（机械电子工程专业论文）一种转阀配流液压冲击器的研究.pdf

摘要 冲击能和冲击频率足液压冲击机械的重要输出工作参数；合理匹 配冲击能和冲击频率，可适应不同的作业条件，产生最佳工作效果， 从而提高生产率和降低成本，扩大其使用范围。 为了更好的实现液压冲击器输出工作参数的无级调节，本文在分 析了国内外液压冲击器技术现状的基础上，突破传统液压冲击器的工 作模式，提出了一种转阀配流的新型液压冲击器，并结合变频电动机 调速或液压马达调速技术，提出电动机驱动转阀或马达驱动转阀两种 调速控制方案。文章在建立了新型转阀配流冲击器非线性数学模型和 仿真模型的基础上，对新型转阀配流液压冲击器系统进行了仿真研 究，得出系统的主要参数对冲击器工作特性的影响，从中获得了有关 新型冲击器运动的规律性认识。在实验过程中，应用变频电动机调速 系统、数据采集系统构建了用于验证测试转阀配流液压冲击器性能的 测试系统。实验结果表明测试系统达到了预期目的，实验数据所反映 的新型冲击器运动规律与仿真研究所获得的规律具有一致性，说明转 阀的转速可由变频电动机系统驱动，进而达到对液压冲击器的冲击频 率与冲击能的无级调节。由此，证明了新型液压冲击器原理的正确性。 以上研究成果，不仅对于新型转阀配流液压冲击器的进一步研究 具有理论价值，而且对于新型液压冲击器的设计和使用也具有重要的 实践指导意义。 关键词液压冲击器，转阀配流，变频，数学模型，仿真 a b s t r a c t i ti sw e l lk n o w nt h a tt h eo u t p u tw o r k i n gp a r a m e t e r so ft h eh y d r a u l i c i m p a c tm a c h i n ea r es t r i k ee n e r g ya n ds t r i k ef r e q u e n c y , a n dr a t i o n a l m a t c h i n go ft h e s ew o r k i n gp a r a m e t e r sc a l la d a p td i f f e r e n tw o r k i n g c o n d i t i o n s ，b r i n go p t i m a lw o r k i n ge f f e c t a c c o r d i n g l y e n h a n c e s p r o d u c t i v i t y , d e c r e a s ec o s ta n de n l a r g e si t su s ef i e l d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h ep r e s e n th y d r a u l i ci m p a c t o ra th o m ea n d a b r o a d ，t h i sd i s s e r t a t i o nb r e a k t h r o u g h st h et r a d i t i o n a lf r a m e w o r ko f i m p a c t o r , d e s i g na ni n n o v a t i v eh y d r a u l i ci m p a c t o rb a s e do na nr o t a t i o n a l v a l v e sd i s t r i b u t i n gs y s t e m a n dt h es y s t e mi n t e g r a t ew i t ha cv a r i a b l e f r e q u e n c yt e c h n o l o g yo rh y d r a u l i cm o t o rc o n t r o lt e c h n o l o g yt oi n i t i a t e t w op r o j e c t s a f t e re s t a b l i s h i n gt h en o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d e la n dt h e s i m u l a t i o nm o d e lo ft h ei m p a c t o r , t h ep r i n c i p l ea b o u tt h en e wh n p a c t o r m o t i o nh a sb e e nf o u n d i nt h ep r o c e s so fs t u d y , as y s t e mf o rt e s t i n gt h e t h e o r yo f n e wi m p a c t o rh a sb e e nb u i l du p a c c o r d i n gt ot h ed a t ac o l l e c t e d f r o mt h ee x p e r i m e n t s ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ei na g r e e m e n tw i t h e x p e r i m e n t a lo n e so nt h ew h o l e a n di tc a i lb ep r o v e dt h a tt h en e w i m p a c t o rt h e o r yw a sc o r r e c t t h er e s e a r c hr e s u l t sa b o v ew i l lp l a ya ni m p o r t a n tr o l en o to n l yi nt h e f u r t h e rr e s e a r c ho ft h i sn e wi m p a c t o rt h e o r y , b u ta l s oi nt h ed e s i g na n d m a n u f a c t u r eo f t h i sn e wi m p a c t o ri nt h ef u r t h e r , k e yw o r d s ：h y d r a u l i ci m p a c t o lr o t a t i o n a lv a l v e sd i s t r i b u t i n g ， v a r i a b l ef r e q u e n c bm a t h e m a t i c a lm o d e l ，s i m u l a t i o n i i 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： 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： 导师签名么坚盈日期：午一月一日 硕十学伊论文第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外液压冲击器发展概况 目前，国内外现代采矿业广泛采用各种不同形式的钻凿、碎石设各，如液压 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 在工作现场上需要拖拽长度较长、容易破损的大直径压缩空气软管，且工作效率 低下，工作时噪声大，排出的废气严重污染工作环境，在环保耍求日益提高的当 今社会中显得不太适应1 1 1 。 液压冲击器以液体为动力，通过冲击活塞的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1 2 1 。 1 1 1 液压冲击器发展历程及技术研究方向 随着液压技术的发展，液压冲击机械在社会各个行业中的应用越来越广泛， 从最初的液压凿岩机和液压碎石器用于矿山岩石工程的钻孔作业与大块矿石的 二次破碎，发展到今天已用于开挖隧道、拆除路桥和建筑物、破碎沥青或混凝土 路面以及清除冶炼炉渣和进行水下作业等p i t 4 1 。由于液压冲击机械的应用范围的 不断扩大和用量的不断增加，在国外己形成了一个重要的新技术产业。目前我国 在液压冲击机械的研究和生产方面与国外比较还有较大的差距p j 。 国外从上世纪六十年代初期开始着手液压冲击器的研制 2 1 1 6 1 。上世纪六十年 代末期德国k r u p p 公司率先研制出世界上第一台液压冲击器，目前已有芬兰、德 国、瑞典、日本，法国、俄罗斯、美国、韩国和加拿大等国的公司生产了上百种 液压冲击器系列产品。其中芬兰r a m m e r 公司发展最快，该公司生产的s 系列 液压冲击器已有多种型号，冲击能由1 0 0 0 j 到1 0 0 0 0 j ，产品己生产几千台，接近 世界总产量的一半。此外，美国及俄罗斯还生产了高能液压冲击碎石器，冲击能 可达2 7 0 0 0 j 和3 0 0 0 0 j 。目前进入我国市场的产品有阿特拉斯( a t l a s ) 、工兵 ( g e n e r a l ) 、水山( s o o s a n ) 、古河( f u r u k a w a ) 、大农( d a i n o n g ) 、 史丹利( s t a n l e y ) 、克虏伯( k r u p p ) 、汤姆洛克( r a m m e r ) 、蒙特贝德 ( m o n t a b e r t ) 、泰石克( t e i s a k u ) 、东洋( t o y o ) 、n p k 系列和悍狮 ( h u s k i e ) 等品牌v 1 。 硕士学付论文 第一章绪论 国内从上世纪七十年代中期开始液压冲击器的研究工作，八十年代初，长沙 矿山研究院、北京科技大学等单位首批研制出诸如s y d - 4 0 0 型液垫式液压碎石 冲击器、y s j l 型移动式液压碎石机、s y d - - - 2 0 0 0 型高能液压碎石冲击器和 y s 5 0 0 0 型液压碎石冲击器。到目前为止，国内已有中南大学液压工程机械研 究所( s y z 系列) 、沈阳风动工具厂( s t o p a 系列) 、山西长治液压件厂( y c 系列) 、常州现代工程机械有限公司( d m b 系列) 、上海鑫海建筑机械有限公司 ( r s 雄牌系列) 和马鞍山惊天液压锤制造有限公司( 惊天牌系列) 等十几家单 位研制生产的数十种型号的液压冲击机械【s l 【9 i 。 液压冲击机械在各个行业中的迅速推广应用，从而又推动液压冲击器的技术 进步。为适应不同的作业条件和性能要求，国内外对液压冲击器展开了各种各样 的研究，集中表现在对以下几项技术的研究及相应产品的开发上i z 。 l 、根据阻力大小自动控制冲击能的技术。法国蒙特贝德( m o n l a b e r t ) 公司对此项技术进行了研究，并推出了相应的产品b r v 3 2 和b r v 5 2 。 2 、水下冲击技术。在航道工程中，为了进行加深、加宽航道或疏浚河床等 水下作业，此项技术显得十分重要。芬兰r a m m e r 公司新近开发了相应的产品。 这类产品不仅拥有防锈的镀硬烙活塞，且为防止水进入因活塞运动而产生快速压 力脉动的冲击腔，而将压缩空气以大于o 6 m m i n 的流量输入该冲击腔，并对压 缩空气的流量进行严格的控制，以免将钎具周围的润滑脂吹出。 3 、噪音及粉尘的控制技术。在市政工程中对噪音和粉尘的控制要求很高。 克虏伯( k r u p p ) 公司对此进行了深入的研究，该公司中型以下的产品都装有 阻声材料，所有h m 5 5 0 型号以下的冲击器噪声水平都低于9 0 d b 。对于粉尘的控 制，r a m m e r 公司在其开发的j e t 型号上安装了高压水泵及相应的雾化喷头， 从而大大降低了冲击器工作时的粉尘，有利于操作者的健康。 4 、重型冲击技术。在采石或隧道挖掘过程中，重型碎石器比小型碎石器更 加经济。r a m m e r 公司推出了世界上最大的液压碎石器g 1 2 0 ，其工作重量 6 4 0 0 k g ，冲击能则达1 2 0 0 0 j 。 5 、新型结构和高可靠性技术。为了满足用户对冲击器长期工作的要求，各 大公司均把冲击器的高可靠性作为产品质量目标，并从结构和材料性能等方面进 行研究。其中，日本泉精器制作所推出的悍狮( h u s e ) 液压破碎锤只有f 丙个 运动部件，不用高压蓄能器，从而使冲击器具有更高的可靠性。 6 、智能化技术。随着液压技术、电子技术和控制技术在工程机械上的不断 应用和发展，冲击器也向着智能化方向发展。通过液压控制技术和电子控制技术， 冲击器能够根据作业对象的不同，实现自动调节冲击能和冲击频率。冲击器实现 自动调频调能足冲击技术上的一个重大突破，也是冲击机械性能提升和发展的蓖 硕士学位论文 第一章绪论 要方向。 i i 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在基本结构上也有一些共同或者类似 的特点，表现在以下几个方面阻】： l 、冲击活塞 冲击活塞是冲击器中最为重要的零件，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 剧增自d 6 1 。 2 、配油机构 绝大多数液压冲击器都有用以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，现有的配流阀主要可以分为柱阀和套阀两大类，一般柱阀质量轻、 耗油少、直径较小、配合间隙小、泄漏小，但是柱阀一般为阶梯状结构，结构工 艺性差，节流损失较大；套阀质量较重、直径较大、配合间隙也相对较大、泄漏 也较大，但它的结构工艺性好，开口面积梯度大，节流损失较小。液压冲击器还 常设置一个顺序阀，用来建立并控制油腔压力值，以保证液压冲击器有足够的工 作压力进行冲击工作。 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。在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，回程只是为了冲程做准备。但冲击活塞回程时，泵排出 的多余高压油液存入蓄能元件，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，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 硕士学位论文 第一章绪论 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1 2 1 1 ”1 。 1 2 液压冲击器的建模方法及研究概况 按照人们在研究液压冲击器时所采用的数学模型，可以将液压冲击器的建模 研究方法分为线性模型方法和非线性模型方法两大类 2 1 1 4 5 1 。 1 2 1 线性模型方法 线性模型方法抓住影响冲击器运动的主要因素，忽略次要因素，将活塞受力 进行简化，得到用线性数学模型描述的冲击器运动规律。这种模型直接明确地揭 示了冲击器运动规律，有确切的代数表达式，可以方便地求出解析解。 线性模型研究中的基本假设条件是“液压油压力恒定不变”，并忽略某些影 响因素，在此基础上建立起液压冲击器线性模型1 4 4 1 。 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1 9 1 ，并通过压力油管中油压波的波动方 程，建立冲击器线性数学模型，其形式如下： 一鲨：p 挈 ( 1 - 1 ) 一面2 p 言 u 1 ) 一鲨：c 2 p 阜( 1 - 2 ) 缸西 m 譬一s , v c l ，f ) ( 1 3 ) 口f 式中：廿断面坐标；f 时间： p 油液密度；s 活塞受压面积； 手油液中的音速；旷活塞位移； p 和分别表示压力管道中某液流断面的压力和速度。 此模型为一个线性的偏微分方程组，可以根据边界条件，求出通解i 2 1 1 6 1 。 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 4 硕士学位论文第一章绪论 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l 。 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”的观点，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： 口：互 t ( 1 4 ) 作为抽象设计变量( 其中，r 为活塞运动周期、乃为冲程时间) ，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岔值。 最大峰值流量最小时：o r = o 3 3 3 ； 蓄能器容积变化最小时：口= o 3 8 2 ； 蓄能器隔膜振动次数最小时：口= o 3 3 3 ； 中南大学胡均平教授、朱建新教授以液压冲击器内部压力损失能耗最小为优 化目标得出口= o 2 6 。 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折和推导， 得出最佳效率区为c = o 7 5 o 8 5 。 1 2 2 非线性模型方法 由于线性模型方法对冲击器的研究是建立在大量假设基础上的，因此其精确 性受到了限制。为了更准确地反映液压冲击器的运动规律，人们对冲击器系统进 行了更加精细、更加全面的研究，并结合了现代计算机技术，产生了不少研究冲 击器的非线性数学模型和方法。 上世纪七十年代，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唧。 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口“。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【2 8 l ： 硕士学位论文 第一章绪论 活塞动力平衡方程： + 与= f ( p ) ( 卜5 ) 流量平衡方程： q q 2 9 - 3 = a s + d r ( 1 6 ) 蓄能器气体状态方程： 肚昂( 南 m z ， 这是一个非线性数学模型，其将活塞运动过程分为回程加速、回程制动和冲 程加速三个阶段，并考虑回弹速度影响和换向瞬时冲击压力等因素的影响，得到 了一个较全面的仿真模型，并在计算机上进行了仿真计算，求得了稳定解。 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，文章建立了如下数学模型 3 2 1 1 4 4 1 ： 活塞运动方程： m 巧= 最( p ) 一向e 一彳g p l c o s p ( 1 8 ) 配流阀阀芯运动方程： m 2k = 最2 ( p ) 一乞e 一耳2 ( 1 9 ) 回油质量惯性力方程： m 3 墨= 最，( 卸) ( 卜1 0 ) 流量连续性方程： q = q 】一q q ( 1 1 1 ) 蓄能器气态方程： p v ”= e o v o ( 1 1 2 ) 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。 近年来，随着计算机技术的发展，非线性数学模型的研究越来越受到重视。 中南大学丁问司博士在其博士论文中，应用m a t l a b 软件建立了冲击碎石 器面向对象的仿真模型，并进行了深入的研究1 4 4 1 。 中南大学研究生邹湘伏在其硕士论文中，应用功率键合图方法建立起了氮爆 式液压破碎锤的功率键合图和破碎锤的数学模型，并应用了m a t l a b 软件建立 了仿真模型，进行了仿真研究 4 7 1 。 1 3 液压冲击器的配流系统 虽然现有的液压冲击器的结构形式种类各异，但是不难发现它们的结构原理 6 硕士学位论文第一章绪论 基本相同主要由配流系统、冲击活塞和蓄能器等部件组成；都是通过配流阀 为冲击系统配流，以液压力驱动活塞往复运动作功，对外输出冲击能来进行工作 的。配流系统是液压冲击机械的重要组成部分，配流阀与冲击活塞相互影响、相 互控制形成活塞的高速往复运动【6 l 。按配流系统的不同，现有液压冲击器主要分 为无阀式冲击器、行程反馈式和压力反馈式冲击器三种。 无阀式液压冲击器系统仅有一个运动体及冲击活塞，是一种利用油液压缩形 成自激振动，通过活塞运动位置的变化自行配油的液压冲击器。但其由于体积、 重量大，冲击能量低等原因，很快便从市场上消失y t l 。 采用行程反馈式原理的液压冲击器，冲击活塞与配流阀相互控制；活塞在往 复运动中越过行程反馈孔、切换配流阀油路的同时，配流阀也在对冲击活塞进行 配流换向。由于行程反馈式冲击器遵循流量特性运行，其冲击能和冲击频率同步 增减，因而无法根据作业条件的变化对冲击器输出参数e 和f 进行独立无级调节， 难以实现合理匹配。虽然可以通过增设多个行程反馈信号孔，控制各信号孔的通 断来调节活塞行程，以改变液压冲击器的单次冲击能与冲击频率，但这种方式对 冲击能与冲击频率的调节是同步的、有级的，由于受结构限制，一般只有二、三档 可调，而且无法实现l + 5 h z 的低频冲击，一般都在5 + l o h z 的频率范围内，冲击能 与冲击频率的调节范围很小，因此在很大程度上限制了液压冲击器的工作范围与 工作效率的发挥四l 。 基于压力反馈原理的液压冲击器，可以通过调节活塞回程压力的大小，实现无 级调节冲击器的单次冲击能：同时，通过调节变量泵的流量，无级调节冲击器的冲 击频率。这样可使冲击能与冲击频率在很大范围内各自独立无级调节，克服了行 程反馈原理的各种缺陷，使得液压冲击器的工作效率充分发挥i 棚。但是压力反馈 式液压冲击器必须配备压力传感器、插装锥阀和高速开关阀等控制器件，使系统 复杂化，也增加了冲击器的生产和使用成本。 另外，行程反馈式和压力反馈式冲击器的配流阀大多采用的圆柱滑阀一般为 阶梯状结构，结构工艺性差，节流损失较大；而且配流阀大部分时间是工作在全 开口的状态，但在换向运动中，其控制边使开口量发生变化。这种变化引起的节 流损失会形成很大的油压差，甚至产生强烈的液压冲击与空穴。尤其是在冲击瞬 间阶段，如果阀芯冲程稍有换向滞后，系统将出现典型的液压冲击现象，如“阀 门突关式”冲击；将对配流阀的工作性能和使用寿命造成一定的影响 2 1 。 为了更好的实现冲击器输出工作参数无级调节，本文将从配流系统的方案入 手，对现有的液压冲击器原理进行分析研究，提出一种基于转阀配流换向的新型 液压冲击器；通过改变转阀转速无级调节冲击频率和冲击能；在其他系统参数确 定的情况下，转阀转速增大时，冲击器的冲击频率增大、冲击能减小。 7 硕士学倚论文第一章绪论 1 4 课题研究内容及研究意义 液压冲击器技术自六十年代发展至今，已取得重大的进步，并广泛应用于各 行各业。但其工作原理没有太大变化，目前国内外使用的液压冲击器的工作原理 大多为行程反馈原理；由于其结构的限制，一般只有二至三档可调，无法实现冲 击能与冲击频率的无级调节，整机功率变化范围大；严重制约了液压冲击器的使 用范围与工作效率的发挥。中南大学液压机械工程所新近推出的压力反馈式冲击 器，可以实现独立无级调节冲击能与冲击频率，克服了行程反馈原理冲击器的各 种缺陷。 本文同样以实现冲击器输出工作参数无级调节为目的；在分析研究传统液压 冲击器的工作参数调节方法的基础上，从冲击器的配流方案入手，提出一种基于 转阀式配流系统的新型液压冲击器，并对其工作原理和控制方案展开分析讨论。 1 4 1 研究内容 课题主要研究内容如下： 1 新型转阀配流液压冲击器的设计原理和方案 ( 1 ) 对几种传统液压冲击器的输出工作参数调节方法进行分析比较。 ( 2 ) 以实现冲击器输出工作参数无级调节为目的，以转阀式配流系统为基 础设计出一种新型液压冲击器；并提出转阀式配流阀的驱动方案； 2 转阀配流液压冲击器设计理论 ( 1 ) 转阀配流液压冲击器的线性研究： ( 2 ) 转阀配流液压冲击器的系统流量、能耗和效率的分析： ( 3 ) 转阀配流液压冲击器的活塞系统设计。 3 转阀配流液压冲击器配流系统的研究 ( 1 ) 对转阀式配流阀进行结构设计、受力分析和泄漏计算； ( 2 ) 对转阀驱动提出具体的控制方案。 4 转阀配流液压冲击器的动态特性研究 ( 1 ) 转阀配流液压冲击器的非线性数学模型； ( 2 ) 转闵配流液压冲击器的仿真研究。 5 实验研究 ( 1 ) 通过实验来验证转阀配流液压冲击器原理和仿真研究的正确性： ( 2 ) 通过实验进一步深入了解转阀配流液压冲击器的运动规律和特性。 8 硕十学位论文第一章绪论 1 4 2 研究意义 为了合理调节液压冲击器输出工作参数，使液压冲击器输出的冲击能和冲击 频率接近或等于工作介质所要求的最优冲击能和冲击频率；本文在分析研究传统 液压冲击器的输出工作参数调节方法的基础上，提出采用转阀式配流系统实现对 冲击器输出工作参数无级调节；并设计出一种新型转阀配流液压冲击器方案。通 过理论分析和实验研究得出：转阀配流液压冲击器结合变频电动机调速技术或液 压马达调速技术，对工作参数的调节更加方便，实现了液压冲击器机电液一体化， 有助于提高液压冲击器的自动化、智能化的水平。 此外，新型转阀配流冲击器还具有其它一些优点： ( i ) 转阀式配流阀的结构更为合理，延长其使用寿命。 ( 2 ) 简化了液压冲击器的结构，尤其是活塞的结构； ( 3 ) 降低了生产制造成本，提高了产品的竞争力和经济效益： ( 4 ) 简化了液压冲击器的操作； 综上所述，新型转阀配流液压冲击器具有一定的优越性，因此，该新型液压 冲击器可以成为液压冲击器的一个新的发展研究方向，本文在此进行初步的研究一 工作，为今后转阀配流液压冲击器的理论研究和发展提供参考依据。 因此，本课题的研究具有一定的理论意义和实际应用价值。 9 硕士学位论文 第二章新犁转阀配流液压冲击器的方案研究 第二章新型转阀配流液压冲击器的方案研究 绪论一章确定了本文的研究内容，本章将通过对传统液压冲击器工作参数的 几种调节方法的比较分析，提出以转阀式配流阀替代传统配流阀的新型转阀配流 液压冲击器的方案。 。 2 1 传统液压冲击器的工作参数常用的调节方法 为适应破碎不同物理特性的工作介质的要求，需要调节液压冲击器的性能参 数，使液压冲击器输出的冲击能接近或等于工作介质要求的最优冲击能，从而降 低生产成本，扩大液压冲击器的使用范围。目前调节液压冲击器输出工作参数的 常用方法主要有：改变液压冲击器运动行程的调节方法；改变液压冲击器供油流 量的调节方法；压力反馈式无级调节方法“1 。 2 1 1 改变活塞的运动行程的调节方法 大部分行程反馈式液压冲击器采用活塞行程调节机构来改变活塞的运动行 程，以得到液压冲击器不同的冲击能和冲击频率的输出。 各种型号液压冲击器的行程调节装置的具体结构尽管有所不同，但原理基本 是相同的。现以c o p l 2 3 8 系列液压凿岩机的行程调节机构为例加以说明。其行程 调节机构工作原理如图2 - 1 所示，在行程调节杆上沿轴向铣有三个长度不等的油 槽，沿圆周互差1 2 0 。调节杆所处的位置不同，活塞回程换向位置不同。当调节 杆处于图2 一l b 情况，活塞回程左凸肩越过反馈孔a 时，活塞即获得回程换向信号： 同样，当调节杆处于图2 - 1 b 或2 - 1 d 情况，活塞回程左凸肩须越过反馈孔b 或c 时， 才获得回程换向信号。活塞获得回程换向信号位置不同，活塞运动行程则不同， 活塞输出参数也不同。 i o 硕十学付论文 第二章新犁转阀配流液压冲击器的方寰研究 ( a ) pl l0 龠簖昂 l a l b c i a 1 3 i c t 曲，c ( b ) ( c ) ( d ) 图2 - 1c o p l 2 3 8 系列液压冲击器活塞行程调节 在恒压变量泵驱动方式下，根据抽象变量理论可导出： q g2 - k s ，扛瓦 e = 等黑2 p s 3j 吨峨s ja) 七n 一 8 8 “8 ，t 击陌再咄，再 n = e f = ( 2 一1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) 而= k 9 4 丽( 2 - - 4 ) 式中；毋活塞回程加速行程； 以冲击器系统油压； 口抽象设计变量； k 活塞运动阻力系数： e 活塞冲击能： 厂活塞冲击频率； 液压冲击器输出功率； m j 活塞质量； 爿，活塞冲程有效作用面积： 蚀液压冲击器冲击流量； 幻广相应的公式的系数，当冲击器结构一定时均为常数。 硕十学付论文第- 2 章新犁转阀配流液压冲击器的方案研究 从以上各式可知，活塞的回程加速行程毋与活塞的冲击能e 成正比，而与活 塞的冲击频率，成反比。尽管，当活塞运动行程发生改变时，液压冲击器系统主 机的功率变化不大，但由于受油缸结构限制，一般只有二至三档可调，冲击能与 冲击频率的调节范围很小且不能实现冲击能与冲击频率的无级调节。 2 1 2 改变液压冲击器供油流量的调节方式 这种工作参数调节方式主要适用于全液压驱动型液压冲击器在与手动( 伺 服) 变量泵、液控( h d ) 变量泵、电液比例变量泵耦合下液压冲击器的工作参 数调节，根据抽象设计变量理论可以导出： p = 而2 k i n ( 面1 - 2 酉c t ) q ；咆等 2 吲 1 口2 ( 1 一口) 2 4 ，”驴s ， e 2 嚣g ；吨g ； ( z 吲 = 鬻1 咆詈 ，= 3 = ； 。 ( 一口) 2 s ，“驴s ， ( 2 7 ) 小糕咆。萼 c z 删 分析以上各式可知改变液压冲击器的供油流量的确可以改变液压冲击器的 冲击能与冲击频率，但同时也能看出，冲击能f 与液压冲击器理论供油量衫成 正比，冲击频率，与仉成正比，液压冲击器的输出功率与衫成正比，因此， 当液压冲击器的供油流量发生改变时，必将导致液压冲击器的主机功率发生很大 的变化，这就要求增大装机容量，也就是说，在目前冲击频率无法设计得很低的 情况下，必然出现大装机容量配小冲击器的不合理的现象，致使与其配套的底盘 增大型号，提高机器造价，限制了液压冲击器的推广与应用。 2 1 3 压力反馈式无级调节方式 压力反馈式冲击器如图2 - 2 所示，是通过调节控制冲击系统的工作压力来调 节控制冲击器的冲击能从冲击压力大时，冲击能大，冲击压力小时，冲击能小) 。 通过调节控制供油泵的输出流量来调节控制液压冲击器的冲击频率，( 供油流量 大时冲击频率高，供油流量小时，冲击频率低) ，使得冲击系统压力和供油泵输 出流量参数可独立无级调节，从而实现冲击能f 和冲击频率，的独立无级调节控 制。基于此控制原理的冲击器可把冲击能调节到最大，而冲击频率f 则町降到很 硕士学位论文第二章新型转例配流液压冲击器的方案研究 低，使冲击功率不至于增大很多。这样的冲击器能充分利用装机容量，在同等 装机容量下可破碎相对大块的岩石。并可根据破碎对象来选择最优冲击能f 和合 适的冲击频率，以达到最优工作效率。 在此冲击结构中，通过调节控制油压的大小调节压力控制锥阀的开启压力， p x 高时，系统冲击压力高，活塞行程长，冲击器的冲击能大；p l 低时，系统冲击 压力低，活塞行程短，冲击器的冲击能小。通过控制油泵供给冲击系统流量无级 调节控制冲击器的冲击频率，流量大时冲击频率高，流量小时冲击频率低，这样 就可实现冲击器冲击能与冲击频率的独立无级调节控制。 图2 - 2压力反馈式冲击器系统原理图 2 2 转阀配流液压冲击器原理及方案 由上述可知，适应破碎不同物理特性的工作介质的要求，使液压冲击器输出 的冲击能接近或等于工作介质要求的最优冲击能一直是液压冲击器的一个重要 研究方向。而配流阀作为冲击器的核心部件，对冲击频率和冲击能的调控起决定 性作用。在此，本文将提出一种新型转阍作为冲击器的配流阀，进而对新型液压 冲击器进行整体方案设计。 2 2 1 转阀式配流阀的结构原理 转阀结构如图2 3 所示，由圆柱形阀芯l 、阀体2 、轴承3 和驱动轴4 组成， 硕士学位论文第二章新犁转阀配流液压冲击器的方案研究 其中阀体由圆柱套筒和阀盖焊接而成，圆柱套筒上开油孔与两路油管相接，油管 分别接入差动冲击活塞的前腔和后腔，且活塞前腔有效工作面积大于后腔。转阀 阀芯结构对称，与阀体组合形成高压油腔和低压油腔。 转阀阀芯的主要工作参数包括油槽数量和各油槽及油槽间隔所占宽度。如图 2 3 的a a 剖视图所示，阀芯侧周开有4 条油槽，2 条为通高压油腔的进油油槽， 2 条为通低压油腔的回油油槽；进油油槽和回油油槽相间排列。由于转阀工作中 以旋转运动为主，因此各油槽宽度及油槽间隔的宽度应由其圆周弧度表示，如下 图所示：进油油槽、回油油槽及油槽间隔弧度分别为01 、o3 、02 和o4 。 活塞瀚脏 低压 图2 - 3 1 阀芯2 阏体 2 2 2 转阀配流液压冲击器的工作原理 转阀结构图 3 轴承4 驱动轴 a a 转阀配流液压冲击器不同于行程反馈式和压力反馈式原理的液压冲击器，是 一种通过动力机构驱动转阀配流并利用差动活塞实现往复冲击的液压冲击器；冲 击器前腔变压、后腔常压。其中配流动力机构按照工程应用可分为马达驱动和电 动机驱动两种方案：对于主要以柴油机为动力的移动工程机械设备可使用油马达 驱动转阀，对于固定设备或配电条件合适的设备可使用交流异步电动机驱动转 阀。 采用电动机驱动方案的转阀配流液压冲击系统结构原理如图2 - 4 所示，主要 由油源、执行机构和配流系统三部分组成；其中油源包括油泵9 、溢流阀8 、压 力表7 和单向阀6 ；执行机构为冲击活塞2 ；配流系统主要包括转阎3 、变频器 和异步电动机m 2 。 系统工作原理：系统油压由溢流阀调定，转阀的阀芯由电动机驱动旋转，而 转阀的高压油腔同冲击活塞的后腔联通，始终处于高压。当阀芯处在图2 3 所示 1 4 硕十学位论文 第二章新犁转阀配流液压冲击器的方案研究 位置，前腔的油液经阀芯上的回油油槽和转阀的低压油腔流回油箱；因此，活塞 前腔处于低压，活塞承受后腔向前的油压作用，进行冲击。当阀芯旋转一定角度 时，前腔经进油油槽和高压油腔联通，流进高压油液，这时活塞两边油压相等， 但由于活塞前腔承压面积大于后腔，故活塞承受向后的油压合力，进行回程运动。 当电动机驱动着阀芯不停地旋转，活塞承受方向周期变化的油压力，使冲击器活 塞系统产生往复冲击运动。 5 6 7 8 9 图2 - 4 转周配流液压冲击器系统( 电动机驱动) 结构原理图 i 缸体2 活塞3 转阀4 前腔蓄能器5 后腔蓄能器6 单向闱 7 压力表8 溢流阀9 变量泵 采用马达驱动方案的变频液压冲击系统结构如图2 - 5 所示，主要由油源、执 行机构和配流系统三部分组成；其中油源包括油泵l l 、溢流阀l o 、压力表9 和 单向阀8 ；执行机构为冲击活塞2 ；配流系统主要包括转阀4 、油马达5 和电液 比例调速阀6 。 由图可知：采用马达驱动方案的冲击器系统同采用电动机驱动方案的冲击器 系统结构类似、冲击活塞和转阀的工作原理相同，因此，对系统工作原理不再赘 述。而采用马达驱动方案的冲击系统特点在于转阀的驱动足油马达。 硕十学 奇论文第二章新犁转阀配流液压冲击器的方案研究 l 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 图2 - 5 转阀配流液压冲击器系统( 马迭驱动) 结构原理图 1 缸体2 活塞3 前腔蓄能器4 转周5 油马达6 电液比例调速周 7 后腔蓄能器8 单向阀9 压力表1 0 溢流阀1 1 油泵 无论采用电动机驱动方案或是马达驱动方案，转阀配流液压冲击器的活塞运 动过程都可以分为三个运动：回程运动、冲程运动和打击停顿。 1 回程运动l 活塞回程运动包括2 个阶段： ( 1 ) 回程加速阶段 活塞回程开始时，活塞上一次冲击已经结束，并处于瞬时停顿状态，此时转阀 转到一定的位置，阀芯上的进油油槽与活塞前腔开始接通，活塞莳腔和后腔均与 高压油路相通，这时活塞前后腔油压相等，但由于活塞前腔承压面积大于后腔， 形成差动缸连接；因此活塞向后做回程加速运动，同时由于回程启动初期活塞速 度较小，系统供油量大于活塞所需油量，因此多余油量储存在前腔善能器中。 ( 2 ) 回程减速运动 活塞在差动缸的作用下继续向后做剐程运动，当转阀转过0l 角度后，进油油 槽与回油油槽的间隔部分与活塞前腔油路相面对，前腔与后腔高压油路及油槽均 被切断；此时蓄能器将存储的高压油液释放出来以保证活塞继续向后运动，前腔 1 6 硕+ 学位论文第二章新犁转阀配流液压冲击器的方案研究 油压可假定为零( 在此涉及到蓄能器的合理设计) ，而后腔继续保持高压。活塞 由于惯性作用继续向后运动，却是做减速运动，直至速度为零，完成整个回程动 作。 由上可知，活塞回程实际包括回程加速和回程减速两个阶段。 2 冲程加速运动 当转阀转过o2 角度，回油油槽与活塞前腔相通时，活塞已经完成了回程运 动，前腔油路与后腔高压油路依旧断开，并通过回油油槽流回油箱。此时活塞在 后腔压力作用下开始快速冲程运动，直至打击钎尾 3 活塞打击停顿 在后腔压力的作用下，活塞继续做加速运动。当转阀转过o3 角度，回油油 槽和进油油槽的间隔部分与活塞前腔油路相面对，前腔油路同高压、回油油路均 切断：同时，已获得足够能量的活塞打击钎杆，完成冲击动作，此时活塞处于瞬时 停顿阶段。至此，活塞结束了一个工作循环。随后，活塞冲击反弹，进入回程运 动，开始下一个工作周期。 2 3 转阀配流液压冲击器的输出工作参数调节方法 由转阀配流液压冲击器的工作原理可知：当转阀第一次旋转至进油油槽接通 前腔油路时，冲击器系统开始工作，活塞进入回程阶段；当转阀转过ol + o3 + o 2 + 84 的弧度角，进油油槽即将再次接通前腔油路时，冲击系统完成一个工作周 期。由此可见，转阀的转速越快，冲击系统的工作周期越短，冲击频率越高。同 时，转阀转速增大时，冲程阶段冲击活塞后腔的通油时间缩短，冲击活塞行程缩 短，冲击能减小( 具体的活塞运动分析和输出工作参数计算将在第三章进行讨 论) 。因此，通过对转阀配流液压冲击器的转阀转速调节，可以实现冲击器输出 工作参数调节。 对于采用电动机驱动方案的转阀配流液压冲击器，转阀由电动机驱动；而采 用变频电动机调速技术可以实现电动机输出转速无级调节。由此，转阀的输入转 速可以实现无级调节( 具体控制方案将在第四章进行讨论) 。对于采用马达驱动 方案的转阀配流液压冲击器，转阀由马达驱动；而通过电液比例调速阀调节马达 进口油量而改变马达输出转速，亦可获得相应的转阀转速，进而实现冲击器工作 参数的无级调节。 2 4 转阀配流冲击器的特性 通过对工作原理、冲击器系统结构等方面的分析，可以看出，转阀配流冲击 硕士学付论文第二章新犁转阀配流液压冲击器的方案研究 器在工作原理和结构上的创新，使其具有更好的性能。 1 有效满足了液压冲击器冲击频率无级调节的要求 由转阀配流液压冲击器工作原理和运动特性可以看出电动机或马达的旋转 速速决定了转阀转动速度，进而直接调节了冲击器的冲击频率。 2 配流阀结构更为合理 通过在工作原理探索和结构形式上的创新，转阀配流液压冲击器采用以旋转 运动为主的转阀替代传统冲击器的反馈式配流滑阀，从根本上突破了反馈配流方 式在冲击能和冲击频率无级调节方面上的局限性。同时，传统冲击器采用圆柱滑 阀式配流阀，其阀芯在工作中与阀体发生碰撞；而转阀式配流阀的阀芯以旋转运 动为主，不会产生阀芯与阀体的碰撞现象，其结构更为合理。 3 简化活塞结构 图2 6 a 和图2 6 b 分别是行程反馈式冲击器和新型转阀配流冲击器的活塞结 构简图。 图2 6 a 行程反馈式冲击器的活塞简图 图2 6 b 新型冲击器的活塞简图 从以上简图可以看出，行程反馈式冲击器和新型冲击器的活塞形状是不同 的。转阀配流冲击器优化了活塞结构，台阶较少，并且尺寸变化较小，因此降低 了活塞加工的难度，有利于延长活塞的使用寿命。 4 简化冲击器结构 新型液压冲击器减少了零部件数量，降低了产品的复杂程度和生产成本。 综上所述，转阀配流冲击器具有一系列的优点，是一种值得研究的新型冲击 器。 2 5 本章小结 本章在对几种传统液压冲击器的输出工作参数的调节方法进行分析比较的 基础上，提出了基于转阀式配流系统的新型液压冲击器，并介绍了其工作原理、 输出工作参数的调节方法和特性。 硕士学付论文第二章转阀配流液压冲击器的设计理论 第三章转阀配流液压冲击器的设计理论 前述中提出了一种基于转阀式配流原理的新型液压冲