液压冲击器氮气室预充压力对冲击性能的影响研究.pdf

2 01 1年 4月 第 3 9卷 第 7 期 机床 与液压 MACHI NE TOOL＆ HYDRAUL I CS Ap r ． 2 01 1 Vo 1 ． 3 9 No ． 7 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 7 ． 0 0 5 液压冲击器氮气室预充压 力对冲击性能的影响研究 梁翠平 ，杨 国平 ，王 亮，丁 冲冲 上海工程技术大学，上海 2 0 1 6 2 0 摘要在分析液压冲击器工作原理及特点的基础上，建立液压冲击器系统的非线性数学模型。运用 MA T L A B ／ S i m u l i n k 分别对液压冲击器的 回程加速过程和冲程过程进行仿真研究 ，分析氮气室预充压 力对冲击器 冲击性能 的影 响程度。结果表 明氮气室预充压力过大，会导致液压油不能推动活塞进行回程，液压冲击器起动不了；压力过小，则很容易使冲击压力 升不上去 ，冲击能小。 关键词 液压冲击器 ；氮 气室预充 压力 中图分类号 T I M2 2 文献标 识码 A 文 章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 f 2 0 1 1 7 0 1 5 3 I nflue n c e o f Pr e c h a r g e Pr e s s u r e o f Ni t r o g e n Ch a mb e r o n Hy d r a ul i c I mpa c t o r ’ S Pe r f o r ma n c e L I ANG Cu i p i n g， YANG Gu o p i n g， WANG L i a n g， DI NG Ch o n g c h o n g S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g S c i e n c e ，S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n a n a l y z i n g t h e wo r k i n g p ri n c i p l e a n d c h a r a c t e ris t i c s o f h y d r a u l i c i mp a c t o r ，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 a h y d r a u l i c i mp a c t o r s y s t e m w a s e s t a b l i s h e d ． B y u s i n g MAT L AB ／ S i mu l i n k， t h e s i mu l a t i o n o f t w o p r o c e s s e s i n c l u d i n g t h e a c c e l e r - a t e d r e t u r n s t r o k e a n d t r a v e l s t r o k e o f t h e h y d r a u l i c i mp a c t o r we r e r e s e a r c h e d， a n d t h e i n f l u e n c e o f p r e c h a r g e p r e s s u r e o f n i t r o g e n c h a mb e r o n t h e p e r c u s s i o n p e r f o r ma n c e Was a n a l y z e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t i f t h e p r e c h a r g e p r e s s u r e o f n i t r o g e n c h a mb e r i s t o o l a r g e ， i t wi l l r e s u l t i n h y d r a u l i c fl u i d c a n n o t mo v e t h e p i s t o n t o r e t u r n，a n d h y d r a u l i c i mp a c t o r c a n n o t s t a r t p；i f t h e p r e s s u r e i s t oo s ma l l ，i t wi l l i n d u c e d i f fi c u l t y t o r a i s e t h e i mp a c t i n g p r e s s u r e ， a n d t h e i mp a c t i n g e n e r g y w i l l b e s ma l 1 ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c i mp a c t o r ；P r e c h a r g e p r e s s u r e o f n i t r o g e n c h a mb e r 液压冲击器是一种 常用 的工程机械 ，其 以液体为 动力 ，使 冲击 活塞往复运动产生动能并锤击钎杆 ，从 而达到碎石的目的。将液压冲击器配备液压支臂、行 走机构 、回转平台、动力设备及控制装置就形成液压 冲击机械 ，其典型 的形式为将液压冲击器安装在挖掘 机 上进行工作 。 液压 冲击器是液压 凿岩机 和液压 破碎锤 的核 心 ， 液压 冲击器系统 的设计质量直接关系到凿岩机和破碎 锤 的工作性能 。由于氮气室的压力与活塞的冲程和 回 程都有直接 的联系 ，是结构设计中确定尺寸的一个主 要 因素 ，因此有必要 对氮气室的预充压力进行研究 。 评价液压冲击器性能好坏的参数有很多，其中冲 击能是一个最主要的评价参 数之一 ，而冲击能与 冲程 末 的速度有着直接的联系。影响冲程时活塞速度 的因 素有氮气室预充压力 、回程 时活塞 的位移 ，作者通过 建立冲击器系统的非 线性数 学模 型 ，研究 了冲击器 系 统氮气室预 充压 力对 冲击 器 工作性 能 的影 响 ，通 过 M A T L A B ／ S i m u l i n k仿真软件 ，对冲击器 的运 动过 程进 行 了仿 真 ，得 出在不 同氮 气 室压 力下 ，冲击 器 的速 度 、位移等 的变化情况 。 1 工作原 理 在冲击完毕时，换向阀换向， 图l 液压冲击器 此时后 腔液压 油经 换 向阀流 回油 结构示意图 箱 ，前 腔通 高压 油 ，活塞 在高 压 油的作用下 向上运动 ，同时压缩 活塞顶部氮气室里 面 的氮气 ，氮气压力上升 ，液压能转换 为气压能而被存 储 ；活塞冲程时 ，后腔的油路 已被切换 ，从与低压油 收稿 日期 2 0 1 0 0 42 8 基金项 目国家 自然科学基金项 目 5 0 9 7 5 1 6 9 ；上海高校知识创新 工程 0 8 5工程 建设项 目 J Z 0 9 0 1 作者简介梁翠平 1 9 8 3 一 ，女 ，在读研究生 ，研 究方 向为机械设计 、流体。电话 1 5 0 0 1 8 2 5 5 0 3 ，Em a i l l c p 8 0 8 3 8 4 1 6 3 ． c o rno 1 6 机床与液压 第 3 9卷 管接通转为与高压油管接通 ，前腔仍通高压油 ，由于 活塞前腔和后腔的作用面积不同，于是活塞在高压油 、 氮气室氮气膨胀压力以及重力 的共 同作用下 ，快速作 冲程运动 ，同时氮气室压力下降 ，直至活塞打击冲击 器钢钎为止 。打击完毕即进入下一个工作循环 。 2 液压冲击器数学模型的建立 2 ． 1 活塞 冲程 运动方程 冲程过程开始 的时刻 ，由于换向阀的作用 ，活塞 的前 、后腔均通入高压油 。由于活塞前 、后 腔的有效 作用面积不同 ，因此活塞在液压力 和活塞 自身重力 的 作用下 向下做 冲击运动 ，同时释放加速 回程 时氮气被 压缩而存储的能量，推动活塞前冲加速，使活塞获得 较大的冲击能。此过程的动力学方程为 2 m -_ 手 p 4 A 3 p 2 A 2 一 p lA l m g p A 1 式中 Y为活塞 冲程运动中的位移。 冲程过程 中氮气的绝热方程为 P 4 P 0 V o 一 C C 2 [ ， Y ] L 式中 P 为冲程运动时氮气室初始压力； 为冲程运 动时氮气室初始容积。将式 2 代入式 1 ，可得 d t 2 p A 2 -A 1 - m一 P 。 A十mg 3 由式 3 可以看出，加速回程时活塞的位移与 冲程时的位移是有关系 的。 2 ． 2活塞加速 回程运动 方程 由图 1可 以看出 ，在加速回程运动过程中活塞所 受到的作用力有 氮气室绝热压缩 引起的作用力 ，作 用于活塞前后腔的液压力 以及活塞 的 自重 。活塞加速 回程时使氮气压缩而储存能量 ，冲程时氮气膨胀 ，推 动活塞前冲加速，使活塞获得较大的冲击能。 根据动力学平衡方程原理 ，可得方程 m 等 p 。A 。 p A - p 2 A 2 - p 3 A 3 一 m g 4 式 中 为活塞 冲程运动 中 的位 移 ；m 为活塞 质量 ； P 为大气压力 ；P 。 为活塞前 腔的油 液压力 ； P 为活 塞后腔的油液压力 ； P 为绝热膨胀后氮气压力 ；A为 活塞下端 面的面积 ； A ． 为活塞前腔 的有效作用 面积 ； A 为活塞后腔的有效 作用面积 ；A 为活塞 上端面 的 面积 。 氮气的绝热方程为 r P 3 C 2 C 5 一 A 式中 为氮气室工作容积 ； P 为氮气工作压力 ；G 为常数 ； P 。 为 回程运 动 时氮气室初 始压力 ；V o 为 回 程运动氮气室初始容积 。 将式 5 代人式 4 ，可得 m d 2 x p A 一 m g 6 2 ． 3 冲击能的计算公式 E 舢 2 式中E是 冲击器的冲击能 ； 是 冲程末的冲击速度。 由上式可以看出，冲程末的速度大，冲击能一定 大 ，两者之 间有直接的联系。 3 MA T L A B仿 真模型 及仿真 结果分 析 图 2 活塞运 动过程的 MA T L A B模 型 在 M A T L A B中 ，S i m u l i n k是用来建模 、仿真和分 析动态多位系统 的交互工具 。可 以使用 S i m u l i n k提供 第 7期 梁翠平 等 液压冲击器氮气室预充压力对 冲击性能 的影响研究 1 7 的标准模型库或者 自行创 建模 型库 ，描述 、模拟 、评 价和精化系统行为 。S i m u l i n k的一个 突出优点就 是其 完全支持图形用户 界 面 G U I ，这样就 极 大地方便 了用户的操 作方法 。 启动 MA T L A B，运 行 S i m u l i n k软件 包 ，按 照 式 3 和 6 ，建立 液 压 冲击 器 回程 加 速 和 冲程 的 M A T L A B仿真模 型 ，如图 2示 。作者 以东空公 司生产 的 T N 一 3 E型号 的小 型破 碎 锤 为研究 对象 ，具体 参数 为 系统压力 P1 6 MP a ；打击 频 率 f5 8 0～1 0 6 0 次／ 分 ；活塞 上端 面直径 d ． 6 6 m m；活 塞下端 面直 径 d ， 6 8 ． 2 m m；缸体 内径 d 7 3 ． 5 m m。 在流量 、工作油压不 变的情 况下 ，作者分别仿真 了氮气室预充压力 由0变化到 I MP a 时活塞冲击末速 度、冲击能的值 ，仿真计算结果见表 1 。 表 1 仿真计算结果 分别列举氮气室预充压力 P 。 0 ． 5 、0 ． 8 M P a时活 塞加速度 、速度 和行程 随时间的变化 曲线 ，得 出氮 气 室预充压力变化对液压 冲击器工作状态的影响情况 。 1 氮气室预 充压 力为 0 ． 5 M P a 时 活塞 冲程 和 加速 回程过程 中的速 度 、位移 、加速 度 曲线 ，如 图 3 7示 。 昌 恻 - g 一 1 昌 1 一2 ‘2 ．3 时 间／ ms 时 间， ms 图3 冲程活塞速度曲线 图 4 冲程活塞位移曲线 P o 0 ． 5 MP a P o O ． 5 MP a 主0 ． 篝 - o ． 最 - 1 ‘ ． 时 间， ms 图 5 加速 回程加速度 曲线 P 0 0 ． 5 MP a 1． 4 1． 2 1 0． 8 京0 ． 6 0． 4 0． 2 0 时 间／ ms 图 6 加速 回程速度 曲线 P 0 0 ． 5 MP a 昌 皇 图 7 加速 回程位移 曲线 P 。 0 ． 5 M P a 2 氮气室压力为 0 ． 8 M P a时活塞 冲程 和加速 回 程过程 中的速度 、位移 、加速度曲线 ，如图 8 1 2 示。 图 8 冲程活塞速度曲线 图 9 冲程活塞位移 曲线 p 0 0 ． 8 M P a P 0 0 ． 8 M P a 0 ． 篙 - 0 ． 嚣 ． 1 ● O 7 0． 6 O 5 0． 4 越 0 ． 3 0． 2 O． 1 0 图 l 0 加速回程加速度曲 图 1 1 加速 回程速度 曲线 线 P 0 0 ． 8 M P a P 0 O ． 8 MP a 图 1 2 加速 回程位移 曲线 p 0 0 ． 8 M P a 3 结果分析 由表 1以及 图 3 一 l 2可 以看 出，在 冲击系统油泵 供油流量 、工作油压一定时 ，液压 冲击器后部氮气 室 初始充气压力较低 ，则冲程末 的速度就小 ，而 冲击能 就小。这是 由于充气压力较低 ，活塞行程 长 ，冲击系 统压力升不上去 ，导致冲程末 的冲击速度 较低 ，冲击 能变小。充气压力越低 ，冲击系统压力越 低 ，液压 冲 击器冲击能越小，而回程时的速度较快。 当氮气室预充压力达到 0 ． 8 M P a 左右时 ，活塞 的 下转第 5页 如 加 加 5 o 目 哪／ 第 7期 张进华 等 基 于等效并联结构 的大部件姿 态调整平 台设计与轨迹规划 5 姿角调整为 目标位姿 的位姿角 。则整个调姿过程经历 了绕z y ～ y 一5次 旋 转 过 程 。经 过 实 验 验 证 ， 在调姿过程 中，通过引入中间位姿 ，可以消除旋转运 动的耦合性 。在壁板 每次凋姿过程 中都利用五次多项 式进行壁板位姿的插值计算 ，则壁板 的旋转位姿轨迹 规划和平 移轨迹 规 划分 别如 图 6 a 、 b 所 示 。 图 7为各驱动点的轨迹 曲线 。 20 10 g 0 - - o 20 -30 40 50 鲁 暑 删 渣 调 姿时 间| ／ s a 点 4 -- 轴 的位 移 曲线 图 毒 害 商 搀 2 l 0 。 g 0 ．50 调姿 时 间f ／ s f b 点B-- 轴 的位移 曲线 图 调姿 时间f ／ s 调姿 时 间f ／ s c 点CZ 轴 的 位 移 曲 线 图 d 点 DZ 轴 的 位 移 曲 线 图 图 7 5次多项位姿插值法各轴 的位移 从以上位移 图可以看 出 ，各个驱动点的位 移轨迹 是连续 的 ，其各轴 的运动范 围均在各轴的行程 范围之 内。 4 结论 作者设计 了一种类并联结构的大部 件姿态调整平 台，对其进行 了运 动学分析 ，提 出基 于激光跟踪仪 的 姿态计算方 法 ，基 于 欧拉角 定 义 了部 件 姿态 空 间矢 量 ，并采用 五项 多项 式进行 部件运 动光 滑轨迹 规划 ， 最后在物理样机上验证 了该研究 的可行性 ，最终定位 精度达 0 ． 1 iT l m。 参考 文献 【 1 】B R O T J E A u t o ma t i o n I n c ． F u s e l a g e A s s e m b l y ， “ B e s t F i t P h i l o s o p h y ”f o r b e s t r e s u l t s [ E B ／ O L ] ． 2 0 0 9 ． h t t p ／ ／ w w w ． c l a a s f e r t i g u n g s t e c h n i k ． c o m／ c fl b a ／ g e n e r a t o r ／ c fl b a ／ e n ／ a pp l i c a t i o ns ／b o d y ／ 3 3 1 4／ s t a r t ， l a ng e n U K． h t m1 ． 【 2 】M． T o r r e s G r o u p ． J i g s a n d A s s e mb l y L i n e s [ E B ／ O L ] ． 2 0 0 9 ． h t t p ／ ／ w ,v w． mt o r r es ．c o m／de f a u h． a s p i d3 0me nu 0 2 i d me n u 2 d o n d e s u b me n u 4 0 me n u e s 3 a pme n u3 41 ． 【 3 】于勇， 陶剑， 范玉青． 波音 7 8 7飞机装配技术及其装配过 程 [ J ] ． 航空航天技术 ， 2 0 0 9 1 4 4 4 4 7 ． 【 4 】S a r h B， B e a c h H． A s s e m b l y T o w e r U S ， U S 5 8 9 6 6 3 7 A[ P ／ O L ] ． 1 9 9 9 4 2 7 ． h t t p ／ ／ w w w ． g o o g l e ． c o rn ／ p a t e n t s i d E 3 YYAA AAEB A J p r i n t s e c a b s t r a c t z o o m 4 J HJ v o n e pa g e q ff a l s e ． 【 5 】Wo l f M， E i s e n h a u e r F ， H o h m e i e r G， e t a 1 ． V e r s a t i l e A d a p t a ． b l e Ho l d i ng App a r a t u s f o r Ho l di n g La r g e Fo r ma t W o r k p i e c e s a n d Me t h o d US ． U 6 7 7 5 8 9 7 B 2『 P ／ O L] ． 2 0 0 4 4 1 7 ．h t t p ／ ／ x w． g o o g l e ． c o r n ／ p a t e n t s i d C F U Q A A A A E B A J p r i n t s e c a b s t r a ct z o o m 4s o u r c eg bs o v e r v i e w_r e a d 0 J HJ vo n e p a g e q f f a l s e ． 【 6 】H a z l e h u r s t L N， P h i l p o t t B C ， B u t t r i c k J N， e t a 1 ． I n d e x i n g De v i c e f o r Ma n u f a c t u rin g S y s t e m f o r Ai r c r a f t St r u c t ur e s a nd O t h e r L a r g e S t ruc t u r e s U S ， U S 7 5 7 4 9 3 3 B 2 [ P ／ O L ] ． 2 1 3 0 9 8 1 8 ． h t t p ／／www． g o o g l e． c o r n ／pa t e n t s i d 4r J AAAA EB A J p r i n t s e ca b s t r a c t z o o m 4 s o u r c e g b s o v e r v i e w r c a d0 J H J v o n e p a g e q f f a l s e ． 【 7 】张斌， 方强， 柯映林． 大型刚体调姿系统最优时问轨迹规 划[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 8 ， 4 4 8 2 4 8 2 5 2 ． 【 8 】景奉水 ， 谭民， 侯增广， 等． 船体分段位姿找正对接系统 一 个多机器人协调操作系统的实现 [ J ] ． 自动化学报 ， 2 0 0 2， 2 8 5 7 0 87 1 4． 上接 第 1 7页 冲程末速度 几乎达到最 大值 ，此 时的 冲击 能也最 大 ， 冲击效率也最高 。但随着氮气室初始充气压力的再 次 提高 ，冲击末速度会降低，液压冲击器冲击能降低。 4结论 氮气室 的预充压力对冲击器的性能有着重要的影 响，有一个合 适 的工作范 围。氮 气室 预充 压力过 大 ， 则液压油不能推动活塞进行 回程 ，液 压碎石器启动 不 了，不能正常工作 ；压力过小则很容易造成 冲击压力 升不上去 ，冲击能小。根据仿真结果 可 以得 出 T N 一 3 E 型液压破碎锤的最佳氮气室预充压力为 O ． 8 M P a 左右。 参考文献 【 1 】林红， 杨国平， 王习兵， 等． 液压冲击器回程运动和冲程 运动仿真研究[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 8 5 1 5 61 6 0 ． 【 2 】杨国平， 刘忠， 丁问司， 等． 新型液压破碎锤先导式配流阀 的仿真研究[ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 1 1 1 8 3 6 8 3 8 ． 【 3 】周志鸿， 闫建辉， 陈泽． 氮爆式液压活塞回程运动的计算 [ J ] ． 凿岩机械气 动工具 ， 2 0 0 3 1 1 0 一l 4 ． 【 4 】丁问司． 基于S i m u l i n k的氮爆式液压冲击器系统仿真模 型[ J ] ． 建筑机械 ， 2 0 0 1 1 0 2 1 2 5 ． 【 5 】赵宏强． 新型液压冲击器仿真与优化研究 [ J ] ． 凿岩机 械气动工具 ， 2 0 0 1 1 1 2 2 6 ． 【 6 】杨务滋， 邱海灵， 苗润田． 基于 S i mu l i n k的液压冲击器动 态仿真 [ J ] ． 凿岩机械气动工具 ， 2 0 0 5 3 4 0 4 5 ． 【 7 】吴万荣 ， 盂莹， 杨矗， 等． 基于 A ME S i m的新型数字控制 液压 冲击器 的 仿 真 [ J ] ． 机 械 制造 与 研究 ， 2 0 0 8 5 1 051 07． 【 8 】赵宏强 ， 何清华， 朱建新， 等． 新型液压冲击器气液作功 分配比研究[ J ] ． 凿岩机械气动工具， 2 0 0 4 2 1 8 2 3 ． 0 加如 鲫鲫加