Tổng quan về nghiên cứu lý thuyết máy đập đá thủy lực

1.5 Tổng quan về nghiên cứu lý thuyết máy đập đá thủy lực

Trong quá trình vận hành máy đập đá thủy lực, áp suất dầu trong buồng làm việc thay đổi liên tục với tần số cao dưới sự điều khiển của van phân phối; đặc tính của chất lỏng trong đường dẫn dầu không thể được phân tích đơn thuần dựa trên lý thuyết truyền động thủy lực, mà cần áp dụng phân tích theo lý thuyết dao động thủy lực. Lực tác dụng lên piston và mũi đục tăng từ 0 lên vài chục đến vài trăm megapascal trong vài chục microgiây, sau đó giảm trở về 0; dạng truyền năng lượng thông qua sóng ứng suất cho thấy quá trình làm việc không thể mô tả đơn thuần bằng các lý thuyết tĩnh học, cơ học vật rắn và động học. Nguyên lý hoạt động của máy va đập thuộc phạm trù bài toán động lực học vật thể đàn hồi, do đó phải sử dụng lý thuyết sóng để mô tả chính xác quá trình truyền năng lượng.

Dựa trên sự khác biệt về các giả thiết cơ bản và mô hình toán học, nghiên cứu máy đập đá thủy lực được chia thành hai nhóm lớn: nghiên cứu dựa trên mô hình tuyến tính và nghiên cứu dựa trên mô hình phi tuyến.

1.5.1 Các Mô hình Nghiên cứu Tuyến tính cho Máy Đập Đá Thủy Lực

Nghiên cứu tuyến tính là dạng nghiên cứu lý tưởng hóa, được thực hiện bằng cách tuyến tính hóa các máy phá đá thủy lực phi tuyến thông qua các giả định — các mô hình tuyến tính thu được dưới giả định 'áp suất dầu thủy lực không đổi' và bỏ qua một số yếu tố nhất định. Tiền đề nghiên cứu của nó dựa trên quan điểm do các học giả thời kỳ Xô Viết OdAlimov và SAbasov đề xuất trong cuốn 'Lý thuyết cấu trúc máy rung va chạm thủy lực': 'Trong điều kiện đảm bảo vận tốc cuối tại đầu va chạm đã cho, điều khiển áp suất đầy đủ – đều (pressure-fully-equal pressure control) là phương pháp điều khiển tối ưu có hiệu suất cao nhất.' Trên cơ sở giả định 'điều khiển áp suất không đổi', các học giả thời kỳ Xô Viết đã đề xuất phương án thiết kế tối ưu nhằm đạt lực đẩy cực đại nhỏ nhất. Các học giả Nhật Bản Nakamai và cộng sự, dựa trên nền tảng này và xem xét thêm trở lực đường ống, đã tiến hành nghiên cứu lý thuyết và thiết kế về khả năng điều chỉnh hành trình piston. Giáo sư Lý Đại Chí của Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh đã đề xuất ý tưởng thiết kế hành trình tối ưu. Trần Dư Phàm và cộng sự đã sử dụng các mô hình tuyến tính của thiết bị va chạm, kết hợp phân tích vô thứ nguyên với phương pháp hành trình tối ưu để tiến hành phân tích vô thứ nguyên các thông số thiết bị va chạm, từ đó thu được một loạt biểu thức quan hệ giữa các thông số nhằm hướng dẫn công tác thiết kế. Thầy Trần Định Nguyên của Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh đã sử dụng C = S/S_m (S: hành trình làm việc, S_m: hành trình lớn nhất) làm biến thiết kế để tiến hành phân tích vô thứ nguyên đối với máy phá đá thủy lực và xác định được vùng hiệu suất tối ưu nằm trong khoảng C = 0,75–0,850. Thầy Vương Chính của Trường Đại học Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh, sử dụng thời gian t của giai đoạn tăng tốc trở lại của piston làm biến thiết kế, đã tiến hành phân tích toàn diện các thông số và rút ra kết luận: khi thể tích bình tích áp thay đổi ít nhất thì t = 0,406T; khi va chạm thủy lực nhỏ nhất thì t = 0,5T. Thầy Hà Khánh Hoa của Trường Đại học Trung Nam đã sử dụng hệ số đặc trưng cấu trúc thiết bị va chạm — tỷ số diện tích hiệu dụng buồng trước và buồng sau piston — làm biến thiết kế vô thứ nguyên để tiến hành thiết kế tối ưu cho các thiết bị va chạm. Do nhiều nghiên cứu tuyến tính chưa xem xét mối quan hệ ràng buộc tương hỗ giữa piston và van — yếu tố trực tiếp ảnh hưởng đến hiệu năng va chạm cũng như trạng thái của bình tích áp — nên chúng không thể phản ánh chính xác mối quan hệ tương hỗ giữa nhiều thông số cấu trúc trong cơ cấu. Mặc dù độ chính xác nghiên cứu của các phương pháp này tương đối thấp, nhưng kết quả thu được vẫn cơ bản phản ánh được mối quan hệ ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau lên hiệu năng, do đó vẫn mang giá trị thực tiễn nhất định trong nghiên cứu lý thuyết và thiết kế.

1.5.2 Các Mô hình Phi tuyến cho Máy Đập Đá Thủy lực

Là một hệ thống điều khiển phản hồi cơ học đơn thân tương đối điển hình và phức tạp, máy đập đá thủy lực—giống như các hệ thống phi tuyến trong các lĩnh vực khác—có nhiều hiện tượng và đặc điểm phi tuyến. Nghiên cứu về tính phi tuyến đã xem xét toàn diện hơn các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển động của máy đập đá thủy lực, phân tích tương đối đầy đủ trạng thái ứng suất của máy đập đá thủy lực, và thiết lập được các hệ phương trình vi phân phi tuyến bậc cao nhằm mô tả các đặc điểm chuyển động của nó. Tuy nhiên, các phương trình này rất khó giải, cách mô tả không trực quan và chỉ có thể được giải bằng phương pháp số thông qua máy tính. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của khoa học và công nghệ máy tính cũng như việc phổ biến máy tính vi mô, nghiên cứu về các mô hình toán học phi tuyến ngày càng thu hút sự quan tâm của giới chuyên môn.

Ngay từ đầu những năm 1970, các học giả nước ngoài đã ứng dụng máy tính số vào nghiên cứu mô phỏng máy khoan đá khí nén, thu được các kết quả tương đối chính xác. Năm 1976, học giả Nhật Bản Masao Masabuchi là người đầu tiên sử dụng tính toán toán học để nghiên cứu về máy đập đá thủy lực, đề xuất một mô hình toán học cho thiết bị thử nghiệm va chạm thủy lực và áp dụng phương pháp lặp để xác định vận tốc và tần số của hành trình công tác, sau đó so sánh với các giá trị đo được. Trong thập niên 1980, các học giả Nhật Bản Takauchi Yoshio, Tanimata Shu cùng cộng sự tiến hành nghiên cứu phi tuyến về hiệu năng và thiết kế máy đập đá thủy lực, đề xuất các mô hình phân tích phù hợp cho việc đánh giá hiệu năng và thiết kế máy đập đá thủy lực, đồng thời xây dựng cơ sở lý thuyết và phương pháp phân tích cho mô hình phân tích này. Năm 1980, Lý Đại Chí và Trần Định Duyên thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh đã đề xuất một mô hình toán học phi tuyến sử dụng áp suất trong bình tích năng làm áp suất làm việc, và tìm ra các nghiệm số ổn định. Năm 1983, Hà Thanh Hoa thuộc Đại học Công nghiệp Trung Nam, trong công trình 'Nghiên cứu mô phỏng số máy đập đá thủy lực', đã sử dụng phương pháp chuyển trạng thái để xây dựng một mô hình toán học toàn diện, đề xuất 'phương pháp tính gia tốc gần đều' (phương pháp PUA), hiệu chỉnh sai số tại các điểm chuyển trạng thái và nâng cao độ chính xác của mô phỏng. Năm 1987, Giáo sư Trần Tiểu Trung và Thầy giáo Trần Định Duyên thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh đã thiết lập một mô hình toán học phi tuyến cho cơ cấu va chạm và viết các chương trình mô phỏng bằng ngôn ngữ BASIC, thu được dữ liệu mô phỏng tương đối phù hợp với kết quả đo thực tế. Trong quá trình vận hành máy đập đá thủy lực, do áp suất cao, chu kỳ va chạm ngắn và việc chuyển đổi dòng dầu diễn ra thường xuyên, buồng áp suất thay đổi liên tục; do đó khi dầu thủy lực chảy qua các khe hở khác nhau sẽ sinh ra một lượng nhiệt lớn, gây ra hiện tượng tăng nhiệt cục bộ và ảnh hưởng đến hiệu năng của thiết bị va chạm cũng như bôi trơn cục bộ; tuy nhiên, nghiên cứu trong lĩnh vực này hiện vẫn còn bỏ ngỏ.

Do độ phức tạp trong chuyển động của máy đục đá thủy lực, các mô hình phi tuyến cũng được xây dựng dựa trên một số giả định nhất định; do đó, thực tế không có nhiều khác biệt giữa mô hình tuyến tính và mô hình phi tuyến về mặt mô tả bản chất cốt lõi của hiện tượng — chỉ có phương pháp giải mô hình toán học là khác nhau. Mô hình tuyến tính sử dụng nghiệm giải tích, trong khi mô hình phi tuyến bắt buộc phải áp dụng các phương pháp số thông qua máy tính để tìm nghiệm. Cả hai loại mô hình đều chỉ có thể xấp xỉ các dạng chuyển động của thiết bị va đập, và để đạt được các phương pháp mô tả chính xác hơn, vẫn cần tiếp tục phát triển lĩnh vực động lực học chất lỏng tính toán.

Cần nhấn mạnh rằng cùng với sự phát triển của công nghệ máy đục đá thủy lực, đặc biệt là sự xuất hiện của các loại máy đục đá thủy lực kết hợp thủy lực – khí nén và máy đục đá thủy lực sử dụng khí nitơ nổ, môi chất làm việc của máy đục đá thủy lực không còn chỉ là dầu mà còn bao gồm cả khí; hơn nữa, việc đưa khí nitơ vào đã làm gia tăng đáng kể độ khó và mức độ phức tạp trong nghiên cứu lý thuyết.

1.5.3 Nghiên cứu về các thành phần chính của máy đập đá thủy lực

(1) Nghiên cứu về piston

Chất lượng thiết kế và chế tạo của piston va đập quyết định ở mức độ lớn hiệu suất của thiết bị va đập. Các học giả Trung Quốc đã tiến hành nghiên cứu đáng kể về vấn đề này. Thầy Mạnh Tú Dân của Trường Kỹ thuật Thủy điện Cát Châu Bá, dựa trên mô hình tuyến tính, đã sử dụng phân tích vô thứ nguyên để thực hiện nghiên cứu sơ bộ về ảnh hưởng của vận tốc bật ngược piston đến các thông số vận hành của máy phá đá thủy lực. Giáo sư Lưu Đức Thuận của Trường Kỹ thuật Tương Đàm, trong bài báo 'Tính toán vận tốc bật ngược piston của máy khoan đá', đã áp dụng lý thuyết động lực học sóng và trên cơ sở phân tích nguyên lý làm việc của máy khoan đá, đã đề xuất các công thức đánh giá trạng thái bật ngược và tính toán vận tốc bật ngược của piston máy khoan đá, từ đó rút ra các kết luận sau: ① Trạng thái bật ngược và vận tốc bật ngược của piston phụ thuộc vào đặc tính của piston, mũi khoan và đá; đồng thời, các yếu tố này không tác động độc lập mà có mối liên hệ qua lại với nhau. ② Hệ số độ cứng khi dỡ tải của đá càng nhỏ thì vận tốc bật ngược càng lớn. Hệ số γ đặc trưng cho tính chất tải của máy khoan đá và đá càng nhỏ thì vận tốc bật ngược càng lớn. ④ Để đạt được hiệu suất khoan đá tương đối lý tưởng, khi thiết kế thiết bị va đập, hệ số đặc trưng γ cần được kiểm soát trong khoảng 1 ≤ γ ≤ 2.

Ngành công nghiệp đã dần hình thành một số hướng dẫn thiết kế piston:

1) Piston nên được kéo dài và giảm thiểu các thay đổi không cần thiết về mặt cắt ngang, nhằm nâng cao hiệu suất truyền năng lượng và tuổi thọ của mũi khoan.

2) Diện tích mặt đầu va đập của piston nên bằng hoặc gần bằng diện tích mặt đầu cuối của mũi khoan, đồng thời phải có một đoạn côn nhất định để đảm bảo việc truyền sóng va đập hiệu quả.

3) Hành trình đầy đủ và hành trình vượt quá giới hạn của piston đều không được làm hư hại các cấu trúc làm kín ở cả hai đầu.

4) Kích thước đệm thủy lực khi chạy không tải và chiều dài làm kín của từng đoạn piston phải được thiết kế hợp lý.

5) Việc lựa chọn vật liệu đúng là bắt buộc — vật liệu piston phải có tính năng cơ học cao, độ cứng bề mặt cao, độ dai lõi tốt và khả năng chống mài mòn cũng như chịu va đập rất tốt.

6) Khe hở lắp ghép giữa piston và thân xi-lanh cần được xác định một cách hợp lý, cân nhắc toàn diện các yếu tố như tổn thất rò rỉ và độ chính xác gia công. Thông thường, khe hở lắp ghép giữa piston và thân xi-lanh nằm trong khoảng 0,04–0,06 mm, còn khe hở lắp ghép giữa piston và ống đỡ nằm trong khoảng 0,03–0,05 mm.

(2) Nghiên cứu van phân phối

Hiện nay, phần lớn các máy đập đá thủy lực đều sử dụng hệ thống piston điều khiển bằng van phản hồi vị trí, và thực hiện chuyển động tịnh tiến piston tốc độ cao bằng cách thay đổi mô hình cấp dầu vào một buồng nhất định của thiết bị va đập. Mặc dù dạng điều khiển này tương đối đơn giản, nhưng quá trình chuyển tiếp của nó lại khá phức tạp. Trong quá trình chuyển mạch van, các thông số như thời gian, vận tốc, hành trình, lưu lượng tiêu thụ dầu… đều thay đổi theo từng giai đoạn, từ đó ảnh hưởng đáng kể đến hiệu năng của thiết bị va đập. Để giải quyết vấn đề này, Lưu Vạn Linh và cộng sự tại Đại học Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh đã tiến hành nghiên cứu chuyên sâu về đặc tính của các van điều khiển trong hệ thống va đập thủy lực dựa trên cả lý thuyết và thực nghiệm, từ đó xác định được quỹ đạo chuyển động thực tế của van thiết bị va đập đang được nghiên cứu, làm rõ quy luật chuyển động của van đổi chiều và xác định các thông số chính của van điều khiển ảnh hưởng đến hiệu năng thiết bị va đập. Kỳ Nhân Quân và cộng sự tại Đại học Trung Nam đã tiến hành phân tích lý thuyết về quá trình điều khiển van, nghiên cứu tối ưu cấu trúc và thông số van, từ đó rút ra một số kết luận có giá trị về quy luật; đồng thời, nhằm xử lý hiện tượng bão hòa vận tốc và xâm thực có thể xảy ra trong quá trình chuyển động tốc độ cao của van đổi chiều, nhóm nghiên cứu đã đề xuất các giải pháp hiệu quả như giảm khối lượng và hành trình của thân van, đồng thời tăng đường kính lối đi của dầu một cách hợp lý. Lưu Vạn Linh và Cao Lan Thanh thuộc Học viện Thép và Gang Bắc Kinh, trong bài báo 'Phân tích đặc tính động học của van đổi chiều máy đập đá thủy lực — Nghiên cứu mô phỏng và thực nghiệm', đã sử dụng ngôn ngữ lập trình BASIC để khám phá các phương pháp cải thiện đặc tính động học của van, và kết luận rằng khi khe hở mở ban đầu (zero-overlap opening) tăng lên, áp suất trong buồng sau giảm nhanh, công va đập tăng, tần số va đập giảm nhẹ và hiệu suất thiết bị va đập được nâng cao; tuy nhiên, nếu khe hở mở ban đầu quá lớn, do chiều dài vùng kín ở vai van giảm đi, hoạt động của van sẽ trở nên kém tin cậy.

(3) Nghiên cứu về bộ tích năng

Bình tích áp là một thành phần quan trọng của máy đập đá thủy lực, và cấu trúc của nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất tổng thể của máy đập đá thủy lực. Do đó, trong quá trình nghiên cứu hiệu suất của máy đập đá thủy lực, các nghiên cứu về bình tích áp cũng đã được tiến hành. Năm 1990, các học giả Nhật Bản Takauchi Yoshio, Tanimata Shu cùng cộng sự đã thực hiện nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết; dựa trên mô hình phân tích được thiết lập, họ sử dụng phương trình trạng thái để xác định công thức tính thể tích nạp khí nitơ cho bình tích áp, đồng thời kiểm chứng thực nghiệm tính đúng đắn của công thức này, từ đó cung cấp cơ sở lý thuyết cho việc thiết kế bình tích áp tối ưu. Năm 1986, ông Đoạn Tiểu Hồng thuộc Đại học Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh đã sử dụng phương pháp tham số tập trung để xây dựng mô hình động lực học của bình tích áp màng cao áp, đồng thời áp dụng cả phương pháp thực nghiệm và tính toán để phân tích đặc tính tần số của hệ thống bình tích áp, thảo luận về sự ghép nối tối ưu giữa bình tích áp và máy đập đá thủy lực, đồng thời chỉ ra rằng vùng làm việc tối ưu của thiết bị va đập là vùng mà phản ứng hài bậc hai của bình tích áp đối với sự thay đổi áp suất hệ thống chiếm ưu thế về năng lượng. Cũng vào năm 1986, Giáo sư Hà Thanh Hoa của Đại học Trung Nam đã công bố bài báo 'Dầu hồi và bình tích áp dầu hồi của cơ cấu tác động thủy lực', trong đó nêu rõ áp suất thủy lực làm việc của máy đập đá thủy lực chủ yếu phụ thuộc vào lực quán tính của các bộ phận chuyển động riêng của nó — đây là một đặc điểm nổi bật phân biệt máy đập đá thủy lực với các loại máy thủy lực thông thường, nơi áp suất thủy lực làm việc chủ yếu phụ thuộc vào tải trọng bên ngoài. Áp suất hồi (áp suất ngược) chủ yếu là áp suất thủy lực quán tính hình thành khi dầu tăng tốc trong quá trình piston hoặc van xả dầu vào đường ống dầu hồi; đồng thời bài báo cũng chỉ ra rằng do lưu lượng xả của thiết bị va đập khác với quy luật biến thiên lưu lượng dầu trong ống dầu hồi, nên khi lưu lượng dầu đi vào ống dầu hồi nhỏ hơn lưu lượng dầu đang chuyển động trong ống dầu hồi, hiện tượng xâm thực sẽ xảy ra. Để giảm áp suất hồi quán tính và loại bỏ hiện tượng xâm thực ở đường dầu hồi, bài báo đề xuất lắp đặt bình tích áp dầu hồi trên máy đập đá thủy lực, từ đó đề xuất phương pháp thiết kế thông số cho bình tích áp dầu hồi. Trong những năm gần đây, Đại học Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh đã tiến hành nghiên cứu về đặc tính ghép nối động lực học của bình tích áp máy đập đá thủy lực, biên soạn phần mềm mô phỏng HRDP và đạt được những kết quả nhất định trong các phép tính kiểm chứng nhằm xác định đặc tính ghép nối động lực học tối ưu của bình tích áp.

(4) Nghiên cứu về thiết bị ngăn chặn bắn đạn rỗng và bộ hấp thụ năng lượng phản hồi của mũi đục

Do hiện tượng phản hồi đầu đục và hiện tượng bắn rỗng không thể tránh khỏi xảy ra trong quá trình vận hành máy phá đá thủy lực, hiệu suất làm việc của bộ hấp thụ năng lượng phản hồi đầu đục và thiết bị ngăn ngừa hiện tượng bắn rỗng có ảnh hưởng lớn đến tuổi thọ của máy phá đá thủy lực. Thầy giáo Mạnh Túc Dân, trong bài báo 'Phân tích vận tốc phản hồi piston khoan đá', đã phân tích một cách hệ thống các yếu tố gây ra hiện tượng phản hồi phần đuôi đầu đục và nghiên cứu các phương pháp hấp thụ năng lượng phản hồi đầu đục. Liêu Dịch Đức thuộc Đại học Trung Nam, trong bài báo 'Nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm về thiết bị giảm chấn chống bắn rỗng cho máy khoan đá thủy lực', đã xây dựng mô hình toán học cho quá trình giảm chấn chống bắn rỗng và tiến hành nghiên cứu mô phỏng. Tiến sĩ Liêu Kiến Dũng, trong bài báo 'Lý thuyết thiết kế và thiết kế hỗ trợ bằng máy tính cho máy khoan đá thủy lực nhiều cấp', đã thực hiện mô phỏng trên máy tính và thiết kế tối ưu hóa cho các thiết bị hấp thụ năng lượng phản hồi đầu đục cũng như các thiết bị ngăn ngừa hiện tượng bắn rỗng. Lưu Đức Thuận thuộc Đại học Trung Nam, trong luận án tiến sĩ 'Nghiên cứu động lực học sóng của cơ cấu va đập', đã áp dụng lý thuyết động lực học sóng để suy dẫn các công thức tính toán vận tốc phản hồi cho từng bộ phận trong cơ cấu va đập, đồng thời chỉ ra rằng năng lượng phản hồi có thể được tận dụng thông qua thiết kế hợp lý các bộ phận trong cơ cấu va đập. Viện Nghiên cứu Máy móc Kỹ thuật Thủy lợi thuộc Đại học Trung Nam đã phát triển thiết bị giảm chấn chống bắn rỗng hai cấp, thiết bị này khai thác triệt để khả năng của bộ hấp thụ năng lượng phản hồi đầu đục — một thành tựu nghiên cứu mang tính sáng tạo.

1.5.4 Nghiên cứu về Công nghệ Điều chỉnh Tần số, Điều chỉnh Năng lượng và Điều khiển cho Máy đục đá thủy lực

Cùng với sự phát triển của công nghệ máy đục đá thủy lực, các yêu cầu mới đã được đặt ra đối với loại máy này trong thi công thực địa. Để nâng cao hiệu quả sản xuất một cách hiệu quả, yêu cầu năng lượng va đập và tần số va đập của máy đục đá thủy lực phải có thể thay đổi linh hoạt dựa trên sự thay đổi của tính chất đá. Cụ thể là, trong điều kiện tận dụng tối đa công suất lắp đặt của máy mang (carrier machine), khi đá cứng hơn, máy đục đá thủy lực sẽ tạo ra năng lượng va đập lớn hơn và tần số va đập thấp hơn; ngược lại, khi đá mềm hơn, máy sẽ tạo ra năng lượng va đập nhỏ hơn và tần số va đập cao hơn, từ đó đạt được hiệu quả sản xuất cao hơn. Để đạt được các mục tiêu nêu trên, nhiều nghiên cứu sâu rộng đã được tiến hành cả trong nước lẫn quốc tế.

Từ nghiên cứu lý thuyết về các máy đập đá thủy lực, đầu ra của chúng (năng lượng va chạm và tần số) chủ yếu có thể được điều chỉnh bằng ba phương pháp: ① điều chỉnh lưu lượng; ② điều chỉnh hành trình; ③ điều chỉnh áp suất phản hồi. Hiện nay, phần lớn các máy đập đá thủy lực trong nước và nước ngoài đều chỉ có một hành trình cố định — tức là đầu ra của chúng không thể điều chỉnh được. Tất nhiên, nếu những máy đập đá thủy lực như vậy sử dụng phương pháp điều chỉnh lưu lượng để thay đổi đầu ra thì, mặc dù về mặt lý thuyết là khả thi, nhưng trên thực tế lại không khả thi. Bởi vì sự thay đổi lưu lượng sẽ gây ra những thay đổi đồng bộ trong các thông số đầu ra của nó, do đó không thể thực hiện việc điều chỉnh độc lập.

Mặc dù một số nhà sản xuất trong và ngoài nước đã thiết kế và sản xuất các máy đập đá thủy lực có thể điều chỉnh hành trình, nhưng do chúng sử dụng cơ cấu điều chỉnh bậc thang cứng nhắc nên rất bất tiện khi vận hành và hiệu quả thấp, dẫn đến không được người dùng ưa chuộng. Đối với phương pháp phân phối phản hồi hành trình về vị trí trở về, các thông số làm việc đầu ra của thiết bị chủ yếu được điều chỉnh bằng cách thay đổi lưu lượng đầu vào của hệ thống hoặc thêm nhiều lỗ tín hiệu phản hồi hành trình trở về, sau đó kiểm soát trạng thái đóng/mở của từng lỗ tín hiệu để điều chỉnh hành trình piston, từ đó thay đổi năng lượng va đập và tần số va đập của máy đập đá thủy lực. Ví dụ điển hình là máy khoan đá thủy lực ba tốc độ của Atlas-Copco sản xuất tại Thụy Điển. Các dòng máy đập đá thủy lực tự động chuyển số YYG của Đại học Trung Nam — do bị giới hạn bởi kết cấu, nguyên lý này chỉ có thể thực hiện điều chỉnh bậc thang đối với các thông số làm việc của máy đập đá thủy lực; hơn nữa, vì áp suất và lưu lượng của hệ thống va đập có quan hệ tỷ lệ thuận với bình phương của nhau, nên việc đồng thời tăng cả năng lượng va đập và tần số va đập sẽ gây ra sự thay đổi rất lớn về công suất của máy mang (máy chủ), từ đó hạn chế khả năng mở rộng phạm vi làm việc và hiệu suất làm việc của máy đập đá thủy lực. Giáo sư Takashi Takahashi của Đại học Akita (Nhật Bản) trong một bài báo đã mô tả việc điều chỉnh vị trí cổng tín hiệu hành trình trở về nhằm đạt được mục đích thay đổi hành trình piston của máy đập đá thủy lực. Kết quả thí nghiệm chứng minh rằng khi hành trình piston tăng lên 10%, mặc dù tần số va đập giảm 8%, nhưng năng lượng va đập lại tăng 12%, nhờ đó nâng cao hiệu suất làm việc và cung cấp cơ sở lý luận cũng như bằng chứng thực nghiệm cho việc thiết kế các máy đập đá thủy lực có thể điều chỉnh hành trình. Thầy Hà Thanh Hoa của Đại học Trung Nam trong công trình 'Nghiên cứu về các máy tác động thủy lực có thể điều chỉnh hành trình' đã so sánh một số phương pháp chuyển số khác nhau và phân tích lý thuyết mối quan hệ giữa các thông số làm việc khác nhau của các thiết bị tác động thủy lực có thể điều chỉnh hành trình với hành trình chuyển số; kết quả nghiên cứu có ý nghĩa định hướng rõ ràng đối với việc thiết kế và vận hành các máy đập đá thủy lực có chức năng chuyển số. Cuốn sách này đề xuất khái niệm điều chỉnh độc lập và vô cấp các thông số làm việc dựa trên nguyên lý phản hồi áp suất, đồng thời đã ra mắt sản phẩm máy đập đá thủy lực mới theo hướng tiếp cận này. Thiết bị chủ yếu điều chỉnh năng lượng va đập đơn lẻ của cơ cấu tác động bằng cách kiểm soát mức độ áp suất trở về của piston; đồng thời, thông qua việc điều khiển lưu lượng bơm biến thiên, thiết bị điều chỉnh vô cấp tần số va đập của cơ cấu tác động, nhờ đó cả năng lượng va đập và tần số va đập đều có thể được điều chỉnh độc lập và vô cấp trong một phạm vi tương đối rộng, trong khi sự thay đổi công suất của máy mang là rất nhỏ. Về mặt nghiên cứu lý thuyết, thiết kế kết cấu và phương pháp điều khiển đối với loại máy tác động thủy lực mới này, các tác giả đã tiến hành nghiên cứu các thiết bị tác động thủy lực có khả năng điều chỉnh độc lập và vô cấp năng lượng va đập và tần số va đập. Tiến sĩ Triệu Hồng Cường trong luận án tiến sĩ 'Nghiên cứu về máy nghiền đá thủy lực kiểu mới có khả năng điều chỉnh độc lập và vô cấp' đã phá vỡ phương pháp điều khiển phản hồi hành trình truyền thống của máy đập đá thủy lực, áp dụng phương pháp phản hồi áp suất và điều khiển lưu lượng bơm biến thiên, từ đó thực hiện thành công điều khiển điều chỉnh độc lập và vô cấp năng lượng va đập và tần số va đập của máy đập đá thủy lực. Đinh Văn Tư trong luận án tiến sĩ của mình, sử dụng áp suất nitơ ở phần đuôi máy nghiền làm biến số điều khiển, đã tiến hành nghiên cứu sâu rộng đối với các máy nghiền kiểu phân phối cưỡng bức được điều khiển bởi van chuyển mạch tốc độ cao, từ đó thực hiện thành công việc điều chỉnh độc lập tần số và năng lượng của máy nghiền. Trương Tân trong công trình 'Nghiên cứu về hệ thống thiết bị tác động thủy lực phản hồi áp suất kiểu mới tích hợp cơ – điện' đã sử dụng vi điều khiển điều khiển các van chuyển mạch tốc độ cao nhằm thực hiện điều khiển máy tính vi mô đối với thiết bị tác động. Dương Quốc Bình trong luận án tiến sĩ 'Nghiên cứu về thiết bị tác động thủy lực điều chỉnh tần số và năng lượng độc lập, vô cấp hoàn toàn bằng thủy lực' đã đề xuất một thiết bị tác động thông minh sử dụng sơ đồ điều khiển hoàn toàn bằng thủy lực, có khả năng thực hiện điều chỉnh vô cấp năng lượng va đập và tần số va đập của máy đập đá thủy lực thông qua cần gạt van phân phối kiểu điều khiển tiên đạo.

1.5.5 Hiện trạng nghiên cứu công nghệ mô phỏng máy đập đá thủy lực

Từ góc độ thiết kế và phát triển sản phẩm, việc nghiên cứu đặc tính động học của các cơ cấu nên được thực hiện tốt nhất trong giai đoạn phát triển và thiết kế sản phẩm. Việc mô phỏng đáp ứng động của các hệ thống điều khiển thủy lực luôn là một lĩnh vực được ngành thủy lực nghiên cứu liên tục và cũng là phương pháp phổ biến để nghiên cứu đặc tính đáp ứng động của các hệ thống điều khiển.

Phương pháp làm việc đặc biệt của máy đập đá thủy lực xác định rằng phân tích và kiểm tra mô phỏng động lực học phải là tiền đề cơ bản cho thiết kế lý thuyết và phát triển cơ cấu. Sau khi máy tính xuất hiện, rào cản phụ thuộc duy nhất vào việc thử nghiệm sản phẩm để thu được kết quả chính xác hoặc đáng tin cậy về hiệu năng chuyển động của cơ cấu đã được khắc phục. Các nhà nghiên cứu bắt đầu sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để xây dựng các mô hình toán học mô tả dao động và va đập thủy lực, phân tích quá trình thay đổi các thông số của máy đập đá thủy lực thông qua công nghệ mô phỏng, đồng thời áp dụng công nghệ mẫu nguyên mẫu ảo để mô phỏng các quá trình chuyển động của máy va đập. Sau khi kết quả thiết kế được xác định, chuyển động của cơ cấu có thể được hiểu rõ ràng và các thông số hiệu năng liên quan có thể được tính toán, từ đó mở ra một hướng đi hiệu quả nhằm rút ngắn chu kỳ phát triển sản phẩm mới, tối ưu hóa thiết kế và thực hiện phân tích hiệu năng động lực học.

Vào những năm 1960 và 1970, các học giả nước ngoài bắt đầu áp dụng máy tính kỹ thuật số vào công tác mô phỏng máy va đập. Các nghiên cứu này lấy áp suất buồng trước và buồng sau làm biến số, tính toán lưu lượng chất lỏng đi vào và ra khỏi mỗi cổng, hiệu chỉnh bằng hệ số lưu lượng; sau đó áp dụng phương trình trạng thái khí và phương trình cân bằng năng lượng để thiết lập các phương trình vi phân nhỏ mô tả sự thay đổi trạng thái của bình tích năng và pít-tông; sau khi thực hiện một số xử lý gần đúng đối với chuyển động van, sử dụng phương pháp sai phân hữu hạn để giải nghiệm số. Kết quả mô phỏng, đặc biệt là các thông số hiệu suất, rất gần với giá trị đo được, đạt được kết quả khả quan. Tại Nhật Bản, các nhà nghiên cứu chú trọng hơn vào việc xây dựng các mô hình máy tính cho các máy phá đá thủy lực cụ thể nhằm phục vụ nghiên cứu, đồng thời đưa các thông số thu được từ thí nghiệm vào mô phỏng để tối ưu hóa các thông số cấu trúc, các thông số va đập cũng như hiệu suất của máy phá đá thủy lực, từ đó xác định được diện tích tối ưu của cổng xả dầu về bể, thể tích nạp tối ưu của bình tích năng và diện tích chịu áp suất của buồng sau tương ứng với máy phá đá thủy lực cụ thể đó. Trong quá trình tiến hành mô phỏng, các nhà nghiên cứu Nhật Bản đặc biệt chú trọng so sánh kết quả mô phỏng với kết quả thử nghiệm thực tế và hiệu chỉnh các mô hình máy tính dựa trên dữ liệu thử nghiệm. Công ty Sandvik, sau khi xem xét ảnh hưởng của hình dạng pít-tông va đập đến phương thức truyền năng lượng, cũng đã thiết kế và phát triển một chương trình mô phỏng máy tính trong lĩnh vực này. Bằng chương trình này: ① có thể mô phỏng quá trình truyền năng lượng của từng bộ phận trong hệ thống va đập; ② có thể mô phỏng các thiết kế khác nhau của từng thành phần trong hệ thống; ③ dưới các điều kiện khác nhau về vật thể bị va đập, có thể mô phỏng ảnh hưởng của các thiết kế khác nhau lên quá trình truyền năng lượng. Chương trình mô phỏng máy tính của Sandvik không chỉ đảm bảo sản xuất ra các sản phẩm tối ưu mà còn có thể đo lường và hiểu rõ khả năng ảnh hưởng của tất cả các thông số lên hệ thống va đập cũng như tác động của việc thay đổi một số thông số nhất định đến hiệu suất, đồng thời cung cấp cho người dùng một công cụ tính toán thực tiễn và hiệu quả.

Sau những năm 1980, nghiên cứu trong nước về công nghệ mô phỏng và các ứng dụng của nó cũng bắt đầu được triển khai. Các học giả Trung Quốc như Điền Thúc Quân, Trần Dư Phàm và những người khác đã lần lượt xây dựng các mô hình toán học bằng các phương pháp riêng của mình. Điền Thúc Quân cùng cộng sự đã áp dụng đồ thị liên kết công suất — một công nghệ mô hình hóa động lực học tiên tiến — kết hợp với các phương pháp phân tích không gian trạng thái, chủ yếu thực hiện nghiên cứu phần mềm mô phỏng động lực học cho máy đục đá thủy lực điều khiển bằng van trượt. Nghiên cứu này đã khám phá việc xây dựng mô hình và lập trình mô phỏng động lực học cho máy đục đá thủy lực, cung cấp một phương pháp và cách tiếp cận cho nhiều lập trình viên mô phỏng sau này; ví dụ như Giáo sư Chu Chí Hồng của Đại học Khoa học và Công nghệ Bắc Kinh, người đã hướng dẫn các sinh viên Nghiêm Dũng và cộng sự sử dụng đồ thị liên kết công suất để thiết lập các phương trình động lực học cho một số loại piston máy đục đá thủy lực, van phân phối và từng phương trình dòng chảy thủy lực cũng như các phương trình trạng thái khí; sau đó biên soạn các chương trình mô phỏng bằng ngôn ngữ máy tính nhằm phân tích các quá trình thay đổi trạng thái chính như áp suất buồng trước và buồng sau, lưu lượng, độ dịch chuyển và vận tốc của piston máy đục đá thủy lực, từ đó tạo nền tảng cho các nghiên cứu sâu hơn về ảnh hưởng của việc thay đổi thông số máy đục đá thủy lực đến hiệu năng của nó. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ máy tính và phần mềm, các phần mềm Matlab và AMEsim đã được áp dụng vào việc mô hình hóa và mô phỏng hệ thống máy đục đá thủy lực, cung cấp cơ sở lý thuyết nhằm rút ngắn chu kỳ nghiên cứu và phát triển cũng như nâng cao chất lượng thiết kế cho các mẫu mới.

1.5.6 Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm

Thực nghiệm là phương tiện cơ bản mà con người sử dụng để nhận thức tự nhiên và cải tạo thế giới khách quan — khái quát và trừu tượng hóa các hiện tượng quan sát được cũng như dữ liệu đo đạc thông qua thực nghiệm, tìm ra các mối liên hệ và quy luật nội tại, từ đó hình thành lý thuyết. Thực nghiệm là nguồn gốc của lý thuyết; thực nghiệm là tiêu chuẩn duy nhất để kiểm chứng lý thuyết.

Các thông số hiệu suất va đập của máy phá đá thủy lực là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá trình độ thiết kế, chế tạo và chất lượng của thiết bị. Các thông số chính đều có thể được đo lường thông qua các phương pháp thực nghiệm, và kết quả được biểu diễn dưới dạng số liệu, đồ thị hoặc biểu đồ. Việc kiểm chứng hiệu suất chủ yếu tập trung vào việc đo năng lượng va đập, tần số va đập, áp suất hệ thống và lưu lượng. Hiện nay chưa có tiêu chuẩn thí nghiệm quốc tế thống nhất cho các phương pháp đo các thông số này. Các phương pháp thử nghiệm hiệu suất va đập của máy phá đá thủy lực đang được sử dụng phổ biến bao gồm: phương pháp sóng ứng suất, phương pháp vi phân chuyển vị quang-điện, phương pháp cảm ứng điện từ, phương pháp tiếp xúc, chụp ảnh tốc độ cao, phương pháp đồ thị chỉ thị và phương pháp năng lượng, v.v.

Phương pháp sóng ứng suất là một phương pháp đo năng lượng va chạm bằng cách đo sóng ứng suất phát sinh trên mũi đục khi piston va chạm tác động lên mũi đục. Phương pháp quang điện dựa trên nguyên lý chuyển đổi quang-điện; thông qua cảm biến quang điện, lấy vị trí của piston va chạm làm đại lượng đo trực tiếp để xác định độ dịch chuyển chuyển động của piston, từ đó tính toán thêm các thông số hiệu suất của thiết bị va chạm. Là một phương pháp kiểm tra không tiếp xúc, phương pháp quang điện rất phù hợp với các máy va chạm như máy phá đá thủy lực, vốn có hành trình piston dài, đường kính lớn và vận tốc cao. Phương pháp cảm ứng điện từ sử dụng hệ thống cảm biến cảm ứng điện từ gồm một thanh nam châm lắp trên piston va chạm và một cuộn dây xoắn ốc lắp trên thân máy; dựa trên sức điện động cảm ứng sinh ra khi cuộn dây cắt các đường sức từ trong quá trình thanh nam châm di chuyển tịnh tiến qua lại cùng piston, từ đó xác định vận tốc chuyển động của piston theo mối quan hệ hiệu chuẩn giữa sức điện động và vận tốc va chạm, và từ đó tính toán năng lượng va chạm của piston.

Phương pháp tiếp xúc là một phương pháp tính toán năng lượng va chạm bằng cách sử dụng vận tốc cuối cùng của piston khi nó va chạm vào vật bị tác động. Trong kiểm tra hiệu suất máy đập đá, bốn phương pháp nêu trên tương đối phổ biến; các phương pháp khác, do độ phức tạp trong thao tác và chi phí cao, hoặc do không phản ánh đầy đủ trạng thái chuyển động của piston, hiếm khi được áp dụng trong thực tế.

Cần nhấn mạnh rằng phương pháp sóng ứng suất nêu trên chỉ phù hợp để kiểm tra các thiết bị va đập có năng lượng va đập tương đối nhỏ, chẳng hạn như máy khoan đá thủy lực và các dụng cụ khí nén, và gặp khó khăn hơn nhiều khi kiểm tra các máy phá đá thủy lực có năng lượng va đập lớn. Năng lực kiểm tra của các đơn vị nghiên cứu chuyên biệt về sóng ứng suất thường không lớn và không thể thực hiện kiểm tra đối với các máy phá đá thủy lực cỡ lớn; đồng thời, tiếng ồn và rung động phát sinh từ việc kiểm tra trong phòng cũng không thể chấp nhận được. Còn đối với phương pháp tiếp xúc, mặc dù dễ lắp đặt nhưng kết quả không đủ độ chính xác và do đó không thể phổ biến rộng rãi. Duy nhất phương pháp cảm ứng điện từ dùng để kiểm tra máy phá đá thủy lực được đánh giá là toàn diện trên mọi phương diện: vừa có thể áp dụng cho máy khoan đá thủy lực có năng lượng va đập nhỏ, vừa có thể sử dụng cho máy phá đá thủy lực cỡ lớn có năng lượng va đập cao; phương pháp này đo trực tiếp đường cong vận tốc chuyển động của piston, từ đó suy ra được độ dịch chuyển và gia tốc của piston — điều rất hữu ích đối với những người nghiên cứu mô hình chuyển động của piston. Nhược điểm duy nhất là thanh nam châm dễ bị hư hỏng dưới tác động của rung động piston tần số cao.

Tiến sĩ Đinh Văn Tư của Đại học Trung Nam, trong luận án tiến sĩ mang tên 'Nghiên cứu về hệ thống máy nghiền đá thủy lực tích hợp cơ – điện kiểu mới sử dụng phản hồi áp suất và khí nitơ nổ', đã đề xuất một phương pháp mới để kiểm tra các thông số đầu ra của thiết bị va đập — phương pháp đo áp suất khí. Phương pháp này sử dụng cảm biến áp suất để phát hiện sự thay đổi áp suất trong buồng nitơ kín được lắp đặt ở phần đuôi của pít-tông trong quá trình pít-tông chuyển động; sau đó, thông qua máy tính xác định hành trình và vận tốc chuyển động của pít-tông, từ đó thu được hai thông số đầu ra quan trọng của thiết bị va đập — năng lượng va đập và tần số va đập. So với các phương pháp kiểm tra truyền thống, phương pháp đo áp suất khí không tiếp xúc này có những ưu điểm như khả năng chống rung mạnh, khối lượng công việc chuẩn bị tối thiểu, khả năng đo đồng thời năng lượng và tần số va đập, hiệu chuẩn thuận tiện, sai số các thông số va đập nhỏ và độ chính xác cao. Phương pháp này không chỉ có thể được sử dụng làm phương pháp đo lường và nhận dạng sản phẩm trong phòng thí nghiệm, mà còn có thể dễ dàng áp dụng cho kiểm tra trực tuyến trong thực tế sản xuất. Hiện nay, phương pháp này đã được ứng dụng trong chương trình thử nghiệm thủy lực của Công ty Kinh Nghiệp và được đưa vào tiêu chuẩn ngành 'Máy phá đá thủy lực'.

1.5.7 Nghiên cứu về rung động, tiếng ồn và điều khiển

Ngoài năng lượng va chạm, tần số va chạm và khối lượng, các chỉ tiêu đo lường hiệu suất của máy va chạm thủy lực còn bao gồm độ ồn, rung động thân máy và tỷ lệ sử dụng năng lượng — đây đều là những yếu tố quan trọng để đánh giá hiệu suất tổng thể. Khi nhận thức về môi trường ngày càng gia tăng, các nước phát triển đã áp dụng những quy định ngày càng nghiêm ngặt hơn đối với độ ồn của thiết bị. Để thích ứng với nhu cầu thị trường, độ ồn và rung động của máy va chạm thủy lực, cũng như kiểm soát bụi, đang dần trở thành những chỉ tiêu quan trọng trong cạnh tranh kinh doanh; công nghệ kiểm soát các yếu tố này hiện nay là một chủ đề nghiên cứu trọng điểm. Các nhà khoa học từ nhiều quốc gia tiến hành nghiên cứu từ hai khía cạnh cấu trúc và vật liệu; về mặt cấu trúc, người ta áp dụng các biện pháp như lắp lớp lót ống bên trong, thiết bị giảm thanh hoặc kẹp các tấm thép chống rung ở giữa nhằm kiểm soát rung động và độ ồn. Công ty Krupp đã trang bị vật liệu hút âm cho toàn bộ các sản phẩm cỡ trung bình và nhỏ của mình. Công ty Rammer lắp đặt bơm nước áp lực cao và vòi phun phun sương trên các sản phẩm mới phát triển nhằm đạt được hiệu quả giảm bụi. Ngoài ra, việc ứng dụng công nghệ cảm biến để thực hiện định vị chính xác máy đục đá thủy lực, khoan lỗ tự động, dừng đục và thu hồi đục tự động, cũng như điều chỉnh tự động năng lượng va chạm và tần số va chạm dựa trên đối tượng làm việc, v.v.