ng hydraulic rock breaker na nakukuha gamit ang pamamaraang ito ay lubos na tumpak at ang kalkulasyon ay simple. Ang teorya sa disenyo ng hydraulic rock breaker na may abstraktong variable ay tatalakayin nang buong detalye sa mga sumunod na kabanata.