Hidrolik Kaya Kırıcı Teorik Araştırmalarına Genel Bakış

1.5 Hidrolik Kaya Kırıcı Teorik Araştırmalarına Genel Bakış

Hidrolik kaya kırıcı çalıştırılırken, yön valfi kontrolü altında çalışma odasındaki yağ basıncı yüksek frekansta değişir; yağ geçitlerindeki akışkanın özellikleri, hidrolik iletim teorisine göre basitçe tartışılamaz ve hidrolik titreşim teorisi analizi uygulanmalıdır. Piston ve çekiç üzerine etki eden kuvvet, birkaç on mikrosaniye içinde sıfırdan onlarca ila yüzlerce megapaskal değerine yükselir, ardından tekrar sıfıra düşer; gerilim dalgaları ile enerji iletimi biçimi, iş sürecinin açıklamasının statik, rijit cisim mekaniği ve kinematik teorileriyle basitçe yapılamayacağını gösterir. Darbe makinesi ilkesi, elastik cisim dinamiği problemlerine aittir ve enerji iletim sürecini doğru bir şekilde tanımlamak için dalga teorisi kullanılmalıdır.

Temel varsayımlar ve matematiksel modellerdeki farklılıklara dayanarak, hidrolik kaya kırıcı araştırmaları iki ana kategoriye ayrılır: doğrusal model araştırmaları ve doğrusal olmayan model araştırmaları.

1.5.1 Hidrolik Kaya Kırıcılar İçin Doğrusal Araştırma Modelleri

Doğrusal araştırma, doğrusal olmayan hidrolik kaya kırıcıları üzerinde varsayımlarla doğrusallaştırma yoluyla gerçekleştirilen idealleştirilmiş bir araştırmadır — bu araştırma, 'sabit hidrolik yağ basıncı' varsayımı altında elde edilen doğrusal modelleri ve bazı faktörleri göz ardı etmeyi içerir. Bu araştırmanın temeli, Sovyet döneminden bilginler OdAlimov ve SAbasov’un ‘Hidrolik Titreşim Darbe Makinesi Yapı Teorisi’ adlı eserinde öne çıkan görüşe dayanır: ‘Belirli bir darbe uç hızını garanti altına almak koşuluyla, basınçla tam olarak eşitlenen basınç kontrolü en yüksek verimliliğe sahip optimal kontrol yöntemidir.’ ‘Sabit basınç kontrolü’ varsayımı temel alınarak, Sovyet döneminden bilginler minimum tepe itme kuvveti için optimal tasarım şemasını önermişlerdir. Japon bilgini Nakamai ve arkadaşları, bu temele dayanarak boru hattı direncini de dikkate alarak piston stroku ayarlanabilirliği üzerine teorik ve tasarım araştırması yapmışlardır. Pekin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Profesörü Li Dazhi, optimal strok tasarımı fikrini ortaya koymuştur. Chen Yufan ve arkadaşları, darbe cihazlarının doğrusal modellerini kullanarak, optimal strok yöntemiyle boyutsuz analiz uygulayarak darbe cihazı parametrelerinin boyutsuz analizini gerçekleştirmiş ve tasarım çalışmalarını yönlendirmek üzere bir dizi parametre ilişkisi ifadesi elde etmişlerdir. Pekin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Öğretim Üyesi Chen Dingyuan, tasarım değişkeni olarak C = S/S_m (S: çalışma stroku, S_m: maksimum strok) oranını kullanarak hidrolik kaya kırıcıların boyutsuz analizini yapmış ve optimal verimlilik bölgesinin C = 0,75–0,850 aralığında olduğunu belirlemiştir. Pekin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi Öğretim Üyesi Wang Zheng, tasarım değişkeni olarak pistonun geri dönüş ivmesi süresi t’yi kullanarak kapsamlı parametre analizi yapmış ve şu sonuçlara ulaşmıştır: akümülatör hacmi değişiminin minimum olduğu durumda t = 0,406T; hidrolik darbenin minimum olduğu durumda t = 0,5T. Orta Güney Üniversitesi Öğretim Üyesi He Qinghua, darbe cihazının yapısal karakteristik katsayısı olan — pistonun ön ve arka odacıklarının etkin alan oranı — boyutsuz tasarım değişkeni olarak kullanarak darbe cihazları üzerinde optimizasyon tasarımı gerçekleştirmiştir. Birçok doğrusal çalışma, darbe performansını doğrudan etkileyen ve akümülatörün durumunu belirleyen piston ile valf arasındaki karşılıklı kısıtlayıcı ilişkiyi dikkate almamıştır; bu nedenle mekanizmadaki çok sayıda yapısal parametre arasındaki karşılıklı ilişkileri doğru bir şekilde yansıtamamıştır. Araştırmaların doğruluğu görece düşük olsa da, elde edilen sonuçlar çeşitli faktörlerin performans üzerindeki etkileşim ilişkisini temelde yansıtabilmekte ve dolayısıyla teorik ve tasarım araştırmalarında belirli bir pratik değere sahiptir.

1.5.2 Hidrolik Kaya Kırıcılar İçin Doğrusal Olmayan Modeller

Nispeten tipik ve karmaşık tek cisimli mekanik geri bildirim izleme sistemi olarak hidrolik kaya kırıcı, diğer alanlardaki doğrusal olmayan sistemler gibi birçok doğrusal olmayan fenomen ve desene sahiptir. Doğrusal olmayan araştırmalar, hidrolik kaya kırıcının hareketini etkileyen faktörleri daha kapsamlı bir şekilde değerlendirmiş; hidrolik kaya kırıcının gerilme durumunu nispeten kapsamlı bir şekilde analiz etmiş; hareket desenlerini tanımlamak için yüksek dereceli doğrusal olmayan diferansiyel denklem kümeleri elde etmiştir. Ancak bu denklemler çözülmesi zor olan, açıklaması sezgisel olmayan denklemlerdir ve yalnızca bilgisayarlar aracılığıyla sayısal yöntemlerle çözülebilirler. Son yıllarda bilgisayar bilimi ve teknolojisinin gelişmesi ile mikrobilgisayarların yaygınlaşmasıyla birlikte, doğrusal olmayan matematiksel modeller üzerine yapılan araştırmalara giderek daha fazla ilgi gösterilmektedir.

1970'lerin başlarından itibaren yabancı bilge adamlar, pnömatik kaya delme makineleri üzerindeki darbe makinesi simülasyon araştırmalarına dijital bilgisayarları uygulayarak nispeten doğru sonuçlar elde etmişlerdir. 1976 yılında Japon bilge adam Masao Masabuchi, hidrolik kaya kırıcıları üzerine matematiksel hesaplama yöntemini kullanan ilk kişiydi; bir hidrolik darbe test cihazı için matematiksel bir model önermiş ve güç vuruş hızı ile frekansını bulmak amacıyla yinelemeli hesaplama yöntemini kullanmıştır; daha sonra bu sonuçları ölçüm değerleriyle karşılaştırmıştır. 1980'lerde Japon bilge adamları Takauchi Yoshio, Tanimata Shu ve diğerleri, hidrolik kaya kırıcı performansı ve tasarımı üzerine doğrusal olmayan araştırmalar yapmış; hidrolik kaya kırıcı performans değerlendirmesi ve tasarımı için uygun analitik modeller ile bu analitik modelin türetme teorisi ve analiz yöntemi önermişlerdir. 1980 yılında Pekin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Li Dazhi ve Chen Dingyuan, akümülatör basıncını çalışma basıncı olarak kullanan doğrusal olmayan bir matematiksel model önermiş ve kararlı sayısal çözümler aramışlardır. 1983 yılında Orta Güney Endüstri Üniversitesi’nden He Qinghua, 'Hidrolik Kaya Kırıcı Sayısal Simülasyon Araştırması' adlı çalışmasında durum geçiş yöntemiyle kapsamlı bir matematiksel model kurmuş; 'Neredeyse Üniform İvme Hesaplama Yöntemi'ni (PUA yöntemi) önermiş; durum geçiş noktalarındaki hataları düzeltmiş ve simülasyon doğruluğunu artırmıştır. 1987 yılında Pekin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Profesör Chen Xiaozhong ve Öğretmen Chen Dingyuan, darbe mekanizmalarının doğrusal olmayan matematiksel modelini oluşturmuş ve BASIC dilinde simülasyon programları yazmış; elde edilen simülasyon verileri ölçülen sonuçlarla nispeten tutarlı bulunmuştur. Hidrolik kaya kırıcıların çalışması sırasında yüksek basınç, kısa darbe döngüsü ve sık yağ akışı geçişleri nedeniyle sürekli değişen değişken basınç odası oluşur; bu nedenle hidrolik yağ çeşitli açıklıklardan geçerken büyük miktarda ısı üretir, yerel yüksek sıcaklıklara neden olur ve darbe cihazının performansını ile yerel yağlamayı olumsuz etkiler; ancak bu alandaki araştırmalar hâlâ boşlukta kalmaktadır.

Hidrolik kaya kırıcı hareketinin karmaşıklığı nedeniyle doğrusal olmayan modeller de belirli varsayımlar temel alınarak oluşturulur; bu nedenle doğrusal ve doğrusal olmayan modeller arasında şeyin temel doğasını tanımlama açısından aslında çok büyük bir fark yoktur — sadece matematiksel model çözümleri yöntemleri farklılık gösterir. Doğrusal modeller analitik çözümler kullanırken, doğrusal olmayan modellerin çözümleri için bilgisayarlar aracılığıyla sayısal yöntemler kullanılmalıdır. Her iki model de darbe cihazının hareket desenlerini yalnızca yaklaşık olarak tanımlayabilir; daha doğru tanımlama yöntemleri elde etmek için ise hesaplamalı akışkanlar dinamiği geliştirilmesine hâlâ ihtiyaç duyulmaktadır.

Hidrolik kaya kırıcı teknolojisinin gelişimiyle birlikte, özellikle hidrolik-pnömatik birleşik ve azot patlamalı hidrolik kaya kırıcıların ortaya çıkmasıyla, hidrolik kaya kırıcının çalışma ortamı artık yalnızca yağ değil aynı zamanda gazdır; ayrıca azotun kullanımı teorik araştırmaların zorluğunu ve karmaşıklığını daha da artırmıştır.

1.5.3 Hidrolik Kaya Kırıcıların Temel Bileşenleri Üzerine Araştırma

(1) Piston Araştırması

Darbe pistonunun tasarım ve üretim kalitesi, darbe cihazının performansını büyük ölçüde belirler. Çinli bilge adamlar bu konuda önemli araştırmalar gerçekleştirmişlerdir. Gezhouba Hidroelektrik Mühendislik Koleji’nden Meng Suimin Hocası, doğrusal modeli temel alarak, boyutsuz analiz yöntemiyle hidrolik kaya kırıcısının çalışma parametreleri üzerindeki piston geri tepme hızının etkisini ön keşif amacıyla incelemiştir. Xiangtan Mühendislik Koleji’nden Liu Deshun Profesörü, 'Kaya delme makinesi pistonu geri tepme hızının hesaplanması' başlıklı makalesinde dalga dinamiği teorisini uygulayarak, kaya delme işleminin çalışma prensibini analiz ederek kaya delme makineleri için piston geri tepme durumu değerlendirme kriteri ve geri tepme hızı hesaplama formüllerini önermiştir; bu çalışmadan aşağıdaki sonuçlar elde edilmiştir: ① Pistonun geri tepme durumu ve geri tepme hızı, pistonun, çekiç ucunun ve kayanın özelliklerine bağlıdır; bunların etkileri birbirinden bağımsız değil, karşılıklı olarak ilişkilidir. ② Kayanın boşaltım sertlik katsayısı ne kadar küçükse, geri tepme hızı o kadar büyüktür. Kaya delme makinesi ve kayanın yükleme özelliklerini karakterize eden γ katsayısı ne kadar küçükse, geri tepme hızı o kadar büyüktür. ④ Nispeten ideal kaya delme verimliliği elde etmek amacıyla bir darbe cihazı tasarlanırken, karakteristik katsayı γ, 1 ≤ γ ≤ 2 aralığında tutulmalıdır.

Sektör, kademeli olarak bazı piston tasarım ilkeleri oluşturmuştur:

1) Piston uzun olmalı ve gereksiz kesit değişimleri azaltılmalıdır; bu durum enerji iletim verimliliği ve çekiç ömrü açısından avantaj sağlar.

2) Pistonun darbe yüzey alanı, çekiçin arka ucundaki yüzey alanına eşit ya da mümkün olduğunca yakın olmalı ve belirli bir koniklik uzunluğu bulunmalıdır; bu durum darbe dalgalarının iletimi açısından avantaj sağlar.

3) Pistonun tam stroku ve aşırı stroku, her iki uçtaki conta yapılarını hasara uğratmamalıdır.

4) Boş ateşleme hidrolik yastığının boyutları ile her piston segmentinin conta uzunlukları dikkatlice tasarlanmalıdır.

5) Doğru malzeme seçimi gereklidir — piston malzemesi yüksek mekanik dayanıma, yüksek yüzey sertliğine, iyi çekirdek tokluğuna ve çok iyi aşınma direncine ile darbe direncine sahip olmalıdır.

6) Piston ile silindir gövdesi arasındaki eşleşme boşluğu, sızıntı kayıpları ve işlenme doğruluğu dikkate alınarak makul bir şekilde belirlenmelidir. Genellikle piston ile silindir gövdesi arasındaki eşleşme boşluğu 0,04 ila 0,06 mm, piston ile destek kılıfı arasındaki eşleşme boşluğu ise 0,03 ila 0,05 mm’dir.

(2) Dağıtım vanası araştırması

Günümüzde, hidrolik kaya kırıcıların büyük çoğunluğu, konum geri bildirimli valf kontrollü piston sistemlerini kullanmaktadır ve darbe cihazının belirli bir odasındaki yağ besleme desenini değiştirerek yüksek hızda ileri-geri hareket eden piston hareketini gerçekleştirir. Bu kontrol biçimi nispeten basit olmakla birlikte, geçiş süreci nispeten karmaşıktır. Valf anahtarlama sürecinde zaman, hız, strok, yağ tüketimi ve diğer parametreler tümüyle aşamalı olarak değişir; bu da darbe cihazının performansı üzerinde büyük etkiye sahip olabilir. Bu duruma yönelik olarak, Pekin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Liu Wanling ve arkadaşları, teori ve deney yoluyla hidrolik darbe sistemlerindeki kontrol valflerinin özelliklerine özel bir araştırma yapmış, incelenen darbe cihazı valfinin gerçek hareket yörüngesini elde etmiş, yön valfinin hareket düzenlerini ortaya koymuş ve darbe cihazının performansını etkileyen kontrol valfinin temel parametrelerini belirlemiştir. Orta Güney Üniversitesi’nden Qi Renjun ve arkadaşları, valf kontrol sürecine ilişkin teorik analiz yapmış, valf yapısı ve parametreleri üzerine optimizasyon araştırması yürütmüş ve bazı faydalı düzenlilik sonuçlarına ulaşmıştır; ayrıca yön valfinin yüksek hızda hareketi sırasında ortaya çıkabilecek hız doygunluğu ve kavitasyon fenomenlerine yönelik olarak, valf mandren kütlesini ve strokunu azaltırken yağ geçidi çapını uygun şekilde artırma şeklinde etkili çözümler önermiştir. Pekin Demir ve Çelik Koleji’nden Liu Wanling ve Gao Lanqing, 'Hidrolik Kaya Kırıcı Yön Valfinin Dinamik Karakteristiği Analizi — Simülasyon ve Deneysel Araştırma' başlıklı çalışmasında, BASIC programlama dili kullanarak valfin dinamik karakteristiklerinin geliştirilmesini incelemiş; sıfır örtüşme açıklığının artmasıyla birlikte arka odadaki basınç hızla düşmekte, darbe işi artmakta, darbe frekansı bir miktar azalmakta ve darbe cihazının verimi artmaktadır sonucuna varmıştır; ancak sıfır örtüşme açıklığı çok fazla olduğunda, valf omzu üzerindeki sızdırmazlık uzunluğunun azalması nedeniyle valfün çalışması güvenilirlik kaybetmektedir.

(3) Akü araştırması

Akümülatör, hidrolik kaya kırıcısının önemli bir bileşenidir ve yapısı, hidrolik kaya kırıcısının genel makine performansını doğrudan etkiler. Bu nedenle, hidrolik kaya kırıcısı performansı üzerine yapılan araştırmaların yanı sıra akümülatörler üzerine de çalışmalar yürütülmüştür. 1990 yılında Japon bilge Takauchi Yoshio, Tanimata Shu ve diğerleri deneysel ve teorik araştırmalar gerçekleştirmiş; kurulan analitik modele dayanarak durum denklemini kullanarak akümülatörün azot dolum hacmi için hesaplama formülünü elde etmiş ve bu formülün doğruluğunu deneysel olarak doğrulamışlardır; böylece optimal akümülatör tasarımına yönelik bir teorik temel oluşturulmuştur. 1986 yılında Pekin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Duan Xiaohong, toplu parametre yöntemiyle yüksek basınçlı membran akümülatörlerin dinamik modelini oluşturmuş; akümülatör sisteminin frekans karakteristiklerini hem deneysel hem de hesaplamalı yöntemlerle analiz etmiş; akümülatör ile hidrolik kaya kırıcısı arasındaki optimal eşleşmeyi tartışmış ve akümülatörün sistem basınç değişikliklerine ikinci harmonik tepkisinin enerjide baskın olduğu darbe cihazının optimal çalışma bölgesini belirtmiştir. 1986 yılında Orta Güney Üniversitesi’nden He Qinghua Hoca, 'Hidrolik Darbe Mekanizmalarında Geri Dönüş Yağı ve Geri Dönüş Yağı Akümülatörü' başlıklı bir makale yayınlamıştır; bu makalede hidrolik kaya kırıcısının çalışan hidrolik basıncının çoğunlukla kendi hareketli parçalarının atalet kuvvetine bağlı olduğunu belirtmiştir; bu, hidrolik kaya kırıcısının çalışma hidrolik basıncının çoğunlukla dış yüke bağlı olan sıradan hidrolik makinelerden ayırt edici önemli bir özelliktir. Geri dönüş gerilimi (back-pressure), pistonlar veya valflerin yağları geri dönüş borusuna boşaltırken yağı hızlandırması sonucu oluşan ataletsel hidrolik basınçtan oluşur; ayrıca darbe cihazının boşaltma debisi ile geri dönüş borusundaki yağ akışı değişim deseni farklı olduğundan, geri dönüş borusuna giren debi, geri dönüş borusunda hareket eden yağ debisinden daha küçük olduğunda kavitasyonun ortaya çıkacağı belirtilmiştir. Ataletsel geri dönüş basıncını azaltmak ve geri dönüş kavitasyonunu ortadan kaldırmak amacıyla hidrolik kaya kırıcısına bir geri dönüş akümülatörü monte edilmesi önerilmiştir; bununla birlikte bir geri dönüş akümülatörü parametre tasarımı yöntemi de önerilmiştir. Son yıllarda Pekin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi, hidrolik kaya kırıcısı akümülatörlerinin dinamik eşleşme özelliklerine ilişkin araştırmalar yürütmüş; HRDP simülasyon yazılımı paketini geliştirmiş ve optimal akümülatör dinamik eşleşme özelliklerine yönelik doğrulama hesaplamalarında sonuçlar elde etmiştir.

(4) Boş ateşleme önleme cihazları ve kırıcı geri tepme enerjisi emicileri üzerine araştırma

Hidrolik kaya kırıcı çalışması sırasında kaçınılmaz çakı geri tepme ve boş ateşleme olayları meydana geldiği için, çakı geri tepme enerjisi emici ile boş ateşleme önleme cihazının çalışma performansı, hidrolik kaya kırıcının kullanım ömrü üzerinde büyük etkiye sahiptir. Meng Suimin Hocamız, 'Kaya Matkabı Pistonu Geri Tepme Hızı Analizi' başlıklı makalesinde çakı ucunun geri tepme faktörlerini sistematik olarak analiz etmiş ve çakı geri tepme enerjisi emme yöntemlerini araştırmıştır. Orta Güney Üniversitesi'nden Liao Yide, 'Hidrolik Kaya Matkabı Boş Ateşleme Tampon Cihazları Üzerine Teorik ve Deneysel Araştırma' başlıklı makalesinde boş ateşleme tampon sürecinin matematiksel modelini oluşturmuş ve simülasyon araştırması yapmıştır. Dr. Liao Jianyong, 'Çok Kademe Hidrolik Kaya Matkaplarının Tasarım Teorisi ve Bilgisayar Destekli Tasarımı' başlıklı makalesinde çakı geri tepme enerjisi emici cihazlar ile boş ateşleme önleme cihazları üzerine bilgisayar simülasyonu ve optimizasyon tasarımı gerçekleştirmiştir. Orta Güney Üniversitesi'nden Liu Deshun, doktora tezi olan 'Darbe Mekanizmalarının Dalga Dinamiği Araştırması'nda dalga dinamiği teorisini uygulayarak darbe cihazının her parçası için geri tepme hızı hesaplama formüllerini türetmiş ve darbe cihazının her parçasının rasyonel tasarımıyla geri tepme enerjisinin değerlendirilebileceğini belirtmiştir. Orta Güney Üniversitesi Hidrolik Mühendislik Makineleri Araştırma Enstitüsü, çakı geri tepme enerjisi emicisinin kapasitesinden tam olarak yararlanan iki kademe boş ateşleme tampon cihazı geliştirmiştir — bu, yaratıcı bir araştırma başarısıdır.

1.5.4 Hidrolik Kaya Kırıcılar İçin Frekans Ayarlama, Enerji Ayarlama ve Kontrol Teknolojisi Üzerine Araştırma

Hidrolik kaya kırıcı teknolojisinin gelişmesiyle birlikte, saha inşaatı bu cihazlar için yeni gereksinimler ortaya koymuştur. Üretim verimliliğini etkili bir şekilde artırmak amacıyla, hidrolik kaya kırıcının darbe enerjisi ve darbe frekansının kaya özelliklerindeki değişime göre ayarlanabilmesi gerekmektedir. Başka bir deyişle, taşıyıcı makinenin kurulu gücünün mümkün olduğunca tam olarak kullanılması koşuluyla, kaya daha sert olduğunda hidrolik kaya kırıcı daha büyük darbe enerjisi ve daha düşük darbe frekansı üretmeli; buna karşılık kaya daha yumuşak olduğunda ise daha küçük darbe enerjisi ve daha yüksek darbe frekansı üretmelidir. Böylece daha yüksek üretim verimliliği sağlanmış olur. Yukarıdaki amaçlara ulaşmak için hem yurt içi hem de yurt dışı kaynaklarında kapsamlı araştırmalar yapılmıştır.

Hidrolik kaya kırıcılar üzerine teorik araştırmalardan yola çıkarak, çıkış parametreleri (darbe enerjisi ve frekansı) temelde üç yöntemle ayarlanabilir: ① akış hızını ayarlamak; ② stroku ayarlamak; ③ geri besleme basıncını ayarlamak. Şu anda çoğu yerli ve yabancı hidrolik kaya kırıcısı yalnızca sabit bir stroka sahiptir; yani çıkış parametreleri ayarlanamaz. Elbette bu tür hidrolik kaya kırıcılarında çıkış parametrelerini ayarlamak amacıyla akış hızını ayarlama yöntemi kullanılabilir; ancak bu yöntem teoride mümkün olsa da pratikte uygulanabilir değildir. Çünkü akış hızındaki değişiklikler, çıkış parametrelerinde eşzamanlı değişimlere neden olur ve böylece bağımsız bir ayar gerçekleştirilemez.

Bazı yerli ve yabancı üreticiler, strok ayarlanabilir hidrolik kaya kırıcılar tasarlamış ve üretmiştir; ancak bu cihazlar katı yapıya sahip basamaklı ayarlara dayandığından kullanımı oldukça zahmetli olup, düşük verimlilik gösterdikleri için kullanıcılar tarafından rağbet görmemiştir. Geri dönüş stroku geri bildirimi dağıtımında, çıkış çalışma parametreleri çoğunlukla sistem giriş debisini değiştirerek ya da birden fazla geri dönüş stroku geri bildirimi sinyal deliği ekleyerek ve her bir sinyal deliğinin açma-kapama kontrolüyle piston strokunu ayarlayarak düzenlenir; bu sayede hidrolik kaya kırıcının darbe enerjisi ve darbe frekansı değiştirilir. Örneğin İsveç’te üretilen Atlas-Copco üç hızlı hidrolik kaya matkabı. Orta Güney Üniversitesi’nin YYG serisi otomatik vites değiştirmeli hidrolik kaya kırıcıları — yapısal sınırlamalar nedeniyle bu prensip yalnızca hidrolik kaya kırıcı çalışma parametrelerinin basamaklı ayarlanmasını sağlayabilmektedir; ayrıca darbe sisteminin basınç ve debisi birbirinin karesiyle orantılı olduğundan, darbe enerjisi ile darbe frekansının aynı anda artırılması taşıyıcı makinenin gücünde çok büyük değişikliklere yol açar ve bu da hidrolik kaya kırıcının çalışma aralığını ve çalışma verimliliğini sınırlar. Japonya’daki Akita Üniversitesi’nden Takashi Takahashi Profesörü, bir makalesinde hidrolik kaya kırıcının piston strokunu değiştirmek amacıyla geri dönüş stroku sinyal portunun konumunun ayarlanmasını açıklamıştır. Deneyler, piston strokunun %10 artırıldığında darbe frekansının %8 azalmasına karşın darbe enerjisinin %12 arttığını kanıtlamıştır; bu durum çalışma verimliliğini artırmış ve strok ayarlanabilir hidrolik kaya kırıcıların tasarımına yönelik teorik ve deneysel kanıtlar sağlamıştır. Orta Güney Üniversitesi’nden He Qinghua Hocası, ‘Strok Ayarlanabilir Hidrolik Darbe Makineleri Üzerine Araştırma’ adlı çalışmasında çeşitli vites değiştirme yöntemlerini karşılaştırmış ve strok ayarlanabilir hidrolik darbe cihazlarının farklı çalışma parametreleri ile vites değiştirme strokları arasındaki ilişkileri teorik olarak analiz etmiştir; elde edilen sonuçlar, vites değiştirmeli hidrolik kaya kırıcıların tasarımı ve kullanımı açısından açık rehberlik önemi taşımaktadır. Bu kitap, basınç geri bildirimi prensibine dayalı olarak çalışma parametrelerinin bağımsız ve sonsuz (basamaksız) ayarlanması kavramını ortaya koymuş ve bu yeni hidrolik kaya kırıcı ürününü piyasaya sürmüştür. Bu sistem, darbe cihazının tek darbe enerjisini piston geri dönüş basıncının büyüklüğünü kontrol ederek ayarlar; aynı zamanda değişken pompa debisini kontrol ederek darbe cihazının frekansını sonsuz (basamaksız) şekilde ayarlar; böylece darbe enerjisi ve darbe frekansı, taşıyıcı makinenin gücü üzerinde küçük bir değişimle nispeten geniş bir aralıkta bağımsız ve sonsuz (basamaksız) şekilde ayarlanabilir hale gelir. Bu yeni tip hidrolik darbe makinesiyle ilgili teorik araştırma, yapısal tasarım ve kontrol yöntemleri konusunda yazarlar, darbe enerjisi ve darbe frekansı bağımsız ve sonsuz (basamaksız) ayarlanabilen hidrolik darbe cihazları üzerine çalışmalar yapmışlardır. Zhao Hongqiang Doktoru, ‘Bağımsız ve Sonsuz (Basamaksız) Ayarlanabilir Kontrollü Yeni Tip Hidrolik Taş Kırıcı Üzerine Araştırma’ başlıklı doktora tezinde, hidrolik kaya kırıcıların geleneksel strok geri bildirimi kontrol yöntemini aşarak basınç geri bildirimi ve değişken pompa debisi kontrol yöntemlerini benimsemiş ve bununla hidrolik kaya kırıcının darbe enerjisi ile darbe frekansının bağımsız ve sonsuz (basamaksız) ayarlanabilir kontrolünü gerçekleştirmiştir. Ding Wensi, doktora tezinde, kırıcının kuyruk kısmındaki azot basıncını kontrol değişkeni olarak kullanarak yüksek hızlı anahtarlamalı valflerle kontrol edilen zorlanmış dağıtım tipi kırıcılar üzerine kapsamlı çalışmalar yapmış ve kırıcıların bağımsız frekans ayarlamasını ve enerji ayarlamasını gerçekleştirmiştir. Zhang Xin, ‘Makine-Elektronik Entegre Yeni Tip Basınç Geri Bildirimli Hidrolik Darbe Cihazı Sistemi Üzerine Araştırma’ başlıklı çalışmasında, tek çip mikrobilgisayar kontrollü yüksek hızlı anahtarlamalı valfler kullanarak darbe cihazının mikrobilgisayar kontrollü çalışmasını sağlamıştır. Yang Guoping, ‘Saf Hidrolik Bağımsız ve Sonsuz (Basamaksız) Frekans Ayarlamalı ve Enerji Ayarlamalı Hidrolik Darbe Cihazı Üzerine Araştırma’ başlıklı doktora tezinde, pilot tip dağıtım valfi kolu aracılığıyla hidrolik kaya kırıcının darbe enerjisi ve darbe frekansının sonsuz (basamaksız) ayarlanmasını sağlayan saf hidrolik kontrol şemasına sahip akıllı bir darbe cihazı önermiştir.

1.5.5 Hidrolik Kaya Kırıcı Simülasyon Teknolojisi Araştırmasının Mevcut Durumu

Bir ürün tasarımı ve geliştirme perspektifinden bakıldığında, mekanizmaların dinamik karakteristiği üzerine yapılan araştırmalar, ürün geliştirme ve tasarım aşamasında yapılması en uygundur. Hidrolik kontrol sistemlerinin dinamik tepki simülasyonu, her zaman hidrolik sektörü tarafından sürekli olarak incelenen bir alandır ve aynı zamanda kontrol sistemlerinin dinamik tepki karakteristiklerini incelemek için yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir.

Hidrolik kaya kırıcısının özel çalışma yöntemi, mekanizma teorik tasarımı ve geliştirilmesi için dinamik simülasyon analizi ile testlerin temel varsayım olarak alınmasını gerektirir. Bilgisayarlar ortaya çıktıktan sonra, yalnızca ürün testlerine dayanarak mekanizma hareket performansı ile ilgili doğru ya da güvenilir sonuçlar elde etme engeli aşılmıştır. Araştırmacılar, hidrolik titreşim ve darbe makinesi hareketini tanımlayan matematiksel modelleri oluşturmak amacıyla çeşitli yöntemler kullanmaya başlamış; simülasyon teknolojisi aracılığıyla hidrolik kaya kırıcıların parametre değişim süreçlerini analiz etmiş; darbe makinelerinin hareket süreçlerini simüle etmek için sanal prototip teknolojisinden yararlanmıştır. Tasarım sonuçları belirlendikten sonra mekanizmanın hareketi açıkça anlaşılabilir ve ilgili performans parametreleri hesaplanabilir hale gelir; bu durum, yeni ürün geliştirme döngülerini kısaltmak, tasarımı optimize etmek ve dinamik performans analizi yapmak için iyi bir yol sunar.

1960'lar ve 1970'lerde yabancı bilge adamlar, darbe makinesi simülasyon çalışmalarına dijital bilgisayarları uygulamaya başladılar. Bu çalışmalar, ön ve arka odacıklardaki basıncı değişken olarak aldı, her bağlantı noktasından akan ve dışarı çıkan akışkan miktarını hesapladı ve akış katsayılarıyla düzeltme yaptı; ardından gaz durum denklemini ve enerji dengesi denklemini uygulayarak akümülatör ve pistonun durum değişimlerini tanımlayan mikro-diferansiyel denklemler kurdu; valf hareketine ilişkin belirli yaklaşımlar yapıldıktan sonra sayısal çözüm için sonlu farklar yöntemini kullandı. Simülasyon sonuçları, özellikle performans parametreleri, ölçülen değerlere çok yakın çıktı ve tatmin edici sonuçlar elde edildi. Japonya'da araştırmacılar, belirli hidrolik kaya kırıcılar için bilgisayar modelleri oluşturarak bu alanlarda araştırma yapmaya daha fazla önem verdi ve simülasyona deneysel çalışmalardan elde edilen parametreleri dahil ederek hidrolik kaya kırıcıların yapısal parametrelerinin, darbe parametrelerinin ve performansının optimizasyonunu gerçekleştirdi; bunun sonucunda ilgili hidrolik kaya kırıcının optimal geri dönüş yağı bağlantı noktası alanını, optimal akümülatör şarj hacmini ve arka odacık basınç taşıma alanını belirledi. Simülasyon çalışmaları sırasında Japon araştırmacılar, simülasyon sonuçlarını deneysel test sonuçlarıyla karşılaştırmaya daha fazla önem verdi ve bilgisayar modellerini test verilerine göre düzeltti. Sandvik şirketi, darbe pistonunun şeklinin enerji iletim yöntemi üzerindeki etkisini göz önünde bulundurarak bu alanda bir bilgisayar simülasyon programı tasarladı ve geliştirdi. Bu program kullanılarak: ① darbenin her parçasındaki enerji iletim süreci simüle edilebilir; ② her sistem bileşeninin farklı tasarımları simüle edilebilir; ③ farklı türde darbe nesneleri koşullarında çeşitli tasarımların enerji iletimi üzerindeki etkileri simüle edilebilir. Sandvik’in bilgisayar programı yalnızca en iyi ürünlerin üretimini garanti etmekle kalmaz, aynı zamanda tüm parametrelerin darbe sistemi üzerindeki etkisini ve belirli parametrelerdeki değişikliklerin verimlilik üzerindeki etkisini ölçüp anlamasını da sağlar ve kullanıcıya pratik ve etkili bir hesaplama aracı olarak sunulur.

1980’lerden sonra, simülasyon teknolojisi ve uygulamaları üzerine yurt içi araştırmalar da başlamıştır. Çinli bilge Tian Shujun, Chen Yufan ve diğerleri, kendi yöntemleriyle matematiksel modeller kurmuşlardır. Tian Shujun ve arkadaşları, ileri düzey dinamik modelleme teknolojisi olan güç bağ grafiği (power bond graph) yöntemini, durum-uzayı analizi yöntemleriyle birleştirerek, kaydırma valf kontrollü hidrolik kaya kırıcılar için dinamik simülasyon yazılımı üzerine araştırma yapmışlardır. Bu araştırma, hidrolik kaya kırıcıların dinamik simülasyon modellemesi ve programlamasını incelemiş; daha sonraki birçok simülasyon programcısı için bir yöntem ve yaklaşım sağlamıştır. Örneğin, Pekin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi’nden Profesör Zhou Zhihong, öğrencileri Yan Yong ve diğerleriyle birlikte, güç bağ grafikleri kullanarak çeşitli tipteki hidrolik kaya kırıcı pistonları, yön kontrol valfleri ile her bir hidrolik akış denklemi ve gaz durum denklemlerini oluşturmuştur; ardından bu denklemleri bilgisayar dilinde simülasyon programları olarak derleyerek, hidrolik kaya kırıcının ön ve arka odacıklarındaki basınç, akış, piston yer değiştirmesi ve hız gibi temel durum değişimi süreçlerinin analizini gerçekleştirmiştir. Böylece, hidrolik kaya kırıcı parametrelerindeki değişikliklerin performansına etkisine ilişkin ileri düzey araştırmalar için bir platform oluşturulmuştur. Bilgisayarlar ve yazılım teknolojilerindeki hızlı gelişimle birlikte, Matlab ve AMEsim yazılımları da hidrolik kaya kırıcı sistemlerinin modellemesi ve simülasyonu amacıyla kullanılmaya başlanmıştır; bu durum, yeni modellerin geliştirilme sürelerinin kısaltılması ve tasarım kalitesinin artırılması açısından teorik destek sağlamıştır.

1.5.6 Deneysel Araştırma Yöntemleri

Deney, insanın doğayı tanıması ve nesnel dünyayı dönüştürmesinin temel aracıdır — deney yoluyla gözlemlenen olaylar ve ölçülen veriler özetlenir ve soyutlanır; içsel bağlantılar ve desenler ortaya çıkarılır ve bunlardan teori oluşturulur. Deney, teorinin kaynağıdır; deney, teorinin doğrulanmasında tek yargıçtır.

Hidrolik kaya kırıcı darbe performans parametreleri, tasarımını, üretim seviyesini ve kalitesini ölçmek için önemli bir göstergedir. Ana parametrelerin tamamı deneysel yöntemlerle ölçülebilir ve sonuçlar veri, eğri veya grafik şeklinde ifade edilebilir. Performans doğrulaması, temelde darbe enerjisi, darbe frekansı, sistem basıncı ve debiyi ölçmeyi içerir. Bu parametrelerin ölçüm yöntemleri için şu anda uluslararası düzeyde birleştirilmiş deneysel standart yoktur. Şu anda yaygın olarak kullanılan hidrolik kaya kırıcı darbe performans test yöntemleri şunlardır: gerilim dalgası yöntemi, fotoelektrik yer değiştirme fark yöntemi, elektromanyetik indüksiyon yöntemi, temas yöntemi, yüksek hızlı çekim, gösterge diyagramı yöntemi ve enerji yöntemi gibi yöntemler.

Gerilim dalgası yöntemi, darbe pistonunun çekiç ucuna çarptığında çekiç ucunda oluşan gerilim dalgasını ölçerek darbe enerjisini belirleyen bir yöntemdir. Fotoelektrik yöntem, fotoelektrik dönüşüm ilkesini kullanır; bir fotoelektrik sensör aracılığıyla darbe pistonunun konumunu doğrudan ölçüm parametresi olarak alarak piston hareketinin yer değişimini elde eder ve daha sonra darbe cihazının her bir performans parametresini hesaplar. Fotoelektrik yöntem, temas gerektirmeyen bir ölçüm yöntemi olarak, piston stroku uzun, çapı büyük ve hızı yüksek olan hidrolik kaya kırıcı gibi darbe makineleri için oldukça uygundur. Elektromanyetik indüksiyon yöntemi, darbe pistonuna monte edilen bir mıknatıs çubuğu ile muhafaza üzerine yerleştirilen bir helis bobinden oluşan elektromanyetik indüksiyon sensör sistemini kullanır; mıknatıs çubuğu pistonla birlikte ileri-geri hareket ederken bobin tarafından manyetik alan çizgilerinin kesilmesiyle oluşan indüklenen elektrik devreleri (elektromotor kuvvet) üzerinden, elektromotor kuvvet ile darbe hızı arasındaki kalibrasyon ilişkisine dayanarak piston hareket hızını belirler ve bu hızdan yola çıkarak piston darbe enerjisini hesaplar.

Tema yöntemi, pistonun çarpıldığı nesneye çarptığı andaki son hızını kullanarak darbe enerjisini hesaplamak için kullanılan bir yöntemdir. Kaya kırıcı performans testlerinde yukarıdaki 4 yöntem görece yaygındır; diğer yöntemler ya işlem karmaşıklığı ve yüksek maliyeti nedeniyle ya da piston hareket durumunu eksiksiz yansıtamadıkları için pratikte nadiren kullanılır.

Yukarıda bahsedilen gerilim dalgası yönteminin, hidrolik kaya delici ve pnömatik aletler gibi nispeten küçük darbe enerjili darbe cihazlarının test edilmesi için uygun olduğu, ancak büyük darbe enerjili hidrolik kaya kırıcıların test edilmesinde daha büyük zorluklarla karşılaşıldığı belirtilmelidir. Gerilim dalgalarını inceleyen özel araştırma birimlerinin test kapasitesi genellikle sınırlı olup büyük boyutlu hidrolik kaya kırıcıların testini gerçekleştiremez; ayrıca iç mekânlarda yapılan testlerden kaynaklanan gürültü ve titreşim de kabul edilemez düzeydedir. İletişim (temas) yöntemi açısından bakıldığında, kurulumu kolay olsa da sonuçlar yeterince doğru değildir ve yaygın olarak uygulanamaz. Sadece hidrolik kaya kırıcıların test edilmesinde kullanılan elektromanyetik indüksiyon yöntemi, tüm yönleriyle kapsamlı olarak değerlendirilmektedir: hem küçük darbe enerjili hidrolik kaya deliciler hem de büyük boyutlu, yüksek darbe enerjili hidrolik kaya kırıcılar için kullanılabilir; piston hareket hızı eğrisini doğrudan ölçerek piston yer değiştirmesini ve ivmesini elde eder; bu da piston hareket desenlerini inceleyen kişiler için oldukça faydalıdır. Bu yöntemin tek eksikliği, manyetik çubuğun yüksek frekanslı piston titreşimi altında kolayca hasar görmesidir.

Orta Güney Üniversitesi'nden Dr. Ding Wensi, doktora tezi olan 'Yeni Tip Basınç Geri Bildirimli Azot Patlamalı Makine-Elektrik Entegre Hidrolik Taş Kırma Sistemi Üzerine Araştırma' adlı çalışmasında, darbe cihazının çıkış parametrelerini test etmek için yeni bir yöntem — gaz basıncı yöntemi — önermiştir. Bu yöntem, piston hareketi sırasında pistonun kuyruk kısmına yerleştirilen kapalı azot odasındaki basınç üzerindeki etkiyi bir basınç sensörü ile tespit eder ve bilgisayar aracılığıyla piston stroku ile hareket hızını belirler; böylece darbe cihazının iki önemli çıkış parametresi olan darbe enerjisi ve darbe frekansı elde edilir. Geleneksel test yöntemlerine kıyasla, temassız gaz basıncı yöntemi, güçlü titreşim direnci, minimum hazırlık işi, darbe enerjisi ve frekansının aynı anda ölçülmesi, kolay kalibrasyon, küçük darbe parametresi hatası ve yüksek doğruluk gibi avantajlara sahiptir. Bu yöntem yalnızca laboratuvar ürünlerinin ölçüm ve tanımlama yöntemi olarak değil, aynı zamanda gerçek çalışma ortamında çevrimiçi testler için de kolayca kullanılabilir. Yöntem, Jingye Şirketi'nin hidrolik test programında uygulanmış ve 'Hidrolik Taş Kırıcı' sektör standardına dahil edilmiştir.

1.5.7 Titreşim, Gürültü ve Kontrol Üzerine Araştırma

Darbe enerjisi, darbe frekansı ve kütle gibi parametrelerin yanı sıra hidrolik darbe makinesi performansını ölçmeye yönelik diğer göstergeler de gürültü, makine gövdesinin titreşimi ve enerji verimlilik oranıdır; bunlar genel performans değerlendirmesi için önemli unsurlardır. Çevresel bilinç arttıkça gelişmiş ülkeler, ekipman gürültüsüne ilişkin kısıtlamalarını giderek daha da sıkılaştırmaktadır. Pazar ihtiyaçlarına uyum sağlamak amacıyla hidrolik darbe makinelerinin gürültüsü ve titreşimi ile toz kontrolü, giderek iş rekabetinde önemli göstergeler haline gelmektedir; bu alanın kontrol teknolojisi günümüzde önemli bir araştırma konusudur. Farklı ülkelerden bilge kişiler, yapısal ve malzeme açısından araştırmalar yürütmektedir; yapısal açıdan titreşim ve gürültüyü kontrol etmek amacıyla içten astar kılıfları, susturucu cihazlar veya titreşim sönümleyici çelik levhaların sandviç şeklinde yerleştirilmesi gibi önlemler alınmaktadır. Krupp şirketi, orta ve küçük boyutlu tüm ürünlerine ses emici malzemeler takmıştır. Rammer şirketi, yeni geliştirilen ürünlerine yüksek basınçlı su pompaları ve püskürtme nozulları monte ederek toz azaltma etkisi sağlamıştır. Ayrıca, sensör teknolojisi kullanılarak hidrolik kaya kırıcıların hassas konumlandırılması, otomatik delme işlemi, çekiç uçlarının durdurulması ve geri çekilmesi ile çalışma nesnesine göre darbe enerjisi ve darbe frekansının otomatik olarak ayarlanması gibi uygulamalar da mevcuttur.