基于AMEsim液壓破碎錘結構的優化分析*

□ 曾 鵬 □ 易建鋼 □ 沈永來

1.江漢大學 數學與計算機科學學院 武漢 430056

2.江漢大學 機電與建筑工程學院 武漢 430056

3.湖北三江航天紅峰控制有限公司 湖北孝感 432000

液壓破碎錘是一種以液體傳遞壓力為動力的破碎沖擊器［1］，若變換釬桿，亦可用于除銹、振搗和打樁等特定工作，因而被廣泛應用于高鐵建設、開山碎石、道路整修、礦石開采、房屋拆遷等各行各業。近十年來，中國液壓破碎錘市場發展迅猛，而國內擁有自主研發能力的企業極少，對液壓破碎錘進行專研的人員不多，國產產品與世界先進產品之間存在著較大的差距。而對于液壓破碎錘液壓系統仿真研究，國內有一些學者主要是采用鍵合圖方法進行分析，為系統優化設計提供了合理的建議。AMEsim是一款基于鍵合圖的機電液系統建模與仿真分析軟件，已成為熱、磁、機械、電工電子、流體傳動與控制等各種領域復雜系統的建模仿真平臺，可以進行非常直觀的各類圖形用戶界面仿真。本文簡要介紹液壓破碎錘液壓系統的基礎，建立了液壓系統的AMESim仿真模型，分析了其活塞工作性能仿真曲線，進行了不同參數變化引起的仿真結果對比分析，從而得出了一些提高系統破碎性能的優化建議。

1 液壓破碎錘結構與基本工作原理

現用的破碎錘基本上都是氣液聯動式的，與傳統的純液式破碎錘相比，氣液聯合作用式液壓破碎錘具有結構合理緊湊，沖程打擊力大且壓力脈動較小的特點，其工作原理示意如圖1所示。

圖1 氣液聯合作用式液壓破碎錘的工作原理示意圖

氣液聯合作用式液壓破碎錘的主要工作系統可以分4部分組成：氮氣室、釬桿、液壓換向閥和油缸［2］。氮氣室的作用是在回程時儲存大量的能量，然后在沖程時釋放出來，給活塞一個向下的沖擊推動力；釬桿則是系統的工作機構，其功能是與活塞發生沖擊碰撞后，將沖擊能直接用來破碎物體。整套系統的核心液壓元件由換向閥和液壓缸組成，液壓系統通過行程反饋方式控制換向閥的油路通斷情況，從而達到改變活塞運動方向的目的。活塞在液壓缸中作往復直線運動，不停地壓縮氮氣室和沖擊釬桿，是整套系統中最重要的執行元件，其運動規律及整套系統的工作過程分析如下。

1.1 活塞回程階段

當系統處于圖1中（a）所示的狀態時，高壓油通過管道分別進入活塞的下腔①和液壓換向閥的上端腔⑧，腔⑧的高壓油將整個換向閥壓在其行程的最下端。連接低壓油的管道一部分與活塞的中部腔室相通，另一部分則通過換向閥的腔室⑦與活塞的上腔④相連。此時油液向上的合力大于活塞向上運動時所受到的阻力（活塞重力和氮氣室的壓力等），活塞一直朝著氮氣室的方向運動。

1.2 閥換向階段

當系統達到圖1中（b）所處的狀態時，行程反饋腔室②逐漸接通高壓油，高壓油經管道進入到換向閥的下端腔⑥，此時換向閥的上下兩端腔室⑧和⑥均已連通系統中的高壓油，由于閥的下軸肩比上軸肩的面積大，其下端所受的液壓力大于上端，換向閥受到油液向上的合力大于其本身的重力等阻力，閥芯向上運動，達到其行程的最上端時，完成主油路的快速換向工作。

1.3 活塞制動階段

當換向閥完成換向工作后，系統達到圖1中（c）所示的狀態，換向閥切斷低壓管道與活塞上腔④油路的連接，腔④轉而經腔⑧與進口高壓油直接相通。此時活塞的上下兩端腔④和①均已連通等壓的高壓油，而活塞上軸肩的面積大于下軸肩，液壓合力向下，在尾部氮氣膨脹推力、系統液壓合力和活塞自身重力等阻力的作用下，活塞快速制動，速度很快降為零。

1.4 沖程階段

活塞的速度降為零后，在氮氣室膨脹推力、系統液壓合力和活塞自身重力等推力的作用下，活塞開始向下運動，另一方面，活塞上下軸肩的面積不一樣，而且同時通入了高壓油，因此也會產生差動連接效應，活塞保持著加速狀態向釬桿方向作直線運動。

1.5 打擊階段

當活塞運動到圖1中（d）的運動狀態時，行程反饋腔室②與活塞的中部腔室相連，而中部腔室又由腔③與低壓油相通，因此換向閥下端的高壓油壓力降低，換向閥受到的合力再次向下，閥進入換向階段。與此同時，活塞向下的速度已達到最大，并與釬桿發生沖擊碰撞。閥芯換向，沖擊碰撞后，系統完成一個循環，再次進入回程階段。

2 AMEsim模型建立

2.1 AMESim簡介

AMESim （Advanced Modeling Environment for Simulation of Engineering System）是法國IMAGINE公司開發的工程系統仿真軟件,為多學科領域復雜系統提供建模仿真解決方案［3］。AMESim可以通過直接的物理方法將不同的領域模塊連接在一起，避免了各種程序代碼的編寫，因其采用工程技術語言，可以進行非常直觀的各類圖形用戶界面仿真，也使它成為眾多領域的系統建模與仿真的標準環境。AMESim為用戶提供了批處理、穩態、間斷、動態等多種仿真模式，同時擁有頻譜圖、Bode圖、活性指數等齊全的分析工具，考慮到每個人的專長和習慣都大不一樣，AMESim也擁有元件、方塊圖、基本元素和數學方程等建模方式，用戶可自行選擇或綜合運用。因此，用戶可以更加專注于工程系統本身的設計，而不必消耗過多的精力于繁瑣的數學建模當中。

2.2 仿真模型的搭建

以氣液聯動的工作原理為依據，為了更加直觀地分析液壓破碎錘的工作性能，本次搭建的仿真模型與圖1保持了高度的一致性。由于AMESim應用庫中的子元件模型有限，有些元件與實際系統中的部件并不完全相同，在認真考慮了該液壓破碎錘各部件的功能后，本文作了一定的簡化處理，但主要的元件都得到了保留，即使替換也是按等效原則進行的，并未改變系統的特性。

通過模擬釬桿與不同的破碎對象，設定活塞質量、活塞最大位移、活塞上腔、氮氣室、閥芯質量和極限位移，可以分析液壓破碎錘的工作特性。

系統的初始狀態設定為：釬桿位于上極限位置，活塞與釬桿的打擊面接觸。定量泵開始提供液壓油，油液進入液壓破碎錘后，閥心左移 （模擬現實情況中的下移），在高壓油的作用下，閥芯達到左極限位置，靜止不動。而泵提供的另一部分高壓油，則經管道到達活塞的下腔。此時其閥口關閉，在高壓油的作用下，活塞豎直向上運動，氮氣室體積壓縮。當活塞上移到反饋口的位置時，高壓油進入閥芯中，閥芯在合力的作用下右移（模擬現實情況中的上移），達到右極限位置，靜止不動。當活塞與釬桿完成打擊工作后，活塞反彈，進入下一個工作循環的回程階段。

3 仿真結果與分析

從液壓破碎錘的圖紙中獲取結構尺寸及其它主要技術參數，設置好模型進行仿真時的參數，從而保證了仿真參數的適用性。為了能夠清晰地反映出液壓破碎錘系統的工作特性，又不至于出現仿真時間過長或非正常狀態，本次仿真采用的最小步長為10-5s，仿真時長0.5 s。最終得出活塞位移與時間仿真曲線、速度與時間仿真曲線如圖2和圖3所示。

圖2 位移與時間曲線

圖3 速度與時間曲線

在不改變其它參數的情況下，將反饋口的位置進行上、下2 mm的微小調動，記錄下一個在0.5 s內液壓破碎錘的沖擊速度平均值，取12組反饋口位置數據,將它們的繪成如圖4所示。

圖4 速度與反饋口位置曲線

圖4所示曲線可近似看作一條遞增曲線，隨著反饋口位置參數變大，沖擊速度也隨之變大。但是，隨著反饋口位置參數的變大，破碎錘沖擊的頻率反而變小，如圖5所示。

圖5 頻率與反饋口位置曲線

由于液壓破碎錘的沖擊性能主要由沖擊速度以及沖擊頻率來決定，由圖（4）、（5）可進行最優的沖擊性能分析。

4 結束語

針對工程中常用的液壓破碎錘，基于AMESim仿真環境，建立了液壓破碎錘系統完整的仿真模型，通過仿真結果表明，反饋口位置對液壓破碎錘沖擊能的是存在影響的。根據仿真結果可以為優化液壓破碎錘的結構，提高沖擊能提高一定的參考，使之達到理想的破碎效果。

［1］ 羅生梅，張宏林，斯建剛，等.液壓沖擊器配流閥設計方案的研究［J］.新技術新工藝，2009（3）：68-70.

［2］ 范思源.液壓破碎錘計算機仿真與實驗研究［D］.上海：上海交通大學，2008.

［3］ 付永領，祁曉野.AMESim系統建模和仿真——從入門到精通［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2006.

［4］ 付永領，齊海濤.LMS Imagine.Lab AMESim系統建模和仿真實例教程［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2011.