液压冲击器理论与实践研究

1、1234挖掘机装载机凿岩机破碎锤碎石机夯管锤冲击钻潜孔锤振动冲击锤拆缷机器人作功能作业车地下碎石车地下撬毛车核心部件液压冲击器 冶金矿山铁路工程公路工程水电涵洞市政工程建筑工程军事工程56钎杆，-导向套，-钎杆保持器衬套，-阀盖，-阀芯，-阀箱，-活塞环，-活塞，-前体，-前腔，-液压缸，-后腔，-氮气室7工作原理示意图 工作原理示意图 81 1）建立数学模型）建立数学模型活塞回程加速段活塞回程加速段活塞制动和冲程阶段活塞制动和冲程阶段21 12232Nd xmmgp Ap Ap Adtdxvdt100()tHvdtQVA110()kkHHHpp VVV020()tLAv dtQV000()k

2、kLLLpp VVV0 0kkNp VpV211232()Nd xmmg p A Ap Adtdxvdt12101()tHHTvvdtQVVAA110()kkHHHpp VVV101tLLTdtQVV000()kkLLLpp VVV0 0kkNp VpV9活塞运动活塞运动.14.2112231(sgn()sgn()sgn(1)2( 1)ipipppppppppNppi pipiipipipid lSSpm SS m gp Ap ASp Al换向阀芯方程换向阀芯方程.324.111sgn()(,)vvvvvvipviivviF SS Sm SSm gp Ap Ap10理想气体状态方程理想气体状态

3、方程00kkNp Vp V氮气体积与活塞几何位置关系氮气体积与活塞几何位置关系303(110)*10pVVAS回程段高压油流量平衡方程回程段高压油流量平衡方程.12pplppQA SASQ34.2133322(1 1.5)( 1)122(1 1.5)12pipiippipipiipipiviviviiivilvdpdSll cQcdp 冲程段高压油流量平衡方程冲程段高压油流量平衡方程.121ppplpvvQA SASA SQ34.21132.211(1 1.5)( 1)122(1 1.5)( 1)122pipiippipipiipipiivivivivivivivilvidpdSl cQdpd

4、Sl c 112 2）建立三维模型）建立三维模型123 3）建立）建立ADAMSADAMS仿真模型仿真模型13ADAMSADAMS和和MATLABMATLAB联合仿真联合仿真144 4）进行动力学仿真分析）进行动力学仿真分析阀芯阀芯活塞活塞151-1-截止阀，截止阀，2-2-溢流阀，溢流阀，3-3-过滤器，过滤器，4-4-液压泵，液压泵，5-5-压力表，压力表，6-6-活塞，活塞，7-7-中缸体，中缸体，8-8-液控阀，液控阀，9-9-手持式测量仪，手持式测量仪，a-a-氮气室，氮气室，b-b-后腔，后腔，c-c-前腔前腔5 5）16PS：1、如需另测氮气压力，编号前面加零。2、单次测试时间为

5、10秒。3、A通道接氮气室 B通道接上腔（回油腔） C通道接下腔（常压腔）4、表中压力为精确值，流量为非精确值PS：1 1、单次测试时间为、单次测试时间为10秒。秒。 2、A通道接氮气室通道接氮气室 B通道接上腔（回油腔）通道接上腔（回油腔） C通道接下腔（常压腔）通道接下腔（常压腔） 3、表中压力为精确值，流量为非精确值、表中压力为精确值，流量为非精确值171819系统系统溢流溢流压力压力（MPa）前腔前腔平均平均压力压力（MPa）活塞活塞冲击冲击速度速度(m/s)破碎锤打击破碎锤打击能量能量(J)破碎锤冲击破碎锤冲击频率频率(HZ)109.3083.02786.074.771412.987

6、3.62489.994.061614.3473.18195.074.93不同系统压力下的测试结果不同系统压力下的测试结果20不同系统流量下的测试结果不同系统流量下的测试结果流量流量（L/min） 活塞冲击速度活塞冲击速度(m/s)破碎锤打击能量破碎锤打击能量(J)破碎锤冲击频率破碎锤冲击频率(HZ)303.02786.074.77403.17194.046.56503.24999.237.56603.352105.447.80212223 目前根据控制方法和设计概念的不同，调节液目前根据控制方法和设计概念的不同，调节液压冲击器输出工作参数的常用方法主要有：液压压冲击器输出工作参数的常用方法主要

7、有：液压冲击器行程反馈调节方法，改变液压冲击器供油冲击器行程反馈调节方法，改变液压冲击器供油流量的调节方法。流量的调节方法。 为了满足不同工况破碎不同的工作对象，传为了满足不同工况破碎不同的工作对象，传统的输出特性单一的冲击器已不能满足要求，需统的输出特性单一的冲击器已不能满足要求，需要对液压冲击器的输出特性作相应的调节以满足要对液压冲击器的输出特性作相应的调节以满足各种工况下最优的工作状态；而且还要提高液压各种工况下最优的工作状态；而且还要提高液压冲击器的工作稳定性和降低生产成本，扩大使用冲击器的工作稳定性和降低生产成本，扩大使用范围。范围。 242526（a a） P P* *=9MPa=

8、9MPa（b b） P P* *=15MPa=15MPa272829高压蓄能器初始充气压力储油腔作用面积对冲击器工作性能的影响高压蓄能器初始充气压力储油腔作用面积对冲击器工作性能的影响 高压蓄能器初始充气压力对冲击器工作性能的影响高压蓄能器初始充气压力对冲击器工作性能的影响 30313233343536基于AMESim建立的液压冲击器仿真模型 3738394041在某工况下新型液压冲击器各曲线图 在某工况下新型液压冲击器各曲线图在某工况下新型液压冲击器各曲线图 42传感器活塞运动反弹氮气室压力峰值单片机比较判断信号放大智能液压冲击器A/D高速开关阀锥阀动作高速开关阀锥阀动作D /A控制策略选择

9、算法前腔油路后腔油路 冲击器冲击不同物体时，活塞反弹速不同，氮气室的峰值压力不同，通过传感器采集该峰值可以识别物体特性。再经过单片机分析得出控制信号，控制高速开关阀和锥阀，可控制活塞行程，从而实现控制冲击能和冲频率的目的。43（1）实验系统设计 实验系统包括：实验硬件设备，程序调试系统以及实验信号采集系统，通过实验实现液压冲击器冲击能的无级调节性能，液压冲击器冲击频率的无级调节性能，验证理论设计研究的正确性.44 实验是在上海东空国际贸易有限公司的液压泵站上进行的，该泵站供油系统采用变量柱塞泵，高速开关阀为二位三通高速开关阀；逻辑插装阀根据液压冲击器要求而由上海船舶设备704研究所加工生产的二

10、通型插装锥阀。（2）实验硬件设备45（3）程序调试系统 程序调试系统由单片机仿真机和调试软件组成。单片机仿真机选用广州致远电子公司的系列单片机仿真机；调试软件为软件，它可以完成源程序的编写、程序编译和连接、软件仿真的验证和排错等，在调试过程中它支持包括单步运行、全速运行和断点运行等。计算机控制系统硬件实物图正在运行的软件界面46（4）配流换向系统设计研究 配流换向系统一方面必须满足控制液压冲击器活塞作往复运动的工作要求，起到换向的目的；另一方面，配流换向系统中阀阀芯的运动速度和位移直接控制了活塞的运动频率，因此，必须保证配流换向阀运动的快速性。本文引入高速开关阀、二通逻辑插装阀共同组成液压冲击

11、器的配流换向系统，高速开关阀结构简单、反应速度快；逻辑插装阀动作速度快且通流能力大。1、进油高速开关阀 2、进油插装阀图3、回油高速开关阀 4、回油插装阀配流换向系统工作原理图47 结合功能要求，硬件主要由主控板电路、信号采集电路、A/D转换电路、人机交换电路、光电隔离传输电路、输出信号放大电路组成。系统控制电路与液压冲击器分离开来操作，主控板电路完成系统的控制、运算工作；信号采集电路按照指令采集氮气室压力并以模拟信号的方式传递给下一级电路；转换电路将模拟信号转换成计算机能处理的数字信号；人机交换电路用于参数的设定、系统运行情况的监控等；光电隔离电路用于信号隔离传输，消除执行机构与硬件电路间的

12、干扰；输出信号放大电路对输出信号作相应放大处理以便驱动执行机构工作。1）硬件设计（5）计算机控制系统设计研究482）软件设计 对于本课题所研究的机电控制液压冲击器控制系统的软件设计，其控制目标是实现对冲击能控制和冲击频率无级调节。 为了将本课题实现液压冲击器根据工况条件实现自适应调节输出特性的思想简单化，本课题在控制系统软件设计中分两个阶段进行： 一、实现机电控制的有级调节。在纯液压控制液压冲击器的基础上，将液压冲击器由纯液压控制转变为计算机控制，冲击频率、冲击能、工作延时时间量通过操作人员手动调挡的方式设定。 二、实现冲击器自身智能化工作的无级调级。在机电一体化控制系统基础上，进一步实现机电

13、控制液压冲击器的自动调能调频工作，实现自适应工况最优化工作要求。49 第一阶段工作中，可以针对不同工作对象相对应设定不同组合的回程时第一阶段工作中，可以针对不同工作对象相对应设定不同组合的回程时间和冲程时间，冲击能可以适当调节回程时间来控制，而冲击频率可以通过间和冲程时间，冲击能可以适当调节回程时间来控制，而冲击频率可以通过调节冲击时间来提高或减小。并把各种不同组的工作时间组按照冲击能大小调节冲击时间来提高或减小。并把各种不同组的工作时间组按照冲击能大小顺序汇编成一个数据库，将该数据库植入程序中，实际工作时根据工作对象顺序汇编成一个数据库，将该数据库植入程序中，实际工作时根据工作对象物理性质调

14、用不同的工作时间组，去控制两个高速开关阀的启闭时间，实现物理性质调用不同的工作时间组，去控制两个高速开关阀的启闭时间，实现液压冲击器机电控制的有级调节，级数的多少取决于数据库的丰富程度。液压冲击器机电控制的有级调节，级数的多少取决于数据库的丰富程度。 工作时，当控制系统上电后，系统初始化，进入监控状态，进油插装阀和工作时，当控制系统上电后，系统初始化，进入监控状态，进油插装阀和回油插装阀均打开，当确定有运行键按下时，先确定调用工作时间组，然后回油插装阀均打开，当确定有运行键按下时，先确定调用工作时间组，然后开定时器开定时器T T0 0，进油插装阀关闭，回油插装阀打开，冲击器作回程加速运动；，进

15、油插装阀关闭，回油插装阀打开，冲击器作回程加速运动；在回程加速时间结束即定时器在回程加速时间结束即定时器T T0 0中断结束后，关闭定时器中断结束后，关闭定时器T T0 0 ，开定时器，开定时器T T1 1 ，信号输出引脚电压置反，进油插装阀打开，回油插装阀关闭，冲击器开始回信号输出引脚电压置反，进油插装阀打开，回油插装阀关闭，冲击器开始回程减速运动和冲程运动；定时器程减速运动和冲程运动；定时器T T1 1定时中断结束后，进入下一个周期工作运定时中断结束后，进入下一个周期工作运动，如果有档位按键按下，调用其它工作时间组工作；如果有停止键按下，动，如果有档位按键按下，调用其它工作时间组工作；如果

16、有停止键按下，则停止工作，进入监控状态。则停止工作，进入监控状态。 50 主程序流程图主程序流程图 有级控制键盘中断处理程序有级控制键盘中断处理程序 有级控制冲击子程序有级控制冲击子程序51 第二阶段工作中，实现液压冲击器的自动调节参数第二阶段工作中，实现液压冲击器的自动调节参数功能，根据工况冲击器控制系统自动无级调节工作频率功能，根据工况冲击器控制系统自动无级调节工作频率、冲击能。控制系统通过传感器采样氮气室压力值与控、冲击能。控制系统通过传感器采样氮气室压力值与控制计算的换向压力设定值进行比较，控制两个二位三通制计算的换向压力设定值进行比较，控制两个二位三通高速开关电磁阀的启闭时间，从而控

17、制冲击器输出的冲高速开关电磁阀的启闭时间，从而控制冲击器输出的冲击能和冲击频率。换向压力设定值是通过采样活塞冲击击能和冲击频率。换向压力设定值是通过采样活塞冲击反弹引起氮气气压变化，转换为活塞反弹速度，取前后反弹引起氮气气压变化，转换为活塞反弹速度，取前后两次最大反弹速度的变化量和速度变化率在最大反弹速两次最大反弹速度的变化量和速度变化率在最大反弹速度时的变化量作为输入量，通过模糊推理计算得出。频度时的变化量作为输入量，通过模糊推理计算得出。频率控制的延时量是通过与冲击能进行功率匹配计算而得率控制的延时量是通过与冲击能进行功率匹配计算而得到并自动进行设定的。到并自动进行设定的。 52 A/DA

18、/D采样子程序采样子程序 自适应工作时的控制子程序流程图自适应工作时的控制子程序流程图53我们分别调节泵站的输出压力和输出流量以及更换被冲击物，做了我们分别调节泵站的输出压力和输出流量以及更换被冲击物，做了大量的实验。下面例出了一组实验结果。大量的实验。下面例出了一组实验结果。1）泵站当工作压力为）泵站当工作压力为12MPa，工作流量为，工作流量为50l/min，氮气室初始充，氮气室初始充气压力为气压力为1MPa时时,液压冲击器冲击砖块时的实验结果见下图。液压冲击器冲击砖块时的实验结果见下图。2 2）泵站当工作压力为）泵站当工作压力为12MPa12MPa，工作流量为，工作流量为50l/min50l/min，氮气室初始充，氮气室初始充气压力为气压力为1.1MPa1.1MPa时时, ,液压冲击器冲击混凝土块时的实验结果见下图。液压冲击器冲击混凝土块时的实验结果见下图。（4）实验结果543 3）泵站当工作压力为）泵站当工作压力为12MPa12MPa，工作流量为，工作流量为50l/min50l/min，氮气室初始充气，氮气室初始充气压力为压力为1.1MPa1.1MPa时时, ,液压冲击器冲击石块时的实验结果见下图。液压冲击器冲击石块时的实验结果见下图。4