基于氮气室的液压冲击器理论分析与实验研究.pdf

2 0 1 4年 7月 第 4 2卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 0 1 4 V0 1 ． 42 No ． 1 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 3 ． 0 1 6 基于氮气室的液压冲击器理论分析与实验研究 彭峰 ，高贵军 1 ．太原理工大学机械工程学院，山西太原 0 3 0 0 2 4 ； 2 ．山西省矿 山流体工程实验室 研究中心 ，山西太原 0 3 0 0 2 4 摘要对带氮气室的液压冲击器的运动特性及性能参数进行了研究与设计。构建液压冲击器活塞运动的速度时间 目标 函数，建立了基于氮气室的活塞回程运动、冲击运动非线性数学模型，并得到了活塞运动曲线的微分方程；通过确定部分 目标性能参数，从而推导出其余的性能参数，采用这种参数的设计方法，可以将机器的性能参数与运动参数联系起来，有 利于确定结构参数，该方法对实际应用及理论研究具有参考价值。 关键词液压冲击器；氮气室；数学模型；目标函数 中图分类号T H 1 3 7 ． 5 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 3 0 6 43 The o r e t i c a l An a l y s i s a n d Ex p e r i me n t a l Re s e a r c h o n Hy dr a ul i c I mp a c t o r Ba s e d o n Ni t r o g e n Ch a mb e r PENG Fe n g。 一 ． G A O G u i j u n 1 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a ； 2 ． S h a n x i P r o v i n c i a l E n g i n e e ri n g L a b o r a t o r y R e s e a r c h C e n t e r f o r M i n e F l u i d C o n t r o l ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4，C h i n a Ab s t r a c t Re s e a r c h a n d d e s i g n t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s a n d p e r f o r ma n c e p a r a me t e r s o f t h e h y d r a u l i c i mp a c t o r wi t h a n i t r o g e n c h a m b e r h a v e b e e n d o n e ．T h e s p e e d t i m e o b j e c t i v e f u n c t i o n o f p i s t o n ’ S m o t i o n o f t h e h y d r a u l i c i m p a c t o r w a s c o n s t r u c t e d ， t h e n o n l i n e a r ma t h e ma t i c al mo d e l o f t h e p i s t o n ’ S r e t u r n i n g mo t i o n ， s h o c k i n g mo t i o n b a s e d o n t h e n i t r o g e n c h a mb e r wa s e s t a b l i s h e d，a n d t h e d i f f e r e n ． t i a l e q u a t i o n o f t h e p i s t o n m o v e me n t c u r v e w a s g o t t e n ．T h r o u g h d e t e r m i n i n g s o m e o f p a r a me t e r s o f o b j e c t i v e p e rf o r ma n c e ，t h e r e b y t h e p e rfo rm a n c e p a r a me t e r s o f t h e r e s t w e r e d e d u c e d ．B y t h e d e s i gn me t h o d a b o u t p a r a me t e r s ， t h e p e r f o rm a n c e p ara me t e r s t o t h e mo v e me n t p a r a me t e rs o f t h e ma c h i n e c o u l d b e l i n k e d，w h i c h f a c i l i t a t e d t h e d e t e rm i n a t i o n o f s t ruc t u r e p ara me t e r s ．T h i s me t h o d h a s r e f e r e n c e v a l u e t o t h e p r a c t i c al a p p l i c a t i o n a n d t h e o r y r e s e arc h ． Ke y w o r d s H y d r a u l i c i mp a c t o r ； N i t r o g e n c h a m b e r ；Ma t h e m a t i c a l m o d e l ； O b j e c t i v e f u n c t i o n 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 ％ 一5 0 ％，噪声 降低了 l 0～1 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， 有着巨大的经济效益 ，因此对其进行研究分析，具有 理论价值和应用价值。 ’ 对于液压冲击器 ，其研究模型分为线性模型和非 线性模型，李大诒⋯研究了 “ 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” 的最优行程设计；杨襄璧 以冲程时间比 aT 1 ／ T T 。 为冲程时间， 为活塞运动周期作为抽象设计 变量 ，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 a 值；陈定远 以 a S ／ S Js 为计算行程 ，s 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 进行了量纲一分析和推导，得出最佳效率区为 C 0 ． 7 5～ 0 ． 8 5 。在传统的液压冲击器的研究 当中 ，液 压冲击器的运动是通过系统压力进行驱动的，忽略了 氮气室的作用 ，活塞的运动可简化为匀加速运动，而 增加了氮气室后，氮气室在回程时对活塞有缓冲作 用 ，在冲击时对活塞的冲击能有辅助作用，因而，增 加了氮气室后，活塞的运动变为变加速运动，活塞的 时间速度曲线由直线型变为曲线型，增加了活塞运动 的复杂性 。 1 理 论研 究 ． 1 活塞运动特性研 究 一 当液压冲击器在运动时，通过换向阀的作用，从 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 0 4 作者简介彭峰 1 9 8 8 一 ，男，在读研究生，研究方向为机电液一体化 ，矿山机械。E m a i l p e n g f e n g 0 5 3 9 1 6 3 ． c o n。 第 1 3期 彭峰 等基于氮气室的液压冲击器理论分析与实验研究 6 5 而实现活塞运动的换向，使液压冲击器能够反复进行 冲击运动，实现对 目标物件的破碎。通过一次回程， 一 次冲程，液压冲击器完成了一个运动周期。图 1 是 液压冲击器的结构原理 简图。 图 1 液压冲击器的结 构原理简图 i ． i ． 1 回程运动 当活塞进行回程运动时，其前腔保持常高压 ，活 塞杆后端向氮气室行进，此时，高压油作用于活塞杆 前端的力大于氮气室作用于活塞杆后端面的力 ，活塞 先做加速度逐渐减小的加速运动 ，活塞速度由0变为 最大；当高压油作用于活塞杆前端的力小于氮气室作 用于活塞杆后端面的力时，活塞做加速度逐渐增加的 减速运动，直至速度变为 0 。至此 ，活塞完成一个回 程运 动。在活塞 回程过程 中 ，考虑到活塞 与缸 壁的摩 擦阻力，忽略氮气室温度变化的影响，稳态、瞬态液 动力的影响，建立回程数学模型如下 F一 一P x a ， 1 P V n r T 2 V V o A I d t 3 F p A 4 根据热 力学方程可得 n r Tk 常数 ，联立式 1 、 2 、 3 得到二 阶微分方程 丽 5 初始 状 态 时 ， 0 ，f 0 ， 厂 。 。对式 5 进行降阶处理 ，得到一阶 微 分方程 掣 M p A M l 2 ’ ’ “ ‘ - l n F 一 1 F 1 ． 1 ． 2 冲程运动 6 当冲击活塞从末端由零速度向前冲击时，此时活 塞受到氮气室的作用力，还受到活塞前 、后端面的压 力 ，在这 3个力的作用下，活塞在整个冲击行程中做 加速度逐渐减小的加 速运动 ，当活塞运 动到末 端时 ， 活塞具有的冲击能将传递给钻杆，从而使钻杆具有冲 击能，实现对 目标物的冲击破碎。在活塞冲击过程 中，考虑到活塞与缸壁的摩擦阻力 ，忽略氮气 室温度 变化的影响 ，稳态 、瞬态液动力 的影 响 ，建立 冲击数 学模型 如下 P x a 3△ F M f 7 V V o I d t 8 △F p A 一A 一F o 9 联立式 2 、 7 、 8 、 9 解得二 阶微分方 程 丽 设活塞进行一次冲程、回程运动为一个周期，所 用的时间用 表示 ，冲程运动所用的时间为 ，则 回程所用时间比满足如下关系式 ． 了 当进行冲程运动时，初始条件为 ， 1一O t T ， 厂 2 。 o f 。 A F] p o A 。对式 1 0 进行降 阶处理 ，得到一阶微分方程 掣 堂 一 告 1 A M 一 p oA 一 n p o A 一 M ’ 1 式中 为活塞 回程 的位移 I l 1 ，初始位置时的位 移为 0 ； 为活塞质量 ，k g ； 为活塞与缸壁的摩 擦力 ，N； 为当活塞在回程初始状态时氮气室的体积， i n 3 ； 。为当活塞在冲击初始状态时氮气室的体积， r l l3 ； P 。 为当活塞在回程初始状态时氮气室的压力， Pa； p 为当活塞在冲击初始状态时氮气室的压力， Pa； P为液压 系统 的压力 ，P a ； 为活塞运动时的速度时间函数； A 为活塞前端面的面积，m ； A 为活塞后端面的面积，r l“ l ； 为活塞杆后端面的面积，m ； P 为活塞位移为 时，氮气室与之相对应的 6 6 机床与液压 第4 2卷 压力 ，N ／ m ； V 为活塞位移为 时，氮气室与之相对应 的体积 ，m 。 1 ． 2 液压冲击器性能参数的确定 对于液压冲击器来说，冲击能 E、冲击频率． 厂 、 冲击末速度 是其重要的基本参数。文 中通过构建 液压冲击器活塞的速度时间目标函数，确定部分 目标 性能参数 ，经运算后 ，从 而可以确定其余 的性能参 数 ，通过这 种参 数 的设计 方 法 ，可 以将 机 器 的 性能参数与运动参数联系起来，从而可以在一定程度 上指导结构参数 的确定 。图 2为活塞运动速度时间 曲 线示意图 。 一 图2 活塞运动速度时 间曲线示意 图 对于 以上活塞运动速度曲线示 意图 ，由于 目标 函 数 、 在以上文中代人参数可求解得出，根 据物理意义及活塞的运动速度时间曲线示意图，可以 得出式 1 2 、 1 3 、 1 4 ， 1 一d I d xS 1 2 ，r 1 一 d J fl_ Jo 1 3 ，％ 一 J d xS 1 4 J 0 对于液压冲击器的参数 、T 、S 、 ，根据 设计 目标要求，可以事先确定其中的一个参数，其余的参 数最后通过式 1 2 、 1 3 、 1 4 求解得出，从而 可以确定液压冲击器冲击能 E、冲击频率 等相关性 能参数。 2实验研究 首先确定液压冲击器的 目标参数 ，冲击能为 5 0 J ，冲击频率为 5 ． 3 H z ，质量为 2 ． 4 k g 。利用 Ma t l a b 软件处理上述公式 ，对带氮气室的液压冲击器运 动情况进行仿真 ，得到其变化规律。经分析得到冲击 末速度约为 6 ． 4 4 m ／ s ，冲程时间比约为 0 ． 3 9 1 。在实 验过程中对冲击末速度与冲、回程时间进行统计 ，最 后得出冲击末速度为 6 ． 3 7 m ／ s ，冲程 时 间比约为 0 ． 3 8 7 。液压冲击末速度的仿真与实验测得数据误差 为 1 ． 1 ％，冲程时间比的误差为 1 ％。可见上述数学 模型具有一定的准确性。同时，通过对整个运动过程 的分析研究 ，对液压冲击器设计方案的改进具有一定 的指导作用。 3结论 1 建立了基于氮气室的液压冲击器变加速运 动的非线性数 学模 型 ，从理论方面分析 了液压冲击的 运动规律。 2 构建 了带氮 气室 液压 冲击器 的相关 性 能参 数的设计方法，通过对部分目标性能参数的确定 ，可 以确定其余的性能参数，从而有利于设计一款符合需 求的液压冲击器。 3 利用数学模型，可以将机器的性能参数与 运动参数联系起来，从而可以在一定程度上指导结构 参数 的确定 ，对实际应用及理论研究具有 指导意义 。 参考文献 [ 1 ]李大诒． 有阀型液压凿岩机有关问题的探索 [ J ] ． 冶金 设备， 1 9 8 0 6 1 8 ． [ 2 ]杨襄璧． 液压凿岩机的评价指标一抽象设计变量 [ J ] ． 凿岩机械气动工具， 1 9 9 3 3 2 7， 1 0 ． [ 3 ]陈定远． 液压凿岩机冲击机构工作参数分析 [ J ] ． 有色 金属 矿山部分 ， 1 9 8 3 2 2 8 3 1 ． [ 4 ]杨襄璧， 杨国平 ， 龙国键 ， 等． 压力反馈式全液压式独立 调频调能液压冲击器研究[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 2 ， 1 3 2 2 2 0 4 4 2 0 4 7 ． [ 5 ]丁问司， 黄晓东． 氮爆式液压冲击器的仿真建模 [ J ] ． 华 南理工大学学报 自然科学版 ， 2 0 1 0， 3 8 2 9 0 9 4 ． [ 6 ]姚哗， 徐宝富， 陆敏恂． 低频大振幅液压冲击器的建模和 分析方法[ J ] ． 同济大学学报， 1 9 9 7 ， 1 2 6 7 4 1 7 4 4 ． [ 7 ]陈博． 基于 A M E S i m的液压冲击器建模与仿真研究[ D] ． 上海 上海工程技术大学 ， 2 0 1 1 ． [ 8 ]徐必勇， 叶兴海， 罗铭． 新型压力反馈式液压冲击器动力 学建模与仿真研究[ J ] ． 建筑机械， 2 0 0 9 3 5 6 6 0 ． [ 9 ]吴万荣， 袁文君， 唐崇茂， 等． 液压冲击器独立调节能频 的控制[ J ] ． 现代制造工程， 2 0 0 9 ， 1 1 1 21 1 5 ． [ 1 O ]孟庆鑫， 刘贺平， 王立权 ， 等． 自反馈式水下液压冲击器 冲击频率的确定[ J ] ． 哈尔滨工程大学学报， 2 0 0 5 ， 2 6 2 1 7 91 8 3 ． [ 1 1 ]李候清． 重型液压凿岩机冲击机构及其液压驱动系统 研究[ D] ． 长沙 中南大学， 2 0 1 0 ． [ 1 2 ]梁翠平， 杨国平 ， 王亮， 等． 液压冲击器氮气室预充压力 对冲击性能 的影响研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 7 1 51 7 ， 5 ．