（地质工程专业论文）气动冲击锤的计算机模拟研究.pdf

! 塑奎兰堕主堡壅：皇塾、冲圭堡堕生堡垫堡垫堑窒 内容提要 击锤眭能有较大影响的阀孔过渡过程及进、排气通路对气腔内气体动特性的影响进行了探索研 究，建立了气腔中气体质量的变化和结构参数之间的关系及气腔中气体压力和气体质量之间的 关系，从而把冲击锤的性能参数和其结构参数、空压机的额定压力和排气量、输气管路特性用 数学公式的形式联系在起，建立了冲击锤内部动力过程的数学模型。 ( ，3 运用计算机仿真技术对冲击锤的内部动力过程进行了仿真研究，得出了冲击锤内部动 力过程数学模型数值解的计算方法。弗对影响冲击锤性能的各个因素进行了详细的仿真分析， 探明了各影响因素和冲击锤性能之间的关系。 4 利用仿真研究的结果，运用优化设计理论对冲击锤进行了优化设计的研究，得出了冲 击锤的优化设计方法。 、， 5 综合仿真和优化设计的研究0 运用v i s u a l b a s i c 语言编制了具有可视化界面的冲击锤 计算机辅助设计程序，为冲击锤的研究和设计提供了一套精确、方便的设计方法。 ，6 简要介绍了冲击锤的工程实例。火 关键词目 气动冲击锤，数学模型，计算机仿真，优化设计，非开挖。 中南大学博士论文：气动冲击锤的计算机模拟研究 t h ec o m p u t e ri l l i t a t i o ns t u d yo nt h ep n e u m a t i ci 衄a c t 刚岫r a b s t l 己a c t t h ep n e u m a t i ci m p a c th a m m e ri nd e v e l o p i n gs t a g ei sae f f i c i e n te q u i p m e n tu s e di n t r e n c h l e s sc o n s t r u c t i o n ，h o w e v e r ，i t sd e s i g nt h e o r yi sv e r yi m p e r f e c t i nt h i sa r t i c l e ， t h eh a m m e ri st a k e na st h eo b j e c to fs t u d yo nt h eb a s i so fa n a l y s i n gt h et r e n c h l e s s c o n s t r u c t i o n t e c h n e l e g y a n d e q u i p m e n t ，a n d i ss t u d i e d w i t h c o m p u t e r i m i t a t i o n t e c h n o l o g y t h em a i nc o n t e n t so ft h es t u d ya r ea sf o l l o w s ( a ) a f t e ra n a l y s i n gt h ep l a no fp a s tp n e u r m t i ei m p a c te q u i p m e n ta n dt h es t r u c t u r e o fi m p a c th a m m e ra b r o a d ，as i m p l ea n de f f i c i e n td e s i g np l a no fi m p a c th a m m e ri sg i v e n a c c o r d i n gt oi t sp r a c t i c a lw o r kc o n d i t i o n t h eq u a l i t a t i v es t u d yo nt h eh a m m e ri sm a d e ( b ) r e g a r d i n gi m p a c th a m m e ra n da i rc o m p r e s s o rw h i c ho f f e rp o w e rf o rt h ei m p a c t h a m m e ra sas y s t e m ，t h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h ei n t e r n a ld y n a m i cp r o p e r t yo ft h e h a m m e ri sc a r r i e do u tw i t ht h ep r i n c i p l eo fd y n a m i c sa n dg a sd y n a m i c s t h ep r o c e s so f v a l v eh o l eb e i n go na n do f fa n dt h ei n f l u e n c eo ft h ep i p e l i n e s ，t h r o u g hw h i c ht h ea i r i st r a n s p o r t e d 、o nt h ed y n a m i cp r o p e r t yo fa i ri nt h eh a m m e ra r es t u d i e d t h er e l a t i o n b e t w e e nt h em a s sa n d p r e s s u r eo ft h ea i ri nt h eh a m m e ra n ds t r u c t u r ep a r a m e t e r so ft h e h a m m e ri ss e tu p t h ef u n c t i o np a r a m e t e r so ft h eh a m m e ra r el i n k e dw i t hi t ss t r u c t u r e p a r a m e t e r s 、t h ef u n c t i o np a r a m e t e r so fa i rc o m p r e s s o ra n dt h es i z eo fp i p e l i n et h r o u g h w h i c ht h ea i re n t e rt h eh a m m e rb ym a t h e m a t i c sf o r m u l a s ，t h a ti s ，t h em a t h e m a t i c sm o d e l o nt h ei n t e r n a ld y n a m i cp r o c e s so ft h eh a m m e ri ss e t u p ( c ) t h r o u g ht h ec o m p u t e ri m i t a t i o ns t u d yo ft h ed y n a m i cp r o c e s s ，t h es o l u t i o no f t h em o d e li s g i v e n t h r o t i g ht h e i m i t a t i o na n a l y s i so ft h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h e p e r f o r m a n c eo fi m p a c th a m m e r ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h ep e r f o r m a n c ea n df a c t o r s is a s c e r t a i n e d ( d ) t h eo p t i m u mm e t h o do nt h ei m p a c th a m m e ri so b t a i n e db yt h eu s eo ft h es t u d y r e s u l ta b o v ea n do p t i m u mt h e o r y ( e ) b a s e do nt h ei m i t a t i o na n do p t i m u ms t u d y ，t h ev i s u a lc o m p u t e ra d i e dd e s i g n p r o g r a mi sg i y e nw i t hv i s u a l s a c i cl a n g u a g e ap r e c i s em e t h o di sp r o v i d e df o rt h ed e s i g n a n ds t u d yo fi m p a c th a m m e r ( f ) n l ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fi m p a c th a m m e ri si n t r o d u c e db r i e f l y k e yw o r d sp n e u r a a t i ci m p a c th a m m e r ，m a t h e m a t i c sm o d e l ，c o m p u t e ri m i t a t i o n ，o p t i m u m d e s i g n ，t r e n c h l e s st e c h n o l o g y 中南大学博士论文：气动冲击锤的计算机模拟研究 1 1 引言 第一章概述 冲击锤( 包括气动矛和夯管锤) 是一种用于非开挖铺设地下管线施工的新型气动冲击设备。 非开挖技术是指在不开挖地表的条件下探测、检查、修复、更换和铺设各种地下管线或其 它地下设施的新技术。在地表不开沟槽的条件下铺设、更换、修复各种地下管线与传统的挖槽 施工法相比，具有不影响交通，不损坏地表设施、不破坏环境、施工周期短、综合成本低、社 会效益显著等特点，尤其在些特殊条件下，如铺设管深度深、地表有障碍，地面附属物复原 困难等f 青况，更具明显优势。广泛用于穿越公路、铁路、建筑物、河流以及在城区、古迹保护 区等进行市政、供水、煤气、电力、石油、天然气等管线的铺设、更新和修复。 现代非开挖技术于二十世纪六十年代末发源于日本、美国和英国，随后，由于其技术上的 优势，而在世界各地广泛推广，逐渐地得到社会各界的广泛重视。1 9 8 6 年在伦敦成立了国际非 开挖技术协会( i s t t - - i n t e r n a t i o n a ls o c i e t yf o rt r e n c h l e s st e c h n o l o g y ) ，国外一些大学 设立了非开挖技术专业和研究机构，从而使非开挖技术成为企业参与、政府支持、社会关注的 一个新的应用技术领域，在近十门1 年中得到了飞速发展，已成为发达国家中的一个新兴产业， 不仅有许多设备、机具制造商，而且组建了许多专业的施工公司，同时也是地下管线施工的一 项技术革命。 我国非开挖施工技术与设备的开发和研制工作起步较晚，二十世纪8 0 年代后期，由于不允 许开挖铺设地下管线的工程日益增多、及各大城市的城区改造工程的广泛开展，各种通讯设施 的兴建，非开挖技术具有了广阔的市场，为了适应市场的需求，各类非开挖施工设备的引进数 量逐年增加，从而促进了我国非开挖施工技术和设备的开发与研制工作。 在非开挖铺设管线技术领域，管线铺设方法包括： 1 顶管法 顶管施工是靠在工作面进行 、工挖掘或机械开挖、水射流冲蚀、挤压土层等方法剥离土层， 运用螺旋排土、浆液泵送、或手推车、皮带输送排土，并用液压缸顶进被铺设管线来实现的。 优点： 施工距离长，管径大。 缺点：需对地层条件进行详细勘查，被铺管线的材料受到限制，不适用铺设较小直径的管， 施工速度慢。 适用条件：管径大于9 0 0 m ，管线长度一般为8 0 3 0 0 m ，最长可达1 5 0 0 m ，管材可为混凝 土管、陶土管、钢管等，适用各种地层。 2 微型隧道法 微型隧道施工是种遥控、可导向的顶管施工，由切削系统、激光导向系统、出渣系统、 顶进系统、控制系统等组成。 优点：机械化程度高，管线方向可精确控制，施工距离长，施工速度快。 缺点：设备复杂、昂贵，对操作人员的技术和经验要求高，需对地层条件进行详细勘查， 中南大学博士论文：气动冲击锤的计算机模拟研究 大的卵砾石等障碍物会影响施工。 适用条件：管径1 0 0 - - 0 0 m m ，管线长度般为5 0 3 0 0 m ，最长可达5 0 0 m ，管材可为混凝 土管、陶土管、玻璃钢管、钢管、p v c 管等，适用各种地层。 3 导向钻进和定向钻进法 导向钻进和定向钻进法的原理基本相同，施工时，按照设计轨迹，先钻进较小的先导孔， 然后卸下导向钻头换上扩孔钻头进行反向扩孔，同时将待铺设管线拉入钻孔，有时据钻机的能 力和待铺设管线的直径大小，可进行二次或多次扩孔后再回拉管线。它们的区别在于钻孔轨迹 的监测和调控，定向钻进一般采用随钻测量的方法来测定钻孔的顶角、方位角和工具面向角， 采用弯接头来控制钻进方向，而导向钻进一般采用手持式探测器接收并显示位于钻头后面孔底 探头发出的有关深度、顶角、工具面向角等信号，供操作人员掌握孔内情况，采用斜面钻头来 控制钻进方向。 优点：机械化程度高，管线方向可精确控制，旌工距离长，施工速度快。 缺点：设备复杂，不适用于砂层和砾石层，施工场地要求较大。 适用条件：管径：定向钻进为3 0 0 1 5 0 0 m m ，导向钻进为5 0 5 0 0 m m ，管线长度：定向钻进 为1 5 0 0 m ，导向钻进为2 0 0 3 0 0 m ，管材可为钢管、p e 管等，适用各种地层。 4 气动矛法 气动矛法是在施工时，在压气的作用下气动矛内的活塞作往复式运动，不断冲击矛头，矛 头挤压周围的土层形成钻孔，并带动矛体前进。随着气动矛的前进，可将直径比矛体小的管线 拉入孔内，完成管线铺设。据地层条件也可先成孔后，随气动矛的后退将管线拉入，或边扩孔 边将管线拉入。 优点：操作简单，不要求较高的专业技术，施工成本l 氐，施工速度快。 缺点：地层条件变化或遇到障碍时易偏离方向，方向不可控，精度有限，不适用于硬土层、 含大卵砾石的地层以及含水地层。 适用条件：管径：3 0 2 5 0 m m ，管线长度：t 0 1 0 0 m ，管材可为钢管、p e 、p v c 管、电缆等， 适用于不含水的均质地层，如粘土、亚粘土等。 5 夯管锤法 夯管锤施工法是指用夯管锤将待铺设的钢管沿设计路线直接夯入地层，施工时，夯管锤的 冲击力直接作用在钢管的后端，通过钢管传递到前端的管鞋上切削土体，并克暇层与管体之 间的摩擦力使钢管不断进入土层，实现非开挖铺管。 优点：设备简单，投资少，施工成本低，施工速度陕。 缺点：地层条件变化或遇到障碍时易偏离方向，方向不可控，精度有限，不适用于含大卵 砾石的地层。 适用条件：管径：5 0 2 0 0 0 m ，管线长度：1 0 8 0 n ，管材可为钢管等，适用于不含大卵砾 石的各种地层。 由上述所知。在短距离、中小直径的直管铺设中，气动矛和夯管锤以其施工技术简洁、准 确性高、速度快、所用设备相对便宜而成为种首选的经济陕捷的施工技术。然而国内施工中 2 圭堕奎兰苎主堡塞! 皇垫翌童堡箜生竺垫堡丝婴窒 投入使用的此类产品几乎为国外产品所垄断，国内虽有单位进行研究，但尚未能推出一种能与 国外产品相匹敌的定型产品投放市场。研制国产的气动矛和夯管锤己成为我国岩土工程界的当 务之急。 1 2 气动冲击锤的发展 气动冲击设备有其悠久的历史，然而气动冲击设备用于非开挖施工技术是近年来新唤醒的。 开始时，冲击锤作为非开挖施工设备中投资少、施工简单的设备，主要用于施1 4 、口径的压力 o n - 、电缆线等，因非开挖技术未得到充分认识，多年来冲击锤的应用一直发展缓慢。随着技 术水平的不断提高，市场需求的不断扩大及各界人士对非开挖技术的逐渐认识，冲击锤近年来 得到了飞速发展。 目前国外在冲击锤的研制方面，在保持他们原有系列产品的基础上，不断地致力于拓宽产 品系列、改进性能、提高功率输出及应用范围。其产品可施工小到直径为4 0 m m 左右的钢管、p v c 管等，大到施工直径为2 0 0 0 n 肌的钢管。冲击锤不仅用于铺设新管而且还用于通过碎管来更换i r 管路。冲击锤由于它们的钻孔方向不可控，故其使用范围受到一定的限制，然而，已有少数方 向可控的冲击锤问世。可预见该方法仍是铺设短距离中、小直径管线最经济、有效和常用的非 开挖铺管方法。 国外冲击锤具有代表陛的生产厂家和型号有：美国v e r m e e r 公司生产直径5 0 4 0 0 m m 的 h a m m e r h e a d 系列冲击锤，其中4 0 0 哪冲击锤可铺设9 0 0 r a m 直径的钢管长达4 5 m ，最大铺管直径 为1 2 2 0 m m 。英国砌m 公司生产的e d m 和i m 系列冲击锤是品种系列最多的公司，共有3 8 种品种， 铺管直径范围8 0 2 0 0 0 m m ，铺设管线长度1 0 8 0 m ，这也是目前铺管直径最大的冲击锤。瑞士 t e r r a 公司则生产一种内装有电子发射探头的“k o ka d a p t e rl d ”接头，成为可跟踪的冲击锤 我国对气动冲击锤的研带掘步较晚，1 9 9 3 年长春路下工程股份公司研制了直径6 0 1 3 0 n m 的气动矛和夯管锤，原地矿部勘探所于1 9 9 0 年研制了h 系列气动矛，1 9 9 8 年研制了m 系列夯 管锤，原冶金部& f i r n1 9 9 8 年研制了7 t t 系列夯管锤其中t 1 3 5 0 型夯管锤是目前国内施工能力 最大的夯管锤可施工8 0 0 r a m 直径的钢管。目前国内外各型冲击锤的技术参数及 生能见表1 ” 8 】u 2 1 国内外各型冲击锤的主要技术参数表l 直径长度重量压气消耗冲击频率 型号 缸蚰)( 盯耵1 ) ( k g ) 簖m i n )( m i d 。) o r o u n d o m t4 54 59 2 080 4 5 5 7 0 5 55 51 1 1 01 3 50 65 1 0 5 5 6 5 i6 5 1 2 9 0 1 0 0 02 5 1 7 o 7 4 7 0 6 4 0 7 5 7 5 k7 51 4 1 0 1 2 1 03 4 2 81 o4 2 0 5 2 0 8 5 1 s s k8 51 4 7 0 1 2 6 54 6 4 01 13 9 0 4 6 0 9 5 9 5 k9 51 6 9 0 九4 9 06 7 8 71 23 1 5 3 8 0 中南大学博士论文：气动冲击锤的计算机模拟研究 直径长度 重量压气消耗 冲击频率 型号 6 m )( 面 ( k g )“3 m i n ) ( m i n 。1 ) 1 1 0 1 1 0 k 1 1 0 1 8 9 0 1 6 9 09 6 8 9 1 6 2 8 0 3 1 5 1 3 01 3 01 7 3 01 2 72 43 5 0 1 4 51 4 51 8 5 01 8 03 52 9 0 1 6 01 6 01 9 5 02 1 64 23 2 0 1 8 0 1 8 0 k 1 8 02 15 0 1 1 8 5 02 9 0 2 6 0 4 5 4 o 2 7 5 3 0 0 g r o u n d o r a t d v i d9 5 、“21 4 6 05 9 l23 4 5 a t l a s m i n i1 3 0 ，1 4 51 4 5 3 9 4 69 5 6 02 7 1 73 2 0 5 8 0 t i t a n 1 4 5 ，1 6 0 1 5 4 51 3 74 0 3 1 0 o l i m p m i n i1 8 0 1 9 51 6 9 0 1 0 8 02 3 0 1 7 54 5 3 5 2 8 0 5 0 0 h e r 如l e s 2 1 6 ，2 3 5 1 9 1 33 6 8 8 03 4 0 g i g a n t m i n i2 7 0 ，3 0 02 0 1 0 1 2 3 06 1 5 9 4 01 2 1 0 3 1 0 4 3 0 k o l o s m i n i3 5 0 4 0 02 3 4 1 1 8 4 71 1 8 0 9 4 02 0 1 6 2 2 0 3 0 0 g o l i a t h 4 5 0 ，5 1 02 8 5 0 2 4 6 53 51 8 0 t 艨u r u s 6 0 0 ，6 7 0 3 6 4 54 8 0 0 5 01 8 0 g r o u n d o c r a c k l 3 01 3 0 1 3 6 0l o o2 73 2 0 1 4 51 4 51 6 0 01 8 0 4 03 1 0 1 8 01 8 01 6 9 02 5 04 52 8 0 2 2 02 2 01 9 1 03 6 88 53 4 0 2 瑞士t e r r a 公司 t 0 4 5 s4 5 9 0 080 65 0 0 t u 0 5 5 s5 51 0 5 013 0 95 2 0 t u 0 6 5 m i n i s p h j s 6 81 0 0 0 1 1 2 0 02 0 2 40 9 1 34 8 0 4 2 0 t u 0 6 5 p l u s x s 6 81 3 0 03 01 33 6 0 t u 0 8 0 m i n i s p l u s g o 1 0 0 0 1 3 0 02 6 3 6 1 b5 2 0 3 9 0 t u 0 9 0 p l u s s 9 01 3 0 04 61 83 9 5 t u l 0 5 s1 0 51 4 0 0 5 62 43 5 0 t u l3 5 81 3 51 6 0 01 0 9 2 43 5 0 t u l 5 5 f1 5 02 0 0 01 8 2 4 02 8 5 t 1 9 0 f t r l 9 0 m i n 【1 9 02 1 0 0 9 0 02 4 0 1 1 0 6 42 7 5 5 5 0 t r 2 1 0 ( f )2 1 01 6 0 02 9 87 0 3 2 0 t r 3 6 03 6 01 7 5 06 6 3 1 22 8 0 t r 5 1 0 t w i n ( f )5 1 0 5 4 01 8 5 01 6 2 5 2 32 5 0 t r 5 4 0 x l ( f )5 4 02 3 0 0 2 3 8 53 41 9 5 h a m m e r h e a d2 ”5 09 3 2 1 1 2 29 1 1 0 65 2 0 4 7 0 h a m m e r h e a d2 5 ”6 4 1 2 0 72 30 93 8 5 h a m m e r h e a d3 ”8 01 3 0 02 9 3 1 0 94 8 0 h a m m e r h e a d3 7 5 49 51 5 4 3 5 21 93 7 0 h a m m e r h e a d4 ” 1 0 01 3 5 9 1 5 4 34 5 6 22 04 3 5 3 7 0 h a m e r h e a d4 7 5 ”1 2 11 5 4 3 6 91 93 7 0 h a m m e r h e a d 5 1 2 5 41 3 01 5 8 1 9 72 8 3 3 3 h a m m e r h e a d5 5 ”1 4 01 5 4 3 7 7 1 93 7 0 h a m m e r h e a d5 7 5 ”1 4 6 1 8 0 91 3 8 3 73 0 0 h a m m e r h e a d7 5 ”1 9 1 1 8 0 91 6 6 3 73 0 0 h a m m e r h e a d8 ”2 0 02 5 6 3 4 0 88 7 2 2 3 h a m m e r h e a d1 2 ”3 0 0 2 3 1 47 1 1 1 72 5 6 4 一 ! 堕奎兰竖主笙茎! 墨塾、冲童堡塑生簦墼堡垫堑窒 e d m 2 0 05 2 1 0 2 01 00 6 e d m 3 o o7 8 1 4 0 03 81 0 e d m 6 0 0 1 5 21 9 0 0 1 7 04 2 e d 4 64 6 9 8 08 0 5 e d 1 0 51 0 5 1 5 8 08 51 8 e 陆卜1 5 21 s 2 1 7 0 01 1 52 6 i m 一5 25 2 1 0 2 090 5 i m 一1 0 51 0 5 1 5 8 08 52 0 i m 一1 5 21 5 2 1 9 0 01 7 04 5 l p 陆一1 2 1 4 5 01 1 53 0 l p m 一2 82 1 0 07 5 01 2 0 l p m 一5 0 2 6 0 03 2 0 03 5 0 4 国内公司 d h 7 07 01 2 8 02 40 。7 0 93 5 0 一4 5 d d h 9 59 51 4 3 05 40 9 1 23 2 0 一4 3 0 d h 3 6 03 6 02 7 5 01 3 0 02 2 2 61 6 0 2 6 0 d h 6 0 06 0 03 6 5 05 0 0 04 8 5 21 3 0 17 0 y h 3 0 03 0 52 2 2 07 8 01 72 4 0 m 6 36 30 8 0 8 一1 2 m 10 81 0 82 0 3 0 m 1 8 01 8 04 0 6 0 h 3 0 03 0 09 0 1 2 1 3 7 73 7 71 2 1 6 u h 一3 0 0 0 液压，工作压力8 1 5 m p a ，冲击功2 5 0 0 3 5 0 0 j 2 4 0 3 6 0 i 从e 述国内外生产厂家的发展状况可以看出，为了适应不同领域中各种管线的铺设，冲击 锤的品种较多，然而和国外相比，国内冲击锤无论从性能还是品种上相距甚远，尤其是铺设大 直径( 1 0 0 0 i r m ) 管线的冲击锤国内几乎没有产品，由于种种原因，国内产品还没有一家产品真正 占领市场。国内产品远远不能满足市场的需求。国内岩土工程界都认识到了这一点，多家厂商 及研究院和大学都投 了相当的资金和人力来研究和提高冲击锤的性能，拓宽其品种系列，满 足市场需求，提高我国非开挖施工技术水平。冲击锤在国内仍处于开发和研箭阶段。 1 3 本文选题的意义及研究重点 从冲击锤和地下管线发展情况来看，我国冲击锤技术远远落后于发达国家。而她f 管线却 随着经济的发展和社会的进步，无论是种类还是数量发生了巨大的变化。地下管线的铺设已从 原来的上、下水管道，发展成了包括各种压力管道( 自来水、煤气、热力管道、石油、天然气 输送管道等) 和电缆线( 动力电巍和通讯电缆等) 。有文献讲，一个国家地下管线的人均拥有量， 反映了这个国家的经济发展水平和人们生活、工作环境的质量。这种叙述并不夸大，如我国现 代化水平较高的北京，每人拥有的上下水管道为1 4 5 m 和1 2 m ，而欧美国家平均达n t1 2 m 。 人们生活水平的提高，工业化和城市化进程大大加快，各种地下管线工程己成为重要的基础设 中南大学博士论文：气动冲击锤的计算机模拟研究 施之一。在发达国家对地下管线工程的投入和对建筑业、交通业的投 给予了相同的重视。据 有关资料介绍，西方发达国家每年铺设的管线达2 0 多万公里，总投资近3 0 0 亿美元，并以每年 约l o 的速度增长。 我国目前正处于国民经济持续高速发展的阶段，各类地下管线的铺设、改造已成为制约发 展的重要基础工程之一。有关资料介绍我国每年需铺设的地下管线长度约3 万多公里。而对如 此浩大的地下管线工程，我国目前采用的大多是传统的开挖法施工技术，因此在通讯、热力、 煤气及其它各类地下管线的铺设和原有管线的改造工程中，常常可看到，城市新老道路处于挖 了填、填了挖的场面。这必然要消耗大量的人力、物力，影响人民的正常生活和工作秩序，导 致交通阻塞等。与传统开挖施工技术相比，非开挖技术具有独特的优点，能克服e 述缺点。目 前我国所铺设的管线直径小于8 0 0 r a m 占8 0 5 1 ，且铺设长度般小于8 0 m , 这正是冲击锤的合理 施工范围，因此无论叭经济的角度还是社会的角度，都应推进冲击锤技术在我国的应用和发展。 从冲击锤的理论研究青况来看，在气动冲击设备发展的历史长河中，前人已经总结出了许 多冲击设备的设计方法，在此，把它们分为两类：经验眭和数值性设计方法。 经验陛设计方法是在一定的假设条件下，傲必要的简化，通过实验和经验结累，从而得到 较简单的方程式来描述冲击设备活塞的运动规律，此种方法较多，如由苏联学者提出的线眭方 呈法： p o = p u c t c = t ga = ( p u e 。) t 式中：p 。冲程后腔瞬时压力( p a ) p t 活塞后端面打开排气孔时压力( p a ) p 。网络气压( p a ) c 压力曲线斜率 由此导出活塞运动微分方程 i m o 。s = 氓一c t ) a 。 u l 式中：m 活塞质量( k g ) 屯冲程活塞受力面程( m 2 ) 这样的方法只能对冲击设备性能作初步近似的计算，具有很大误差，在实际设计中还需借 助于测试手段对方程加以修正，并且对于冲击设备的返程运动规律用上述方法是无法描述的。 对冲击设备来讲，活塞的返程运动在很大程度上决定了冲击设备的性能。 数值性设计方法是利用计算机仿真技术对冲击设备进行研究，是目前最流行、最有效的一 种研究方法，通过它可描述冲击设备活塞运动的全过程，预狈4 系统的动态特性，产品性能的优 劣及设计的合理陛。我国计算棚肪真技术在气动冲击设备中的应用始于二十世纪八十年代。然 而，目前仿真研究，都把冲击设备做为一个独立系统来考虑，而忽略了空压机系统对冲击设备 性能的影响。实际上，空压机的系统参数是随着冲击设备的内部动力参数的变化而变化。如： 中南大学博士论文：气动冲击锤的计算机模拟研究 当空压机的排气量达不到冲击设备所需设计风量时，空压机的系统压力是达不到冲击设备的设 计压力。另外，对阀孔开和关的过渡过程及输气通路对气腔容积的影响，都忽略不予考虑。对 冲击锤来讲，它们对冲击锤性能有很大影响。 我国对气动冲击锤的研制起步较晚，在冲击锤的设计中，可借鉴的设计经验很少，通过联 机检索关于冲击锤设计方面的文献n 乎没有”1 ，目前仍无一套完整的设计方法。 因此，本文选择作为非开挖铺设管线施工设备中经济、高效、常用设备冲击锤作为研究课题， 对我国非开挖技术水平的提高和发展具有理论价值和现实意义。 冲击锤依靠其内部往复运动的活塞获得能量，使冲击锤或被铺设管线在土层中形成钻孔， 而达到铺设管线的目的。因此，冲击锤陛能的优劣受制于其作功部件活塞的运动规律，活塞运 动规律受多种因素的影响，由于冲击锤的工作原理有别于其它气动冲击设备如气镐、气动凿岩 机和潜孔锤，有其独有的特点，因此运用动力学和气体动力学原理从理论上研究冲击锤的机理， 是进行冲击锤设计的基础，也是本文研究的重点之一。 为了获得对冲击锤机理的深刻理解，需求得冲击锤活塞运动规律的详细描述。为此，借助 于计算机技术，并以数值分析为基础，对冲击锤进行计算机仿真研究，也就是把实际的气动冲 击锤系统略去次要因素，保留其主要特征，使冲击锤系统抽象化为较简单的物理模型，并对系 统进行动力学和热力学分析，将物理模型用数学公式表达出来，定量地将我们感兴趣的输 出变量( 冲击锤的输出功率和频率) 表示为有关输 变量( 冲击锤的结构参数和系统参数) 的 函数，从而建立系统的数学模型，然后在计算机e 算出输入变量的动态响应，从而得到冲击锤 活塞运动规律动态过程的全面描述，进一步导出较精确的冲击锤数值设计方法这是本文研究的 重点之二。 如上所述，冲击锤的性能受到多个结构参数和系统参数的影响，每个参数的变化都对冲击 锤性能产生影响，利用计算机仿真方法对影响因素进行分析，得到各影响因素和性能之间的关 系，从而得到具有指导性的结论是本文研究的重点之三。 计算机仿真是在已有系统参数的情况下，对系统较为精确的描述，它只能反映已有系统的 真实博兄、为求得系统的最优工作状况，即对系统进行优化设计，还得求助于计算机和最优化 的数学方法来给出最优的设计方案。在上述计算机仿真的基础上，运用仿真方法来对系统进行 最优化设计是本文研究的重点之四。 通过上述几项重点研究，得出一种冲击锤的数值研究方法，用此方法对冲击锤的内部动力 过程进行全面动态描述，建立结构参数、系统参数和冲击锤性能的关系，从而在理论上指导冲 击锤的设计、生产、使用及培训，达到缩短研究周期，提高和预测产品性能，减少样机试制及 人力、物力投资的目的。 7 中南大学博士论文：气动冲击锤的计算机模拟研究 第二章冲击锤系统的理论研究 尽管对于气动冲击设备的研究已有悠久历史，关于气动冲击设备设计方法的文献也很多， 然而，有关气动冲击锤设计方法的文献却几乎没有。冲击锤无论工作原理还是使用方法都和以 往气动冲击设备有根本的区别。由于冲击锤特有的工作机理和结构使得已往冲击设备的设计方 法和经验已不再适用。本章将运用动力学和气体动力学原理，在前人对气动冲击设备研究及冶 金工业局下达的科研任务“1 】m 系列冲击锤的研究”的基础上，把空压机和冲击锤作为一个系统 并考虑活塞通过阀孔时的过渡过程及输气通路对气腔容积的影响，对冲击锤的工作机理进行理 论研究，以求得冲击锤系统内部动力过程的数学模型。 2 1 冲击锤的方案设计及工作原理 2 ll 冲击锤的方案设计 冲击锤属于低频、高冲击能量型气动冲击设备，由于其使用条件的独特性，对尺寸并无特 殊要，通过对国内外已有气动冲击设备方案及国外冲击锤结构的分析，确定系列冲击锤采用 如图2 1 和图2 2 所示的方案，它采用后腔始终通高压空气的活塞式配气机构，依靠密封环形 成配气通路，在活塞的运动过程中，通过活塞上气孔的开启和关闭来配气，实现活塞的往复运动。 并据冲击锤所需冲击功的大小，选用单密封环或双密封环结构。单密封环冲击锤在配气通路上 设计有节流气路，来保证活塞的行陧双密封环冲击锤在配气通路上设计有密封段，来保证活 塞的行程。由于双密封环比单密封环更有利于提高活塞的行程，一股来诜双密封环结构用于 高冲击能量型冲击锤，而单密封环结构用于低冲击能量型冲击锤。冲击锤主要由作功部件活塞， 控制配气的配气阀，缸体和内、外密封环等部件组成，具有非常简单的结构。和已往气动冲击 设备相比具有如下优点： ( 1 ) 配气通路是由密封环形成，无需在缸体或活塞上开槽和孔，结构非常简单， 减f 氐了加 工难度和制造成本。 ( 2 ) 由于无活动配气阀，易损件极少，使用寿命大大提高，而使用成本大大减f 氐。 ( 3 ) 活塞的长径比很大，降低了活塞中的应力水平，有利于活塞寿命提高，同时也提高活 塞能量利用率。 ( 4 ) 后腔始终和高压气体相通，有利于冲击能量的提高，活塞的返程大都是依靠气体的膨 胀作功来完成的，同时活塞的返程使后腔气体压缩，提高了气体的利用率，并且压缩气体也无 短路现象所造成的无功排气，故效率高。 2 1 2冲击锤的工作原理 如图2 1 单密封环冲击锤结构简图： 冲程时，来自空压机的压缩空气，经配气阀中部的进气孔进入后腔，此时前腔通过前、后 阀7 l 和大气相通，活塞在前后腔压力差的作用下，加速向前运动，当阀孔进入节流段后，前腔 排气受阻，前腔压力稍有增加，当后阀孔越过内密封环后，前后腔相通，后腔高压气体经阀孔 向前腔充气，且前腔容积随活塞运动而减小，前腔压力上升很快。由于从前腔进高压气开始到 一一! 堕奎兰堡圭堡茎：皇塾、仲童堡堕生竺塑堡垫婴壅 后端盖配气阀后阀孔 活塞缸体 外密封环 图2 1 单密封环冲击锤结构简图 图2 2 双密封环冲击锤结构简图 活塞冲击缸体这段距离很短，活塞仍似很高的速度撞击缸体作功，完成冲程动作。 返程时，随着活塞撞击缸体速度降到零，此时前瞪压力基本和后腔压力相等。由于前腔承 压面积大于后腔承压面积，活塞作反向的加速运动，当后阀孔越过内密封环后，前腔和后腔被 隔离，前腔无压缩空气进入并通过阀孔向大气排气，前腔压力逐渐降低，当压力低于某一值后， 前腔作用力小于后腔作用力，活塞开始减速运动，直到速度为零，完成一次循环，此时后腔作 用力大于前腔，活塞开始第二次循环，如此往复，实现铺管施工。 如图2 2 双密封环冲击锤结构简图，双密封环冲击锤工作原理基本和单密封环冲击锤相同， 只是由于当冲击功要求较大时，为了提高活塞的行程，在配气阀3 上采用双密封环，从而使返 程段和冲程段分别增加一段膨胀和压缩作功段。 2 2 冲击锤工作机理的定性研究 据冲击锤原理知：冲击锤性能的优劣主要取决于活塞的运动规律，而活塞的运动规律受制 于结构参数和空压机的系统参数。为了方便推导冲击锤活塞的运动规律，寻求影响活塞运动规 律的主要矛盾，首先就冲击锤的工作机理作定陛的分析： 冲击锤工作时，后腔始终受高压气体的作用，后腔压力在活塞运行过程中变化不大，在此 先忽略波动的影响，把后腔压力视为常数p o 。假设前腔压力为p ( t ) ，p ( t ) 是时间和结构参数的 ! 堡堕苎塑! 主兰茎! 墨垫、仲童堡塑生蔓墼堡丝堑壅 函数。则可导出冲击锤活塞运行规律的微分形式为： m 豪孚= p o a 。一p ( t ) a 2 一f ( 2 一1 ) 式中：m 活塞质量 如、a 广前、后腔活塞受压面积 卜黼阻力 s _ 话塞位移 t 耐间 由( 2 - - i ) 式可知，后腔压力基本不变，那么活塞的运动规律主要取决于前腔内气体压力 的变化。而前腔气体压力的变化，由排气阀孔和配气阀的相对位置和排气通路的流通能力及前 腔的气垫体积所决定a 由于前腔内气体质量不断变化，前腔属于开口系统，前腔压力是个既 和时间有关又和结构参数有关的复杂函数，很难求得其解析解，这也是气动冲击设备长期以来 没有一套完整的设计方法的原因。 由气体动力学可推得气腔内压力p ( t ) 的变化率为： 掣卅( t ) k ( 罟- v 一百d m m 。1 c z 叫 式中：旦气腔体积的变化率 d t 皇罢气腔内气体质量的变化率 q t v 气腔体积 m 气腔内气体质量 k 绝热系数 为了叙述的方便如图2 3 把活塞的运动过程按冲、返程分段。返程段活塞的运动决定了冲 击锤的行程s ，行程的大小决定着冲击锤的性能参数频率f 和单次冲击功e ；冲程段活塞的运动 影响冲击功的输出效率。以下从返程开始对活塞的运动过程进行分析： 1 返程段活塞运动过程分析 ( 1 ) k 段：活塞冲击缸体把其动能传递给缸体，在冲击力和前后腔气体压力差的作用下， 速度降为零( 不计撞击回弹速度) ，停顿很短时间，在前后腔压力差的作用下，开始返程运动。 在此段由于活塞获得的速度较低，相对体积变化率较小且为正，前腔被密封环和大气隔开，无 气仞时非放，后腔向前腔充气，由于前后腔鹾大，因此前腔气体质量噌加，变比率为正且很大， 质量姗h 偿体积的变化，由式( 2 - - 2 ) 知，前腔压力会急骤上升，并趋于和后腔压力相等。 活塞运动为变加速运动。为了获得一定的行程，活塞在此段除应加速到一定速度外，还应储备 定量盼气体，为返程后半段储备能量。活塞获得的速度和活塞前后腔直径比及此段长度k 有 关。气体质量的储备除和此段长度l 。有关外，还和前腔气垫体积v 3 有关，气体储备量的多少 对行程的大小起着决定性的作用。另气体储备量也是冲击锤的耗气量，储备量大所需空压机的 1 0 中南大学博士论文：气动冲击锤的计算机模拟研究 图2 3 活塞运动过程分析简图 排气量就大，要求的输入功率就大。因此气体储备量应有合理值。 ( 2 ) l 段：返程进 此段，活塞己获得一定的速度，前腔体积变化率为正目较大，前、后 腔被密封环隔开，前腔无气体质量补充，对单密封环冲击锤来讲，前腔开始向大气排气，气体 质量减少变化率为负，对双密封环冲击锤来讲，前腔封闭，气体质量变化率为零。由式( 2 2 ) 知，前腔压力开始下降。压力降到某一数值，活塞所受前腔作用力低于后腔作用力时，活塞开 始制动，活塞在此段，开始为变加速运动，后来为变减速运动。活塞在此段的运动取决于压力 降低的快慢，压力的降低除和此段长度k 有关外，对单密封环冲击锤讲还和排气通路的流通能 力有关，因此，此段长度l 和排气通路的流通能力( 节流间隙q ) 也是决定活塞行程的关键参 数。 ( 3 ) k 段：在此段，活塞的速度很低，体积变化率低，前腔气体排放通路变畅，前腔压力 接近大气压因后腔压力较大，制动力很大，活塞速度很陕降为零。在此段希望前腔压力降为 大气压，以减少冲程时的功率损耗，这要求前腔排气阀孔流通能力要大。 在返程段的开始很短行程内，由于后腔给前腔充气，后腔压力可能会降低，这取决于前腔 气垫体积的大小。在此段之后，由于后腔体积缩小及空压机排气量的注入，后腔压力会逐渐升 高，到返程结束时，后腔压力可能会超过系统压力，这取决于空压机的排气量、输气管路容积 和后腔气垫容积之和，容积之和大，后腔压力升高缓慢，容积之和小，后腔压力升高较陕。后 腔压力的变化尽管不大，但也影响行程的大小。 2 冲程段活塞运动过程分析 ( 1 ) l 段：冲程开始，活塞所获得速度较1 氐，前腔体积缩小，相对变化率铡氐且为负。前 腔气体通过阀孔排气，质量变化率也为负，如果阀孔的通流能力合理，随前腔体积的缩小，空 气质量的排出能相适应，那么由式( 2 2 ) 可知，前腔压力变化率接近零，几乎保持和大气压 相同。由式( 2 一1 ) 可知此段活塞近似匀加速运动。 ( 2 ) l 。段：冲程迸 此殴后，活塞获得一定速度，前腔体积的相对变化率较高，为负。为 了提高返程行程，对单密封环冲击锤来讲，一般把此段的排气通路的面积设计较小，因l 峨氚通 能力铰低，前腔内气体质量变化率较小也为负，体积变化率