液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學的仿真分析

陽復建， 劉忠

（桂林航天工業學院，廣西桂林541004）

0 引 言

目前大多數大型開挖工程都需要采用鑿巖爆破，鑿巖設備的重要性凸顯，液壓鑿巖機因具備效率高、成本低、清潔、安全等優勢被廣泛應用。在實際應用中，活塞在壓力油的作用下高速運轉，并且運轉速度非?？欤瑫r釬桿與巖石都有一定的彈性，根據應力波理論，釬桿在碰撞巖石后會反彈，如果巖石在沒破碎時反彈能量非常大，就會直接導致釬桿撞擊液壓鑿巖機，帶來非常嚴重的振動和噪聲，并且對鑿巖機造成一定程度的破壞。這些問題都給液壓鑿巖雙緩沖機構動力學的分析帶來了一定的難度。針對這種情況，對液壓鑿巖機雙緩沖機構的動態力學分析方法進行設計，使雙緩沖機構能夠避免釬具和機體之間的剛性沖擊。

此次設計從液壓鑿巖機雙緩沖機構力學性能角度出發，對液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學三維仿真結構進行了構建，給出一定的約束條件，完成了對液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學分析。實驗對比結果表明，此次設計的液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學分析方法準確程度高，具有一定的實際應用意義。

1 液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學仿真方法設計

1.1 液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學三維仿真結構構建

為了更好地進行液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學分析，構建一個液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學三維仿真結構，在該結構下對雙緩沖機構動力學性能進行分析。在構建該結構之前，需要對結構的參數進行設置，為了真實反映雙緩沖機構動力學的實際物理過程，建立一些假設條件，保證液壓鑿巖機油泵供油流量恒定[1]。忽略油液中的應力波傳播時間，在沖擊后速度降低至零位置，一般情況下忽略液壓鑿巖機體內的油液質量，如果不能忽略則進行集中處理。在上述假設條件設置完成的情況下，對雙緩沖機構參數進行設置[2]，參照實際的模型，對活塞直徑、活塞桿直徑和泄漏油孔的設置，并配合液壓鑿巖機的配合長度、間隙及直徑進行設置，緩沖機構結構圖如圖1所示。

該雙緩沖機構動力學三維仿真結構中主要包括沖擊活塞、換向閥、高低壓蓄能器及其他導向零部件等，此次設置的雙緩沖機構參數主要包括油管通流截面積、活塞回程推閥面積、高壓蓄能器、低壓蓄能器等等。以此完成液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學三維仿真結構的構建，在構建的液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學三維仿真結構上，對液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學進行分析。

1.2 液壓鑿巖機雙緩沖機構壓力波反彈計算

在上述液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學三維仿真結構構建的基礎上，對液壓鑿巖機雙緩沖機構壓力波反彈進行計算分析時，發現環形間隙的影響較大，更改緩沖活塞環形間隙的大小，根據軸配合公差等級選擇，將中間體外殼的孔配合公差設置為hq，由于不能輕易改變殼體孔徑大小，所以對緩沖活塞的環形間隙配合選擇4組配合工程數據，并通過狀態空間計算得到傳遞函數，減少遠離極點對極子的影響，由下述公式進行調整：

式中：HG為緩沖腔壓力；F為鑿巖機的推動力；Gg為雙緩沖機構固有頻率；ser為自然頻率，此次計算不做定向分析。如果超過HG范圍，緩沖就會失去效果，所以將環形間隙控制在HG范圍內[3]。

通過上述公式計算獲得環形間隙對液壓鑿巖機雙緩沖機構參數設置的影響，為下面的分析提供基礎。在上述鑿巖機雙緩沖機構參數設置的基礎上，對雙緩沖機構的壓力波反彈進行計算，在雙緩沖機構內對緩沖活塞配合有限位結構。為防止產生共振，緩沖蓄能器的固有頻率需要小于鑿巖機的沖擊頻率[4-5]。綜合考慮到緩沖活塞運動規律、動態特性等因素，對壓力波反彈進行計算，計算公式為

式中：d為緩沖機構反彈能量，是沖擊能量的25%；q為緩沖機構功率參數[6]；y為工作壓力范圍。

在上述計算完成后，分析液壓鑿巖機沖擊機構運動體的工作規律，并對其運動過程進行細化，對液壓鑿巖機雙緩沖機構壓力波反彈進行計算，為液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學分析提供一定的基礎。

1.3 液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學分析

為保證應力波能穩定傳遞，將活塞的端部直徑盡量接近釬尾直徑，并保證活塞與釬尾固定在同一個軸上，將其嚴格貼合，提高傳遞效率。并對其嚴格密封，如果密封不合格，會產生泄漏問題，從而影響液壓鑿巖機的工作效率。采用斯特封做組合密封，其原理是利用壓力將圈變形，然后緊緊固定住，以延長液壓鑿巖機的工作時間。在此基礎上，提高液壓鑿巖機雙緩沖機構的緩沖壓力，對緩沖壓力的平衡狀態進行求解，在沖擊活塞碰撞釬尾之前的一段時間內，緩沖機構處于短暫的平衡狀態，采用平衡公式[7]，對緩沖壓力的平衡狀態進行求解，計算公式為

式中：F為鑿巖機的推動力[8]；p/4為某一時刻的緩沖腔壓力；dw、ky分別為緩沖結構參數。

經過上述公式計算完成后，緩沖腔的壓力與二級緩沖腔的壓力相等并保持恒定，此時的液壓鑿巖機雙緩沖機構平衡力最好，對回油路中的節流孔進行分析計算，節流孔結構參數如圖2所示。

回油路中的節流孔應用孔口流量公式，計算公式為

式中：Q2為緩沖進油的油量[9]，是一個定值；G為流量系數；ρ為油液密度；ΔE為節流前后壓差，此次計算不做定向分析。

通過上述的分析和求解，得到雙緩沖機構緩沖壓力的平衡狀態和節流孔應用孔口流量，根據這些值，對液壓鑿巖機雙緩沖機構進行動力學分析，計算公式為

式中：gh為緩沖活塞位置；f為過油面積；h為時間；qi為雙緩沖機構平衡算法因子，此次計算不做定向分析。當gh值大于0.25時，該液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學性能較好；當gh值低于0.25時，力學性能較低，受沖擊可能性較高。

通過上述公式計算完成液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學的分析，為了證明該液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學仿真方法設計的有效性，將在下一步進行實驗。

2 仿真實驗分析

為了證明上述液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學仿真方法的有效性，進行仿真實驗。將傳統方法與本文設計的方法進行對比。并設置運行實驗臺，其中包括泵站、壓力傳感器、臥式臺架、油缸、液壓鑿巖機、釬桿、打印機、數據采集系統，對實驗的沖擊能力進行設置，實驗參數設置表1所示。

表1 參數設置

借助UDIF88軟件，對實驗結果進行分析，在該實驗環境下對傳統的液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學分析方法與本文設計的力學方法的準確性進行對比，得到如圖3所示的實驗結果曲線圖。

通過上述仿真實驗對比圖能夠看出，本文的液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學仿真分析方法有效性高，能夠對液壓鑿巖機雙緩沖機構的力學性能進行有效分析，很大程度上減少了實際工作中對液壓鑿巖機的損壞，而傳統的設計方法沒有根據實際情況對液壓鑿巖機進行分析，導致其分析準確性低。綜上所述，通過上述實驗基本能夠證明此次設計的液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學仿真分析方法的有效性，具有一定的實際應用意義。

3 結 語

液壓鑿巖機已經被廣泛應用到了礦山、水電、鐵道等生產建設中，雙緩沖機構是液壓鑿巖機中重要的組成部分，對其進行了動力學研究。本文針對傳統的液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學仿真分析方法準確性低的情況，從分析力學性能的角度出發，首先構建了液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學三維仿真結構，在此基礎上對液壓鑿巖機雙緩沖機構壓力波反彈進行計算，以此實現對液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學仿真分析。實驗對比結果表明，該液壓鑿巖機雙緩沖機構動力學仿真方法比傳統的方法準確性高，具有一定的實際應用意義。