基于AMESim的錨桿鉆機(jī)液壓沖擊器系統(tǒng)建模與仿真

王曉瑜，原思聰

(1.西安外事學(xué)院工學(xué)院，陜西西安710077;2.西安建筑科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西西安710055)

液壓錨桿鉆機(jī)是錨桿支護(hù)工程施工的關(guān)鍵設(shè)備之一，影響著支護(hù)質(zhì)量的好壞與支護(hù)速度的快慢。不同的支護(hù)工程應(yīng)選擇不同種類的錨桿鉆機(jī)。目前，在煤巷礦道和巖土錨固工程施工中，普遍使用機(jī)載型液壓錨桿鉆機(jī)。液壓沖擊器是其核心設(shè)備。該設(shè)備主要由沖擊活塞、配流控制閥和蓄能器組成。液壓力驅(qū)動活塞高速往復(fù)運(yùn)動，利用活塞撞擊釬桿輸出沖擊能來實(shí)現(xiàn)破碎巖土的目的。文中以行程反饋式液壓沖擊器為例，對于錨桿鉆機(jī)在實(shí)際施工中，因巖土物理特性的不同，分析設(shè)備輸出不同的工況參數(shù)，以提高工作效率和降低能耗［1］。

1 液壓沖擊器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

行程反饋式液壓沖擊器采用前腔常壓，后腔壓力高、低交替控制的后控式工作方式。該裝置利用配流閥切換沖擊活塞沖程與回程的通路，來實(shí)現(xiàn)活塞的自動往復(fù)高速運(yùn)動，以此形成相互控制的自切換沖擊。其調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖見圖1。

圖1 液壓沖擊器調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)工作原理

液壓沖擊器調(diào)節(jié)裝置工作原理見圖2。

圖2 液壓沖擊器調(diào)節(jié)裝置工作原理圖

(1)回程階段(回程加速和回程減速)

活塞行程調(diào)節(jié)桿上有A、B、C 三個(gè)信號孔，當(dāng)調(diào)節(jié)桿處于圖2(a)所示位置時(shí)，油孔A 通過油道與配流閥的閥芯左端面相通，高壓油與活塞前腔相通，后腔與回油連通，前腔壓力驅(qū)動活塞做回程右向運(yùn)動，當(dāng)右向加速運(yùn)動的活塞越過信號孔A 時(shí)，活塞前腔高壓油就通到閥芯的左端面，閥芯在壓力差的作用下向右迅速做回程換向運(yùn)動，活塞的前后腔差動連接，均與高壓油相通，回程加速階段結(jié)束。活塞因慣性作用繼續(xù)向右做減速運(yùn)動到停止，完成整個(gè)回程運(yùn)動［2－4］。

(2)沖程階段

活塞前后腔保持差動連接，活塞在壓力差作用下向左加速運(yùn)動，開始沖程。沖程加速后期，活塞運(yùn)動導(dǎo)致系統(tǒng)壓力下降，高壓蓄能器排油補(bǔ)充后腔，當(dāng)活塞回程左凸肩越過信號孔B 時(shí)，失去高壓。閥芯開始向左沖程換向，隨即活塞沖擊釬桿，結(jié)束沖程階段，液壓沖擊器又恢復(fù)了回程初始狀態(tài)，活塞又開始回程，以此往復(fù)輸出沖擊能破碎巖石。

當(dāng)調(diào)節(jié)桿處于圖2(a)所示位置時(shí)，活塞運(yùn)動行程最短，輸出沖擊能最小，沖擊頻率最高。當(dāng)調(diào)節(jié)桿處于圖2(b)所示位置時(shí)，此時(shí)活塞行程較前者長，故沖擊能較高而頻率較低。當(dāng)調(diào)節(jié)桿處于圖2(c)所示位置時(shí)，反饋孔A 和B 都被封閉，活塞行程最長，沖擊能最大，沖擊頻率最低［2］。

2 基于AMESim 的系統(tǒng)建模與仿真

2.1 基于AMESim 的沖擊器系統(tǒng)建模

AMESim 是法國IMAGINE 公司自1995年推出的一種新型的高級建模仿真軟件，已經(jīng)成功應(yīng)用于航空航天、車輛、船舶、工程機(jī)械等多學(xué)科領(lǐng)域，成為包括流體、機(jī)械、熱分析、電氣、電磁以及控制等復(fù)雜系統(tǒng)建模和仿真的優(yōu)選平臺。建模前，首先對仿真模型作如下假設(shè):油液黏度不受壓力的影響且工作過程中溫度處處一致;除進(jìn)油膠管外，其他構(gòu)件均為絕對剛體;多數(shù)時(shí)忽略油液質(zhì)量，否則按集中參數(shù)處理;忽略壓力波在油液中的傳遞時(shí)間;蓄能器隔膜質(zhì)量為零，且變形時(shí)無任何抵抗力;系統(tǒng)液壓元器件無泄漏。在此基礎(chǔ)上，依據(jù)錨桿鉆機(jī)液壓沖擊器的工作原理，建立的錨桿鉆機(jī)行程反饋式流沖擊器的AMESim 模型如圖3所示。

根據(jù)沖擊器的工作特性及液壓系統(tǒng)功用要求，現(xiàn)對錨桿鉆機(jī)的基本關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置如下:活塞質(zhì)量7 kg，沖擊能500 J，沖擊末速度12 m/s，活塞直徑85 mm，前腔端面直徑為91 mm，后腔端面直徑為89 mm。高壓蓄能器充氣容積為1 L，低壓蓄能器充氣容積450 mL，溢流閥的調(diào)定壓力為12.5 MPa。隨后進(jìn)入仿真模式(Simulation Mode)，設(shè)定仿真時(shí)間為3 s，時(shí)間步長為0.01［2］。

圖3 錨桿鉆機(jī)液壓沖擊器AMESim 仿真模型圖

2.2 仿真結(jié)果及分析

泵的輸入流量、沖擊活塞速度和位移、沖擊機(jī)構(gòu)頻率圖如下文所示。

圖4 中3 條直線表示液壓泵的流量分別為38、66和122 L/min，即泵的流量逐漸增大。

圖4 液壓泵流量圖

圖5—8 中所使用的流量見圖4。

從圖5(a)可以看出:當(dāng)液壓泵的流量分別為38、66、122 L/min 時(shí)，沖擊器中沖擊活塞的速度分別對應(yīng)為2.1、4 和6 m/s，即隨著液壓泵流量的逐漸增大，沖擊活塞的速度也逐漸增大。

從圖5(b)可以看出:當(dāng)液壓泵的流量分別為38、66 和122 L/min 時(shí)，沖擊活塞的沖擊頻率分別對應(yīng)為24、26 和29 Hz，即沖擊活塞沖擊頻率的總趨勢是隨著沖擊速度的增大而增大。

圖5 沖擊活塞速度變化較大時(shí)沖擊頻率曲線圖

從圖6 可以看出:當(dāng)液壓泵的流量分別為38、66 和122 L/min 時(shí)，所對應(yīng)沖擊活塞的最大沖擊行程分別為0.034、0.040 和0.040 m，即沖擊活塞的沖擊行程隨著沖擊頻率的逐漸增大而增大。

圖6 沖擊活塞行程曲線圖

將圖5 和圖6 中曲線數(shù)據(jù)做表1所示對比。

表1 液壓沖擊器主要參數(shù)仿真值表

從表1 可以看出:當(dāng)選擇55 mL/r 的變量泵時(shí)(根據(jù)實(shí)際工況流量的可變性，此處選用柱塞式液壓變量泵為液壓系統(tǒng)供油)，轉(zhuǎn)速2 200 r/min 的仿真分析中，沖擊活塞的限制位移為50 mm，系統(tǒng)的最低穩(wěn)定頻率在24 Hz;這是因?yàn)楫?dāng)泵流量較小時(shí)，由于有蓄能器的儲能作用，故其幅值不會太大。當(dāng)減小沖擊活塞沖擊位移時(shí)，可以進(jìn)一步提高頻率，見圖7—8。

圖7 減小沖擊活塞沖擊位移時(shí)沖擊活塞速度與沖擊頻率曲線圖

圖8 減小沖擊活塞沖擊位移時(shí)沖擊行程曲線圖

從圖7(a)可以看出:當(dāng)固定液壓泵的流量分別為38、66 和122 L/min 時(shí)，沖擊器中沖擊活塞的最大速度分別為2.1、3.8 和5 m/s，與圖5 相比，沖擊活塞的速度增大程度有所減小。

從圖7(b)可以看出:此時(shí)沖擊器中沖擊活塞的沖擊頻率分別為25、28.6 和32.5 Hz，與圖5 相比，沖擊活塞的沖擊頻率總趨勢是隨著沖擊速度的逐漸減小而增大。

從圖8 可以看出:當(dāng)液壓泵的流量分別為38、66 和122 L/min 時(shí)，沖擊活塞的最大沖擊行程分別為0.019、0.020 和0.020 m，與圖6 相比，逐漸減小沖擊活塞的沖擊位移會導(dǎo)致沖擊頻率的增大。

將圖7 和圖8 中曲線數(shù)據(jù)做表2所示對比。

表2 液壓沖擊器主要參數(shù)仿真值表

從表2 可以看出:錨桿鉆機(jī)的沖擊能一直穩(wěn)定在500 J 時(shí)，變量泵的流量變換較大時(shí)，沖擊活塞的速度和前、后腔的峰值變化幅值很小，但頻率發(fā)生了變化，這是因?yàn)橄薹蠓翟黾铀喑龅哪芰哭D(zhuǎn)換為頻率的增加。當(dāng)沖擊活塞的沖擊位移限制到30 mm時(shí)，最高頻率為32.5 Hz，接近巖土的固有頻率，此時(shí)錨桿鉆機(jī)液壓沖擊器各項(xiàng)參數(shù)趨于穩(wěn)定，錨桿鉆機(jī)處于最佳工作狀態(tài)。

通過仿真可以看出，為了適應(yīng)不同工況，錨桿鉆機(jī)的輸入流量和輸入壓力以及沖擊頻率間相互關(guān)系為:當(dāng)沖擊能為定值時(shí)，輸入流量為大流量，沖擊頻率越大;反之，輸入的流量越小，沖擊頻率就越低［4］。該結(jié)論與錨桿鉆機(jī)的實(shí)際工況保持一致。

3 結(jié)論

介紹了錨桿鉆機(jī)行程反饋式液壓沖擊器的工作原理，運(yùn)用AMESim 液壓仿真分析軟件，建立了錨桿鉆機(jī)液壓沖擊器AMESim 仿真模型，分析了變量泵的流量、沖擊活塞速度和位移、沖擊機(jī)構(gòu)頻率間的變化關(guān)系以及對沖擊器的性能影響，為錨桿鉆機(jī)行程反饋式液壓沖擊器的沖擊特性研究提供了理論基礎(chǔ)。

［1］衛(wèi)東東，原思聰，尚敬強(qiáng)，等.基于AMESim 的液壓錨桿鉆機(jī)沖擊器系統(tǒng)建模與仿真［J］.煤礦機(jī)械，2012，33(1):76－78.

［2］楊襄璧，劉忠，楊國平，等.無極調(diào)節(jié)控制的液壓沖擊機(jī)械研究［J］.中國機(jī)械工程，2002，13(7):597－600.

［3］吉軍，原思聰.無閥沖擊旋轉(zhuǎn)型液壓錨桿鉆機(jī)動力頭優(yōu)化設(shè)計(jì)與動態(tài)仿真研究［D］.西安:西安建筑科技大學(xué)，2007.

［4］何清華.液壓沖擊機(jī)構(gòu)研究仿真［M］.長沙:中南大學(xué)出版社，2009.