行程反馈式液压凿岩机冲击机构动力学仿真及其性能检测方法的研究

1、. 广东工业大学硕士学位论文广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）行程反馈式液压凿岩机冲击机构动力学仿真及其性能检测方法的研究指导教师姓名、职称： 教授 学科(专业)或领域名称： 机 械 制 造 及 其 自 动 化 学 生 所 属 学 院： 机 电 工 程 学 院 论 文 答 辩 日 期： 2013 年 5 月 .A Dissertation Submitted to Guangdong University of Technology for the Master Degree of Engineering（Master of Engineering Science）Stroke feedba

2、ck type hydraulic rock drill impact mechanism dynamics simulation and its performance research of test methodCandidate: Liu zhiSupervisor: Prof. Li duannengMay 2013School of Electromechanical EngineeringGuangdong University of TechnologyGuangzhou, Guangdong, P. R. China, 510006.摘 要 课题在综合分析了目前国内使用非常广

3、泛的多种型号液压凿岩机主要机构工作原理之后，以冲击频率和冲击能为切入点，对其中一种行程反馈式液压凿岩机的冲击机构进行了深入的分析与研究，并对液压凿岩机的性能检测方法开展了一定的研究。液压凿岩机冲击机构各运动零部件的运动规律十分复杂，很难用精确的数学模型进行描述。本文基于一定的假设条件，建立了液压凿岩机冲击机构运动部件的非线性数学模型。以此为基础，用 Matlab/simulink 工具箱对液压凿岩机冲击机构进行了动态仿真，分析了液压凿岩机冲击机构在输入一定的工作参数的情况下，各个运动零部件结构参数对冲击性能的影响。通过对改变结构参数后冲击机构所表现出来冲击性能变化趋势的分析，获得了有关液压凿岩

4、机冲击机构运动状态的规律性认识，基于这些认识提出了一种液压凿岩机的新型缓冲结构双缓冲机构。并对这一机构做了理论分析，结果表明该缓冲机构缓冲效果明显，对提高液压凿岩机寿命有积极的作用。文中总结介绍了几种常用的液压凿岩机及气动冲击器的性能检测方法，分析了它们各自的特点。在此基础上提出一种新的液压凿岩机冲击性能检测方法液压缸受冲能量转移法。该方法不仅能检测冲击频率、冲击能，还能模拟不同岩石的工况条件下，在实验室开展冲击实验，检验出冲击机构能够正常工作的临界性能参数。根据这个方法研制了一台模拟实验台，对实验台检测软硬件系统进行设计搭建。模拟液压凿岩机的冲击性能检测要求，对检测系统进行了调试与测试，验证

5、了新检测方法的可行性、可靠性与准确性。本文通过对液压凿岩机冲击机构的理论研究，对我国目前行程反馈式液压凿岩机的设计和研制具有重要的理论价值和实际意义。同时，新型检测方法也为适应液压凿岩机冲击性能不断提高的发展趋势提供了一个新思路。关键词：关键词：液压凿岩机 冲击机构 动态仿真 缓冲装置 冲击性能.ABSTRACTAfter comprehensive analyzed working principle of various types of currently widely home used hydraulic rock drill，conducted in-depth analysis

6、and research to a stroke feedback hydraulic rock drill impact mechanism use impact frequency and impact energy . And carried out some research to its performance detection methods.It is very complex and difficult of the motion law of the hydraulic rock drill impact mechanism that so difficult to use

7、 a precise mathematical model to describe it, This article built the nonlinear mathematical model of the moving parts of a hydraulic rock drill impact mechanism based on certain assumptions, and simulated the hydraulic rock drill impact mechanism with Matlab / Simulink toolbox. Deeply analyzed the r

8、elationship between the structural parameters of the each moving body and the performance of the hydraulic rock drill impact mechanism.Through analyzing the impact performance trend of changing the structure parameters of hydraulic rock drill impact mechanism.Gained some understanding of the motion

9、state laws of the hydraulic rock drill impact mechanism.Promoted a hydraulic rock drill new buffer structure-double buffering mechanism-based on these findings. Theoretical analyzed to this structure, the results show that it plays an active role o improve the life of the hydraulic rock drill. Intro

10、duced several performance detection methods on several commonly used hydraulic& pneumatic rock drill and analyzed their features.Promoted a new impact performance testing method- by impact Law-on this basis.This method can not only detect the impact frequency, impact energy but also it can simul

11、ate critical performance parameters of the impact mechanism on some certain condition. And built hydraulic rock drill impact performance testing table with this method and did some research on this detection system.Debug the detection system with hydraulic rock drill impact performance testing requi

12、rements to verify the feasibility, reliability and accuracy of the new test.In conclusion, the theoretical study of the hydraulic rock drill impact mechanism, it would be practical significance on design and develop our own feedback hydraulic rock drill. At the same time, the new detection method al

13、so provides a reference for hydraulic rock drill impact performance trends.Keywords: Hydraulic rock drill, impact mechanism, dynamic simulation, buffer structure, impact performance.目 录摘摘 要要.IABSTRACT.II目目 录录.IVCONTENTS.VII第一章第一章 绪论绪论.11.1 液压凿岩机发展概况.11.1.2 国外液压凿岩机技术概况与发展趋势.11.1.2 国内液压凿岩机技术概况与发展重点.31

14、.2 液压凿岩机冲击机构工作特点及研究方法概述.41.2.1 液压凿岩机冲击机构工作特点.41.2.2 液压凿岩机冲击机构数学模型.51.3 冲击机构相关技术的研究.71. 3.1 换向阀的研究.71. 3.2 防空打装置和钎尾反弹缓冲装置研究.71.4 本课题的意义和研究内容.81.5 本章小结.9第二章第二章 液压凿岩机的基本结构与工作原理液压凿岩机的基本结构与工作原理.102.1 液压凿岩机的分类.102.2 液压凿岩机的基本结构.112.2.1 冲击机构.122. 3 液压凿岩机冲击机构工作原理.132.3.1 双控式液压凿岩机冲击机构工作原理.132.3.2 行程反馈式双控液压凿岩机

15、及其多档位原理.162.3.3 后控式液压凿岩机冲击机构工作原理.182.4 缓冲机构. 缓冲机构的发展历程.232.5 本章小结.30第三章第三章 液压凿岩机冲击机构性能仿真与分析液压凿岩机冲击机构性能仿真与分析.313.1 建立冲击机构数学模型的假设条件.313.1.1 液压凿岩机冲击机构部分参数分布.313.1.2 液压凿岩机冲击机构运动状态分析.333.1.3 液压凿岩机冲击机构的非线性数学模型.423.2 液压凿岩机冲击机构运动仿真分析.443.2.1 Simulink 仿真软件简介.443.2.2 液压凿岩机冲击机构的仿真模型.443.3 仿真结果与结果分析.473

16、.3.1 仿真的内容及其结果.473.4 液压凿岩机冲击机构内部参数对冲击性能的影响与分析.513.4.1 活塞结构参数对冲击性能的影响与分析.513.4.2 冲击性能的综合因素分析.543.5 本章小结.61第四章第四章 液压凿岩机冲击性能测液压凿岩机冲击性能测试方法试方法及测试系统设计及测试系统设计.624.1 冲击能测试方法及设计方案.634.1.1 现有冲击能测试方法及优缺点.634.1.2 受冲式液压凿岩机冲击性能检测方法及实验台设计方案.664.1.3 受冲式液压凿岩机冲击性能测试原理.684.2 检测系统的总体规划.704.3 模拟测试系统设计.704.3.1 模拟测试系统的测试

17、原理.704.3.2 模拟测试实验台架设计.714.3.3 激振装置的选型.724.3.4 液压缸的确定.724.3.5 压力传感器选型.734.4 数据采集与处理.74.4.5 本章小结.75第五章第五章 液压凿岩机冲击性能液压凿岩机冲击性能模拟测试模拟测试实验实验.765.1 实验内容.765.2 检测系统的标定与实验过程.775.2.1 检测系统的标定方法.775.2.2 检测系统的操作步骤.785.3 实验数据采集及其处理.785.3.1 实验数据采集.785.3.2 实验结果与分析.785.4 本章小结.84总结与展望总结与展望.85参考文献参考文献.87攻读学位期间发表论文攻读学位

18、期间发表论文.90学位论文学位论文独创性声明独创性声明.91学位论文版权使用授权声明学位论文版权使用授权声明.91致谢致谢.92.CONTENTSABSTRACT(in Chinese).IABSTRACT(in English).IICONTENTS(in Chinese).IVCONTENTS(in English).VIIChapter 1 Introduction.11.1 Hydraulic rock drill development profile at home and abroad.11.1.1 Development of foreign hydraulic rock dr

19、ill .11.1.2 Development of domestic hydraulic rock drill .31.2 Overview of the hydraulic rock drill impact mechanism Features and research methods.41.2.1 Characteristics of the Hydraulic rock drill impact mechanism.41.2.2 The mathematical model of Hydraulic rock drill impact mechanism.41.3 Impact me

20、chanism related technology research .71.4 This topic research content .81.5 Chapter Summary .8 Chapter 2 The basic structure and working principle of the hydraulic rock drill.92.1 Classification of hydraulic rock drill .92.2 The basic structure of the hydraulic rock drill.102.2.1 Impact mechanism .1

21、12. 3 The work principle of hydraulic rock drill impact mechanism.122.3.1 Double-controlled hydraulic rock drill impact mechanism working principle.132.3.2 Back-controlled hydraulic rock drill impact mechanism working principle.162.4 Buffering mechanism.182.4.1 Buffer mechanism experienced by histor

22、y.202.5 Chapter Summary .27.Chapter 3 Hydraulic rock drill impact mechanism Performance Simulation and Analysis.283.1 Assumptions of the mathematical model of the impact mechanism.283.1.1 The distribution of Hydraulic rock drill impact mechanism parameter.283.1.2 Kinematic state analysis of the impa

23、ct mechanism of hydraulic rock drill .303.1.3 The nonlinear mathematical model of hydraulic rock drill impact mechanism.393.2 Hydraulic rock drill impact mechanism motion simulation analysis.413.2.1 The simulink simulation software Profile.413.2.2 The simulation model of hydraulic rock drill impact

24、mechanism.423.3 The simulation results and results analysis.473.3.1 The contents and results of the simulation.473.4 The analysis of hydraulic rock drill internal parameters affect the performance of impact mechanism.523.4.1 The effect and analysis of impact performance which affected by piston stru

25、cture parameters.523.4.2 The comprehensive factor analysis of impact performance.553.5 Chapter Summary .62 Chapter 4 Hydraulic rock drill impact performance simulation detection system and test system design.634.1 Impact energy test methods and design scheme .644.1.1 The existing impact energy testi

26、ng methods and the advantages and disadvantages.644.1.2 The test method and the experimental device design scheme .674.1.3 The principle of Hydraulic rock drill impact performance analog detection device.694.2 The overall planning of the detection system .714.3 Detection system design and component

27、selection.714.3.1 Selection of the exciter. The determination of the hydraulic cylinder.734.3.3 Pressure sensor selection.744.3.4 Determination of the rest of the mechanical structure.754.4 Data Acquisition and Processing .754.5 Chapter Summary .76 Chapter 5 The experiment of hydraulic rock

28、drill impact performance deteceion.765.1 Experimental content .765.2 Test system of calibration and experiment process.775.2.1 Calibration of the detection system.775.2.2 The operation steps of detection system.785.3 Acquisition and processing of the experimental data .785.3.1 Experimental data coll

29、ection.785.3.2 Experimental results and analysis.785.4 Chapter Summary .84SUMMARY AND OUTLOOK.85REFERENCES.87PAPER LIST.90STATEMENT OF ORIGINAL CREATION.91AUTHORIZED USE STATEMENT OF THESIS COPYRIGHT.91ACKNOWLEDGEMENTS.92.第一章 绪论1.1 液压凿岩机发展概况在矿山、水电、铁道等生产建设活动中，将岩（矿）石从与之相连的基体（矿床、岩体等）上分离出来的工程十分浩大。尽管分离方法

30、众多，但迄今为止，占主导地位的仍然是在矿（岩）石上钻孔然后实施爆破，即所谓的钻爆法。目前开凿爆破孔的方法及相应的机具种类有很多，其中机械钻孔的方法又可分为以冲击为主、以回转为主和冲击并且带回转这三种1 。在经过漫长的人工用手锤与钎子进行凿岩破碎岁月后，19世纪瑞典人在开挖隧道时发明并率先使用了气动凿岩机，这给炮眼的凿制工作带来了历史性的变革。从此冲击凿岩机械逐步得以发展。在此后的一个多世纪里气动冲击凿岩工具品种变得越来越繁多，性能上也发生了质的飞跃。随着20世纪液压技术的发展及相关理论的日趋成熟，利用高压油代替压缩空气作为能量传递介质的液压凿岩机也随之问世。与气动凿岩机所用的传动介质压缩空气相

31、比，单位体积内油液的能量密度要远远高于压缩空气，这使得冲击凿岩设备的冲击性能大幅度提高。油液的润滑性与粘性也使得液压凿岩机的能量利用率相对于气动凿岩机大幅度提高。基于这些原因，人们开始进行液压凿岩机冲击机构的研制、改进工作。1.1.2 国外液压凿岩机技术概况与发展趋势从20世纪70年代开始，液压凿岩机冲击机构在实用性方面取得了突破性进展，1970年，法国蒙塔贝特公司率先推出以油液为能量传递介质的H50型液压凿岩机。据蒙塔贝特公司介绍，与气动凿岩机相比，液压凿岩机的能量利用率提高近三倍，达到40%50%，而且工作场所的噪音也能降低1020分贝。液压凿岩机的发展以及与气动凿岩机的比较可参见表1-1

32、和1-2，其高效、节能、环保的效果十分显著。世界上先后有二十多个国家及研究机构竞相参与研究与开发，经过多年的追逐与淘汰，以瑞典阿特拉斯.科普柯（Atlas-Copco） 、 芬兰汤姆洛克（Tamrock） 、 法国蒙塔贝特(Montabert)、赛科玛（Secoma） 、日本古河（Furukawa）等公司的液压凿岩机及配套产品在世界上最具代表性，其产品仍在发挥了巨大作用。液压凿岩机的用途从最初用.于矿山岩石工程的钻制炮眼、用于岩石的二次破碎，发展到今天已广泛用于开挖隧道、铁道工程、路桥拆除、路面破碎和旧城改造、以及冶炼厂炉渣的清除和航道疏通的水下作业等。另外在建筑业还开发出了液压打桩机取代柴油

33、打桩机；在机械加工行业用液压锻锤代替了空气锤等。随着液压冲击机械的应用领域越来越广，国外已经形成了一种新兴技术产业219。目前国外的液压凿岩机大多以大型导轨作为机体导向的结构，然后将导轨装在其他可折叠的动臂上，以便完成各个角度和方向的作业要求。进入到 21 世纪后，西方先进国家用在岩石工程项目上的这种液压凿岩设备占整个凿岩机械总量的 80以上。其中瑞典阿特拉斯.科普柯（Atlas-copco） 、芬兰汤姆洛克（Tamrock）公司生产的液压凿岩设备占据了全球差不多 60%的份额20。随着应用范围变得越来越广泛，液压凿岩机也正朝着重型化、自动化的方向发展21。钻凿炮眼的直径由最初的几十毫米向几百

34、毫米上升。随着电气自动化技术与先进控制技术的发展与应用，液压凿岩设备还可以完成自动走位、炮眼自动定位、自动开孔以及防卡钎等。在上世表 1-1 气动和液压凿岩机的比较Table 1-1 Comparison of pneumatic and hydraulic rock drill比较性能气动凿岩机液压凿岩机能量利用率 15%4050%噪声液压凿岩机比气动凿岩机低 1020 分贝排气油雾有无凿岩效率液压凿岩机比气动凿岩机提高一倍以上主要零部件寿命短长钎具消耗多少工作介质压缩空气油液介质压力 Mpa1.72.11425每米炮孔成本1:0.77自动化程度低高维护保养方便较困难.表 1-2 液压凿岩机

35、的发展Table1-2 Development of hydraulic rock drill20 世纪 70 年代20 世纪 80 年代20 世纪 90 年代至今凿岩机型号10 个近 40 个超过 80 个冲击频率3050Hz5080Hz80Hz 以上凿岩机冲击功率 Kw102040纪80年代可遥控的凿岩机器人技术和产品也率先在西方国家尤其是欧洲开始开发。目前法国蒙塔贝特公司的Robofore系列、瑞典阿特拉斯.科普柯公司的Robot-Boom系列以及芬兰汤姆洛克公司的Datamatic系列凿岩机器人已投入使用22。为了提高液压凿岩机能量传递效率、提高机体工作寿命、改善操作者工作环境等，开展

36、了对冲击机构的设计方法和理论、易损件的新工艺新材料、产品自动化智能化冲击控制技术等领域的研究。1.1.2 国内液压凿岩机技术概况与发展重点在液压凿岩机结构设计与制造技术方面，国内起步晚于国外，于 20 世纪 70 年代开始液压冲击机构的研究，在整体技术上也落后于国外先进水平，但是在工作机理方面、设计方法方面绝不亚于世界先进水平，甚至有较多独特之处。我国相关高校以及科研单位从 20 世纪 70 年代开始着手液压凿岩机的研制并于 1973 年由长沙矿山研究院研制出第一台液压凿岩机样机 YYG80。经过几年时间的实验与改进后，于 1980年 9 月通过了国家部级鉴定23。目前在我国参与液压凿岩机技术

37、研究的有东北大学、中南大学、长沙矿山研究院、北京科技大学、北京煤炭科学研究院、沈阳风动工具厂、宣化风动工具厂等 10 多个单位，研制出 20 多种不同款式的液压凿岩机22。我国一些单位也看到具体国情对轻型液压凿岩机的大量需求。随着人力、财力的大量投入，在我国自主生产的液压凿岩机型号越来越多，但产品质量的可靠性比较差，寿命十分有限，因此国内液压凿岩机的产量不大，而且集中在少数几个型号上，有的甚至慢慢停产。其原因主要表现在以下几个方面，1）设计水平这些产品大多不合理地采用了内回转结构，从结构设计上就不满足液压凿岩机高频率、大扭矩的需要；2）加工制造水平由于液压凿岩机整体结构非常紧凑，并且在工作时要

38、承受灰尘环境的考验以及自身强烈震动的影响，这就要求机体内部油路需密集布置且要严格保.证油路孔位的准确、机体部分连接部分表面光洁度也必须非常高，并且机体连接要非常可靠，以上这些要求便对我们的加工设备、加工技术提出了苛刻的要求；3）材料、热处理工艺液压凿岩机冲击机构内部的活塞、换向阀在工作时一直在高频往复的做冲击运动，且几个主要缸体要承受机体振动的影响，就必须要求冲击机构的部件有良好的机械性能与恰当的热处理工艺来应对这种考验。而连接的缸体需要有足够的刚度与强度来承受高频振动带来的影响。本人在广州天凿精机机械有限公司也就国外某型液压凿岩机的缸体表面做了硬度测试，发现其表面的硬度达60HRC。这无疑对

39、材料和热处理工艺提出了严格的要求。随着液压凿岩机在国内过去四十多年的广泛应用，其发展慢慢的朝着重型、高频以及大扭矩方向发展，如我国自主研发生产的YYG145，其单次冲击能可达300多焦耳，冲击频率也能够达到4060Hz，而扭矩在450N.m左右。而电气化、智能化也是将来发展的重点，中南大学的何清华教授及其团队在用于隧道开凿的智能凿岩机器人的研究方面取得了一些积极的成果。1.2 液压凿岩机冲击机构工作特点及研究方法概述1.2.1 液压凿岩机冲击机构工作特点尽管液压凿岩机冲击机构结构简单，但是它有别于其他液压工程机械及设备。与一般液压工程机械相比，它比较特殊的地方在于：冲击机构的活塞、换向阀始终处

40、于加（减加）速度达几十甚至于几百倍于重力加速度这样一种剧烈的变速运动状态。而一般的液压机械工作时，在两个变化比较大的过度阶段总有一个比较平稳的工作区域24。并且冲击机构的换向阀是一种换向频率达 40-80Hz 甚至上百赫兹的高频开关控制阀，一般要求在 1-2ms 的时间内完成高压大流量的油路切换动作。因此机体内流动的油液总是处于强烈的节流状态。上述两个特点将导致冲击机构运动体产生很大的惯性力。这种惯性力正是传动介质工作压力形成的主要原因，换句话说，液压凿岩机冲击机构的工作油压取决于其运动体的惯性力，可称之为惯性油压1。一般情况下它与外部负载，即被冲击破碎的物体的性质关系不大。这一点与一般液压机

41、械装置的工作压力取决于外部负载是不相同的，也是少见的。由于液压凿岩机冲击机构运动体始终处于剧烈的变速运动状态，驱动它们的传动介质的流动状态自然属于变化非常剧烈的非恒定流动，其压力、流量变化都非常剧烈。显然，由液体流动的惯性力产生的惯性油.压也不容忽视。而液压凿岩机冲击机构活塞与阀之间的反馈控制不是比较确定的机械反馈控制，活塞与阀之间的控制关系相对比较自由。显然，上述特点给液压凿岩机冲击机构的研究、设计、制造包括应用带来一定的难度，如数学模型的建立，冲击速度、瞬态流量等参数的测试等都有不少棘手的问题有待解决。1.2.2 液压凿岩机冲击机构数学模型根据在建立液压凿岩机冲击机构的数学模型的不同，可以

42、把描述冲击机构运动体运动规律的数学模型分为线性微分方程组与非线性微分方程组两大类。线性模型把握住冲击机构运动部件的主要影响因素，忽略一些次要的影响因素，并对冲击机构作一定的假设，尽量简化主要运动体的运动方程，用线性数学模型来描述冲击机构运动部件的运动过程。这种线性数学模型可以将冲击机构运动部件的运动过程与运动规律相对直观的描述出来，最终通过确切的数学表达式求出解析解25。但由于建立的这种线性模型忽略了实际情况中存在的一些因素，因此这种方对冲击机构的运动规律描述的精确性比较低。而非线性模型相对比较全面地考虑了冲击机构的影响因素，冲击机构的受力状态也比较接近实际状况，且采用高阶非线性微分方程组描述

43、其运动规律。因此这种数学模型能比较准确地揭示冲击机构运动体的真实情况。但是这种数学模型求解困难，只能借助于计算机来求得数值解。需要说明的是，由于冲击机构运动体的运动过程比较复杂，非线性模型也还是要建立在一定假设基础上的，因此这种非线性数学模型也只能是近似地描述冲击机构的运动规律26。 线性模型研究冲击机构三个主要部件的运动规律从本质上来说是非线性的，描述其运动的数学模型应当是一个比较复杂的非线性微分方程组。而线性研究方法则采用不同的途径将其运动规律线性化或者干脆忽略某些非线性影响，并在一定程度上隔断三个运动体之间的联系，然后建立一个集中描述活塞运动的较为简单的数学方程组。前苏联学

44、者 O.A 和 C.A. 首先指出：在保证活塞冲击末速度为定值的情况下，油压完全均等的压力控制是效率最高的最佳控制，由此提出了峰值推力最小的最佳设计方案。中南大学杨襄璧教授以活塞的冲程时间与活塞的运动周期之比：. （1.1）1TaT作为抽象设计变量，推导了液压凿岩机冲击机构各大运动体结构参数的设计公式，并得出了不同优化目标的值27。其中得出使得峰值供油量最小时的=0.333；高压蓄aa能器冲、排油体积变化最小的=0.382。a中南大学胡均平教授以液压凿岩机压力损失为研究目标，得出活塞的冲程时间与活塞的运动周期之比=0.2928。a中南大学何清华教授通过引入两个无因次变量回程加速段与冲程加速段的

45、加速度比和冲程加速段与回程减速段的加速度比，提出冲击机构活塞有关的运动学1方面的工作参数可以用给定的频率、冲击能、以及两个无因次变量表示出来，而与输入的工作油压大小无关。并进一步推导出液压冲击机构几种能量损失及效率的表达式，分析了这些能量损失及效率的主要影响因素。 非线性模型研究前面描述的冲击机构的线性模型，是一种“恒压控制”下的理想的数学模型，要形成压力恒定的理想状态须满足如下两个条件：蓄能器油腔初始体积无限大假定蓄能器的充气压力比，工作压力比，为蓄能器在一个周minappminmaxppV期内的最大排油体积。其中为蓄能器的初始充气压力，为蓄能器最小工作压力，apminp为蓄能

46、器最大工作压力。根据气体状态方程，可以求得蓄能器maxp1122nnP VP VC油腔初始体积为：aV （1.2）11(1)annVV而所谓压力恒定，即，则。在上式中，为有限量，所以当minmaxppC1V时，。1aV 上面的分析说明，要保持压力恒定，必须使得蓄能器充气容积为无限大29。换向阀在切换油路时，开口量变化过程时间要无穷小。只有这样才能使得油压在切换的过程中由一个压力在同一时刻变成另外一个压力，也就是要使得换向阀切换.油路时油压是阶跃变化的。显然，这两个条件在实际当中是不可能做到的，首先蓄能器的工作压力基本是遵循绝热气体状态方程所规定的非线性变化。阀口开口量的变化符合薄壁孔口出流的规

47、律，其流量的变化会导致压力的变化，这也是非线性的。为了描述冲击机构运动规律的数学模型更接近实际情况，须着手建立冲击机构的非线性数学模型。冲击机构的运动是活塞、换向阀、蓄能器三者的联合运动，同时这种运动根据实际情况又必须分成若干不同的阶段。也就是说描述冲击机构非线性运动微分方程组的边界条件、初始条件也变得相当复杂。这种方程组一般只能求数值解。所以非线性的设计、研究工作必须借助于计算机的数值仿真技术。1.3 冲击机构相关技术的研究1. 3.1 换向阀的研究液压凿岩机冲击机构是一个具有准确位置反馈的阀控活塞互动系统。换向阀对活塞的控制属于开关型控制，阀的结构参数如质量、运动行程、推阀面积等都是影响冲

48、击机构性能的重要因素。北京科技大学刘万灵教授等在液压凿岩机换向阀的动特性分析一文中，通过理论分析和实测相结合的手段，对换向阀的运动规律进行了研究，揭示了换向阀的运动规律，得出了换向阀影响液压凿岩机冲击性能的主要参数。中南大学齐任贤、刘世勋教授对换向阀控制过程进行了理论分析，同时对换向阀的结构设计和结构优化方面进行了研究，取得了一些实用性的结论：如换向阀作高速运动时，由于回油阻力的影响，可能出现速度饱和现象，而解决办法是减小阀芯重量和行程，同时适当加大油道直径等30。1. 3.2 防空打装置和钎尾反弹缓冲装置研究液压凿岩机工作时，冲击机构中的活塞以一定的速度冲击钎尾，通过钎尾以及与之相连接的钻杆

49、将活塞的动能以应力波的形式传递给岩石，而达到破碎岩石的效果。由于岩石与钻杆的阻抗不同，必然会有部分应力波在钻杆与岩石的接触面被反射回钻杆，这时钻杆便会发生回弹现象。如果不加制止，钻杆的回弹便会导致凿岩机缸体与推进钻杆的零部件发生刚性撞击，会使凿岩机本身以及钻杆甚至钻车受到冲击，工作寿命受到大的影响，同时凿岩机的钻孔效率也将下降31。.国内有不少学者对防空打装置以及钎尾反弹装置进行了一定的研究。其中孟遂民教授通过无量纲分析法，利用液压凿岩机冲击机构的线性模型，将活塞冲击钎杆后的反弹速度对冲击机构输入工作参数的影响进行了研究32。刘德顺教授运用波动理论，得出了液压凿岩机活塞回弹依据和回弹速度的计算

50、公式，并得出了如下结论：活塞的回弹速度与活塞、钻杆以及岩石的阻抗特性有关，它们对活塞的回弹速度的影响是相互关联的；工作介质的加载刚度与卸载刚度都影响活塞是否发生回弹以及回弹速度的大小。但这些缓冲机构不能随岩石硬度不同，反弹力大小的不同自动地调节缓冲机构的状态，不能最大程度地起到缓冲减振作用。本文将在现有钻杆回弹缓冲装置的基础上提出一种新型的液压双缓冲装置，该装置能在不同的工况下表现出不同的缓冲特性，其结构将在后面做出描述。1.4 本课题的意义和研究内容本文以液压凿岩机冲击机构作为研究对象，根据实际情况对冲击机构的工作原理进行了详细的分析，采用计算机数值分析软件对液压凿岩机冲击机构三大运动体的运

51、动规律进行仿真分析与研究，寻找出优化液压凿岩机冲击机构冲击性能的思路与方法，并构建用于检测液压凿岩机冲击性能的模拟检测系统。主要研究内容如下：1从液压凿岩机冲击机构的工作原理出发，详细分析了液压凿岩机冲击机构三大运动体的工作方式与运动规律。细化冲击机构运动体的运动过程，根据临界条件的转换将一个运动周期分为七个过程。运用流体力学理论、气体状态方程以及牛顿运动定律，建立液压凿岩机冲击机构运动体的非线性数学模型。2根据液压凿岩机冲击机构工作原理的特殊性，采用计算机仿真方法，利用数值分析软件 Matlab 及其系统仿真工具 Simulink，对液压凿岩机冲击机构的三大运动体活塞、换向阀、高压蓄能器行仿

52、真计算，然后对影响液压凿岩机冲击机构冲击性能的各种因素进行综合分析与研究，并且采用正交试验法归纳出由主要影响因素组成的较优方案，从而总结出各因素对液压凿岩机冲击性能的影响规律，为提高液压凿岩机的冲击性能提供依据。3在综合分析国内外现有液压凿岩机以及气动冲击器冲击性能的检测方法的基础上，提出一种新型液压凿岩机冲击性能的检测方法。该检测方法不仅可以对液压凿岩机的平均冲击能、冲击频率和冲击功进行检测，还可以克服现有一些方法的不足。并且能对液压凿岩机在不同的岩石工况下所需的临界冲击性能参数做出分析。.4依据所提出的检测方法和实施方案，进行液压凿岩机冲击性能模拟检测系统的设计与制造，完成检测系统的调试、

53、标定。利用液压压力传感器、示波器对冲击频率与冲击能的数据进行采集、处理。通过实际应用验证该检测方法及其检测系统在对液压凿岩机冲击频率和冲击能测量时的可行性、可靠性以及正确性。1.5 本章小结本章综合论述了液压凿岩机的发展状况和液压凿岩机在性能分析与检测方法方面的国内外研究现状以及应用。在此基础上阐述了本课题的研究意义，并提出了研究的目标与研究内容。.第二章 液压凿岩机的基本结构与工作原理2.1 液压凿岩机的分类目前，国际市场上销售的液压凿岩机种类很多。据不完全统计，已有十多个国家的几十家公司生产约 60 多种不同类型的液压凿岩机。不少公司已从单机发展成为系列产品，并与相应的液压钻车配套，广泛用

54、于矿山、冶金、煤炭、交通、建筑等部门。液压凿岩机冲击机构中，一般都将推动活塞回程的压力腔称为前腔，而将推动活塞冲程的压力腔称为后腔。目前液压凿岩机冲击机构中根据前后腔压力变化情况主要分为以下两种。一种是前腔常压，后腔作为控制腔压力高低交变且后腔回油的冲击机构称之为后控式。一种是无常压腔，前后腔压力高低交变且双面回油的冲击机构称之为双控式。表 2-1 液压凿岩机分类Table2-1 The type of hydraulic rock drill类型有阀型无阀型单面回油回油方式后腔回油前腔回油双面回油双面回油控制方式前腔常压差动后腔常压差动双控活塞自配阀的结构套阀芯阀套阀芯阀芯阀无国外Tamro

55、ck 公司的HE、HL 系列。Montabert 公司的 H 系列。Furukawa 的HD 系列。Secoma 公司的 Hydrastar系列，G.D公司的 HRP系列 Tension公司的 RD系列。Alimark公司的AD 系列。Secoma公司的RPH35Atlas-copco公司的 COP系列。Ingersoll-Rand公司的 HARD-III 系列。Cannon 公司的CH-25、CH-32、CH-38。典型产品国内TTYYG-20YYG-90AYYG-250BYYG-80 系列。液压凿岩机按其冲击机构配油方式的不同可分为两大类：有阀型和无阀型。前者.按阀的结构可分为套阀型和芯阀

56、型；按回油方式又有单面回油和双面刚油两种：单面回油又分为前腔回油和后腔回油两种。其分类关系及相应代表型号见表（2-1） 。2.2 液压凿岩机的基本结构冲击凿岩是破碎岩石的主要工序，迄今仍在国内外各种采掘工作中广泛应用。在冲击凿岩系统中，凿岩机是动力机构，钻杆是动力传递机构，钻头是破碎岩石的工作机构。凿岩机输出的能量借助钻杆和钻头（冲击凿岩工具） ，传递给岩石，达到破碎岩石形成炮眼的目的2。如图 2-1 所示液压凿岩机主要由冲击机构 D、转钎机构 B、冲洗机构 A 及缓冲机构 C 组成。其凿岩作业是冲击、回转、推进与岩孔冲洗功能的综合。目前各生产厂家的液压凿岩机结构都不尽相同，各有自己的特点。如

57、有带行程调节装置的，也有无此装置的；有采用中心供水以及旁侧供水来冲洗炮眼，也有以压缩空气来冲洗炮眼的；缸体内有带缸套的也有无缸套的；同时包括在冲击凿岩过程中出现一些意外情况，如岩石存在裂隙时，防止出现空打的防空打装置；在打深孔和打到坚硬岩石时保护机体及钻车的钻杆回弹缓冲装置。为了防止在冲击凿岩时存在的卡钎（如裂隙卡钎、溶洞卡钎、缓变卡钎） ，而导致钻杆卡在岩孔内拔不出来，国外有一些新型液压凿岩机在供水装置前面还设有反冲装置，如 Atlas-copco 公司的 COP1838MEX 型液压凿岩机就带有反冲装置。下面介绍液压凿岩机的一些基本结构。A-冲洗机构 B-转钎机构 C-缓冲机构 D-冲击机

58、构1-钎尾导向套 2-前壳体 3-三菱套 4-齿轮箱 5-大齿轮 6-缓冲缸体 7-缓冲活塞 8-前油封座 9-配流缸体 10-冲击活塞 11-后导向套 12-后壳体 13-钎尾 14-冲洗头 15、17-滚动轴承 18-传动轴 19-前导向套 20-换向阀 21-内花键联轴器 22-液压马达 23-后油封座图 2-1 液压凿岩机结构图Fig.2-1 The structure of hydraulic rock drillABCD.2.2.1 冲击机构冲击机构是液压凿岩的核心部件，它主要由配流缸体、冲击活塞、换向阀、高低压蓄能器、导向套和油封座等组成。活塞活塞在液压凿岩机内部将输入油液的压力

59、能转换为自身的动能，然后又将自身的动能以应力波的形式传递给钻杆，最后传递给岩石，因此活塞的结构形状对能量的传递效果有较大影响。根据波动力学理论：为了延长应力波的传播时间，在结构允许的前提下，应尽量采用细长的活塞；为了减少应力波在传递过程中的反射，活塞截面面积的变化应尽量减少，必要的话，应在截面积突变的地方设有一个圆滑的过渡区，以减小应力波反射时引起的能量损失；为了使应力波能在活塞与钎尾冲击端平缓稳定的传递，活塞端部直径应尽量接近钎尾直径；为了使得活塞与钎尾能对中撞击，应保证活塞与钎尾尽量同轴，并保证两个接触端面能严格贴合，以提高能量的传递效率。因此，活塞截面积的变化应尽可能的小，从液压凿岩机冲

60、击机构的结构特点来看，双面回油、压力前后交替型液压凿岩机活塞截面面积变化小，且细长，是比较理想的活塞形状。冲击活塞的导向和密封液压凿岩机冲击机构的工作压力比较高，一般在 1825Mpa 之间。且冲击频率可达 40Hz-60Hz，甚至更高。承受高压且往复运动的活塞，其导向与密封便是一个重要的问题，如果导向不好或者精度不高，则容易出现活塞拉缸的现象，极易损坏缸体与活塞本身。而密封不好的话，会造成泄漏严重且降低液压凿岩机的工作效率。液压凿岩机活塞的密封采用的是经典的三段式密封方式，即间隙+低压回油腔+组合密封，这种密封形式先将泄漏的高压油通过环形间隙转变为低压油，然后将低压油连通回油路，最后用组合密封来密封