基于氮氣室的液壓沖擊器理論分析與實驗研究

彭峰，高貴軍

(1.太原理工大學(xué)機械工程學(xué)院，山西太原 030024;2.山西省礦山流體工程實驗室 (研究中心)，山西太原 030024)

與氣動沖擊器相比，液壓沖擊器的破碎能力得到了成倍的提高，其能量利用率也由氣動沖擊器的15%提高到了40% ～50%，噪聲降低了10～15 dB。而且由于液壓系統(tǒng)是密封的，液壓油既是驅(qū)動介質(zhì)，又是潤滑劑，工作零件的磨損大大減少，提高了設(shè)備的使用壽命，同時也降低了維護成本;不再需要額外的空壓機操作人員和風(fēng)鎬工，降低了人員開支費用，有著巨大的經(jīng)濟效益，因此對其進行研究分析，具有理論價值和應(yīng)用價值。

對于液壓沖擊器，其研究模型分為線性模型和非線性模型，李大詒［1］研究了“滿足蓄能器容積變化最小時，能量利用率最高，瞬時流量接近最小值”的最優(yōu)行程設(shè)計;楊襄璧［2］以沖程時間比?=T1/T(T1為沖程時間，T為活塞運動周期)作為抽象設(shè)計變量，推導(dǎo)了液壓沖擊器結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)的全套設(shè)計公式，并得出了不同優(yōu)化目標(biāo)的?值;陳定遠［3］以?=S/Sm(S為計算行程，Sm為最大行程)作為設(shè)計變量，對等加速無阻尼數(shù)學(xué)模型的液壓沖擊器參數(shù)進行了量綱一分析和推導(dǎo)，得出最佳效率區(qū)為C=0.75～0.85［3］。在傳統(tǒng)的液壓沖擊器的研究當(dāng)中，液壓沖擊器的運動是通過系統(tǒng)壓力進行驅(qū)動的，忽略了氮氣室的作用，活塞的運動可簡化為勻加速運動，而增加了氮氣室后，氮氣室在回程時對活塞有緩沖作用，在沖擊時對活塞的沖擊能有輔助作用，因而，增加了氮氣室后，活塞的運動變?yōu)樽兗铀龠\動，活塞的時間速度曲線由直線型變?yōu)榍€型，增加了活塞運動的復(fù)雜性。

1 理論研究

1.1 活塞運動特性研究

當(dāng)液壓沖擊器在運動時，通過換向閥的作用，從而實現(xiàn)活塞運動的換向，使液壓沖擊器能夠反復(fù)進行沖擊運動，實現(xiàn)對目標(biāo)物件的破碎。通過一次回程，一次沖程，液壓沖擊器完成了一個運動周期。圖1是液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)原理［4］簡圖。

圖1 液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)原理簡圖

1.1.1 回程運動

當(dāng)活塞進行回程運動時，其前腔保持常高壓，活塞桿后端向氮氣室行進，此時，高壓油作用于活塞桿前端的力大于氮氣室作用于活塞桿后端面的力，活塞先做加速度逐漸減小的加速運動，活塞速度由0變?yōu)樽畲?當(dāng)高壓油作用于活塞桿前端的力小于氮氣室作用于活塞桿后端面的力時，活塞做加速度逐漸增加的減速運動，直至速度變?yōu)?。至此，活塞完成一個回程運動。在活塞回程過程中，考慮到活塞與缸壁的摩擦阻力，忽略氮氣室溫度變化的影響，穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)液動力的影響，建立回程數(shù)學(xué)模型如下:

根據(jù)熱力學(xué)方程可得nrT=k(常數(shù))，聯(lián)立式(1)、(2)、(3)得到二階微分方程:

1.1.2 沖程運動

當(dāng)沖擊活塞從末端由零速度向前沖擊時，此時活塞受到氮氣室的作用力，還受到活塞前、后端面的壓力，在這3個力的作用下，活塞在整個沖擊行程中做加速度逐漸減小的加速運動，當(dāng)活塞運動到末端時，活塞具有的沖擊能將傳遞給鉆桿，從而使鉆桿具有沖擊能，實現(xiàn)對目標(biāo)物的沖擊破碎。在活塞沖擊過程中，考慮到活塞與缸壁的摩擦阻力，忽略氮氣室溫度變化的影響，穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)液動力的影響，建立沖擊數(shù)學(xué)模型［5－8］如下:

聯(lián)立式 (2)、(7)、(8)、(9)解得二階微分方程:

設(shè)活塞進行一次沖程、回程運動為一個周期，所用的時間用T表示，沖程運動所用的時間為T1，則回程所用時間比滿足如下關(guān)系式:

式中:x為活塞回程的位移 (m)，初始位置時的位移為0;

M為活塞質(zhì)量，kg;

F0為活塞與缸壁的摩擦力，N;

V0為當(dāng)活塞在回程初始狀態(tài)時氮氣室的體積，m3;

V'0為當(dāng)活塞在沖擊初始狀態(tài)時氮氣室的體積，m3;

p0為當(dāng)活塞在回程初始狀態(tài)時氮氣室的壓力，Pa;

p'0為當(dāng)活塞在沖擊初始狀態(tài)時氮氣室的壓力，Pa;

p為液壓系統(tǒng)的壓力，Pa;

f(x)為活塞運動時的速度時間函數(shù);

A1為活塞前端面的面積，m2;

A2為活塞后端面的面積，m2;

A3為活塞桿后端面的面積，m2;

p(x)為活塞位移為x時，氮氣室與之相對應(yīng)的壓力，N/m2;

V(x)為活塞位移為x時，氮氣室與之相對應(yīng)的體積，m3。

1.2 液壓沖擊器性能參數(shù)的確定

對于液壓沖擊器來說，沖擊能E、沖擊頻率f、沖擊末速度vm是其重要的基本參數(shù)。文中通過構(gòu)建液壓沖擊器活塞的速度時間目標(biāo)函數(shù)，確定部分目標(biāo)性能參數(shù)，經(jīng)運算后，從而可以確定其余的性能參數(shù)［9－11］，通過這種參數(shù)的設(shè)計方法，可以將機器的性能參數(shù)與運動參數(shù)聯(lián)系起來，從而可以在一定程度上指導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定。圖2為活塞運動速度時間曲線示意圖。

圖2 活塞運動速度時間曲線示意圖

對于以上活塞運動速度曲線示意圖，由于目標(biāo)函數(shù)f1(x)、f2(x)在以上文中代入?yún)?shù)可求解得出，根據(jù)物理意義及活塞的運動速度時間曲線示意圖，可以得出式 (12)、(13)、(14):

對于液壓沖擊器的參數(shù)α、T、S、vm，根據(jù)設(shè)計目標(biāo)要求，可以事先確定其中的一個參數(shù)，其余的參數(shù)最后通過式 (12)、(13)、(14)求解得出，從而可以確定液壓沖擊器沖擊能E、沖擊頻率f等相關(guān)性能參數(shù)。

2 實驗研究

首先確定液壓沖擊器的目標(biāo)參數(shù)，沖擊能為50 J，沖擊頻率為5.3 Hz，質(zhì)量為2.4 kg。利用 Matlab軟件處理上述公式［12］，對帶氮氣室的液壓沖擊器運動情況進行仿真，得到其變化規(guī)律。經(jīng)分析得到?jīng)_擊末速度約為6.44 m/s，沖程時間比約為0.391。在實驗過程中對沖擊末速度與沖、回程時間進行統(tǒng)計，最后得出沖擊末速度為6.37 m/s，沖程時間比約為0.387。液壓沖擊末速度的仿真與實驗測得數(shù)據(jù)誤差為1.1%，沖程時間比的誤差為1%。可見上述數(shù)學(xué)模型具有一定的準確性。同時，通過對整個運動過程的分析研究，對液壓沖擊器設(shè)計方案的改進具有一定的指導(dǎo)作用。

3 結(jié)論

(1)建立了基于氮氣室的液壓沖擊器變加速運動的非線性數(shù)學(xué)模型，從理論方面分析了液壓沖擊的運動規(guī)律。

(2)構(gòu)建了帶氮氣室液壓沖擊器的相關(guān)性能參數(shù)的設(shè)計方法，通過對部分目標(biāo)性能參數(shù)的確定，可以確定其余的性能參數(shù)，從而有利于設(shè)計一款符合需求的液壓沖擊器。

(3)利用數(shù)學(xué)模型，可以將機器的性能參數(shù)與運動參數(shù)聯(lián)系起來，從而可以在一定程度上指導(dǎo)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定，對實際應(yīng)用及理論研究具有指導(dǎo)意義。

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