新型压力反馈式液压锤的试验研究.pdf

新型压力反馈式液压锤的试验研究 刘东光 ， 罗铭 ， 徐必勇 1 ． 安徽工业大学机械工程学院； 2 ． 惊天液压机械制造有限公司 摘 要 针对一种新型压力反馈式液压锤进行试验研究。试验结果表明 改变液压锤相关 的工作参数 ， 可以实现独立调节冲击能和冲击频率的功能， 验证了该种控制方案理论的可行性， 并对试验结果进行了详细分析总结， 为深入了解其运动规律提供了依据。 0 ● 0々 0 0口 o ● 0 0 ● c 关键词 液压冲击器 ； 压力反馈 ； 冲击能； 冲击频率 目前 国内外使用 的液压 冲击器 皆为行 程反馈 式， 即活塞回程到达缸体的反馈孔时， 高压油使 阀换 向， 活塞转为冲程。 但这种传统的行程反馈式液压锤 不能实现无级调频调能的功能 ，而压力反馈液压锤 可在有限冲击功率下 ，扩大其冲击能和冲击频率的 调节范围，并方便地实现冲击能与冲击频率的独立 无级调节， 增加液压冲击器对工作对象的适应能力。 为了验证新型压力反馈液压冲击器理论的可行 性， 以及关键参数对冲击器性能的影响 ， 对其进行 了 试验研究。 1 冲击器系统工作原理 如图 1 所示 ， 活塞 回程开始时刻， 活塞的上一次 冲击 已经结束 ， 并处于瞬时停顿状态， 换 向阀处于右 位 ， 顺序阀关闭。这时高压油分为两路 ， 一路流向顺 序阀， 一路经换 向阀进活塞前腔。 活塞在前腔高压油 作用下做回程运动， 氮气室被压缩 ， 系统压力逐渐上 升 ，当系统压力达到顺序阀控制压力时，顺序阀打 开， 换 向阀右腔通高压油， 由于换向阀右腔有效面积 大于左腔， 因此， 高压油推动换向阀阀芯使其向左位 运动。此时， 活塞前后腔都通高压油， 因活塞后腔有 效面积大于前腔 ，活塞在此压差和压缩氮气下向左 加速运 动 。 活塞开始冲程 ， 整个系统负载快速降低 ， 系统油 压随之下降， 当系统压力低于顺序阀控制压力时， 顺 序阀关闭 ， 进入换 向阀右腔的高压油路被阻断， 换 向 阀芯在左腔高压油作用下向右位运动，右腔的油液 通过节流阻尼孔 回油箱 ，通过改变节流阻尼孔的大 小来调节换 向阀芯换向时间，使活塞到打击点后完 成换向， 此时活塞后腔通低压油， 进入下一循环的回 程 工况 。 1 ． 活塞2 ． 氮气室3 ． 顺序阀4 ． 节流孔 5 ． 蓄能器6 ． 换 向阀芯 图 1 压力反馈液压锤试验原理 图 2 试验 系统组成 试验系统组成如图 1 所示 。本次试验设备主要 由液压系统 、 液压破碎锤 、 微机系统 ， 此外还有 冲击 器、 测试仪器以及标定仪器组成。 测试方法采用冲击 机构的气压测定法， 通过测定氮气室的压力变化 ， 由 气体状态方程进一步转化，从而得到活塞的位移和 速度等参数。此方法具有较高的精度。 2 ． 1 液压冲击器与液压系统 试验所用的冲击器和液压系统是惊天液压公司 所研制的分体式压力反馈式液压锤样机和液压锤振 动测试专用台 如图 2 。该试验台由两台恒压变量 泵 、 相关 的功能控制阀及必要的辅助液压元件组成 。 试验台基本参数如下 额定工作压力 2 1 MP a ， 单泵最 大流量 1 4 0 L ／m in ， 双泵最大流量 2 8 0 L ／ m i n ， 单台电 机功率 4 5 k W， 电机转速 1 4 5 0 r ／ mi n 。 作者简介 刘东光 1 9 8 3 一 ， 男， 河北秦皇岛人 ， 在读硕士， 研究方向 压力反馈液压锤的产品开发。 一 5 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 2 液压冲击器与试验 台实物图 2 ． 2 微机系统 微机系统主要 由计算机 、 P C L 一 8 1 8 HD多功能数 据采集卡组成 ， 其 A ／ D板为 1 6路 1 0 0 k H z 多功能插 入式数据采集卡 ， 能确保在所有增益 1 , 2 ， 4 ， 8可编 程 及输入范围内达到 1 0 0 k H z 的采样速率。 2 ． 3 测试 仪器 试验运用 H UB A 一 5 1 I O E M 陶瓷厚 膜压力传感 器 3个 ，主要用于测试液压破碎锤工作时的前腔压 力 、 氮气室压力和换 向阀后腔压力 。流量表 1 个 ， 主 要用于观察系统流量的大小。 2 ． 4 试验软件 本试验采用的软件是安徽工业大学与惊天液压 公司联合研制的，是基于 V C与 Ma t l a b语言编写的 液压锤专业测试软件 。从其输出界面中可以清晰地 看出在液压锤打击过程中的各项性能参数的变化过 程。图 3是该样机在氮气室压力 0 ． 8 MP a 、流量 1 1 0 L ／ m i n 、 节流孔直径为 1 mm、 顺序 阀控制压力为 1 5 ． 5 MP a时的测试 曲线。 图 3 试验软件的测试界面 3 试验结果分析 3 ． 1 顺序阀控制压力对冲击器性能的影响 图 4为氮气室初始压力 、 输人流量一定 氮气室 压力为 0 ． 8 M P a ， 流量为 1 1 0 L ／ m i n ， 单独改变顺序 阀控制压力时 ， 冲击器 的性能曲线。 图 4 改变顺序阀控制压力 时的输出性 能曲线 由图 4可以看 出， 随着顺序阀控制压力的增加 ， 液压锤冲击能增加 ， 冲击频率减小 。 这是由于顺序阀 的控制压力增加 ， 会使活塞 回程距离加大 ， 冲击末速 度就增大 ， 冲击时间也随之增加。 当调定压力过低时， 会使 冲击器死机 ， 这是 因为 当顺序阀打开时 ， 节流孔虽有油液通过 ， 但换向阀阀 芯两端产生压差很小 ， 不能使 阀芯换向， 致使活塞在 回程极限位置死机 ； 设定压力过大 ， 也会使活塞到达 行程极限位置停顿 ， 使顺序阀不能打开 ， 致使冲击器 死机 。 综上所述 ， 顺序阀压力值在许可范围内调定时 ， 可实现该冲击器冲击能和冲击频率的无级调节。 3 ． 2 氮气室压力对冲击器性能的影响 图 5为流量 1 1 0 L ／ mi n ， 顺序阀控制压力为 1 5 ． 5 MP a ， 单独改变氮气室初始压力时的冲击器输出性能 曲线 。 图 5 改变氮气室压力时的输出性能曲线 一 59 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 由图 5可以看出， 改变氮气室初始充气压力 ， 冲 击器输出性能会发生变化。随着氮气室初始充气压 力的升高， 活塞单次冲击能减小， 冲击频率上升。这 是 由于当氮气室充气压力较低时， 活塞回程运动时 ， 系统油压上升较慢 ， 达到反馈控制压力时行程较长 ， 因而活塞冲击能较大， 冲击频率较低。当氮气式压力 过大时， 活塞死机。 3 ． 3 系统供油流量对冲击器性能的影响 图 6为氮气室压力 0 ． 8 MP a ，顺序 阀控制压力 1 6 MP a ， 单独改变系统供油流量时的冲击器输出性 能曲线。 图 6改变供油流量时的输 出性能曲线 由图 6可以看 出， 改变泵 的供油流量 ， 冲击器的 输出性能参数将发生变化。随着泵的供油流量的增 大 ， 活塞冲击频率逐渐升高 ， 而活塞 的单次冲击能变 化不大。 这是由于改变流量，不能使活塞的行程变 化 ， 只能改变其 回程和冲程时间以及换 向时间。 系统 供油流量不能过小 ，否则会 因为活塞冲程时后腔供 油不足， 从而大大地降低冲击能。 由此可知 ， 改变系统供油流量 ， 可以在冲击能不 变的情况下改变冲击频率。 3 ． 4 节流孔大小对冲击器性能的影响 图 7为流量 1 1 0 L ／ m i n ，顺序 阀控制压力 1 5 ． 5 6 O一 图 7 改变节流孔直径时的输出性能 曲线 MP a ， 氮气室压力 0 ． 8 MP a时 ， 单独改变节流孔直径 时的冲击器输出性能曲线。 由图 7可以看 出， 随着节流孔直径 的增大 ， 冲击 频率逐渐变小 ， 冲击能变化不明显 。 这是由于节流孔 越小 ， 换 向阀两端的压差越大 ， 换向阀在右侧换 向速 度越快 ， 导致活塞 回程换 向越快 ， 频率就越高。但节 流孔的直径不能过小， 否则容易被油液的杂质堵塞 ； 过大则会使换 向阀阀芯因压差过小而复位 困难 。本 试验所用节流孔直径一般为 0 ． 6～2 m i l l 。 4 结论 通过对压力反馈液压锤的试验研究 ，可以得出 下述结论 1 传统 的行程反馈液压锤的冲击能与 冲击频 率同步增减 ， 并且不能无级调节 。而新型压力反馈 液压锤 可以通过设定氮气室压力和顺序阀控制压 力调节冲击能 ， 通过设定输人流量并辅之以调节节 流孔直径来调节 冲击频率 ， 从而做到冲击能与 冲击 频率 的独立无级调节 ， 扩大了液压冲击器的使用范 围 ； 2 与同类产品相 比， 它的冲击能和冲击频率较 小 ， 还达不到工业使用的要求。主要原因是该冲击器 采用压力反馈原理来控制活塞的换 向，要实现其正 常工作 ，系统中的各元件必须严格地遵循控制顺序 和换 向时间， 使阀芯的换向与活塞冲击的合理匹配， 因各阀作为独立 的弹性质量单元 ，动态性能响应与 其结构参数相关 。各阀的响应时间合理设计对冲击 器的冲击性能也有很大影响， 因此， 确定顺序阀以及 换 向阀的设计参数将是本样机达到设计要求 的关 键 ， 也是一个难点。 参考文献 [ 1 】丁问司． 氮爆式液压冲击器系统性与试验研究【 J 】 ． 液压 与气动 ， 2 0 0 4 1 0 1 9 2 1 ． [ 2 ]杨国平． 全液压独立无级调频调能液压冲击器的研究． 【 D ] ． 长沙 中南大学， 2 0 0 0 ． 『 3 ]3 杨务滋．一种新型氮气室液压冲击器的实验研究 叨． 凿 岩机械气动工具， 2 0 0 6 2 2 7 3 1 ． [ 4 ]张新． 机电一体化的新型压力反馈式液压冲击器系统 研究[ D ] ． 长沙 中南大学， 1 9 9 9 ． 通信地址 安徽马鞍山安徽工业大学研究生公寓研南 5 1 1 2 4 3 0 0 2 收稿E l 期 2 0 0 9 0 8 1 8 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m