液压凿岩机双缓冲系统的特性分析与动态仿真.pdf

2015年 10月 机 床 与 液 压 0 ct. 2015 第 43 卷 第 19 期 MACHINET0 0 L 2 HYDRAULICS Vol. 43 No. 19 DOI 10.3969/j. issn. 1001-3881. 2015. 19. 043 液压凿岩机双缓冲系统的特性分析与动态仿真 耿晓光，马飞，李叶林 北京科技大学机械工程学院，北 京 100083 摘要 对液压凿岩机双缓冲系统的结构和原理进行了分析。根据实际工作情况，分 3 个过程进行了研究，首先是系统 工作前的平衡状态，由受力平衡方程求得缓冲活塞的位置和缓冲腔压力；进而分析了缓冲活塞制动减速过程，并建立数学 模型；最后是缓冲活塞的加速复位过程。借助MATLAB软件，调用〇de45函数对各阶段的数学模型进行求解，得到缓冲活 塞的位移-时间曲线、速度-时间曲线和一级缓冲腔、二级缓冲腔的压力-时间曲线，从而实现系统整个周期的动态仿真。 结果表明 该系统的响应极其迅速，能够很好吸收钎尾的反弹能量，并且保证在下一次冲击活塞撞击钎尾前将钎具压紧于 岩底。 关键词 液压凿岩机；双缓冲系统；数学模型；动态仿真 中图分类号TH137 文献标志码 A 文章编号1001-3881 2015 19-180-4 Characteristic Analysis and Dynamic Simulation of Double Damper System for Hydraulic Rock Drill GENG Xiaoguang， M AFei，LI Yelin School of Mechanical Engineer， University of Science and Technology Beijing， Beijing 100083，China Abstract The structure and worling princijDle of tlie double damper system for hydraulic rock drill were analyzed， its process was divided in three stages. Firstly， the system was in equilibrium. The position of the damping piston and the pressure of the chamber could be got through the force equilibrium equation; Then the mathematical model of the damping piston’s deceleration process was built. Last is the return process of the damping piston. Afterwards， the mathematical model of each stage was calculated by the ode45 in the MATLAB. The damping piston’s displacement-time curve and speed-time curve， the pressure curve of the first class and the second class chamber were achieved. The curves reflected the state of the double damper system in a complete cycle. The results show that the double damper systemis responsive， and it can absorb the rebounding energy efficiently and assure the bit against the rock tightly when the piston impacts the shank next time. Keywords Hydraulic rock drill; Double damper system; Mathematical model; Dynamic simulation 〇 前言 目前约3/4的矿岩开挖工程采用凿岩爆破，凿岩 设备的重要性凸显，其中凿岩机为其核心。且经过近 半个世纪的发展，液压凿岩机以其高效率、低成本、 清洁、安全等诸多优势，正逐步取代气动凿岩机而成 为凿岩作业的首选。 液压凿岩机采用活塞撞击钎杆，进而将能量传递 给岩石的方式进行破岩。活塞在压力油的作用下高速 运动，其最大速度可达每秒十几米。加之钎杆和岩石 均有一定的弹性，根据应力波理论，钎杆在碰撞岩石 后会出现反弹，且在岩石未被破碎时，反弹能量最 大。可想而知，如果钎杆直接撞击凿岩机机体，不仅 会带来剧烈的振动和噪声，最为严重的是对凿岩机的 破坏[2]。 因此，钎杆反弹能量吸收装置应运而生，即凿岩 机缓冲系统。同凿岩机防空打装置的原理相似，通过 设置液压缓冲腔，避免钎具和机体之间的刚性冲 击[2]。本文作者以Atlas 1838ME型凿岩机为研究对 象 ，对其双缓冲系统进行数学模型的建立和动态仿 真 ，模拟凿岩机的实际工作情况，通过深人的分析和 研究，为 姻 液 压 凿 岩 的 设 计 提 供 参 考 。 1双缓冲系统结构模型介绍 21凿岩机工作情况介绍 图 1 为凿岩机作业的简化模型，由于1838ME型 凿岩机专为断面掘进设计，所以向前打孔是其主要工 况。在凿岩作业时，凿岩机依托于掘进钻车的推进 器 ，且在推进油缸的作用下，紧紧的抵住岩石。然后 冲击活塞尚速fe动并撞击奸尾，冲击击量以应力波的 形式经由钎杆、钻头，最后传给岩石，加上钻头的旋 转作用实现破岩。 收稿日期 2014-04-30 基金项目国家科技支撑项目（ 2013BAB02B07 作者简介 耿晓光（ 1988） ，男，硕士研究生， 研究方向为液压凿岩机冲击缓冲系统。E-mail ustbgxx163. com。 第 19期耿晓光等液压凿岩机双缓冲系统的特性分析与动态仿真 181 - 图1凿岩机凿岩作业简化模型 2 2双缓冲系统各部分结构和原理介绍 作为Atlas 18系列凿岩机的特色之一，与之前的 12系列凿岩机和其他品牌凿岩机的单缓冲系统相比， 双缓冲系统具有缓冲进油压强低、缓冲周期短、缓冲 蓄能器体积小等优点。下面就其各部分结构与原理做 一绍[3]。 图2为凿岩机双缓冲系统的结构模型，首先通过 一个调速阀控制进油，从而保证流量的恒定，进而确 保液压系统的温度不至太高；蓄能器作为储能装置， 减下系统压力脉动。一级缓冲腔的压力油经由上、下 2个小孔实现泄漏回油，为确保回油的稳定，在回油 路中还设置节流孔。 图2液压凿岩机双缓冲系统结构模型 凿岩机工作时，冲击活塞以约50 Hz的频率在缸 体内往复运动，周而复始的撞击钎尾。在撞击之前， 系统处于短暂的平衡状态，即缓冲腔压力与凿岩机推 进力相平衡，此时缓冲活塞处于平衡位置。在撞击之 后 ，钎尾连同钎杆和钻头一起前行撞击岩石，而后反 弹又撞回隔套和缓冲活塞。隔套和缓冲活塞将右行压 缩缓冲腔，缓冲腔压力升高实现其减速，继而又推动 两者恢复平衡位置，等待下一次的撞击。 区别于一级缓冲腔，缓冲活塞的右移将导致二级 缓冲腔封闭，所以其压力升高较快，此时单向阀将关 闭，压力油液只能通过缓冲活塞和机体的配合间隙泄 漏至一级缓冲腔。二级缓冲腔的存在正是双缓冲系统 高效之所在，且在一级缓冲腔压力不至于很高的情况 下即可实现快速缓冲。 2双缓冲系统数学模型建立 通过对双缓冲系统结构和工作过程的分析，下面 分 3 个阶段建立系统的数学模型，分别是缓冲活塞平 衡位置的确定、缓冲活塞制动减速过程和加速复位过 程4]。 2. 1缓冲活塞平衡位置的确定 2. 2 1平衡状态缓冲腔压力的确定 在冲击活羞碰撞奸尾如的段时间，缓冲系统处 于短暂的平衡状态，根据缓冲腔压力与凿岩机推进力 的 平 衡 有 式 ⑴ 的 关 系 ，进而求得平衡状态的缓冲 腔压力。 -- 2卜23 ⑴ 式中B为凿岩机推进力， 为此时缓冲腔压力，2i、 A值参照图6。 此时一级缓冲腔压力和二级缓冲腔压力相等且保 持恒定，缓冲进油流量和泄漏回油流量相等。下面分 别对泄漏回油孔和回油路上的节流孔进行分析计算， 图 3 为泄漏回油部分的局部示意图。 节流孔结构参数如图4 所示。 首先对回油路中的节流孔应用孔口流量公式5]如 式 ⑵ 所 示 。 M1q * T * 槡* 1 2 式中M为缓冲进油流量，为一定值； 为流量系 数 ，这里 取0.8; 为过流面积，即（ 22 /4; P 为油液密度，取 850 kg/m3; /为节流孔前后压差。 因为回油压力近似为0, 所以节流孔前后压差即 为节流孔上游压力1, 通 过 式 ⑵ 可 求 得 。 2. 2 3缓冲活塞平衡位置的确定 通过上述的分析和求解，泄漏回油孔前后的压力 得以确定，并且泄漏流量已知（ 平衡状态进油流量等 182 - 机床与液压 第 43卷 于回油流量） 。所以根据孔口压差流量公式⑶很容 易求解其过流面积，进而转化为缓冲活塞的位置。 槡- 1 4 d4 4 4 a 其中回油孔的椭圆方程如式（ 5 所示。 综 合 式 （ 3 5，可求得缓冲活塞所处位置 为 4 , 进而得到缓冲活塞和二级缓冲腔的配合长度* 缓冲活塞和机体结构一定） ，所以此时的缓冲系统 状态如图6 所示。 图6双缓冲的平衡状态和各结构参数 2 . 1 . 4 平衡状态缓冲蓄能器状态分析 已知平衡状态时的缓冲腔压力1再利用公式 6 即可求出对应的蓄能器气体腔体积；6]。 式中 1 , ；分别为蓄能器的初始压力和容积。 2. 2缓冲活塞制动减速过程分析 由于冲击活塞的前端面与钎尾后端面直径相近， 故碰撞中能量损失很少；加之为设计的安全性考虑， 此处认为岩石无限硬，所以忽略冲击活塞碰撞钎尾以 及钻头碰撞岩石又反弹撞击隔套整个过程中的能量损 失，即最后传到隔套和缓冲活塞的能量仍为凿岩机的 冲击能。同时认为整个过程缓冲活塞仍处于平衡位置。 所以利用式（ 7 即可求出缓冲活塞和隔套的初 速度。 其中H为隔套和缓冲活塞的初速度，V为凿岩机的 冲击能，L为隔套和缓冲活羞的质量和。 随着隔套和缓冲活塞的右移，一级缓冲腔体积逐 渐减小，压力升高，其中的油液被压至缓冲蓄能器; 二级缓冲腔封闭，压力升高更快，单向阀关闭，其中 的压力油只能通过缓冲活塞和机体的配合间隙泄漏到 级缓冲腔7]。 根据上述分析，首先对二级缓冲腔应用间隙流量 公 式 如 式 （8 所示[8_9]。 2 2 /233 /2 3 Q2-4d2-d3 - - 了 d4 2d 2 式中11-1; v-T; 3- ; Q2 为二级缓冲 d 2 腔泄漏到一级缓冲腔的压力油流量；1和1分别为一 级缓冲腔和二级缓冲腔的压力；v为缓冲活塞的速 度 ；4为缓冲活塞的位移；为 动 力 学 黏 度 为 3.9X 10 2 kg/m s。 然后以隔套和缓冲活塞为对象，列牛顿第二定律 方 程 如 式 （8 所示。 d - 7d2 _d2 1 _ d2 _d3 1 8 d 4 4 最后对整个缓冲系统列流量连续方程如式（ 9 所示。由于随着缓冲活塞的右移，回油泄漏量会越来 越小，对结果影响很小此处做忽略处理。 QlQ2-3 C 其中Qi为缓冲进油，Q3为压至缓冲蓄能器中的流量。 在缓冲活塞反弹减速的过程中，缓冲蓄能器的压 力变化满足以下关系，如 式 （10 所示。 1 1---- 14 10 其中 ;- J Q3dQi 丁 （ 名-名） 4 n 将其他式代入式（8 即可得到关于缓冲活塞位 移 4 勺二阶微分方程。 2. 3缓冲活塞加速复位过程分析 上一过程终了时，缓冲活塞的速度为0。然后在 缓冲腔压力油的作用下，缓冲活塞和隔套整体将加速 复位回到平衡位置，并与钎尾接触且将钎具压紧于岩 第 19期耿晓光等液压凿岩机双缓冲系统的特性分析与动态仿真 183 - 底 ，等待冲击活塞下一次的撞击。 同样对隔套和缓冲活塞整体列牛顿第二定律方程 如 式 （12 所示。 L “ di_d2 pf “12 式中1 i为上一过程终了时一级缓冲腔的压力。 因为随着缓冲活塞的左移，二级缓冲腔体积增 大，单向阀开启，一级缓冲腔和二级缓冲腔导通。且 随后压力变化很小，对结果影响不大，所以认为整个 过程缓冲腔压力不变。 3双缓冲系统的动态仿真分析 对于1838ME型凿岩机，各项参数如下-10 k ; 0 1.5x10-4m3, d2 80mm, L-3.92kg，d2-75 mm，Q2 8L/min，d3 - 70 mm， a-1.5 mm， / 2 - 75. 1 mm，（ 1 mm，d 1 . 7 mm，V0-330 J，1-2. 5 MPa。 借助MATLAB软件，调用其R5 函数对上述过 程的二阶微分方程进行求解，得到如图710所示的 仿真曲线[10 _ 1 1 ]。 图7隔套和缓冲活塞的 图8隔套和缓冲活塞的 位移-时间曲线 速度-时间曲线 9.2「 4 「 图9 一级缓冲腔压 图1 0 二级缓冲腔压 力变化曲线力变化曲线 图 7 和图8分别为隔套和缓冲活塞一个周期内的 位移-时间和速度-时间曲线。因为在加速复位过程 中，缓冲腔压力不变，所以图9 和 图 10仅为其反弹 减速过程的压力变化曲线。 从仿真曲线可以清楚的看出 ⑴缓冲活塞和隔套从制动减速到加速复位的 整个过程，历时2 9 ms。其中减速用时0.6 ms，最大 位移 2.29 mm。 2 缓冲活塞和隔套首先是-个加速度逐渐减 小的减速运动，继而匀加速复位。并且复位阶段加速 度较小，最终速度仅为-3.52 m/s。 ⑶随着缓冲活塞和隔套的右移，一级缓冲腔压 力逐渐增大，且增长由快变慢，最终压力为9. 06 MPa。 4 随着缓冲活塞和隔套的右移，二级缓冲腔 压力从刚开始的314. 3 MPa逐渐减小到与一级缓冲腔 压力相等，其变化也是由快变慢。 4结论 ⑴双缓冲系统响应迅速，缓冲周期为2 9 ms， 远远小于冲击活塞的周期（ 20 ms，所以足以保证 在冲击活塞下一次撞击钎尾前，钎具能够紧贴岩底。 2 从开始制动到减速为0, 仅用时0.6 ms，高 效地吸收了反弹能量，减小了应力波在钎具中的传 播 ，延长了钎具寿命；总位移仅为2. 29 mm，很大程 度上方便了凿岩机空间的布置。 3 缓冲活塞加速返程过程的加速度小，最终 到达平衡位置时的末速度小，有利于及时贴紧钎尾， 顶紧钎具。 ⑷ 一 级 缓 冲 腔 压 力 的 变 化 范 围 是 8.5〜 9.06 MPa，压力不高且变化不大，所以大大减轻了凿岩机 内部负荷，同时也证明了对缓冲活塞加速复位过程进 行简化的可行性。 5 二级缓冲腔的缓冲间隙对缓冲效果的影响 较大，在凿岩机的设计时，要统筹结构、性能、材料 以及热处理等多方面综合考虑。 6 双缓冲系统采用系统单独供油，减少了对冲 击的影响，很好地解决了大功率凿岩带来的不利影响。 参考文献 1 ] 廖建勇.液压凿岩机防钎尾反弹装置的理论研究）J].凿 岩机械气动工具， 1993342-45. 2]万圣， 谢晓利.新型液压凿岩机活塞缓冲油垫区长度设 计英文） [J].机床与液压， 2013,416111-114. 3]鹿志新， 王中伟， 马飞， 等.液压凿岩机双缓冲系统环形 缓冲间隙设计[J].矿山机械， 2014111-14. 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