考慮活塞回彈的液壓鑿巖機沖擊機構仿真分析

耿曉光，馬 飛，李葉林，馬 威，王順凱

GENG Xiao-guang, MA Fei, LI Ye-lin, MA Wei, WANG Shun-kai

（北京科技大學 機械工程學院，北京 100083）

0 引言

液壓鑿巖機具有高效、節能、環保、操作方便和易于實現現代化等優點，能夠很好的適應現代工業生產的趨勢和要求，所以被廣泛用于礦巖開挖工程[1,2]。

液壓沖擊機構是鑿巖機的核心，活塞在液壓油的作用下高頻往復運動，通過撞擊釬尾實現能量傳遞進行破巖。對沖擊機構的研究較多，按所建數學模型的不同分為線性模型仿真和非線性模型仿真兩大類，但在分析過程中均忽視了活塞撞擊釬尾后的回彈，而將回程初速度當作零處理[3～5]。這將勢必影響結果的準確性和可靠性，基于線性計算模型，考慮活塞回彈，分析其對鑿巖機性能參數的影響。

1 沖擊機構的結構和工作原理

圖1 沖擊機構的結構模型

以雙面回油型液壓鑿巖機為例，對其沖擊機構進行仿真分析，結構模型如圖1所示。活塞在缸體內的往復運動是在換向閥的配合下完成的。它在一個周期內的運動可以分為四個階段：回程加速、回程減速、沖程加速和碰撞回彈。在回程加速階段，換向閥芯位于左位，高壓油進入缸體前腔，活塞加速右移，后腔油液經由換向閥流回油箱；當活塞右移至左側信號孔打開以后，信號油推動換向閥芯右移，高壓油進入缸體后腔，進入回程減速階段，直到活塞停止；緊接著是活塞的沖程加速，如果設計合理，活塞將在右側信號油孔打開，且換向閥執行換向的同時撞擊釬尾；活塞和釬尾的碰撞過程極短，碰后活塞將回彈，即進入回程加速階段[6,7]。

圖2 行程調節裝置

另外，為提高鑿巖機的適用性，沖擊機構處配有行程調節裝置，如圖2所示。通過調節活塞的回程加速行程Sr1，改變鑿巖機的性能參數，進而適應不同性質的巖石。

同非線性模型相比，線性模型仿真更加直觀、明了，能夠宏觀上描述沖擊機構的運動過程和本質關系，并且可以滿足工程需要[8]。另外，由于配備了高壓蓄能器，有效地減小了壓力脈動，所以前后腔壓力近似不變。通過對比發現，只要回油阻力系數和綜合阻力系數等經驗系數選取得當，線性模型與非線性模型之間的誤差將會很小很小，所以此處選擇線性模型分析比較活塞的回彈對鑿巖機性能的影響[9]。

2 沖擊機構的數學模型

2.1 假設條件

從結構模型到數學模型的轉化過程中，需作出以下假設：

1）油液不可壓縮；

2）運動過程中壓力恒定不變；

3）活塞和釬尾的碰撞瞬間完成，且沒有位移；

4）換向閥瞬時切換，且換向節點為信號油孔的軸線位置。

2.2 分階段建立數學模型

圖3 沖擊機構的參數模型

基于上述假設，建立沖擊機構的參數模型如圖3所示。下面以活塞為研究對象，建立其每個過程的數學模型。

1）回程加速階段

活塞在回程加速階段的初位移是與釬尾碰撞的位置，定義為零位置，且規定向后為正；初速度為與釬尾碰撞后的回彈速度。

建立活塞的運動方程如式（1）所示。

式中：

m為活塞的質量；

x為活塞的位移；

P為沖擊進油壓力；

P0為回油壓力；

Py為阻力油壓；

A1為活塞前腔作用面積；

A2為活塞后腔作用面積。

其中，k0為回油阻力系數，一般取0.06～0.12；ky為綜合阻力系數，一般取0.05～0.1。

2）回程減速階段

活塞的回程減速開始于前側信號油孔的軸線位置；初速度為回程加速階段的末速度。

建立活塞的運動方程如式（6）所示。

在此過程中，活塞減速直到停止。

3）沖程加速階段

在回程減速終了后，立刻進入活塞的沖程加速階段。活塞的初位移為回程減速停止的位置；初速度為0。

建立活塞的運動方程如式（7）所示。

在此過程中，活塞一直加速，直到和釬尾碰撞，即到達回程加速的初始位置（也即零位置）。

4）碰撞反彈階段

此過程在瞬間完成，所以忽略碰撞時間和活塞的微小位移，此處僅關注活塞速度的變化，即確定活塞的回彈速度。

文獻[10]基于應力波理論，推導出了鑿巖機活塞的回彈判據和回彈速度公式。經過計算，對于一般的液壓鑿巖機（特征參數控制在1～2之間），活塞的回彈速度在0～0.28vm范圍內，即如式（8）所示。

式中：

V0為活塞的回彈速度；

vm為活塞沖程加速階段的末速度；

k為活塞回彈系數（0～0.28）。

2.3 結束語

上一節建立了活塞各個過程的數學模型，通過求解可以得到活塞一個周期內的位移-曲線、速度-曲線以及鑿巖機的沖擊能和沖擊頻率。

鑿巖機沖擊能的計算公式如式（9）所示。

沖擊頻率的計算公式如式（10）所示。

式中：

tr1為活塞的回程加速時間；

tr2為活塞的回程減速時間；

tp為活塞的沖程加速時間。

3 動態仿真

3.1 參數設置

為研究活塞回彈對鑿巖機性能參數的影響，前提是其結構參數和輸入參數一定，下面將沖擊機構的初始參數列入表1。

表1 沖擊機構初始參數設置

3.2 仿真分析

3.2.1 鑿巖機處于低頻檔

首先分析鑿巖機處于低頻檔，即活塞的回程加速行程為26.5mm時，活塞回彈對沖擊機構性能參數的影響。

圖4和圖5分別為活塞在一個周期內的一組速度對比曲線和一組位移對比曲線。其中，回彈系數依次取0、0.1、0.2和0.28。另外，通過圖4和圖5，并結合式（9）、（10）還可求出不同回彈系數對應的沖擊能和沖擊頻率，如表2所示。

圖4 活塞的速度對比曲線（低頻）

圖5 活塞的位移對比曲線（低頻）

表2 不同回彈系數對應的沖擊能和沖擊頻率（低頻）

通過以上仿真結果可以看出：

1）活塞運動的總趨勢相同，且從圖4中可以看出，制動減速階段的加速度大于沖程加速段，這是由于摩擦阻力、密封阻力和液壓卡緊力始終與運動方向相反。

2）隨著回彈系數的增大，活塞回程加速段所用時間逐漸減少，且回程加速的末速度逐漸增大。

3）回彈系數越大，活塞總位移越大，最大和最小相差約2mm；同時運動周期越短，最大和最小相差約3.5ms。

4）回彈系數越大，鑿巖機的沖擊能越大，并且沖擊頻率也越高。

3.2.2 鑿巖機處于高頻檔

同理，得到高頻檔時活塞的一組速度對比曲線和一組位移對比曲線，分別如圖6和圖7所示。不同回彈系數對應的沖擊能和沖擊頻率如表3所示。

圖6 活塞的速度對比曲線（高頻）

圖7 活塞的位移對比曲線（高頻）

表3 不同回彈系數對應的沖擊能和沖擊頻率（高頻）

通過分析看出，回彈系數對活塞運動和鑿巖機性能的影響同低頻時相同。大的回彈系數對應更高的沖擊頻率，并且沖擊能也越大。

4 結論

1）活塞的碰撞回彈會縮短其回程加速時間和整個運動周期，且總位移增大。反映到鑿巖機性能參數上則表現為沖擊頻率升高，且沖擊能也略有增長。

2）無論是沖擊頻率的提高，還是沖擊能的增大，看似都有利于鑿巖機的破巖。但根據能量守恒定律，活塞的回彈恰好說明鑿巖機的沖擊能沒有完全傳遞給巖石。所以在鑿巖機沖擊頻率足夠高的情況下，要通過合理設計來盡可能的減小活塞的回彈。

3）由于活塞回彈現象的客觀存在，在鑿巖機的設計和性能分析時都要予以考慮。

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