基于液压凿岩机的工作压力理论建模与仿真

基于液压凿岩机的工作压力理论建模与仿真

作为一种重要的岩石钻孔设备，该设备目前广泛应用于各种爆炸性孔的钻孔中。目前国内外学者认为:液压凿岩机工作压力主要取决于惯性力。但惯性力F=pA=ma,根据牛顿经典力学,加速度取决于力,而不是力取决于加速度,故液压凿岩机工作压力主要取决于惯性力这一观点是和牛顿经典力学相矛盾的。以瑞典Atlascop1238LE作为研究对象,在分析其工作原理的基础上,提出了基于液压油液受压产生工作压力这一理论,建立数学模型,并对其进行仿真研究。1前后腔冲击响应Atlascop1238LE采用双控式结构,前、后腔在配流阀的作用下高低压交替,使活塞依次完成回程加速、回程减速、冲程3个阶段,在冲程阶段末期活塞高速撞击钎尾,实现冲击能量的传递。1.1机的假设及工作原理仿真模型要求尽量全反映仿真对象的实际物理过程,但是任何一个模型都不可能做到失真,为此需建立适当的假设条件,根据凿岩机的具体情况假设:1)油液粘度不随压力影响,凿岩机工作过程中温度一致且保持不变;2)除蓄能器隔膜外,其他构建均为绝对刚体,蓄能器隔膜质量为零,且在变形时无抗力;3)泵的供油流量恒定;4)液压油中压力波的传递时间忽略不计;5)钎尾为绝对缸体,冲击后活塞速度立即为0;6)限于篇幅,只考虑活塞回程加速、减速、冲程3个运动状态,且打击点即为冲程重点。1.2回油路压蓄能器气体状态方程分析液压凿岩机的工作工程可知,由于输入凿岩机流量恒定,而活塞开始处于静止状态,进入缸体的液压油受压,产生压强,推动活塞运动。根据流量守恒可得液压油液压缩微分方程qdt-dV1-Ady-Qlqt+LA-∫Qldt⋅1dp=1Κ(1)活塞动力学方程mdy2d2t+Fs+Fl=F=(p-p0)A(2)高压蓄能器气体状态方程phVkh=pahVkah(3)高压蓄能器油液压缩微分方程dV1Vh-Vah⋅1dp=1Κ(4)qdt−dV1−Ady−Qlqt+LA−∫Qldt⋅1dp=1K(1)活塞动力学方程mdy2d2t+Fs+Fl=F=(p−p0)A(2)高压蓄能器气体状态方程phVkh=pahVkah(3)高压蓄能器油液压缩微分方程dV1Vh−Vah⋅1dp=1K(4)当p<ph时,dV1=0。回油路油液压缩微分方程Ql+Au-dV2-qΤ∫(Ql-qΤ)dt+Ay-V2⋅1dp0=1Κ(5)回油蓄能器气体状态方程pLVkL=paLVkaL(6)回油蓄能器油液压缩微分方程dV2VL-VaL⋅1dp0=1Κ(7)当p0<pl时,dV2=0。根据液压流体力学,得泄漏油量Ql=πdh312μl(1+1.5ε2)Δp±πdh2u(8)活塞粘性摩擦阻力Fs=πμld√1-ε2hu±πdh2Δp(9)活塞液压卡紧力Fl=τldΔp(10)细长孔流量方程qΤ=dΤ32μlΤ⋅AΤ⋅Δp(11)式中,q为液压泵输入流量,L/min;A为活塞油压作用面积,m2;p、p0为冲击器工作压力、回油压力,MPa;L为前腔封油段长度,m;K为液压油弹性模量,一般K=700MPa;m为活塞质量,kg;y为活塞位移,m;Fs为活塞粘性摩擦阻力;Fl为活塞液压卡紧力;F为活塞轴向液压推力;V1、V2分别为高压蓄能器、回油蓄能器油液体积,L;ph、pL分别为高压蓄能器、回油蓄能器充气压力,MPa;pah、paL分别为高压蓄能器、回油蓄能器压力,MPa;Vah、VaL分别为高压蓄能器、回油蓄能器气体体积,L;Vh、VL分别为高压蓄能器初始气体体积,L;K为气体绝热指数,对于氮气K=1.4;d为活塞圆柱面直径,m;h为同心圆环的间隙高度,m;u为内外圆柱面间的相对速度,m/s;μ为油液动力粘度系数;Δp为圆柱面两端压差;l为内外圆柱面的重叠长度;ε为两圆柱面间的偏心率;τ为阻力系数,τ=0.02~0.025;dT、LT、AT分别为回油管路直径、长度及通流面积。式(8)、式(9)中的“+”、“-”确定原则:相对运动的速度方向u与压差Δp方向一致时,式(8)取“+”,式(9)取“-”;反之式(8)取“-”,式(9)取“+”。1.3停留时间在情况下的约束条件设冲程方向为正方向,分析活塞运动可得如下边界条件:活塞处于回程加速阶段时的约束条件y={y|ypr≤y≤0‚且y(0)=0,[y(0)]´=0}(12)活塞处于回程减速阶段时的约束条件y={y|y<ypr}∩u={u|u≤0}(13)活塞处于冲程阶段时的约束条件y={y|y<0}∩u={u|u≤0}(14)其中,ypr为活塞回程减速行程。2液压油设计以Atlascop1238LE液压凿岩机作为仿真对象,该凿岩机具有3档行程,在文中仅取其最大行程作为仿真条件,各结构参数如表1所示。文中仿真模型的核心是液压油液产生工作压力,故液压油属性设置为可压缩;根据式(8)~式(10)并参照Atlascop1238LE所选的配合,定义活塞的泄漏系数、粘性摩擦阻力系数(卡紧力与归入粘性摩擦阻力);根据式(3)、式(4)和式(6)、式(7)分别设置高压蓄能器和回油蓄能器的各项参数;考虑回油压力设置回油管径;根据式(12)~式(14)设置活塞运动边界条件;完成Amesim仿真模型如图1所示。3模拟结果和分析3.1定流量下的压力Atlascop1238LE液压凿岩机的额定流量为90L/min。在额定流量下的压力实验值与仿真曲线结果如图2、图3所示。由于该模型没有考虑配流阀的影响和液压胶管的蓄能效应,试验曲线与仿真曲线有一定的区别,但两者的变化趋势是相同的,且峰值压力的误差在10%左右,频率误差仅为8%。故该模型是合理的。3.2流量对液压扩大油液冲击压力的影响保持其他参数不变,分别设置输入流量Q=70L/min,Q=90L/min,Q=110L/min,对其进行仿真,研究输入流量对冲击压力及冲击性能的影响,仿真结果如图4、图5所示。比较仿真结果可知:1)当活塞、缸体结构一定时,由于内部油道空间一定,流量越大,油液在凿岩机中的压缩量越大,工作压力就越大;故液压凿岩机工作压力取决于流量。2)在活塞、缸体结构一定时,由于工作压力的升高,凿岩机的冲击频率和冲击能随着输入流量的升高而升高。3.3蓄能器透气性能保持其他参数不变,输入流量为90L/min,分别设置蓄能器的充气压力为0.1MPa、11.5MPa、18MPa,对凿岩机进行仿真,研究蓄能器充气压力对冲击压力和冲击性能的影响,仿真结果如图6、图7所示,比较仿真结果可知:1)蓄能充气压力过低时,凿岩机进入正常工作状态所需要的时间较长,而且峰值压力较大,系统效率低;充气压力过高时,进入蓄能器的油液较少,从而使液压油压缩量增大,从而使工作压力也较高;一般地,充气压力为平均工作的1/2;2)随着蓄能器充气压力的升高,凿岩机的冲击能和冲击频率升高。3.4加压作用面积的影响保持其他参数不变,输入流量为90L/min,分别设置活塞油压作用为68.3mm2、200mm2,325.8mm2,对凿岩机进行仿真,研究活塞油压有效作用面积对冲击压力和冲击性能的影响,仿真结果如图8、图9所示,比较仿真结果可知:1)随着油压作用面积的减少,凿岩机的工作压力增加,这是因为油压作用面积减少,液压油液更容易受压缩,液压油液压缩量越大,则油压越高;2)当油压作用面积减少时,工作频率和冲击能反而有所降低,因为随着油压作用面积的减小,工作压力增大,从而液压卡紧力、粘性摩擦阻力也随之增大,泄漏量也随着压力的增大而增大;故设计时不能一味追求细长型活塞结构。3.5a.罪犯栓塞质量的影响保持其他参数不变,输入流量为90L/min,设置活塞质量为4kg、5kg、6kg,对其进行仿真,研究活塞质量对冲击压力和冲击性能的影响,仿真结果如图10、图11所示,比较仿真结果可知:1)随着活塞质量的增加,工作压力升高。这是因为活塞质量大,惯性力则大,液压油液压缩量大,故冲击压力升高;2)随着活塞质量的增加,活塞冲击末速度和频率减小。这是因为活塞质量增加,加速度减小,速度和频率随之减小。4描述性能a.液压凿岩机的工作压力取决于液压油液压缩,而并非取决于活塞惯性力;凿岩机的工作压力、冲击能、冲击频率随着输入流量的升高而升高。b.蓄能器作为峰值能量吸收和存储源元件,对凿岩机的工作压力和冲击性能有着重要影响:凿