（机械设计及理论专业论文）新型压力反馈氮爆式机电一体化液压碎石冲击器系统研究.pdf

中南大学博士学位论文 新型压力反馈氮爆式机电一体化液压碎石冲击器系统研究 内容提要 本文在分析国内外蘧匡硅互砖壹墨技术现状的基础上，突破传统的冲击器工作模 式，首次推出了采用以氮气腔压力作为反馈压力的氮爆式机电一体化液压碎石冲击 器。，新型冲击器在工作原理、结构方式、控制方法、检测手段等方面的一系列创新使 得其成为一种具有时间柔性、空间柔性、对象柔性、环境柔性、互换柔性、软件柔性 等多种柔性品质的柔性冲击器。它可实现冲击能、冲击频率的独立无级调节。能够根 据工作对象物理性质变化自动调整冲击输出参数，实施柔性冲击，具有智能。文章在 建立了新型冲击器的非线性数学模型的基础上，进一拍建立了新型冲击器的面向对象 的傻真搓型。并对压力反馈氮爆式液压冲击器系统进行了仿真研究，系统、深入地研 究了冲击器系统各参数对冲击器工作性能的影响，从中获得了有关对压力反馈氮爆式 液压冲击器运动规律性的认识。文章突破传统的冲击器测试方法，首次提出用于冲击 器输出参数测量的气压法，很好的解决了传统测试中许多无法解决的矛盾，可方便地 用于各型冲击器的在线测试。文章还首次提出以活塞冲击反弹时引起的氮气腔压力变 化率转化为活塞速度并以此作为对工作介质物理特性变化的判断依据，从理论和实践 两方面验证了这一判断的可行性。本文还建立了新型液压冲击器的单片微机控制系 统，并运用模糊控制策略，实现了对新型冲击器的工作输出参数进行模糊控制。按照 文章所确定的设计理论，研制出了新型冲击器原型机d b s 5 0 0 。在其基础上进行了大 量的实验。( 实验结果表明新型冲击器达到了设计目的，实验采集的数据所反映的压力 反馈氮爆式机电一体化液压冲击器的运动规律与仿真所获得的规律一致，证明了理论 研究的正确性，实验达到了预期效果。 以上这些研究成果的综合，形成了一个较完整的以压力反馈氮爆式机电一体化液 压冲击器为基础的柔性冲击器设计研究体系。文章中柔性冲击理念的提出和柔性冲击 器的研制将对冲击运动理论的研究和冲击器行业的发展产生重大而深远的影响。除此 之外，文章中所形成的新型冲击器设计理论和冲击参数测试方法，对于目前冲击器的 设计、制造、监控和维护具有重要的理论价值和现实意义。0 ， 。 、， 、 陕键词1 压力反馈；氮气爆炸：机电一体化：液压冲击糕柔性，数学模型j 面向 对象，仿真，气压法，高速开关阀，锥阎，反弹。单片机，模糊控制、 m 中南大学博士学位论文 t h er e s e a r c ho fan e w n do fp r e s s u r ef e e d b a c k n i t r o g e n 玎吓l a t i n gm 皿c h a t r o n i c a ll r y d r a u l i c i m p a c t o rs y s t e m b a s e do n t h ea n a l y s i so f t h e d e f e c to f h y d r a u l i c i m p a c t o r a t h o m e a n da b r o a d ，t h i s d i s s e r t a t i o n b r e d m u g ht h et r a d i t i o n 觎i m eo fi m p a c t o r , l e dt oa ni n n o v a t i v ep m s s u mf e e d b a c kn i t r o g e n i n f l a t i n gm e c h t r o n i c a lh y d r a u l i ci m p a c t o r t h ei n n o v a t i o n ，w h i c hi np r i n c i p l e 、s t r u c t u r e 、c o r t r o l w a y 、t e s tm e a n s ，m a k ei tb e c o m eaf l e x i c i b l ej m p a c t o rw h i e hw i t ha1 0 to f f l c x i c i b l ea t t r i b u t e s ， s u c ha st i m ef l e x i l i t y 、s d a c ef l e x i l i t y 、o b j e c tf l e x i l l t y 、s u r r o u n d i n g sf l e x i l i t y 、i n t e r c h a n g e f l e x i l i t y 、s o f t w a r ef l e x i l i t ye t c a c c o r d i n gt ot h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fi m p a c t e do b j e c t ，t h e n e wi m p a c t o rc o u l da d j u s tt h e m p a c te n e r g ya n df r e q u e n c ya u t o m a t i c a l l ya n ds t e p l e s s l y , a n d r e a l i z e di n t e l l i g e n c eb r e a k i n g a f t e re s t a b l i s h i n gt h en o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h e i m p a c t o r , ao b j e c t - o r i e n t e d s i r e u l a t i o nm o d e lo fn e wi m p a c t o rh a sb e e nc o n s t r u c t , a n dt h e m g u l a r i 妙a b o u tt h en e wi m p a c t o rm o t i o nh a sb e e nf o u n d o u tb r e a k i n gt h r o u g ht h et r a d i t i o nt e s t w a y , a n e wt e s tw a y , c a l l e da i rp m u m w a y , i sb r o u g h t f o r w a r df i r s t , w h i c hi su s e dd e t e r m i n et h e p i s t o n sv e l o c i t ya n df 似l u e n c e a n dq u e s t i o n sw i t h i nt r a d i t i o nt e s tw a y w a 挖s o l v e d 1 1 1 en e wt e s t w a y c a nb eu s e dt e s t i n gi m p a c t o ro nl i n e t h ep r o p o s i t i o nt h a ti d e n t i f i e st h ec h a r a c e r l s t i co f w 0 1 1 ( o b j e c ta c c o r d i n g t ot h ea n t i - r e b o u n dv c l o c i t yo f p i s t o n ，w h i c hb ec o n v e r t b y m t oo f a i r p m s s u m i n n i t r o g e nr o o m w a sp u tf o r w a r df o rt h ef i r s tt i m e i l l a d o na n de x p e r i m e n th a v ec o n f i r m e d 乜 f e a s i b i l i t y t h ea u t h o rd e s i g n e das i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e rs y s t e mo fh y d m u l i ci m p a c t o r t h e f u z z yc o n t r o lm e t h o dw a sa p p l i e d0 1 1t h eh y d r a u l i ci m p a c t o r , a n dr e a l i z e dt h ef u z z yc o n t r o lt ot h e o u t p u tp a r a m e t e r so fh y d r a u l i ci m p a e t o r b a s e d0 nt h et h e o m f i c so f n e wi m p a c t o r , ap r o t o t y p e ， d b s - 5 0 0 h a sb e e nm a d e a c c o r d i n gt ot h ed a t ac o l l e c t e d 胁t h ee x p e r i m e n t , t h es i m u l a t i o n m s u l t sw e r ei ng o o da g r e e m e n te x p e r i m e n t a lo n e s s ot h ee x p e c t e dp u t p o s eo ft h ep r o t o t y p e e x p e r i m e n t w a sa c h i e v e d w i t ha l lt h ea c h i e v e m e n t sm e n t i o n e da b o r e t h ed e s i g na n dr e s e a r c ht h e o m t i c a ls y s t e mo f f l e x i c i b l ei m p t o bb a s e do nt h ep r e s s u r ef e e d b a c kn i t r o g e ni n f l a t i n gm e c h t r o n i c a lh y d r a u l i c i m p a c t o r , i se s t a b l i s h e d 1 1 1 eo f f e r i n go f c o n c e ：p to f f l e x i c i b l ei m p a c t a n dt h er e s e a c ho f f l e x i c i b l e i m p a c t o rw o u l d b em a d ei m p o r t a n ti n f l u e n c et ot h er a s e a c ho f i m p a c tt h e o r ya n dt h ed e v e l o p m e n t o f i m p a c t o ri n d u s t r y b e s i d e s , t h ed e s i g nt h e o r e t i c so f n e wi m p a c t o ra n d n e wt e s tw a ya r ev a l u b l e t oi m p a c t o r sd e s i g n 、p r o d u c a t i o n 、m o n i t o r 、m a i n t a i n k e y w o r ) 】p r e s s u r ef e e d b a c k ；n i t r o g e ni n f l a t i n g ；m e e h t r o n i c ； h y d r a u l i ci m p a c t o r ；f l e x i l i t y ；o b j e c t - o r l e n t e d ； s i m u l a t i o n m o d e l ； a n t i - r e b o u n d ；a i rp r e s s u r ew a y ；s i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e r ；f u z z yc o n t r o l ； 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外液压碎石器的发展现状 1 i 1 液压碎石器及其优越性 目前，国内外现代采矿业广泛地采用各种不同形式的碎石机对采矿作业中( 在 采场、破碎机的人料口或格筛上部) 的大块矿石进行二次破碎作业。碎石机配置的 冲击装置大致可分为三种：落锤式碎石冲击器、气动碎石冲击器和液压碎石冲击器。 其中落锤式冲击器由于工作效率低，仅在需要大冲击能的场合下才使用，适用范围 小，数量少。而气动碎石冲击器需要在有压缩空气的现场使用，同时在工作场面上 需拖曳长度较长、易于破损的大直径压缩空气软管，使得基本费用和维护费用较高， 且工作时噪声大，排出的废气严重地污染工作环境，在环保要求日益提高的当今社 会中显得不太适应而必须加以改进或被替代。 液压碎石冲击器以液体为动力，使冲击活塞往复运动产生动能并锤击镐钎， 从而达到破岩的目的。将液压碎石器配备液压支臂、行走机构、回转平台、动力设 备及控制装置就形成液压碎石机，其典型的形式为将液压碎石器安装在挖掘机上进 行工作。 液压碎石冲击器的出现虽晚于气动碎石冲击器，但其不可比拟的技术优越性 和高经济效益，在很多重要工作场合替代了气动碎石冲击器。其技术优越性大致表 现为如下几方面： 1 、具有较高的工作性能。由于可以使用较高的液压力，因而碎石器能以很高 的冲击力进行冲击。 2 、具有较高的机动性能。能和主机一起自行行走，不像气动碎石冲击器需与 空压机连接在一起，经常要频繁搬移。 3 、具有较低的工作噪音。由于液压碎石器工作中的噪音只局限于活塞在钎杆 上的冲击声( 这一噪音可由消音套来隔离) ，因此，从根本上改善了工程施工中， 特别市政建设工程中的环境保护问题。 4 、具有良好的工作适应性。因为能够在作业范围内空间上的任意半径、任意 高度、任意角度进行工作，因此，对于操作工人难以达到的地方或难以进行工作的 场所，例如清理掌子面、清除高温条件下钢水包及炉体内的炉衬等都能进行安全作 业。 5 、具有较高的工作可靠性。因为液压系统是密封的，完全避免了杂质的侵人， 因而减少了工作零件的磨损，使配合间隙能较长期地保持不变。 6 、彻底改善了操作工人的工作条件。液压碎石器的操作者就是挖掘机司机， 中南大学博士学位论文 他可在不受气候影响的司机室内进行操作，且完全不和碎石器直接接触，减少了操 作人员的疲劳。此外，主机的震动和噪音均在一定程度上被削弱。 与气动碎石器相比，液压冲击器由于取消了空压机组，降低了投资费用：降低 了能源消耗( 在同样的工作效率下，只消耗空压系统功率的1 3 1 4 ) ；由于油路系 统是封闭的，液压油既是驱动介质，也是润滑剂，磨损大大减少，降低了维护费用： 由于不再需要空压机操作人员及风镐工，降低了人员开支费用因此有着巨大的经 济效益。 目前，液压冲击碎石器除可以在矿山和采石场用来破碎岩石外，在其它领域内 亦有广泛的运用，如：捣碎混凝土路面；为新建设工程修整地基；在坚硬的地面上 挖沟、铺设管道或电缆、捣碎灰渣和废品：为生产尺寸规整的岩块破碎大型岩石： 在采石场工作面撬毛石：修整工作面的顶部和壁部：修正巷道和掌子面的轮廓尺寸； 开拓巷道工作面等等。 1 1 2 液压碎石器的技术特点 液压碎石器历经四十余年的发展，虽品种繁多。各具特色，但不乏有其共性之 处，表现在以下几个方面： 1 、对载具的适应性。如阿拉斯的液压碎石冲击器适合于安装在两千多种型号 的车辆上o a 自重8 0 0 k g 的小型挖掘机到自重4 0 t 的挖掘机) 。各种型号的冲击器 主控制阀都可以选来与车辆的液压系统相匹配，经调节后可适用于各种碎石机底 盘。 7 l 【8 l 唧 2 、对工作对象的适应性。可根据岩石的软硬特性来调整冲击能与冲击频率。 如德国k l e m m 公司生产的液压碎石冲击器，具有可变的活塞冲程，能够在液压油 流量保持恒定时，起调节冲击频率的作用。通过油压和活塞冲击行程的调节，可选 择冲击能量。而日本古河( f u r u k a w a ) 所有液压冲击器和克虏伯( k r u p p ) 的重型冲 击器。都有个活塞行程调节螺母来改冲击频率和冲击能。【- q 3 、设计、制造、维护的方便性。如斯坦雷动力工具公司( s t a n l e y p o w e rt o o l s ) 提供的液压碎石器都是按标准化设计的。可使得维修服务方便而又不使主要部件损 坏。特利蒂尼( t e l e d y n ec m ) 加拿大采矿设备公司近期生产的液压碎石器结构简 单，比其它很多液压冲击器的零件少3 0 。日本f u r u k a w a 公司的液压冲击器在停 机时间很短的情况下就能进行简单的修理。 4 、使用的可靠性。大多数大型液压碎石器都设有安全保护装置，以提高碎石 机系统的使用寿命，并保证操作的安全。如美国c o n t e c hn u t r ae k e r s 公司生产的产 品装有自动停止冲击装置和蓄能器，当工作对象被破碎后，装置能立即使冲击器自 动停止冲击动作，而蓄能器可降低供油油压的波动量。又如芬兰k o n e 公司产品的 振动缓冲装置可使冲击器平稳地运转，冲击所引起的震动被安装在支架上的减振器 所吸收，对破碎机和底盘的反作用力小，有利于避免底盘和液压支架的损坏。而特 利蒂尼f r e l e d y n e ) 加拿大采矿设备公司的产品不采用在碎石器尾部安装弹簧或橡胶 2 第一章绪论 吸振器的方式，而在接近活塞头部采用低压氮气缸吸收反弹。对于冲击过程中产生 的液压系统振荡t e l e d y n e 公司的做法是利用机器内部的阻尼孔形成的活塞液压垫加 以吸收。 1 1 3 液医碎石器技术及产品研究方向 虽然液压碎石器的发展取得了巨大的成果，但随着施工要求的不断提高和工作 对象范围的不断扩展，对液压碎石器的性能要求也越来越高。国内外对液压碎石器 展开了各种各样的研究。集中表现在对以下几项技术的研究及相应产品的开发上： 1 、根据阻力大小自动控制冲击能的技术。法国蒙塔贝特m o n t a b e r t 公司对此项 技术进行了研究，并推出了相应的产品b r v 3 2 和b r v 5 2 。 2 、水下冲击技术。在航道工程中，为了进行加深、加宽航道或疏竣河床等作 业以及海洋矿产的开发，此项技术显得十：f i l e 要。芬兰r a m m e r 公司新近开发了相 应的产品。这类产品不仅拥有防锈的镀硬铬活塞，且为防止水进入因活塞运动而产 生快速压力脉动的冲击腔，而将压缩空气以大于0 6 m m i n 的流量输入该冲击腔， 并对压缩空气的流量进行严格的控制。以免将钎具周围的润滑脂吹出。i 1 1 3 、噪音及粉尘的控制技术。在市政工程中对噪音及粉尘的控制要求很高。克 虏伯( k r u p p ) 公司对此进行了深入的研究，对于其公司产品中型以下的机器都装 有阻声材料，所有h m 5 5 0 型号以下的冲击器噪声水平都低于9 0 d b 。对于重型冲击 器则使用其公司开发的c s - b o x 箱形外罩，使噪声水平降低8 d b 。对于粉尘的控制， r a m m e r 公司在其开发的j e t 型号上安装了高压水泵及相应的雾化喷头。在碎石器 工作时，水泵及喷头一并工作，可大大降低粉尘，有利于操作者的健康。 4 、电气控制技术。r a m m e r 公司近年来推出了一种碎石器控制操纵板，其内 部结构由电子设备组成。其板面设四个压敏式按键，分别为加强( b o o s t ) 、正常 ( n o r m a l ) 、经济( e c o n o m i c ) 、开关( o n o f f ) 。碎石器在开机后可先在加强( b o o s t ) 模式下工作3 0 秒，后自动关闭并跳人经济模式工作，实现自动换档。经济模式下 系统的冲击能为最大能量的7 5 。操作者亦可按需要连续点按加强( b o o s t ) 模式 按键两次，使碎石器长时间工作加强( b o o s t ) 状态。此项技术建立在冲击器自动 换档的技术之上，不需要停机就可有级地调整档位较好的实现了对碎石器的工作 状态的控制。【1 2 】 5 、重型冲击技术。在采石或遂道挖掘过程中，重型碎石机比小型碎石机能使 工程更加经济。t i d c o 公司曾就此问题进行了一次调查，发现其重型液压碎石机的 破碎能力为8 10 0 t h ，成本为3 0 3 5 美分t ，而一般液压碎石器则为6 0 t h 和9 7 美分t 。在此情况下，各公司积极研制重型高能的产品。其中r a m m e r 公司推出 了世界上最大的液压碎石器g 1 2 0 ，其工作重量为6 4 0 0 k g ，冲击能则达1 2 0 0 0 j 。重 型冲击器中，为了大冲击能的实现，多项先进技术被运用如液气联合作用技术可使 得冲击活塞以短行程获得高冲击能，而钢一液一钢冲击技术可使活塞能以更大的速 度冲击钎尾，传递能量，而不必担心钎杆与活塞在钢对钢冲击过程中损坏。 3 中南大学博士学位论文 1 2 液压碎石器的类型、结构及基本工作原理 1 j 1 液压碎石冲击器类型 液压碎石冲击器按其装载方式、驱动方式、冲击方式和配油方式的不同，可分 为不同的类型，大致分类可由图1 1 表示： 液压碎石冲击器 i 手挡式：用来替代传统的风镐，冲击能较小( 5 0 0 j ) 装载方式 安装式；以液压挖掘机为载具。冲击能大，一般在 ll o o o 6 0 0 0 j 范围，个别大型品种大于2 0 0 0 0 j i 液压静压传动：多用于冲击能较小的液压碎石冲击器 驱动方式 【液压一氮气膨胀方式：多用大冲击能液压碎石冲击器 i 钢对钢冲击：多和于中小型液压碎石冲击器 冲击方式 钢对液垫冲击结构：用于高能液压碎石冲击器 【钢对岩石冲击：此方式活塞与镐钎边成一体 配油方式单面回油 后腔常压 f 前腔常压 【双面回油 i 止动阀型 f 柱阀型 交变阁型 有阀型i 差动阀型 r【套阀型 if 冲击配油型 腻1f 涟鳃删 燃 l 无阀型j 压力脉冲型 l l 自激振荡型 图i - 1 液压碎石器冲击器分类 1 2 2 基本结构 虽然，液压碎石器的类型较多，但为了适应功能、性能、效率、寿命的需求， 在结构上都有一些基本共同特点，表现在以下几个方面( 见图1 ，2 ) 1 、冲击机构 液压碎石冲击器中均有一个较细长的冲击活塞，以适应应力传递理论的要求。 且冲击活塞的直径一般和镐钎的尾端直径尽量相同或相近，从而保证撞击端面接触 严密，达到高效传递能量的目的。 4 第一章绪论 冲击活塞与缸体或衬套的配合间隙比液压凿 岩机中的配合间隙设计值大，这是因为它的冲击 频率较低，冲击压力比液压凿岩机小冲击时采 用低压大流量冲击活塞运动灵活，不易研缸。 为适应破碎对象的不同性质，液压碎石冲击 器中。常常采用一个调节螺钉改变油流通道，从 而改变冲击活塞行程大小。以得到不同冲击能。 2 、配油机构 液压碎石冲击器中一般都有一个用来改变油 路中油液流向的配流阀，由它实现并控制冲击活 塞的往复冲击运动。配流阀可分为柱塞阀和套阀 两大类，它们各有优点：柱塞阀质量轻。耗油少， 并且直径小，配合间隙也较小，泄漏量少；套筒 阀开口面积梯度大，节流损失少。 液压碎石冲击器还常常设有一个顺序阀，用 来建立并控制油腔压力值，以保证液压碎石冲击 图1 - 2 典型液压碎石冲击器结构器有足够大的工作压力进行冲击。 3 、蓄能稳压机构 液压碎石冲击器大多拥有一个或两个蓄能器。蓄能器兼有蓄能、稳压作用。与 液压凿岩机一样，液压碎石冲击器在工作中冲击活塞往复运动，但只有在冲程时， 才对外做功，而回程是为冲程做准备的。当冲击活塞回程时，油液压力以大于充气 室的压力进入蓄能器中，作为蓄能器的油压势能储存起来，而在冲击活塞冲程运动 时释放出来，从而把大部分回程能量转化为冲击能。这样的蓄能器起到了提高系统 工作效率的作用。同时，它也能减少由于阀芯高频换向引起的压力冲击和流量脉动。 4 、其它结构 液压碎石冲击器都有镐钎。镐钎是液压碎石器的主要磨损件，其不但表面硬 度要求高，耐磨性好，而且芯部韧性要求好，一般用高级工具钢经淬火来达到要求， 且硬度梯度变化要小。镐钎有锥形、扁形、方形、铲形、钝头形等各种形式，以适 应各种工作对象( 岩石、混凝土、冻土、沥青等) 的破碎需要 液压碎石冲击器的其它附属机构还有： 保护罩：用于保护机体。以防机体受到飞溅石块损坏，同时还能翻动大块矿石。 弹簧减振器：以缓解挖掘机大臂与液压缸受到的冲击动载荷。 防空打机构：以免打空时冲击活塞撞击缸体，损坏机器。嗍【1 4 】嗍旧【1 1 【嘲 1 2 3 基本工作原理 不同类型的液压碎石冲击器有着不同的工作原理。大致可分为如下两种 一、液压静压传动型冲击工作原理 5 中南大学博士学位论文 这种工作原理在液压碎石冲击器生产中得到广泛采用。优点是：结构简单，工 作可靠，能量利用效可达6 5 以上。主要问题是机重大，且只能用于冲击能在一万 焦尔以下的碎石冲击器。这类液压碎石器中，以芬兰r a m m e r 公司生产的液压碎石 器享有较高国际声誉。现以该公司液压碎石器为铡，说明其工作原理。见图1 3 。 6 1 1 、焉压船器2 、配撬罔3 、缸俸4 、括毫s 、蓄扦6 、颅序罔 圈1 - 3 静压传动原理冲击器工作示意图 ( 1 ) 活塞冲击停顿 当系统压力p 低于顺序阀6 的动作压力，活塞上腔b 的油流，经配流阀2 ，至 顺序阀6 而被封闭着，不能与回流。相通。这时活塞处于冲击停顿状态。停顿时间 长短取决于顺序阀动作压力调定的大小。如图 - 3 a 。 ( 2 ) 活塞回程 当系统压力p 大于顺序阀6 的动作压力，活塞b 腔油流经配流阀、顺序阀与 回油相通，活塞上腔回油。这时活塞在a 腔油压的作用下使活塞作圆程运动，如 图1 3 b 。 ( 3 ) 回程换向 当活塞回程向上运动，直至活塞下台阶前端面越过信号孔a 时，这时配流阀的 推阀腔进入压力油，使配流阀芯动作，关闭活塞b 腔的回油路，开启压油路，b 腔 与压油相通，活塞向上运动遇到很大阻力，处于制动状态直至为零。然后，活塞 转为向下的冲程运动。如图2 3 c 。 ( 4 ) 冲程换向，冲击凿杆 当活塞向下作冲程运动至活塞沟槽使b 、c 信号孔相通，这时配流阀的推阀腔 由压油状态变为回油状态。配流阀芯向右运动，关闭b 腔的压油路，开启回油路， 为b 腔与回油相通作好准备。同时，活塞冲击凿杆，以破碎大块矿石。如图1 1 3 d 。 二、液压回程、氮气膨胀冲击器工作原理 这种液压碎石器的特点是冲击能量大、机重较轻，多采用液垫冲击结构，目 前主要问题是冲击频率过低，每分钟仅几次到3 0 余次，破碎大块能耗高。同时能 量利用率低。美国c o n t e c hh e f t i51 4 型屑这种类型，其冲击工作原理如图1 4 。 0 3 6 第一章绪论 鼎鼎帮卿 图i - 4 液压一氮气膨胀原理冲击工作原理 ( i ) 活塞回程 套阀2 处于上位，压油经套阀2 进入活塞下腔，推动活塞3 作向上的回程运动。 同时活塞上端的氮气腔被压缩，气腔压力不断升高。如图1 4 a 所示。 ( 2 ) 活塞制动 当活塞回程到封闭活塞上腔与环形氮气腔的通路，活塞上腔形成封闭腔，压力 继续升高，使活塞处于制动、停止状态，并防止活塞撞击缸体。如图i 4 b 所示。 ( 3 ) 活塞冲程 如图i 一4 c 所示t 套阀2 动作，并闭活塞下腔的压油路，开启回油，活塞下腔 与回油相通，于是在氮气膨胀作用下，使活塞作高速冲程运动。 ( 4 ) 活塞冲击液垫、套阀换向 活塞在氮气膨胀作用下，以大于3 0 m s 的速度打击，通过液垫将力平稳地传递 给凿杆，以破碎大块矿石。同时，套阎2 换向使活塞下腔进入压油，为下一次冲击 循环作好准备。 目前液压碎石器的除有以上两种工作的原理外，还有一种液压一氮气联合作用 原理，这种原理为上两种原理的联合。它在碎石器的结构中既设置活塞，又同时在 活塞尾部设置氮气室。活塞回程时压力油进入活塞前腔推动活塞运动，同时氮气被 压缩而储能，并且此时一部分压力油进入高压蓄能器。冲程时，一方面氮气膨胀， 另一方面高压蓄能器排出大量的压力油进入活塞后腔，活塞在这两个力共同作用下 实现冲程加速，从而获得较大的冲击能。利用此原理设计出来的液压碎石器能量利 用率较高但结构较复杂。 1 , 3 液压冲击器设计理论研究体系概况 液压碎石器与凿岩机一样，其主要工作装置是液压冲击器。液压冲击器系统的 研究水平，直接影响着碎石器或凿岩机的设计制造和使用。几十年来，人们对液压 冲器系统的运动规律及控制理论作了不懈的探索和研究，对它的认识也逐步由低级 阶段向高级阶段发展。 7 中南大学博士学位论文 1 3 1 数学模型 根据所作的基本假设和采用的数学模型不同，所得的运动基本方程也不同，人 们习惯地将液压冲击器系统的研究分为两类：线性模型研究和非线性模型研究。 1 、线性模型研究 线性模型研究中的基本假设条件是“液压油压力恒定不变”，并忽略某些影响 因素，在此基础上建立起液压冲击器线性模型。 前苏联学者首先提出“在保证冲击速度为给定值的情况下，油压完全均等的压 力控制是效率最高的最佳控制”的观点( m ，并通过机器压力油管中抽压波的波动方 程，建立冲击器线性数学模型，其形式如下： 图1 5 一芸= p 鲁 4 b d f p = c 2 p 监b td f ( 1 - 1 ) ( 1 2 ) m 碧= - s i p ( u ) ( 1 ，) 式中：x 断面坐标；卜埘间； p 油液密度；s 活塞受压面积； c 油液中的音速；u 活塞位移； p ，v d 吩别表示压力管道中某液流断面的压力、速度 图1 5 表示了这种控制。图中，t 是回程结束、制动开始的转点，f 表示作用 于活塞的轴向推力。 此模型为个线性的偏微分方程组，作者根据边界条件，求得了通解。 国内早期冲击器研究中，也有不少学者提出过类似的观点。人们将冲击器的工 作过程分为回程加速、回程制动和冲程三个阶段，并且认为在整个工作过程中油压 力恒定不变，中南大学杨襄璧教授、何清华教授、北京科技大学李大诒教授、陈定 远教授、夭水风动工具研究所的黎永泉教授都提出过一些设计理论和设计方法来建 立液压冲击器的数学模型。 在建立这些数学模型的同时，人们也对冲击器的回程反馈孔及冲程反馈孔的位 置、冲击停顿时间、蓄能器容积及其充气压力以及配流阀的有关参数的设计计算进 行了理论研究与实验分析，得到了具有一定实用价值的设计公式。同时，对冲击器 工作参数的合理选择进行了许多探求。 北京科技大学李大诒教授提出“满足蓄能器容积变化最小时能量利用率最高， 瞬时流量接近最小值”，并由此提出了最优行程的设计思想。 中南大学杨襄璧教授以冲程时间比： 0 l ：善( 1 - 4 ) 作为抽象设计变量( 其中t 。为冲程时间t 为一次循环周期时间) 推导了液压冲 第一章绪论 击器结构参数与工作参数的全套设计公式，并得出了不同优化目标的a 值。r q 最大峰值流量最小d = o 3 3 3 ； 蓄能器容积变化最小= o 3 8 2 ： 蓄能器隔膜振动次数最小a = 0 3 3 3 ： 中南工业大学胡均平副教授、朱建新教授以液压冲击器内部压力损失能耗最 小为优化目标得出= 0 2 9 。 北京科技大学陈定远教授以c = s s 。( s 为计算行程，s 。为最大行程) 作为 设计变量，对等加速无阻尼数学模型的液压冲击器参数进行了无量纲分析和推导， 得出最佳效率区为c = 0 7 5 o 8 5 。 2 、液压冲击器的非线性模型研究 液压冲击器系统运动的线性模型是建立在油压恒定不变的假设基础之上的，为 此，必须假设蓄能器充气容积无穷大，阀切换时间无穷小。显然这实际上无法 实现。实测也表明，液压冲击器运动过程中，液压力是变化的。因此，为了更准确 地反映液压冲击器的运动规律，人们对冲击器系统进行了更准确、更精细、更全面 的研究，并结合现代计算技术，产生了不少研究液压冲击器系统的非线性数学模型。 七十年代，国外就有人将计算机和仿真技术应用于风动凿岩机冲击系统的研 究，并指出用这种方法能够获得比较准确的技术性能参数 1 9 7 6 年，日本学者正桶口正雄等在演讲论文中提出了液压冲击试验装置的一 种非线性数学模型。作者用逐次近似计算方法求得冲锤速度和频率，用曲线描绘出 充气压力、冲锤质量、节流面积等因素对冲击速度、频率的影响，并与实测值进行 了比较，这是较早的一篇关于液冲击器非线性研究的论文。 19 8 0 年8 月，当时的北京钢铁学院矿业机械教研室在液压凿岩机活塞运动规 律的电子计算机模拟研究论文中提出了一个以蓄能器压力为工作压力的数学模型： 活塞动力平衡方程： m 。苁+ 毛t = f ( p ) ( i - 5 ) 流量平衡方程： q l q 2 一q 3 = 彳丘+ d y ( 1 6 ) rk 、l 。 蓄能器气态方程：p = p o l 高i ( i - 7 ) 这是一个非线性数学模型，作者将活塞的运动过程分为回程加速、回程制动 和冲程加速三个阶段，并考虑回弹速度影响和换向瞬时冲击压力等因素的影响，得 到了个较全面的仿真模型，并在计算机上进行了仿真计算。求得了稳定解。 1 9 8 7 年，北京科技大学陈孝忠、陈定远教授发表的液压碎石冲击机构计算 机仿真研究是国内最早将计算机仿真技术应用于液压碎石冲击理论研究方面的论 文，建立了如下数学模型： 活塞运动方程 e = b 。( p ) 一七1 只- z g 。c o s d 配油阀阀芯运动方程 鸩e = 最：( p ) 一屯毫一日2 回油质量惯性力方程m 3 = b 3 ( 妒) ( 1 8 ) ( 1 9 ) ( 1 1 0 ) 中南大学博士学位论文 流量连续性方程 g = q 1 一q 2 一q 3 ( 1 - 1 1 ) 蓄能器气态方程p = 玑叼 ( 1 1 2 ) 并用b a s i c 语言编制了仿真程序，取得了与实测结果比较接近的仿真数据。 线性研究抓住液压冲击器运动的主要因素，忽略次要因素对液压冲击器作一 些必要的假设，将冲击活塞的受力状态进行简化，得出有确切数学表达式的线性模 型，这种模型用来揭示液压冲击器的运动规律简单明了，可方便地求得解析解。而 非线性研究较多地考虑液压冲击器运动的影响因素，较为全面地分析液压冲击器的 受力状态，并用高阶非线性微分方程组描述其运动规律。这种模型能较精确地提示 冲击器运动的物理现象，但方程求解困难，描述不直观，只能通过计算机求得数值 解。近年来，随着计算机技术的发展，非线性数学模型的研究越来越受到重视。 1 3 2 蓄能器 蓄能器是液压冲击器的重要组成部分，蓄能器的设计品质直接关系到液压冲 击器的性能。 1 9 8 6 年。中南大学何清华教授对液压冲击器的回油与回油蓄能器进行了研究， 在液压冲击机构的回油与回油蓄能器一文中指出：液压冲击机构的工作油压主 要取决于本身运动件的惯性力，这是有别于工作油压取决于外部负载的一般液压机 械的显著特点；液压冲击机构的回油背压主要是由于冲击活塞或配油阀的控制腔向 回油管排油时，随它们加速运动的油液所形成的惯性油压。并指出由于液压冲击器 的排油流量与回油管中油液流动的流量变化步调不一致，当进入回油管的流量小于 回油管中油液流动的流量时，会产生空隙现象，为减小惯性回油压和消除回油空隙， 在液压冲击器上应设置回油蓄能器，并由此推出回油蓄能器参数设计计算公式。 北京科技大学段晓宏等以集中参数为基础，建立了高压隔膜式蓄能器动态模 型分析蓄能器系统的频率特性，讨论了蓄能器与液压冲击器的最佳藕合，指出了 以蓄能器对系统压力变化的二次谐波响应在能量分布占主导地位时为冲击器的最佳 工作区。 1 3 3 控制理b 仑 为使液压冲击器参数适应于所要破碎岩石的硬度和冲击阻力，对冲击器的冲击 能和冲击频率加以控制是十分必要的。 早期冲击能与冲击频率控制和调节是通过活塞行程调节螺钉在液压冲击器上的 不同位置，以行程反馈的方式来调节的。这种调节方式虽简单但所调节档位有限。 中南工业大学研究生肖键在其硕士论文“多档液压冲击器理论研究与计算机辅 助设计”中，对多档液压冲击器进行了全面的分析与研究，得到了多档液压冲击器 的运动学特点、参数与流量的关系，推导了抽象设计变量与冲击器结构参数之间的 关系，由此得出结论：在多档液压冲击器中，一个确定的口值代表各档的特定共同 品质。当n 取不同目标的优化值时，多档冲击器的各档都具有那种优化品质。文章 1 0 第一章绪论 指出，当各档流量的立方与活塞冲程之比( 峦s 沩常数时，多档冲击器的输出功 率相同，如果不计各档效率上的差异，各档的输入功率相同，因此各档对系统的能 量利用率就最高，由此得出多档液压冲击器参数设计的恒功率设计原理。h 1 】【4 随着人们对多档冲击器理论研究的不断深入各国学者正试图设计一种自动无 级换档的液压冲击器。 法国m o n t a b e r t 公司在b r v 3 2 和b r v 5 2 型液压冲击器上引进了“智能冲击” 技术正是基于此项研究。冲击器可根据前次的打击阻力来决定输出，并连续控制冲 击能量。岩石越硬，每次打击的能量就越大，而冲击频率就越小，冲击功率保持恒 定。b r v 3 2 的冲击频率范围从软岩的1 0 5 0 次分钟到硬岩的2 5 5 次分钟，b r v 5 2 的冲击频率范围为9 5 0 - - 2 8 0 次，分钟，而单次冲击能在1 ：4 的比率范围内变化。在 岩石破碎后，冲击器冲击能就会立即下降以防止空打冲击。每次冲击所需要的能量 是根据前一次冲击时岩石的情况判断出来的而冲击能与冲击频率的乘积( 输出功 率) 保持恒定。这种优化结果通过改变活塞腔的大小来实现的，而活塞腔的大小是 由流过配油器的流量来控制的。采用根据阻力大小自动控制冲击能的技术，使得冲 击波、共振、发热和振动都降低了，镐钎的寿命也延长了，噪声大大减小。【1 q 国内对于自动无级换挡及冲击频率无级调节的研究，近年来有了重大进展。中 南大学杨襄璧教授突破传统的液压冲击器行程反馈控制模式，提出“液压冲击器压 力反馈”的概念，通过调节控制冲击系统的压力，使其无级变化，从而使冲击器的 冲击能无级变化，通过调节控制供油泵供给冲击系统的能量，无级调节冲击器的冲 击频率，且两者调节控制是分别独立进行的，实现破碎工作中冲击能和冲击频率的 独立无级变化输出。1 4 3 】叫 1 3 4 防空打和钎尾反弹能量吸收 、 液压冲击器工作时不可避免地会出现“空打”和钎尾反弹现象，我国学者对 此进行了卓有成效的研究。 1 9 9 3 年，葛洲坝水电工程学院孟遂民发表了题为“液压凿岩机活塞反弹速度 分析”的论文，在理想线性模型的基础上。运用无量纲分析法。对液压凿岩机工作 参数受活塞反弹速度的影响进行初步探讨。嘲 1 9 9 6 年，湘潭工学院刘德顺教授在“冲击式凿岩机活塞回弹速度的计算? 一 文中，应用波动力学理论。在分析冲击凿岩的原理的基础上，提出了凿岩机活塞回 弹判据和回弹速度计算公式，并提出活塞的回弹状态和回弹速度与活塞、钎杆和 岩石的特性有关，它们的影响不是独立的。而是相互关联的：岩石的卸载刚度系 数a 越小，回弹速度越大，表征凿岩机具和岩石加载特性的系数y 越小，回弹速度 越大：为获得较理想的凿岩效率，在设计冲击器时，应将特征系数y 控制在1 y 2 范围内等论断。m m 【删 1 9 8 8 年，中南工业大学廖义德在其硕士论文“液压凿岩机防空打缓冲装置的 理论与实验研究”中，考虑了液压油的可压缩性、油液惯性、液压油粘度的变化以 l l 中南大学博士学位论文 及活塞与缸体之间有偏心等因素，把液压凿岩机防空打缓冲过程分为三个阶段，得 到了各阶段的数学模型，依此编写了仿真程序。仿真结果与实验基本相符。【n 9 】 中南大学液压工程机械研究所于8 0 年代推出了二级防空打缓冲装置。该装置 充分利用了钎尾反弹能量吸收装置的能力。该校廖建勇博士在其博士论文中对该装 置进行了分析计算，指出：二级防空打缓冲装置的设计问题实质上是两级吸收能量 的分配问题，并提出了两级能量分配原则和二级防空打缓冲装置的设计方法。p q 1 3 5 冲击机构计算机辅助设计( c a d ) 1 9 8 8 年，北京科技大学陈定远、刘庭楷、高澜庆等教授发表的液压凿岩机 冲机构计算机辅助设计( c a d ) 论文，以设计工作程式为线索，将参数优化、结 构尺寸计算和仿真验算统一起来，形成了液压冲击机构c a d 系统软件。这套软件 只要输入冲击器的性能参数，就可得到一组优化的结构参数结果，再输入优化结构 参数，就能计算出具有优化参数的冲击器主要零件尺寸，再将冲击器的结构尺寸输 入，就能模拟冲击器的工作，经运算达到稳定后，能得到实际可能的性能指标，以 检查设计的产品是否满足设计性能的要求。该软件的参数优化是以液压冲击机构的 理想线性模型为基础，而仿真验算是以冲击机构的非线性模型为基础，这套软件的 开发大大加快了液压冲击机构的设计速度，极大地提高了设计质量。【5 1 1 1 9 9 4 年，中南工业大学廖建勇博士在其学位论文中，编制了y y g 系列液压 凿岩机设计通用软件，实现了y y g 系列液压凿岩机全套图纸的计算机自动绘制。【5 q 1 4 课题来源、研究重点及研究意义 液压冲击器自六十年代发展起来后目前在国内外广泛应用于各行各业中， 已形成了一个重要的新技术产业，并取得了显著的社会效益和经济效益。 液压冲击器的工作对象岩石，在物理特性方面各不相同。根据岩石破碎 理论：一定块度的某类岩石的破碎有一个最低破碎冲击能要求，当冲击器所施加的 冲击能低于岩石最低破碎冲击能时，破碎时的破碎比功将大幅