液压破碎锤计算机建模与仿真.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 D OI 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 2 8 液压破碎锤计算机建模与仿真 王亮，杨 国平 上海工程技术大学汽车工程学院，上海 2 0 1 6 2 0 摘要随着液压技术的发展，高性能的液压破碎锤有着广泛的应用前景和巨大的市场需求量。利用 MS C ． A D A M S和 C A T I A对国外某型号液压破碎锤进行建模及仿真计算，得到活塞和阀芯的仿真运动曲线并对结构参数和工作参数进行分 析。结果表明，控制活塞上端直径是提高打击能量的有效手段且该设计变量对测量函数有较高的灵敏度。该研究工作较好 地解决多刚体 中接触一碰撞及活塞和阀芯的互动等问题 ，为产品的设计改 良和使用提供 了参考 。 关键词 液压破碎锤 ；建模 ；仿真分析 中图分类号T H 1 3 7 ；T P 3 9 1 ． 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 7 0 8 8 5 Hy dr a u l i c I mp a c t o r Co mp ut e r M o d e l i ng a nd S i mu l a t i o n W ANG Li a n g， YANG Gu o p i n g C o l l e g e o f A u t o m o b i l e E n g i n e e r i 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 ac tW i t h t he d e v e l o pme n t o f hy d r a u l i c t e c h n o l o g y，hi g h pe r f o r ma nc e h y d r a u l i c i mp a c t o r h a s br o a d a p p l i c a t i o n s a nd pe r - s p e e t i v e a s we l l a s h u g e ma r k e t d e ma n d． MSC． ADAMS a n d CATI A we r e a p pl i e d t o mo d e l a n d t o s i mul a t e t he h y dr a ul i c i mp a e t o r f r o m a br o a d． Th e mo t i o n c u r v e s o f pi s t o n a n d v a l v e c o r e b e i ng g e n e r a t e d f r o m s i mul a t i o n we r e a p pl i e d t o a n a l y z e t he s t r u c t u r a l pa r a me t e r s a nd o p e r a t i o n a l p a r a me t e r s ． S i mu l a t ion r e s u l t s r e fle c t t ha t t he c o n t r o l f o r t o p di a me t e r o f p i s t o n i s a n e f f e c t i v e wa y t O r a i s e c omb a t i ng e n e r g y a n d t h e d e s i g n v a r i a b l e h a s a h i g h e r s e n s i t i v i t y o n t h e me a s u r e me n t f u n c t i o n ． T h e r e s e a r c h p r o v i d e s a b e t t e r s o l u t i o n t o p r o b - l e ms s u c h a s e x p o s u r e c o l l i s i o n i n mu l t i r i g i d b o d y a n d i n t e r a c t i o n b e t w e e n p i s t o n a n d s p o o 1 ． Al l t h e s e o ff e r a r e f e r e n c e f o r p r o d u c t d e s i g n i mp r o v e me nt ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c i mp a c t o r ； Mo d e l i n g ； S i mu l a t i o n a n a l y s i s 随着 液压技术的发展 ，液压破碎锤在社会各行各 业 中的应用越来越广泛 ，从 最初 的用于矿山岩石工程 的钻孔作业与大块岩石 的二次破碎 ，发展 到今天 已经 用于开挖隧道 、拆除路桥和建筑物 、破碎沥青和混凝 土路 面以及清除冶炼炉渣和进行水下作业等 。由于其 工作 的灵活性及 其对劳 动生 产率 的提高所 发挥 的作 用 ，越来越受到矿山和施工部 门的重视 ，有着广 泛 的应用前景和巨大的市场需求量 。而生产 出高性能 的液压破碎锤必定给厂商带来巨大的经济效益，增加 其产品在市场的 占有率 。 作者 利用 M S C ． A D A M S和 C A T I A两 种软件 对 国 外某型号液压破 碎锤进行 了仿真 计算 ，在 C A T I A 中 建立除活塞外 的三维装 配体模型 ，以 p a r a s o l i d 格式导 入 A D A MS ／ V i e w，与 V i e w 中参数 化 的活塞 模型建 立 约束关 系后对整个模型施加载荷 ，并创 建多个测量作 为传感器信号 以控制活塞 的运动 ，仿真后得到活塞 和 阀芯运动曲线并对结构参数 和工作参数进 行 了分析 ， 为产品的设计改 良和使用提供了参考 。 1 破碎锤的基本结构与工作原理 1 ． 1 破碎 锤 的基 本 结构 破碎锤的基本结构如图 1 示 。 4 5 6 l0 11 1 2 1 3 l 一钎杆2 一导向套3 一钎杆保持器衬套4 一阀盖 5 一阀芯6 一阀箱7 一活塞环8 一活塞 9 一前体 1 O 一前腔l l 一液压缸l 2 一后腔l 3 - _ 氮气室 图 1 破碎锤结构示意 图 1 ． 2 破 碎锤 的基本 原理 此破碎锤采用液压 氮气联合作用原理 ，比液压静 压传动锤 即液 压驱 动方式 和液 压 回程 、氮 气 冲击 型 锤氮爆锤能量利用率高 ，但结构要复杂一些 。其 工作原理示 意图见 图2 ，具体如下 1 回程运动 液压油经高压油管进入 1 腔和 8腔 阀芯被油压 收稿 日期 2 0 1 0 0 3 2 9 基金项目国家 自然科学基金 5 0 9 7 5 1 6 9 ；上海市教委高校知识创新工程建设项 目 0 8 5工程项 目 作者简介 王亮 1 9 8 4 一 ，男，硕士研 究 生，主要 研究 领域 为液 压与 气动 冲击 机械 的理论 及应 用技 术研 究 等。电话 1 3 81 6 04 9 42 5， Ema i l wI 1 9 8 41 2 5g u n da m s i na ．c o rn 。 第 7期 王亮 等 液压破碎锤计算机建模与仿真 8 9 a 回程运 动 b 活塞 运 动换 向 T 8 T c 冲 程 压 动 d 亍 ]击 过 程 图 2 工作原理示意图 压在下止点位置 ；活塞往上 ，朝气腔 4方 向运 动 ，此 时 4腔经 阀芯上的 4个 圆孔与 7腔连通 ，通过换 向阀 回油 。 2 活塞运动换向 当活塞运动至如图 2 b 示位置时，高压油经 2 腔进入 6腔 ，此 时换 向阀的 6腔和 8 腔均充 满等压 的 高压油。 由于轴 肩面积 的不 同 ，阀芯上移 。 3 冲程运动 当阀芯升高 至圆孑 L 与 8腔接通时 ，高压油通 过换 向阀进入 4腔 。面积 不等 的轴 肩在 两 活塞 上产 生 压 差 ，加上氮气压力和 自身重力 ，活塞加速下移。 4 打击过程 活塞撞 击钎 杆 ，恰 在 此 时 活塞 中间 部 分 到达 2 腔 ，致使 6腔通过 2腔 、3腔泄 掉高压油 ，由于 8腔 一 直通高压 ，所 以阀芯下移 ，圆孔重新 与 7腔连通 ， 完成一个循环。 2仿 真模 型及仿 真分 析 自2 0世纪 8 0年代初李 大诒教 授发表 有 阀型液 压凿岩机有关 问题 的探 讨 一文 以来 ，冲击 器 的计 算机仿真一直是 国内研究 的热点 。研究人员建立活塞 和阀芯甚至蓄能器 的数学模 型后或通过计算机语言编 程 ，或利用工程 中广泛 应用 的 M A T L A B软 件 ，对 冲 击器运 动过程进行仿真 ，均取得 了不错的效果 ，但对 至关重要 的碰撞过程 以及阀芯和活塞 的相互影 响还有 待进一步研究和完善 。建 立在多体 动力 学基础上 的 、 由 MS C公 司开发 的软件 A D A MS 可 以较好地解决多刚 体 中接触一 碰撞及 活塞 和阀芯的互动等 问题 。 2 ． 1几何 建模 在 A D A MS中建立系统模型有两种方法 1 直 接利用 A D A M S中提 供 的建 模 工 具建 立 虚 拟样 机 模 型 ； 2 使 用 A D A M s ／ E x c h a n g e 模 块从 其 他软件 中 如 P r o ／ E 、S o l i d Wo r k s 、C A T I A 中 整体 导入 已建 的虚拟样机模 型 。采用第 一种 方法 时 ，由于 AD A MS 的实体建模功能相对薄弱 ，因此无法建立详尽逼真 的 虚拟模型 。当建立特别 详尽逼真的虚拟模型时 ，第二 种方法时数据量较大 ，实际操作 时非 常繁琐 。 作者 根 据 国 外 某 型号 液 压 破 碎 锤 平 面 图，在 C A T I A环境 中建立各零 部件三维模型并进行装配。分 别拖动钎杆和阀芯至各 自工作 时的上 限位置和下限位 置 ，以 p a r a s o l i d 格式和英文文件名导 出。其 中阀芯 与 阀箱以及 活塞与液压缸接触面尺寸均取名义尺寸加公 差中间值 的形式 。如 图 3所示。 图 3 液压破碎锤爆炸 图模型 在 A D A MS中 ，旋 转体是通过剖 面的旋转而生成 的几何体 ，旋转剖 面和旋转轴 由用户指定 。A D A MS ／ V i e w设定剖 面按逆 时针 轴线旋 转 ，且在 剖 面的 每个 顶点设置热点 ，通过这些热点可以改变剖 面的形状和 尺寸 。 启动 A D A M S ／ V i e w，绘制活塞轮廓的直线和多义 线 ，绕 轴所 在 直线 旋 转得 到 活塞 实 体 ，如 图 4所 示 图 4活塞 A D A MS 模型 创 建 设 计 变 量 P R E S S U R E 表 示 系 统 油 压 ； ，‘ T 8 7 9 O 机床与液压 第 3 9卷 PRE S S URE N表示氮气室充气压力 ；r 表示活塞最 大 半径；R A D I U S _ L 0 WE R表示活塞下端半径 ；R A D I U S U P P E R表 示 活 塞 上 端 半 径 ；D I S P L A C E M E N T S E N S O R HO L E表示 制动距离。 将活塞轮廓中与最大半径 、上端半径和下端半径 相关联的热点的 Y 坐标分别 以 r 、R A D I U S U P P E R和 RADI US L 0 WE R代替 。引入从 C A T I A导出的 p a r a s o 1 ． i d装配体文件 ，将 活塞 、阀芯 和钎 杆 以外 的 s o l i d合 并到一个 p a r t 中并对各构件重新 精确定位 。另外 ，导 人 A D A M S的部件按照生成顺 序以 p a rt后加数字 的形 式 自动取得各 自名称 ，为了方便之后研究 中零件的辨 认和选取 ，重新给各零件按设计习惯命名 。各零部件 名称如表 1 所示 。 表 1 各零部件在 A D A M S中的对应 名称 2 ． 2约束模 型构件 模型创建后，需要通过施加约束来定义构件间 的连 接方式 和相对 运 动方 式 。A D A M S ／ V i e w为用 户 提供 了一个 非常 丰富 的约束 库 J ，主要包 括 4种 类 型 的约束 理想约束 ，包括 转动 副 、移动副 和 圆柱 副等 ；虚约束 ，主要用于限制构件某个运动方向； 运动产生 器 ，驱 动 构 件 以某 种 方式 运 动 ；接 触 限 制 ，定义两构件运 动 中发生接 触时 的约束形 式 。根 据破碎锤正 常作业 时各部 件运 动形式 ，添加 的约束 形式 如表 2示 。 表 2 备构 件间约束形式 2 ． 3 施加 载荷 A D A M S中载 荷类 型 有 4种 作 用 力 、柔 性 连 接 、特 殊力和接触 。由于仿 真模 型 中各元 件材 料均 为钢材 ，且很 多 均 经过 严 格 的 热处 理 ，硬度 极 高 ， 故除柔性连接外 其余 3种 形式 载荷此 次研 究 中均 有 涉及 。在 活 塞 与 活塞 环 、钎 杆 ，阀 芯 与 阀 箱 、阀 盖，钎杆与圆销 、钎杆保持器衬套 、被打击物体之 间建立碰撞力 。活塞 与钎杆 之 间为基 于罚 系数 的碰 撞力 。以 k g 。 m m． s e c的 系统 模 型 补偿 系数 取 1 ． 0 l O 。 为宜 。仿 真 中恢 复 系数 的选 取 是 仿 真 的关 键 ， 活塞冲击钎杆后，岩石被凿入，活塞产生前越位移 和 回弹 ，这一 因素随冲击能 、冲击 速度 和岩 石性 质 而变 化 ，根 据 测 试 结 果 ， 回弹 系 数 一 般 为 0 ． 1 0 ． 3，文 中取 0 ． 1 5 。 。 表 3 活塞受力及对应 函数值 第 7期 王亮 等液压破碎锤计算机建模与仿真 9 1 续表 3 创建4个点 一 点测量活塞下腔作用面距信号 口 的位移 S I G N A L 一 1 ，活塞平衡 腔下工 作面距信 号 口位 移 S I G N A L _ 2 ，活塞速度 V _ P I S T O N，阀芯信号孔中心 距阀箱后腔 作用 面位移 S I G N A L C O R E作 为 S T E P函 数 的变量 。活塞受力及对应函数 值如表 3所示 。 由于软件 本 身没有 幂 函数 ，氮气 室 压力 以 E X P k L O G X 的形式施 加 ，到 目前 为止模型 基本创 建完成 。 模型建立后 ，需要验证 ，以确定模型 中是否存在 诸如连接不匹配、部件无约束 、动力系统中部件无质 量 等 一 些 错 误 。 根 据 模 型 要 求 ， 包 括 地 面 G r o u n d ，共有 6个部件 、4个约束 副 ，验证结果 如 图 5所示 图 5 模型验证信息窗 口 经验证无误后 ，关闭窗 口。 需要说明的是 1 此次仿真建立在系统油压恒 定即不计 蓄能器对压力的影响且油泵 时刻提供系统所 需流量 的基 础上 ； 2 冲击能 的检测采用末 速度法 ， 以活塞与钎杆碰撞前 的动能作为破碎锤 打击能； 3 模型中所有矢量均取 回程方向 ，即 正方向为正 。 2 ． 4 系统 仿真 求解 与结 果分析 设 置参 数 E n d t i m e0 ． 1 5 ，S t e p s1 5 0 ，进 行 仿 真。结果如 图 6 、7 所示 。 1 5 1 0 ● 暑 5 邑 0 ．5 图 6 破碎 锤活塞动力学仿真结果 l -- S 2 一 ⋯ 6 i l、 3 4 4 1 图 7 破碎锤阀芯动力 学仿 真结果 可知 ，初始状态活塞质心距坐标原点垂直距离 为 5 0 ． 9 8 7 9 3 ra i n ，垂直方 向加速度为 1 2 9 ． 3 6 1 7 m／ s 。换 向阀芯距坐标原 点垂 直距离为 9 4 ． 7 9 6 0 6 m l n ，由于换 向阀芯没有处在其 下极限位置 ，故有一 小段 位移 ，其 初始加 速度 为 一1 6 1 ． 7 0 4 8 m ／ s ，活塞 则处 于静 止状 态。在前腔压力 的推 动下 ，活塞加速 上移，氮气室压 力 以幂函数的形式增加 ，所 以活塞 受到的阻力也以幂 0 0 0 0 0 O 0 0 0 0 Ⅲm ㈣ 踟 ∞∞ 驰 口 茸 5 4 3 2 ●0 0 一 ∞ ． g邑 9 2 机床与液压 第 3 9卷 的形式增加 ，加速度越来越小 ，之后活塞位移触发换 向阀芯控制压力 ，换向阀以最高可达 5 ． 2 8 m ／ s 的速度 打开 ，破碎锤上腔与进油管路接通 ，由于活塞上端直 径较大 ，上下腔有效作用面积不相等 ，活塞受到的合 力 向下 ，在 氮气和液 压油 的作用 下 ，活塞 加速 度为 6 2 3 ． 9 3 6 6 m ／ s ，活塞 制 动 ，反 向，进 入 冲程 阶段 ； 当信号孔与破碎锤下腔高压油切断时 ，换向阀仍然处 于打开状态 ，直至活塞平衡腔与信号孔接通 ，信号孔 回油 ，换向阀动作 ，同时活塞 完成打击动作 。从仿真 结果可以看 出，换向阀芯在动作过程 中受力有较大波 动 ，而且两个极 限位置与锤体有较强烈的冲撞 ，但对 位移影响不 明显 ，也 即对上腔所控液压油影响不大。 同时 ，碰撞前 的活塞最大 速度为 7 9 8 7 ． 0 m m ／ s ， 动能为 5 7 5 ． 4 J ，与该公司通过 A E M 的应力波法得到 的 5 7 7 ． 8 J 的 实验 结果相 比，误 差为 0 ． 4 ％ ，误差极 小。冲程与周期的比值 O ／ 0 ． 3 0 ，处于 0 ． 2 9 0 ． 3 8 2 的最优值范围内。 3结论 虚拟现实技 术 由于具 有开发成 本 低 、开发周 期 短 、设计质量高 、开发风险小等特 点 ，在机械行业得 到了迅速发展 ，但在破碎锤开发设计和结构优化过程 中还没有相关文献 ，因此把虚拟现实技术引入破碎锤 行业不但具有理论意义 ，而且具有较 强的实用价值 ， 有望为破碎锤的国产化打开一个新局面。 作者基于 A D A M S ／ V i e w的多体 动力学 分 析 ，根 据前面的数 学 模 型建 立 了液压 破 碎锤 C A E仿 真模 型 ，通 过对 活塞 3个关 键 尺寸 的多次 仿 真 ，发 现 控制 活塞上端直径是提 高打击 能量 的有 效手段 且该 设计变 量对测量 函数有 较高 的灵 敏度 ；在上 端直径 一 定 的情 况 下 ，下 端 直 径 不 宜 过 大 或 过小 。过 小 时 ，虽然 回程 时间缩短 ，但 冲击能并 没有增 加 ，且 小到一定程度将不 能保证 换 向阀打开 ，还会对 活塞 体产生一个较大 的冲击 ；活塞 最大 直径对 打击 能量 影 响不 大。以上工作较好 地解 决多 刚体 中接 触 一 碰 撞及 活塞和阀芯 的互 动等 问题 ，为产 品 的设 计改 良 和使用提供 了参考 。 参考文献 【 1 】朱建新， 邹湘伏， 陈欠根， 等． 国内外液压破碎锤研究开 发现状及其发展趋势 [ J ] ． 凿岩机械气动工具， 2 0 0 1 4 3 3 3 8 ． 【 2 】 王亮， 杨国平， 梁翠平， 等． 液压破碎锤冲击性能测试方 法[ J ] ． 建筑机械 ， 2 0 0 9 8 9 81 o o ． 【 3 】李军， 刑俊文， 覃文洁． A D A MS实例教程[ M] ． 北京 北 京 理工大学 出版社 ， 2 0 0 2 ． 【 4 】陈立平， 张云清， 任卫群， 等． 机械系统动力学分析及 A D A M S应用教程[ M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 5 】郑建荣． A D A MS 虚拟样机技术入门与提高[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 0 4 ． 【 6 】张佳文． 液压凿岩机冲击器活塞运动规律的微分方程解 法[ J ] ． 凿岩机械气动工具， 1 9 8 9 1 91 4 ． 上接第 8 7页 3 m m，半锥角为 3 0 。 ，将其 改进 为锥长为 3 m m，半 锥角为4 0 。 ，其他参数保持 2 ． 4 ． 2节不变。泵流量仿 真 曲线如图 1 0所示 。 4 ． ．詈 }3 2． 删 斌1 ． 0 O0 0． 02 0． 04 0． 06 0． 08 0． 1 0 时 间 ／ s 图 1 0 泵流量 曲线 改变 阀芯锥 度 可以看出 增大阀芯的锥度 ，泵 的输出流量相对 于图 9来说提高很明显 ，流量脉动也得到了减弱。仿 真结果表明上述优化是有效 的。 3结论 运用 A M E S i m建立海水柱塞泵的模型 ，进而进行 仿真 ，得出如下结论 1 海水 柱塞泵进 口压力对 泵的正 常工作 有很 大影 响，这是 由于海水 的汽化压力高 ，当进 口压力低 时 ，泵吸入时容易引起海水汽化使泵流量不准确 ，进 而影响泵的正常工作。 2 海水柱 塞泵配 流阀 的参 数 匹配对 泵工 作性 能 的影响很大 。适当增大弹簧刚度 、增大锥阀阀芯的 锥度 ，可 以提高泵 的容 积效 率 、减小泵 的流量脉动。 但是过 高 的弹簧刚度 ，会 造成 配流 阀开启 困难 ，因 此，配流阀的各项参数应该根据实际情况通过仿真和 实验进行优化设计 。 3 对 于作者设 计的泵 而言 ，配流 阀优化 后 的 参数为吸入／ 排出阀直径 1 0 m m，吸入／ 排出阀弹簧 刚度 4 N ／ m m，初始预压力 6 N，阀芯质量 4 ． 3 g ，阀 芯开度 0 ． 5 1 2 1 1 ／ 1 ，锥阀直径 1 0 m i l l ，锥长 3 m m，半 锥 角 4 0 。 ，泵吸入排 出压力 5 MP a 。 参 考文 献 【 1 】路甬祥． 液压气动技术手册[ M] ． 北京 机械工业出版 社 ， 2 0 0 2 ． 1 ． 【 2 】 往复泵设计 编写组． 往复泵设计[ M] ． 北京 机械工 业出版社 ， 1 9 8 7 ． 2 ． 【 3 】岳艺明， 孔晓武． 阀配流式径向柱塞泵动态性能的仿真 研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 5 8 1 0 31 0 5 ． 【 4 】付永领， 祁晓野． A ME S i m系统建模和仿真 从入门到精 通 [ M] ． 北京 北京航空航 天大学 出版社 ， 2 0 0 6 ．