（机械设计及理论专业论文）液压冲击器中管路蓄能效应的研究.pdf

硕士学位论文 摘要 摘要 蓄能器一直被认为是液压冲击器中唯一的蓄能元件，而在实际应用中发现没 有蓄能器时液压冲击器依然可以工作，只是其性能有所下降，其原因在于人们忽 略了高压胶管在液压冲击器中的作用。针对这一情况，本文深入分析了高压胶管 的作用，对无蓄能器的液压冲击器进行了全面的研究。文章建立了高压胶管的分 布参数模型和集中参数模型，并对这两个模型进行简化，简化后的模型可以非常 方便应用于仿真研究。随后在有蓄能器液压冲击器的数学模型基础上结合胶管的 数学模型建立了无蓄能器时液压冲击器的数学模型，并建立了其仿真模型，对无 蓄能器的液压冲击器进行了仿真研究。通过仿真研究，得知在无蓄能器时液压冲 击器的频率、冲击能和效率均有所下降，其中效率下降最明显；在无蓄能器时胶 管起了主要蓄能作用。本文还详细研究了胶管参数( 长度、内径和弹性摸量) 对 冲击器性能的影响和胶管长度对冲击器响应的影响，结果表明采用长度和内径较 大的胶管可以提高冲击嚣性能；长度越长的胶管冲击器响应越慢。最后通过实验 验证了上述理论研究的正确性。 本文的研究成果，拓展了胶管的在液压冲击器中的作用，所建立的胶管数学 模型具有一定的理论参考价值。对无蓄能器时冲击器性能的研究，为冲击器的实 际应用提供了指导，并对新型无蓄能器的液压冲击器的设计和生产提供了一定的 理论指导。 关键词液压冲击器，蓄能器，高压胶管，数学模型，仿真 硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t 硼 a c c u m u l a t o rh a sa l w a y sb e e nc o n s i d e r e dt ob et h eo n l ye n e r g yc o m p o n e n to f h y d r a u l i ci m p a e t o r h o w e v e r , t h ei m p a e t o r 啪s t i l lw o r kw i t h o u tt h ea c c u m u l a t o ri n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n , o n l yt of i n dt h a ti t sp e r f o r m a n c eh a sd e c l i n e dm 0 1 eo rl e s s t h e “蕴s 帆i st h a tt h ee f f e c to ft h eh i g hp r e s s u r eh o s eh a sb e e nn e g l e x t e d i nv i e wo ft h e s i t u a t i o n ，t h i sp a p e rg o e sd e e pi n t ot h ee f f e c to ft h eh i g hi j r e s $ 1 1 r eh o s e , a n dt a k e c o m p r e h e n s i v es t u d yo ft h eh y d r a u l i cr a l n m e l t w i t h o u ta c c u m u l a t o r t h ed i s t r i b u t e d p a r a m e t e rm o d e la n dl u m p e dp a r a m e t e rm o d e lh a v eb e e ne s t a b l i s h e di no r d e rt 0s t u d y t h es i t u a t i o n o f c o u r s e , t h em o d e l sh a v e b e e ns i m p l i f i e ds ot h a tc 锄b es i m u l a t e dv e r y c o n v e n i e n t l y s u b s e q u e n t l y , 0 1 1t h eb a s i so ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fh y d r a u l i c i m p a e t o rw i t h a c c u m u l a t o ra n dt h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h eh o s e , t h e m a t h e m a t i c a lm o d e ln o n - a e e u m u l a t o rh a sb e e nc o n s t i t u t e d 1 1 地s i m u l a t i 蚰h a sb e e n p u tl l p t o s t u d y t h e h y d r a u l i ci m p a c t o rw i t h o u ta c c u m u l a t o r t h r o u g ht h e s i m u l a t i o n , i t ss e e nt h a tt h ef i e q u e n c y , t h ee n e r g ya n dt h ee f f i c i e n c yo ft h ei m p a e t o r h a sa l ld e c l i n e dl l l o r eo rl e s s ，o fw h i c ht h em o s to b v i o u si se f f i c i e n c y a tt h ef l a n l e t i m e , t h eh o s ep l a y s 觚i m p o r t a n tr o l ei ns t o r a g ew i t h o u ta e e t t m u l a t o r a d d i t i o n a l l y , t h et h e s i sh a sa l s ot r a v e r s e dt h ep a r a m e t e r so f t h eh o s e ( s u c ha st h el e n g t h , t h ei n s i d e r a d i u sa n dt h ee l a s t i cm o d u l u s lw h i c hc a na f f e c tt h e p e r f o r m a n c eo ft h e i m p a e t o r h o s el e n g t h0 1 3t h ei m p a c to ft h er e s p o n s eh a sb e e ns t u d i e dt o g e t h e r 豇砖 l 岱t t l ti n d i c a t e st h a ta d o p t i n gh o s ew i t hl o n g e rl e n g t ha n db i g g e ri n s i d er a d i u sc a n i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ei m p a e t o r 1 1 坞l o n g e rl e n g t ho ft h et u b er e s p o n s e s s l o w e r a tl a s t , t h ea b o v et l a e o r e t i e a l s t u d yh a sb e e np r o v e dt ob ea c c u r a c yv i a e x p e r i m e n t t b er e s e a r e l ar e s u l t so f t h ea r t i c l eh a v ed e v e l o p e dt h eu o f t h eh o s ei nh y d r a u l i c i m p a c t o r , a n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo f t h eh o s ei sv a l u a b l ef o rt h e o r e t i c a lr e f e r e n c e 1 1 把r e s e a r c h0 1 1t h ep e r f o r m a n c eo f t h ei m p a e t o rw i t h o u ta c c u m u l a t o rh a sp r o v i d e da g u i d a n c eo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o nf o rt h el a m m e r m e a n w h i l e ，i tc a l la l s op r o v i d ea t h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo fad e wn o n - a c c u m u l a t o r h y d r a u l i ci m p a e t o r k e yw o r d s ：h y d r a u l i ci m p a c t o r , a t = e m u l a t o r , h i g h - p r e s s u r eg l u ep i p e , m a t h e m a t i c s m o d e l ，s i m u l a t i o n 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：赵盛 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：整理墼导师签名逝日期：_ 午上月上日 硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 液压冲击器的发展概述 1 1 1 液压冲击机械的发展历程 2 0 世纪6 0 年代初期，德国k r u p p 公司研制出了实用的液压碎石机，它首先 用于城市建筑施工工程。1 9 7 0 年法国m o n t a b e r t 公司首先研制成功了世界上第 一台实用的液压凿岩机，并很快投入批量生产、推广使用，随后瑞典、德国、美 国、芬兰、日本等国陆续研制出了各种型号的液压凿岩机或液压碎石机投放市场 “枷。与传统的气动冲击机械相比，液压冲击机械具有能耗低、效率高、环境污 染小、操作方便、易于实现自动化等优点，它们在生产实践中显示出了巨大的优 越性和广阔的发展前景，因而引起了工程界和矿业界的高度重视。在短短3 0 年 里，世界上先后出现了包括瑞典的a t l a s - - c o p c o 、l i n d e n a l i m a r k 公司，法国 的m o n t 曲e r 、e m i c o _ s e c o m a 公司，芬兰t a m r o c k 公司，日本的古河f u r u k a r a 矿业株式会社，美国的g a r d e r - - - 由e n v e r 、i n g e r s o l - - r a n d 公司和德国的k r u p p 公司等著名公司在内的3 0 多家液压冲击机械专业生产厂家，在世界范围内形成 了一个新兴的工业产业。目前，已有数百种液压凿岩机和液压碎石机的系列产品 问世，一些先进的产品已历经了几代更新睁“。 我国开展液压冲击机械的研究工作起步于7 0 年代初期，基本与国际研究水 平同步，但由于当时我国液压技术发展较慢，液压凿岩机与液压碎石机未能在我 国普遍推广应用，直到8 0 年代，我国科研人员走技术引进和自行开发相结合的 道路，在突破了试验研究的许多关键技术之后，取得了迅速的发展。一1 9 8 0 年长 沙矿冶研究院研制成功了我国第一台液压凿岩机y y g 8 0 型导轨式液压凿岩 机，不久以后，由中南工业大学研制的y y g 9 0 型液压凿岩机、北京科技大学研制 的y s - _ 5 0 0 型液压碎石机和长沙矿山研究院研制的s y d - - 4 0 0 型液垫式液压碎石 冲击器也相继通过了国家有关部门组织的技术鉴定。近年来，随着我国对外开放 政策的深入和科学技术的长足进步，液压冲击机械这个新兴的技术产业也得到了 迅猛发展，目前国内已经有十几家单位研制生产了数十种型号的液压凿岩机和液 压碎石机的系列产品，在我国的能源开发、城市建筑、隧道工程建设中获得了较 好的应用“日。 1 1 2 液压冲击机械的技术特点 目前，国内外现代采矿业广泛采用各种不同形式的钻凿、碎石设备，如液压 硕士学位论文第一章绪论 凿岩机、气动碎石器和液压碎石器等，从本质上说，这是两大类型的冲击器：气 动冲击器和液压冲击器。其中，气动冲击器需要在有压缩空气的现场使用，同时 在工作场面上需要拖拽长度较长、容易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，必须加以改进或替代。 液压冲击器以液体为动力，使冲击活塞往复运动产生动能并冲击钎尾，从而 达到破碎岩石的目的。将液压凿岩机或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了液压凿岩台车或液压碎石机，其中典型的 形式是将液压碎石器安装在挖掘机上进行工作。 液压冲击器的出现虽然晚于气动冲击器，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冲击器。其技术优越性大致表现为如下 几个方面： 1 、具有较高的工作性能。由于可以使用较高的液压力，因此冲击器能以很 高的冲击速度进行冲击。 2 、具有较高的机动性能。能和主机一起自行行走，不像气动冲击器需要与 空压机连接在一起，经常需要搬移。 3 、具有较低的工作噪音。由于液压冲击器工作中的噪音只局限于活塞在钎 尾上的冲击声( 这一噪音可以由消音套来隔离) ，因此，从根本上改善了工程施 工中，特别是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 意高度和角度进行工作，因此，对于操作工人难以到达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 入，因此减少了工作零件的磨损。 6 、彻底改善了操作工人的工作条件。与人工破碎相比，减轻了操作人员的 劳动强度和疲劳程度，提高了工作安全性和生产效率。 与气动冲击器相比，液压冲击器的破碎能力得到了成倍的提高，其能量利用 率也由气动冲击器的1 5 提高到了4 0 5 0 ，噪音降低了l o 1 5 d b 。而且由于 液压系统是密封的，液压油既是驱动介质，又是润滑剂，工作零件的磨损大大减 少，提高了设备的使用寿命，同时也降低了维护成本；不再需要额外的空压机操 作人员和风镐工，降低了人员开支费用，因此有着巨大的经济效益“”。 2 硕士学位论文第一章绪论 1 1 3 液压冲击机械的发展动向 液压冲击机械在过去的3 0 多年里得到了迅速发展和广泛应用。随着全球经 济的巨大发展，资源开发和基础设施的建设显得尤为重要，世界市场特别是中国 市场对液压冲击设备的需求也越来越高，新产品不断涌现。就目前来看，液压冲 击机械大致有以下发展动向： ( 1 ) 产品性能向大冲击能、高频率、大扭矩方向发展。瑞典a t l a s - - c o p c o 公司的c o p l 2 3 8 h f 型液压凿岩机冲击频率可达1 0 0 1 0 5 h z ，冲击能达到4 4 0 j ， 扭矩为5 0 0 7 0 0 n m “”。 ( 2 ) 产品结构设计和钎具质量不断改进，钻凿破碎的经济性和精确性大幅 度提高。瑞典a t l a s c o p c o 公司的c o p l 2 3 8 液压凿岩机的钻孔速度比c o p l 0 3 8 型提高8 0 ，钎具寿命延长8 0 n 钉。 ( 3 ) 采用智能化控制。这里指凿岩破碎过程的计算机化，它包含两个方面： 一是采用电液控制技术，对液压冲击器的工作参数进行控制，使其可根据工作对 象的不同物理性质自动的无级调节活塞行程，从而改变其输出的冲击能和冲击频 率；二是对液压钻车钻臂定位系统进行控制，使其能迅速面准确可靠的移动到指 定位置，目前中南大学完成的国家“8 6 3 ”项目隧道凿岩机器人的研究就是 这个发展方向。 ( 4 ) 液压冲击机械性能参数测试测控的计算机化。以计算机为核心，采用 各种可视化软件( 1 i ，b 、v c 等) ，实现测试技术与手段的虚拟化。 ( 5 ) 液压冲击机械系统设计与控制技术的信息化。任何一种机械产品从构 思、设计、制造到投入使用，离不开各种信息( 包括结构参数，控制参数、价格 因子及市场需求等) 的集中、分析、储存、加工和处理，使用计算机网绍技术可 以实现以智能、动力、结构和传感组成的有序信息流的在线分析与处理，完成对 液压冲击机械系统的信息化设计与控制“”删。 1 2 液压冲击器类型、结构及研究方法概况 1 2 1 液压冲击器的类型 液压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 所示。 硕士学位论文第一章绪论 液压冲击 装载方式 驱动方式 手档式：冲击能较小 安装式：冲击能较大 液体静压传动：多用于冲击能较小的冲击器 液压一氮气膨胀方式：多用于大冲击能冲击器 f 钢对钢冲击结构 冲击方式娃阿对液垫冲击结构 i 钢对岩石冲击结构 配油方式单面回油 誓譬善篆 i 双面回油 配油阀形式 有阀型 柱阀型懂萎鋈垂 套阀型 活塞自配油型 芝喜嚣鎏萎 无阀型 压力脉冲型 自激振荡型 图卜1 液压冲击器的分类 1 2 2 液压冲击器的基本结构 为了满足不同功能、性能、效率和寿命等方面的要求，人们业已研制出了种 类繁多的液压冲击器，但是众多的液压冲击器也有一些共同或者类似的特点，表 现在以下几个方面： 1 、冲击机构 液压冲击器均有一个冲击活塞，它是其中最为重要的零件，无论从材料上、 结构上还是加工工艺上都有值得研究的地方。根据应力波传递理论，为最大限度 地传递活塞的冲击能，冲击活塞的直径一般和钎尾末端的直径基本相同，从而保 证打击端面的完全接触，达到高效传递能量的目的。冲击活塞与缸体或衬套之间 的配合间隙是一个很重要的技术参数。间隙太大，将会产生很大的泄漏，甚至导 致冲击器不能正常工作；间隙太小，可能导致活塞运动不畅甚至有拉缸现象产生， 同时使制造成本急剧增加。 2 、配油机构 绝大多数液压冲击器都有个用来改变系统油液流向的配流阀，它与冲击活塞 一起组成一个相互控制的运动系统，以实现并控制活塞的往复冲击运动。配流阀 结构形式多样，总的可以分为柱阀和套阀两大类。 4 硕士学位论文第一章绪论 3 、蓄能元件 目前，液压冲击器大多有一个或两个蓄能器，对液压系统具有蓄能、流量补 偿及吸收脉冲压力的作用。液压冲击器在工作过程中冲击活塞往复运动，但活塞 只有在冲程才做功，回程只是为了冲程准备。但冲击活塞回程时，泵排出的多余 高压油液压入蓄能元件，当活塞作快速冲程运动时，由于泵的排量满足不了冲击 活塞运动所需要的流量，而先前储存在蓄能元件中的油液将及时补充活塞运动所 需的流量；同时系统的大量排油也先在低压蓄能元件储存起来，以减少冲程时的 回油阻力，当活塞作回程运动时，油液再排回油箱。因此，蓄能元件既充分利用 了系统的能量，有提高了系统的效率，同时也降低了系统的压力冲击和流量脉动。 4 、凿杆 液压冲击器都有凿杆( 钎杆) ，它是液压冲击器的主要易损件，它要求表面 硬度高，耐磨性好，芯部韧性好，所以一般都用特殊的优质钢材经过特殊的热处 理工艺制造。 此外，液压冲击器也还有其他辅助机构，如保护罩、连接架、减震机构和防 空打机构等“州。 1 2 3 液压冲击器的研究方法 液压冲击器的工作过程实际上是由活塞、控制阀和蓄能器三个基本运动体所 组成。几十年来人们对液压冲击器系统的运动规律作了不懈的探索和研究，人们 对它的认识也经历了由低级到高级的发展阶段。根据所作的基本假设和采用的方 法的不同，所德的冲击器系统的基本方程式不同，人们习惯的将冲击器系统的研 究分为两大类：线性研究和非线性研究。 l 、液压冲击系统的线性模型研究 线性研究是通过一些途径，将非线性的冲击器系统线性化而进行的研究。比 较典型的情况是假设“油液压强恒定不变”，且忽略某些因素，从而得到一个线 性的数学模型。 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”，并通过机器压力油管中油压波的波 动方程，建立冲击器线性数学模型。在此基础上，人们对液压冲击器进行了大 量深入的研究。国内早期的冲击器研究中，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 个工作过程中油液压力恒定不变。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、天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。 硕士学位论文第一章绪论 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： 球：五 t ( 1 4 ) 作为抽象设计变量( 其中，t 为活塞运动周期、t 。为冲程时间) ，推导了液压冲 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d 值洲。 北京科技大学陈定远教授以c = s s m ( s 为计算行程，s m 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 = o 7 5 0 8 5 。 2 、液压冲击系统的非线性模型研究 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 了一些必要的假设，将冲击活塞的受力状态进行简化，得出了用线性数学模型表 示的液压冲击器运动规律，这种模型揭示液压冲击器的运动规律简单明了，有确 切的数学表达式，可方便的求得解析解，菲线性研究较多的考虑了液压冲击器运 动的影响因素，较为全面的分析了液压冲击器的受力状态，得到了高阶非线性微 分方程组描述其运动规律。这种模型能较为精确的揭示液压冲击器的物理现象， 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 机科学技术的发展和微型计算机的普及，非线性数学模型的研究越来越受到人们 的重视。 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。日 本学者用逐次近似计算方法求出了冲锤速度和频率，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压冲击器非线性研究的论文。1 9 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。1 9 8 7 年，北京科技大学陈 孝忠教授、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，文章建立了冲击器 的数学模型，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 真数据吼州。 6 硕士学位论文第一章绪论 1 3 管道模型的研究概况 i 3 1 管道模型的研究意义 随着科学技术和现代机械化水平的发展，各种工程机械正向大型化、复杂化、 自动化方向发展，我们常常可以看到一些工程机械伸出长长的液压缸灵活的完成 各种动作，然而，任务的完成必须依靠安装在控制室的液压控制阀通过长长的管 道来控制，由于工程机械的发展，控制阀与液压缸之间的距离越来越远。此外对 于一些精密机械，虽然管道长度不是很长，但由于控制精度和产品质量的要求， 必须最大限度的提高系统的动态性能，减少管道对系统造成的不利影响，合理配 置管道参数。实践证明管道动态特性对系统有着很大的影响，太长的管道可能会 产生振动、噪声、发热及工作效率低下，严重影响系统动态特性，所以必须深入 研究，使其影响降到最小。 流体管道为分布参数元件，管内的非恒定流动产生流体谐振而影响其他元件 的正常工作，当谐振频率与管道结构的固有频率接近时，将产生流固耦合振动， 甚至发生管道破裂造成重大事故。另外，管道的动态特性对整个液压系统的动态 特性有重要的影响，对液压系统进行精确动态仿真计算必须考虑管道本身的动态 特性。 在流体控制系统的分析中，通常都认为系统的动态特性完全取决于元件，而 连接元件的管道被认为是纯刚性、无质量、无能量损失的元件。在恒定流条件下， 甚至在很多非恒定流条件下。流体传输管道的动态特性与元件的动态特性相比， 是不重要的或者可以忽略不计。然而，流体传输管道本身有容性、阻性和感性等 属性。在控制精度要求很高或管道很长时，管道对系统的影响将很大，所以在这 些情况下就不能不考虑管道影响。大量的工程实践和实验以及理论分析都表明， 太长的管道会降低系统的动态特性，甚至直接影响作为系统正常工作必要条件之 一的稳定性，而恰当的选择流体传输管道参数有可能改善系统的动态特性，所以 研究管道对系统动态特性的影响对合理选择管道参数有着重要的指导意义。 1 3 2 管道数学模型的研究概况 流体传输管道与电路传输线类似，本质上属于一个多自由度分布参数系统， 描述其特性的准确模型是目前普遍认可的与频率相关的耗散摩擦模型，但由于该 模型中含有复杂的贝塞尔函数和双曲线函数，给模型的解析和应用带来极大的不 便，随着人们对系统动态性能要求的提高和液压计算机辅助设计的发展，液压动 态仿真具有特别重要的作用，而且愈来愈向高精度，高准确度方向发展，管道分 布参数模型的近似，已逐渐成为人们所关注的课题。 管内非恒定流动数学模型主要有两种类型：分布参数模型和有限分段集中参 7 硕士学位论文 第一章绪论 数模型。管道分布参数模型时把流体管道看作是由无数液阻、液感、液容元件相 互串并联组成的分布参数网络，通过各元件之间的相互作用产生压力和流量的变 化，这种模型在理论上比较精确，但数学处理比较复杂，是处理管道的常用方法。 分段集中参数模型是把管道分成若干段，每一段都包括集中的渡容、液阻、液感。 其管内流体流动的情况类似予电路中电流流动，所以可以将其用电路原理等效。 此模型物理意义明确，模型处理简单，较适于工程应用4 “。 哈尔滨工业大学的赵彤等应用双曲线的无穷乘积的表示方法，对双曲线函 数、传播算子、特性阻抗联合求解进行级数近似，得到了分布参数模型中7 个矩 阵元素的有理多项式的近似形式，简单而实用，并用比例、积分、一阶惯性、二 阶振荡等典型环节的线性组合的形式取代传递矩阵中的双曲线和b e s s e l 函数。 近似方法的改进实现了规范化和程序化，根据管路、流体的基本参数可以很容易 得到相应的准确近似模型。 燕山大学的孔祥东、王益群等研究了管路效应对电液位置伺服系统响应能力 改善作用，通过大量的实验证明了合理的设计管道参数，可大大的提高系统的响 应能力，得出电液位置伺服系统中，伺服阀与缸体之间的连接管路不能一概以压 缩容积来考虑，连接管路与系统的耦合作用决定着系统的响应能力。国防科技 大学的刘昆等在分布参数液体管道的分段近似状态空间模型一文中分别提出了 分布参数层流和紊流液体管道的分段近似状态空间模型，模型考虑了稳态摩擦和 频率相关摩擦损失两种情况，层流管道的分段近似状态空间模型是线性的，而紊 流管道的是非线性的。1 。浙江大学流体传动与控制重点实验室魏建华作了题为具 有长管道的阀控液压系统瞬态响应的研究，他们建立了一个具有长管的阀控液压 系统仿真模型，在不同的管字参数下对其阶跃响应进行了仿真，结果表明长管会 减慢阶跃响应并使其产生周期性波动。其仿真结果与实验结果基本吻合咖。 1 4 无蓄能器的液压冲击器的研究 中南大学郭勇在其硕士论文中将没有高压蓄能器的情况称为非正常工况，并 对其进行了实验及简单的理论研究，通过实验得出在无高压蓄能器时，液压冲击 器并不改变其运动的变化规律；有、无高压蓄能器对液压冲击器的频率影响不太 大，但对冲击末速度、冲击器的效率有影响；胶管具有补油作用；在无高压蓄能 器这一非正常工况下的液压冲击器，在恒压泵或定量泵作用时，建立了一个简单 的计算模型，在考虑胶管及恒压泵的补油情况下，设定了活塞腔压力随流量而变 化的模型，通过计算，其结果与实测结果基本上相符m 1 。 中南大学何清华教授在其著作液压冲击机构研究设计中也对液压冲击 s 硕士学位论文第一章绪论 器进行了相应的仿真和实验研究，使人们对于蓄能器在冲击器系统有了进一步的 认识n 1 1 。 中南大学邱海灵在其硕士论文一种新型氮气式液压冲击器的研究中研究 设计了一种新型无蓄能器的氮气式液压冲击器，这种新型冲击器在工作原理和结 构形式等方面进行了创新，并具有良好的性能。文章对这种新型冲击器进行了仿 真研究和实验研究，得出了新型冲击器设计理论的正确性。文中提出的无隔膜式 蓄能器的液压冲击器的设计理念对研究新型冲击器具有较高的理论价值嘲。 1 5 课题来源、研究内容及研究意义 1 5 1 课题来源 液压冲击器在这些年的迅猛发展后已经成为一门新兴的产业，技术越来越成 熟，理论研究也越来越完善。纵观人们对液压冲击器的发展历史和研究状况，蓄 能器一直都被认为是液压冲击器中唯一的蓄能元件，在实际应用中，经常发生蓄 能器损坏的现象，而损坏后冲击器依然可以工作，只是其性能有所下降，这说明 在冲击器中还有可以蓄能的元件，这时起蓄能作用的就是高压胶管和油液的压缩 性，其中高压胶管起了主要的蓄能作用。由于蓄能器本身是一个易损坏的部件， 维修成本高，而且使用时要严格控制其参数，增加了使用难度，所以取消液压冲 击器中的蓄能器已经成为设计新型冲击器的一个研究方向。目前市场上已经出现 了取消传统的隔膜式蓄能器的液压破碎锤，例如，日本泉精器制作所推出的悍狮 ( 叫s k i e ) 液压破碎锤。这样，不但简化冲击器的总体结构，还降低了缸体结构 的复杂程度，节省了制造成本；同时也方便了用户的使用与维护，使产品更有市 场竞争力。然而，现在人们对于无蓄能器的冲击器的研究很缺乏，特别是无蓄能 器后高压胶管在冲击器中的作用比较重要，其参数对冲击器的性能有一定的影 响，而其影响程度到底如何，对于这方面的认识还很模糊，理论研究和实践都很 缺乏，。因此，本文选定考虑管道效应的无蓄能器的冲击器作为一个研究方向。 本课题来源于液压工程机械研究所多年来对液压冲击器的科学研究与工程 实践，。考虑管路效应的无蓄能器的液压冲击器研究”属于其中的一个子课题。 这一研究在理论上具有创新的意义，在工程实践上也具有十分重要的指导和参考 价值。 1 5 2 研究内容 本课题研究的主要内容如下： l 、高压胶管的研究 9 硕士学位论文第一章绪论 ( 1 ) 高压胶管分布参数模型的研究； ( 2 ) 高压胶管集中参数模型的研究； ( 3 ) 高压胶管数学模型简化方面的研究； 2 、有无蓄能器的液压冲击器动态特性的研究 ( 1 ) 有蓄能器的液压冲击器的数学模型研究及其仿真研究； ( 2 ) 考虑管路影响的无蓄能器的液压冲击器的数学模型研究及其仿真研 究； 3 、无蓄能器的液压冲击器的性能研究 ( 1 ) 高压胶管的参数对无蓄能器液压冲击器的性能影响的研究： ( 2 ) 高压胶管长度变化对无蓄能器液压冲击器的响应的研究； 4 、无蓄能器的液压冲击器的实验研究 ( 1 ) 通过实验验证系统仿真的正确性 ( 2 ) 通过实验深入了解研究对象的运动规律和特性 1 5 。3 研究意义 本课题的研究意义如下： 1 、对液压冲击器蓄能问题有了新的认识 本课题全面研究了冲击器的蓄能问题，使我们认识到液压冲击器的蓄能元件 不仅仅是传统的隔膜式蓄能器，高压胶管和油液的压缩性同样可以起到蓄能作 用，而且其作用并不像以前人们所想象的那样可以忽略，其蓄能作用对冲击器性 能的影响也很重要。 2 、拓展了高压胶管在冲击器中的作用 一直以来人们都忽略了高压胶管在冲击器中的蓄能作用，对其研究极为简 单，本文详细全面的建立了高压胶管的分布参数数学模型和集中参数模型，并对 模型进行了简化以便于工程应用，使人们对高压胶管在液压冲击器中的作用有了 定性的认识，这就使高压胶管在冲击器中的作用得到了扩充。本文所建立的数学 模型也为高压胶管在其他液压机械中的应用提供了理论指导。 3 、为无蓄能器的液压冲击器的研究和发展提供了理论指导 蓄能器在冲击器的发展历程中扮演了重要的角色，人们对其进行了不断的研 究。随着研究的深入和实践的丰富，特别是对胶管蓄能问题研究的深入，使蓄能 器在冲击器中是否可以取消成为一个研究方向。通过本课题的研究，为新型无蓄 能器的研究和发展提供了理论指导。 因此，本课题的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。 硕士学位论文 第二章液压冲击器工作原理和性能分析 第二章液压冲击器工作原理和性能分析 在绪论中，我们确定了本文的研究课题和研究内容。本章将讨论液压冲击器 的工作原理，并对其运动学、能耗及效率进行分析，为了弄清楚蓄能器在冲击器 中的影响效果，还将建立蓄能器的数学模型。为以后的仿真研究提供理论基础。 2 1 液压冲击器的工作原理 液压冲击器一般是利用控制阀来切换冲击活塞冲程与回程的通路，从而实现 活塞的往复运动。除少数采用所谓强制配流方案，即控制阀靠外力( 液压力或电 磁力等) 实现换向外，绝大部分采用一种特殊的自动配流方式。其控制阀的换向 靠冲击活塞移动时启闭阀的换向液流通道来完成，反过来阀的换向又切换了活塞 的液流通道，完成其冲程与回程之间的转换，就这样周而复始，靠位置反馈自动 实现周期性的冲击运动。 液压冲击机构中，一般都将推动活塞回程的压力腔称为前腔( 靠冲击端) ， 而将推动活塞冲程的压力腔称为后腔。现有的液压冲击机构根据前后腔压力的变 化情况可分为三种类型。一种是前腔常压，后腔作为控制腔，压力高、低交替变 化的冲击机构，我们一般称为后腔控制式，简称为后控式。目前，这种方式的冲 击机构实际应用最多。一种是无常压腔，前、后腔的压力交替高低变化。我们称 之为双腔控制式，简称双控式。这种方式实际应用仅次于后控式，也占很大的比 例。另有一种后腔常压，前腔压力高、低交替的前腔控制式冲击机构，实际应用 很少。 无论是后控式还是双控式，其冲击活塞的运动都分为回程与冲程两部分。其 中回程又分为回程加速与回程制动两个阶段。 2 1 1 后控式液压冲击器的工作原理 采用后控式控制方式的液压冲击机构主要有国产y y g 2 5 0 型、y y g 9 0 a 型及 y y g l 0 0 型液压凿岩机本文将以1 n g 9 0 a 型液压冲击器为例进行说明。该冲击器 装有高，低压蓄能器各两个。除由液压马达、齿轮、传动套等组成的钻杆回转机 构和排渣气管外，其余零部件都属于液压冲击机构。其中关键零部件是缸体、冲 击活塞、控制阀、高、低压蓄能器及被冲击体钎尾。运动体则只有冲击活塞、控 制阀芯与蓄能器隔膜三件。y y g g o a 型液压凿岩冲击器采用前腔常压，后腔压力 高、低交替控制的后控式工作方案。 硕士学位论文第二章液压冲击器工作原理和性能分析 其工作原理如下： 图2 1 后控式液压凿岩冲击器回程工作原理图 ( 1 ) 回程 图2 1 所示为活塞已经完成了一次冲击，且阀已换向，整个系统处于回程开 始状态。此时阀芯的a 面通过油道k 2 和k 3 与回油( 0 ) 相通，b 面经阀芯中心 的孔道始终与阀体的低压腔a 相通，且a 的面积大于b 的面积。则阀芯在高压油 ( p ) 的压差作用下处于图示的左端位置。压力油( p ) 经阀体高压腔c 始终与活 塞前腔e 相通，而活塞后腔f 则通过油道k 4 经阀体的控制腔b 、低压腔a 与回 油连通，故活塞在前腔压力的作用下向右开始回程。当活塞加速向左运动到其d 面越过回程控制孔道k l 时，阀的a 面通过孔道k 1 与活塞前腔的高压油( p ) 相 通，阀芯因a 面受高压作用开始向左作回程换向运动，阀体的控制腔b 与高压腔 c 连通，活塞前后腔差动连接，均与高压油相通，回程加速阶段结束。尽管活塞 的f 面大于d 面，此时活塞因惯性作用将继续向左运动，只不过是作减速运动， 直至速度为零，完成整个回程动作。从以上叙述可知，活塞回程实际包括回程加 速和回程减速两个阶段。 ( 2 ) 冲程 活塞回程结束，为冲程做好了准备，冲程开始时整个油路状态处于与图2 2 所示的回程减速阶段一样。阀芯由于a 面受高压油作用处于左侧，活塞前后腔保 持差动连接，此时前后腔均处于高压状态，活塞在压力差的作用下向左加速运动， 开始冲程。当活塞e 面越过冲程控制孔道k 2 时，阀芯a 面经孔道k 2 、k 3 与回油 沟通，失去高压，向右开始冲程运动，随即活塞冲击钎尾，冲程结束。冲击机构 又恢复了回程初始状态，活塞又开始回程。 就这样，活塞往复运动不断冲击钎尾，输出冲击能破碎岩石。 硕士学位论文第二章液压冲击器工作原理和性能分析 图2 2 后控式液压凿岩冲击器冲程工作原理图 2 1 2 液压冲击器的设计要点研究 液压冲击器主要包括液压碎石冲击器、液压凿岩机等，它们之间有许多共 同之处，又各有特点。总体上说来，它们都是利用高速运动的活塞去冲击凿杆( 或 钎尾) 进行破碎( 或凿岩) 作业的，但它们之间有又明显的不同。液压碎石器应 该具有较大的冲击功，而冲击频率则可较低。液压凿岩机则不同，它应当是在满 足冲击功要求的前提下，要求尽可能提高冲击频率，以提高穿孔速度。总之，不 管是什么类型的液压冲击器，对其进行分析就可得出其研究的要点归纳起来有如 下两点： ( 1 ) 如何解决活塞冲程阶段的瞬时大流量问题 冲击器在冲击过程中获得的冲击能可表示为： e=aps(2-i) 其中： 活塞后腔有效作用面积；p 一后腔压力；s - - - - 活塞行程。 由于压力p 与活塞行程s 受结构和使用条件的限制，不可能有很大的改变， 因而欲获得较大的冲击能e ，必须使后腔有效面积a 加大。然而a 值较大的活塞 在高速运动( v - - 9 1 0 m s ) 的情况下，会使得后腔的进油流量峰值相当大。但是， 冲击器所需要的平均流量却不大，为解决此矛盾，在结构上必须采取措施，以保 证这个大流量峰值的供给，否则将因后腔压力急剧下降而使活塞不能加速到要求 的速度值。因此，如何解决在常压供油的条件下，在活塞冲击时后腔作用于活塞 的压力不随行程的增大而明显下降是液压冲击器设计研究需要考虑的问题之一。 在常用的前腔常压型的液压冲击器中，一般是采用进油路上配置一个高压蓄 能器来释放能量并补充供油来解决。但此种解决方案，在冲击器冲击频率较高时， 硕士学位论文第二章液压冲击器工作原理和性能分析 蓄能器的隔膜易失效，需要经常更换而增加了辅助作业，且对于大中型液压冲击 器，园受机构体积、重量的限制，蓄能器容积不可能无限增大，所以，对具有较 大冲击功的液压冲击器来说，这种结构型式仍然不能供给足够的后腔压力。因此 设置高压蓄能器这种解决方案不是理想的解决方案。 ( 2 ) 如何降低回油背压问题 由于活塞运动速度高，活塞前腔回油的流量峰值也很大，该流量在阔口、孔 道及回油管道上产生的背压，将直接影响活塞速度的提高，并且造成能量损耗， 从而降低了系统的效率，如何降低这些背压阻力，是液压冲击器设计研究需要考 虑的问题之二。 活塞运动时的回油背压主要由以下三部分组成： 阀口压降产生的背压； 孔道沿程和局部损失产生的背压； 回油管路的沿程损失产生的背压。 阻碍活塞运动的回油背压为三者之和。为了降低上述背压，除了在参数上进 行优化之外，更重要的是在结构上想办法解决，大部分类型的冲击器都是采用了 隔膜式蓄能器来暂时吸收活塞冲程阶段的大量排油，以减少回油阻力。机器内部 孔道的局部损失和沿程损失产生的背压是不可避免的，设计中应尽可能使油路简 单畅通，以减少阻力。 综上所述，目前的液压冲击器为了解决上述两个闷题都是采取了设置高压蓄 能器和低压蓄能器的办法。但是任何事物都是有两面性的，由于冲击器设置了蓄 能器，同时也带来了一系列的问题，大概包括以下几个方面： 蓄能器的设置导致冲击器结构变得复杂，尤其是增加了缸体内部孔道，使 缸体结构变得十分复杂，增大了加工难度、增加了加工成本。 使用蓄能器必须严格控制其工作参数，其参数的设置对冲击器性能的影响 较大，因此增加了使用难度。 由于蓄能器内部充满了高压的气体，增加了使用的危险佐。这是因为高压 气体的急剧膨胀可能导致工伤事故的发生。 由于蓄能器是一个易损件，特别是用在冲击频率比较高的液压冲击器中， 蓄能器隔膜易损坏，这样会增加维护费用，将低工作效率。 2 2 液压冲击器的运动学分析 为了能深入研究冲击器的运动规律及性能，揭示其各个部件之间的本质关 系，应对其进行线性研究。通过线性研究可得到冲击器参数之问的代数表达式， 1 4 硕士学位论文第二章液压冲击器工作原理和性能分析 因而可以方便的由已知参数求解一些相关参数，即可用于冲击器的常规设计，也 可为非线性仿真研究和优化设计计算提供初始设计。 进行线性研究前，必须对液压冲击器的运动作一些必要的简化和假设。主要 包括：活塞作等加( 减) 速运动，忽略冲击钎杆后的短暂停顿和反弹速度；配油 阀是瞬时切换的，且忽略换向时需要的流量。在这些条件下，可将活塞的运动分 为三个阶段：回程加速段、回程制动段和冲程阶段。且在这几个阶段内