气液联合驱动式液压冲击器换向系统建模与仿真

气液联合驱动式液压冲击器换向系统建模与仿真

液压器主要用于重型工程机械，如液压锤法和液压机。它可以在房屋倒塌、道路维护和矿工开采等工作。高效率、高使用寿命的冲击器对提高工程的整体效率意义重大,因此对冲击器工作性能的优化和结构的改进研究十分必要。液压冲击器往复工作核心部分在于配流换向系统,系统控制油液的方向实现液压冲击器活塞的周期往复运动,即换向作用;由于活塞的冲击频率受配流换向阀阀芯运动速度的影响,所以配流换向阀应保证较高的响应性1冲击器工作原理液压冲击器主要由冲击钎杆、液压冲击缸、配流换向系统、氮气室及CPU控制等部件组成。氮气室的压力变化是冲击器控制与反馈实现的根本,变化的压力信号经过CPU处理和信号放大器作用于先导级高速开关电磁阀和二通逻辑插装阀的开启和关闭,实现油液进出冲击器的配流和换向,达到完成来回冲击动作的目的。气液联合驱动式冲击器工作原理简图如图1所示。液压冲击器工作过程由回程和冲程两个部分组成。回程时,油液经配流换向系统,使得冲击缸的前腔充满高压油液,后腔油液返回油箱,使得活塞向右运动,在运动的同时,活塞杆压缩氮气室,使得氮气室中的压力发生变化,信号变化达到指定反馈值,压力传感器检测到的变化信号经过信号交换器的交换后,将变化的压力信号转换为二进制的CPU控制信号,CPU的控制信号在信号放大器的作用下控制配流换向系统进行换向。该状态下,虽然前后腔均充满高压油液,但由于活塞杆的特殊性,后腔的有效作用面积大于前腔的有效面积,使得活塞在后腔油液压力和氮气室压力下,进行向右减速运动,直至活塞制动。冲程时,油液经配流换向作用使得活塞前腔充满高压油液,在回路压差及氮气室的压力作用下,活塞向左冲程加速运动,使得相连接的钎杆对磨碎对象进行冲击、破碎,完成一个动作周期。油液不断进入系统,使得冲击器循环往复地动作,不断输出冲击能达到冲击的效果。2回油冲动时的冲击器工作原理所研究的配流换向系统由高速开关电磁阀和逻辑插装阀组成。相对于液动换向高速开关电磁阀很容易与计算机进行联合控制,所以成为液压冲击器的最合适的液压控制阀。引入二通逻辑插装阀,以高速开关电磁阀作为先导控制阀控制逻辑插装阀,避免了因高速开关电磁阀自身结构缺陷造成的流量小无法满足冲击器的要求等缺陷,从而能够实现活塞大流量的配流要求系统的原理及实物分别如图2、图3所示。图中左面的A位置为常压腔,液压冲击器的前腔与其相通,所以前腔为常压高压油腔。B位置与液压冲击器的后腔保持相通,其为控制腔,油压的大小交替变化。冲击器回程加速运动,高速开关阀控制进油插装阀关闭,冲击器的前腔充满高压油,同时,高速开关阀控制回油插装阀开启,冲击器后腔与油箱连通,接通低压油。此过程液压冲击器进入回程加速阶段。进油插装阀开启,液压油同时进入冲击器的前腔和后腔;与此同时,回油插装阀在回油开关阀的作用下关闭,液压油无法回油箱,所以冲击器在差动油压作用下做回程减速和冲程二通逻辑插装阀作为主阀,在先导高速开关电磁阀的控制下,通过阀芯的开启和关闭实现液体的进出液压冲击缸,插装阀关闭状态和开启状态的结构如图4所示。基本原理为:作用于控制X口的液压力作用于阀芯的上面的面积AX上,此压力与M口和N口的合力进行比较,完成二通插装阀的开启和关闭的动作假设系统无泄露油压固定,回油压力忽略,高速开关电磁处于理想开关能力状态,从而建立两阀的数学模型。高速开关电磁阀的流量方程为式中,α为电磁信号占空比;C高速开关阀的力平衡方程为式中,F主阀受力平衡方程为式中,F二通插装阀上腔流量连续性方程为式中,V二通插装阀阀口处总流量连续性方程为式中,P由于组成元件的状态参数均来自公式,可以在仿真模式下控制所要研究的重要变量。依据上述数学模型设置参数,利用AMESim进行仿真分析。3amesim仿真AMESim软件采用基于物理模型的图形化建模方式,使用者可以直接在其元件应用库中调用或者自行设计,由于该软件的独特优势,在众多高校及科研单位广受青睐。在AMESim中,利用液压库及液压设计库(HCD)等建立气液联合驱动式液压冲击器的整体模型如图5所示,其中,接口输入端p为氮气室实时压力信号值,输出端为两个信号(信号a和信号b),分别控制两个高速开关阀,通过实时监测压力信号实现CPU对配流换向系统的控制参照某型号液压打桩锤,采用抽象变量设计法,依据轻质化,功率最优化原则设计了冲击器的结构参数,关键结构参数如表1所示。在AMESim仿真分析下,预置仿真时间为0.209s,步长为0.001s。分别设置插装阀阀芯质量和弹簧刚度为批处理参数,运行仿真分别得到了活塞的位移、速度曲线如图6和图7所示。通过分析图6可以得知,当系统稳定到一定范围内,同一时刻下,主阀芯质量为0.1kg时,冲击位移为0.037m;主阀芯质量为0.3kg时,冲击位移为0.034m;当主阀芯质量为0.5kg时,冲击位移为0.032m。主阀芯质量由0.1kg增加到0.5kg,到达最大冲击速度的时间由0.072s增加到0.081s。由图7可以看出,阀芯弹簧刚度由50N/mm增加至150N/mm,冲击位移由0.047m减小至0.042m;阀芯弹簧刚度为50N/mm时,冲击末速度达到1.3m/s;刚度为100N/mm时,冲击末速度达到1.5m/s;刚度为150N/mm时,冲击末速度达到1.7m/s。4amesim中的冲击器模型构建参照某型号液压打桩锤,根据抽象变量的设计原则,设计了轻质量的气液联合驱动式液压冲击器,采用高速开关阀作为先导控制阀,二通逻辑插装阀作为主阀的配流换向系统。建立了高速开关电磁阀和二通逻辑插装阀的数学模型并在AMESim中搭建冲击器整体模型,重点分析作为主阀的二通逻辑插装阀结构参数对冲击器的影响,为以后液压冲击器的参数设计和性能优化提供一定的参考和理论依据,主要得出以下结论:①插装阀作为主阀,配合高速开关电磁阀的先导控制,使得整体结构非常