（机械设计及理论专业论文）全液压独立无级调频调能液压冲击器的研究.pdf

全液压独立无级调频调能液压冲击器的研究内容提要。由于液压冲击机械在各个行业中的迅速推广应用，为适应不同的作业条件，对其技术性能提出了更高的要求。合理匹配液压冲击机械的输出参数一冲击能( e ) 和频率( f ) ，可适应不同的作业条件，产生最佳工作效果，从而提高生产率和降低成本，扩大其使用范围。目前国内夕 使用的液压冲击机械的捎行机构液压冲击器皆为行程反馈式。液压冲击器的行程反馈工作原理决定了它的技术特性，无法实现液压冲击器输出参数的独立无级调节。文章在分析目前国内外现有液压冲击器基础上，突破了液压冲击器传统的行程反馈控制原理采用压力反馈原理，创新推出了种全液压独立无级调频诃能液压冲击器及其液压控制系统，并对其设计理论和疗法进行了研究。( 新型液压冲击器在工作原理、机械结构、控制方法和设计理论等方面的一系列创新使其具有了特殊的性能，司机可根据工作介质的不同物理特性，远程操作个手柄独立无级调节液压冲击器的冲击能与冲击频率，实现输出参数的最佳匹配。为适应压力反馈原理的应用，开发了种新型先导式配流阎，并对其进行静态设计研究和计算机动态仿真研究，揭示配流阀各参数对其性能的影响，为进一步完善设玳匪沦提供了依据，建立了新型液压冲击器系统的非线性数掣樾【，对新型液压冲击器系统进行了计算肌数字仿真研究，系统、深人盹研究了新型液压冲击器系统各参数对冲击器工作性能的影响f 从中获得了有关全液压独立无级调频诃能液压冲击器运动的规律性认识，1 本文对液压冲击器回油储油腔进行了理论与实验研究，为后腔常压式液压冲击器的推广和应用莫定了理论基础。首次将自适应控制理论应用于液压冲击器的缓冲装置中，提出了由单片机和步进电机控制的液压冲击器自适应缓冲装置的控制系统，通过计算机仿真研究论证了新型缓冲装置的可行性。7 克服传统液压冲击器的不足，研制了一台新型全液压独立无级调频调能液压冲击器的实验样机，并对其进行了实验研究，通过实验测试表明，实验结果与仿真结果吻合良好，样机实验达到了预期的效果，证明了理论研究的正确性。本文挑战传统研制的全液压独立无级酒频调能液压冲击器，从理论租实践e 都证明它具有极其优越的技术性能，是液压冲击器的薪发展，皮甩前景广阔。l【关键词1 液压冲击器，压力反馈，独立无级调频调能，先导式配流阀，自适应缓冲装置工t 皿r e s e a r c ho faf u l l 目咖r a i 。i cp r e s s i 】5 u h y d r a u l l ci m 呼a c t o r 咖s r r ( ee n e r g ya n ds t 捌( ef i l e q u e n c ya d j r i t s t e ds t e p l e s s l yo na c c o u n to ft h eh y d r a u l i ci m p a c tm a c h i h eb e i n ga p p l i e dr a p i d l yi nm a n yf i e l d s ，i tb r i n g sf o r w a r dt h e i rh i g h e rt e c h n i q u ec a p a b i l i t yf o rd i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s i ti sw e l lk n o w nt h a tt h eo u t p u tw o r k i n gp a r a m e t e r so ft h eh y d r a u l i ci m p a c tm a c h i n ei ss t r i k ee n e r g y ( e ) a n ds t r i k ef r e q u e n c y ( o a n dr m i o n a lm a t c h i n go fi t sw o r k i n gp a r a m e t e r sc a na d a p td i f f e r e n tw o r k i n gc o n d i t i o n s ，b r i n go p t i m a lw o r k i n ge f f e c t a c c o r d i n g l ye n h a n c ep r o d u c t i v i t yd e c r e a s ec o s ta n de n l a r g ei t su s ef i e l d a tt h ep r e s e n tt i m e ，t h ew o r k i n go r g a no fh o m ea n da b r o a dh y d r a u l i ci m p a c tm a c h i n e t h eh y d r a u l i ci m p a c t o ra l ii sd i s t a n c ef e e d b a c kc o n t r o lm o d e t h ed i s t a n c ef e e d b a c kw o r k i n gp r i n c i p l e so ft h eh y d r a u l i ci m p a c t o rd e t e r m i n e si t st e c h n i c a lp r o p e r t i e s ，s ot h ew o r k i n gp a r a m e t e r so ft h eh y d r a u l i ci m p a c t o rc a n n o tb ea d j u s t e di n d e p e n d e n t l ya n ds t e p l e s s l y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，w i t ht h ea n a l y s i so ft h eh y d r a u l i ci m p a c t o ra th o m ea n da b r o a d i tb r e a ku dt l l et r a d i t i o n a lt r a v e lf e e d b a c kc o n t r o lp r i n c i p l e s ，i n t r o d u c e sp r e s s u r ef e e d b a c kp r i n c i p l e s ，i e a d st oa ni n n o v a t i o nf u l lh y d r a u l i cp r e s s u r eh y d r a u l i ci m p a c t o rw i t hs t r i k ee n e r g y & s t r i k ef r e q u e n c ya d j u s t e ds t e p l e s s l ya n dh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m i t sd e s i g nt h e o r i e sa n dm e t h o d sw e r em e t h o d sr e s e a r c h e d a sar e s u l to fm a n yi n n o v a t i o n so nw o r k i n gp r i n c i p l e s ，m e c h a n i s m ，c o n t r o lm e t h o da n dd e s i g nt h e o r y ，t h en e wh y d r a u l i ci m p a c t o rh a se s p e c i a lw o r k i n gp r o p e r t i e s w o r k m a nc a na d j u s ta u t o m a t i c a l l yt h ei m p a c te n e r g ya n df r e q u e n c yt ot h ep h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so f w o r k i n gm e d i u mb ym a n i p u l a t i n gah a n d l ei nl o n g d i s t a n c e ，s oa c h i e v eo p t i m a lm a t c h i n go fi t sw o r k i n gp a r a m e t e r s i no r d e rt oa d a p tt h ep r e s s u r ef e e d b a c kp r i n c i p l e s ，i td e s i g n san e wf c i r e r u n n e rc o n t r o lv a l v e ，b a s i n go nt h es t u d yo fi t ss t a t i cd e s i g na n dc o m p u t e rd y n a m i cd i g i t a ls i m u l a t i o n ，o p e no u ti t sp a r a m e t e r sa f f e c tt h eh y d r a u l i ci m p a c t o rp r o p e r t ya n do f f e r st h e o r yf o rm o r ep e r f e c td e s i g n a f t e re s t a b l i s h i n gt h en o n l i n e a rm a t h e m a t i c a lm o d eo ft h en e wh y d r a u l i ci m p a c t o r ，ad y n a m i c a ls i m u l a t i o no ft h en e wh y d r a u l i ci m p a c t o rh a sb e e nc o n d u c t e d ，a n dr e g u l a r i t ya b o u tt h em e c h a n i s mm o t i o nh a sb e e nf o u n do u t t h ed i s s e r t a t i o nc o n d u c t sat h e o r ya n de x p e r i m e n ts t u d yo nc i r c u m f l u e n c ef o u n to ft h eh y d r a u l i ci m p a c t o r e s t a b l i s h e st h e o r yf o u n d a t i o nf o rt h ep o p u l a r i t ya n da p p l i c a t i o no ft h eb a c k - c o n t r o lnh y d r a u l i ci m p a c t o r i ta p p l ys e l f - a d a p t i v ec y b e r n e t i c st oab u f f e ro ft h eh y d r a u l i ci m p a c t o r ，b r i n gf o r w a r dac o n t r o ls y s t e mo ft h es e l f - a d a p t i v eb u f f e ro ft h eh r r d r a u l i ci m p a c t o rw h i c hi sc o n t r o l l e db ys i n g l e - c h i pc o m p u t e ra n dw a l k i n ge l e c t r o m o t o r ，a f t e rac o m p u t e rd y n a m i cd i g i t a ls i m u l a t i o n ，i td e m o n s t r a t e st h ef e a s i b i l i t yo ft h en e wb u f f e r a f t e ro v e r c o m i n gs h o r t a g eo ft h o s et r a d i t i o n a lh y d r a u l i ci m p a c t o r e s ，t h en e we x p e r i m e n tp r o t o t y p eo ft h ef u l lh y d r a u l i cp r e s s u r eh y d r a u l i ci m p a c t o rw i t hs t r i k ee n e r g ya n df r e q u e n c ya d j u s t e ds t e p l e s s l yh a sb e e nm a d e a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ei ng o o da g r e e m e n te x p e r i m e n to n e s s ot h ee x p e c t e dp u r p o s eo ft h ep r o t o t y p ee x p e r i m e n tw a sa c h i e v e d ，t h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r ys t u d yw a sp r o v e d t h ed i s s e r t a t i o nc h a l l e n g e st r a d i t i o n ，d e v e l o p st h ef u l lh y d r a u l i cp r e s s u r eh y d r a u l i ci m p a c t o rw i t hs t r i k ee n e r g ya n df r e q u e n c ya d j u s t e ds t e p l e s s l ya n di n d e p e n d e n t l y ，a n dp r o v e si t ss u p e r i o rt e c h n i c a lp r o p e r t i e sf r o mt h e o r ya n dp r a c t i c e i ti san e wd e v e l o p m e n to f t h eh y d r a u l i ci m p a c t o ra n dh a sw i d ea p p l i c a t i o nf o r e g r o u n d k e yw o r d s ：h y d r a u l i ci m p a c t o r ，p r e s s u r ef e e d b a c k ，s t r i k ee n e r g ya n df r e q u e n c ya 由u s t e ds t e p l e s s l ya n di n d e p e n d e n t l y ，f o r e r u n n e rc o n t r o lv a l v e ，s i n g l e - c h i pc o m p u t e r w a l k i n ge l e c t r o m o t o r ，s e l f - a d a p t i v eb u f f e r工工工第1 章绪论第1 章绪论1 1 国内外液压冲击器发展概况一、液压冲击器的发展历程随着液压技术的发展，液压冲击机械在社会各个行业中的应用越来越广泛，从最初的液压凿岩机和液压碎石机用于矿山岩石工程的钻孔作业与大块矿石的二次破碎，发展到今天已用于开挖隧道、拆除路桥和建筑物、破碎沥青或混凝土路面以及清除冶炼炉渣和进行水下作业等。在建筑行业已开发出液压打桩机取代柴油打桩机；在机械行业已用液压锻锤代替效率较低的空气锤等。由于液压冲击机械的应用范围的不断扩大和用量的不断增加，在国外已形成了一个重要的新技术产业。目前我国在液压冲击机械的研究和生产方面与国外比较还有较大的差距 1 - 2 1 1 国外从六十年代初期开始着手液压冲击器的研制。六十年代末期德国k r u p p 公司率先研制出世界上第一台液压冲击器1 1 9 i ，目前已有芬兰、德国、瑞典、日本、法国、俄罗斯、美国、韩国和加拿大等国的十四家公司生产了上百种液压碎石冲击器系列产品。其中芬兰r a m m e r 公司发展最快，该公司生产的s 系列液压冲击器已有多种型号，冲击能由1 0 0 0 j 到1 0 0 0 0 j ，产品已生产几千台，接近世界的一半。此外，美国及俄罗斯还生产了高能液压碎石冲击器，冲击能可达2 7 0 0 0 j 和3 0 0 0 0 j 。目前进入我国市场的产品有工兵( g e n e r a l ) 、水山( s o o s a n ) 、古河( f u r f f k a w a ) 、大农( d a i n o n g ) 、史丹利( s t a n l e y ) 、大模与东空系列、克虎伯( k r u p p ) 、汤姆洛克( r m 髓r ) 、蒙特贝德( m o n t a b e r t ) 、泰石克( t e i s a k u ) 、东洋( t o y 0 ) 、n p k 系列等品牌产品f 1 “、“”“”“”。国内从七十年代中期开始液压冲击器的研究工作，八十年初，长沙矿山研究院、北京科技大学等单位首批研制出诸如s y d - - 4 0 0 型液垫式液压碎石冲击器、y s j - - i 型移动式液压碎石机、s y d - - 2 0 0 0 型高能液压碎石冲击器和y s - - 5 0 0 0 型 葭压碎石冲击器。到目前为止，国内已有中南工业大学液压机械研究所( s y z 系列) 、沈阳风动工具厂( s t o p a系列) 、山西长治液压件厂( y c 系列) 、常州现代工程机械有限公司( d m b 系列) 和上海鑫海建筑机械有限公司( r s 雄牌系列) 等十几家单位研制产生数十种型号的液压冲击机械，其中沈阳风动工具厂发展最快，目前该厂生产的s t o p a 系列液压冲击器已有1 2种型号，冲击能由2 6 5 j 到1 0 7 8 0 j ”i 。由于液压冲击机械在各个行业中的迅速推广应用，为适应不同的作业条件，对其技术性能提出了更高的要求。众所周知，液压冲击机械的输出工作参数是冲击能( e ) 和频率( r ) 。这两个参数的合理匹配，可适应不同的作业条件，产生最佳工作效果，从而提高生产率和降低成本，扩大其使用范围。因此，现代液压冲击机械的性能参数( e 和f )应是独立无级可调的。为了满足作业要求研制出新一代的液压冲击机械，实现技术上的新突破，使其应用领域更加扩大，促进施工现代化施是势在必行的1 -液压冲击机械的技术性能取决于其工作机构液压冲击器。目前国内外使用的液压冲击器主要工作方式有二：其一，是冲击能恒定工作方式。在这种方式下，一开机液压冲击器都以额定的冲击能和频率工作面不管作业物状况如何。因此，冲击能大于或是小于作业物的要求，都被认为是正常的。致使液压冲击器的效率不高，造成能源的浪费。目前工程单位使用的液压冲击器绝大多数均属此类。其二，是冲击能和频率的有级调节工作方式。在这种方式下，可以根据作业物的需要，实行冲击能和频率的有级调节。一般设置三档，即“经济”，“正常”和“加强”三个档位。平常使用“经济”档，只有“经济”档不能达到满意效果时才启用“正常”和“加强”档。而“加强”档是在短时间内需要高冲击能的场合使用的，“加强”状态在3 0秒钟内自动关闭。芬兰r a m m e r 公司生产的g 8 0c i t xp r o 可调式液压冲击器就是当今最为先进的产品，具有上述功能。尽管如此，它仍然未达到无级独立可调的要求，只是采用电脑控制，按键操作而已。不能实现冲击能和频率的任意选择。因此。开发性能更为先进的液压冲击器便成为促进技术进步的重要选题1 2 2l 。二、液压冲击器的研究现状液压冲击器的工作过程实际上是由活塞、控制阀和蓄能器三个基本运动体所组成。几十年来人们对液压冲击器系统的运动规雒作了不懈的探索和研究，人们对它的认识也经历了由低级向高级的发展阶段。根据所作的基本假设和采用的方法的不同，所得的冲击器系统的基本方程式的不同，人们习惯地将冲击器系统的研究分为两大类：线性研究和非线性研究。1 液压冲击系统的线性模型研究线性研究是通过一些途径，将非线性的冲击器系统线性化而进行的研究。比较典型的情况是假设“油液压强恒定不变”，且忽略某些因素，从而得到一个线性的数学模型。线性模型研究的前提是前苏联学者o 0 t aj ii e lmob 和c a 6 a c ob 提出的“在保证冲击末速度为给定值的情况下，压力完全均等的压力控制是效率最高的最佳控制”，即“油压恒定不变”的假设。在此基础上，人们对液压冲击器进行了大量深入的研究【2 2 5 1 。前苏联学者提出了峰值推力最小的最佳设计方案 2 4 1 ；北京科技大学李大治教授提出了最优行程设计思想f “2 7 l ，陈定远教授进行了冲击器的无量纲分析f 2 8 2 9 1 ，王政老师也进行了冲击器的参数综合分析f 3 0 l ；中南工业大学杨襄壁教授提出了著名的“抽象设计变量法 3 1 i ，在此基础上，北京科技大学的周志鸿老师提出了行程系数( 选用行程与可能最大行程的比值) f ”l 和株州工学院的廖建勇老师提出了结构特征系数( 活塞后腔、前腔有效面积的比值) 1 3 3 1 等无量纲设计变量，它们的共同点是用无量纲的设计变量所建立起来的目标函数均是一维的，因此对目标函数的优化是非常简便的。胡均平老师则以液压凿岩机内部压力损失能耗最小进行了冲击器的优化，得到n = o 2 9 为最优1 3 4 i 。2 液压冲击系统的非线性模型研究第1 章绪论线性研究抓住液压冲击器运动的主要因素，忽略次要因素，对液压冲击器作了一些必要的假设，将冲击活塞的受力状态进行简化。得出了用线性数学模型表示的液压冲击器运动规律，这种模型揭示液压冲击器的运动规律简单明了，有确切的数学表达式。可方便地求得解析解f 7 6 7 ”。非线性研究较多地考虑了液压冲击器运动的影响因素，较为全面地分析了液压冲击器的受力状态，得到了高阶非线性微分方程组描述其运动规律。这种模型能较精确地揭示液压冲击器的物理现象，但方程求解困难，描述不直观，只能通过计算机求得数值解。近年来，随着计算机科学技术的发展和微型计算机的普及，非线性数学模型的研究越来越受到人们的重视。7 0 年代初，国外就有人将计算机和仿真技术用于风动凿岩机的研究，并指出了这种方法能获得较为精确的结果。1 9 7 6 年，日本学者槌极口正雄提出了液压冲击试验装置的一种非线性数学模型1 3 5 l ；1 9 8 0 年，北京钢铁学院发表了液压凿岩机的电子计算机模拟研究的论文，提出了一个以蓄能器压力为工作压力的非线性数学模型，并求得了稳定的仿真数值解m l ；中南工业大学何清华教授在液压凿岩机冲击器数字仿真研究中，使用状态切换法建立了全面的数学模型，提出了。准匀加速计算法”( p u a 法) 并对各状态切换之间的误差进行了修正【韧中南工业大学的齐任贤、刘少军、丁建中和大连理工大学的田树军等老师也都采用各自方法建立了敷模并进行了仿真研究1 3 8 。”。19 9 4 年，长沙矿山研究院张新在其硕士学位论文气液联合型液压冲击器的动态仿真与优化设计中，研究设计了一种气液联合作用型液压碎石冲击器的结构形式，他引用液压冲击器的线性设计理论对新型液压冲击器进行了初始设计，运用液压控制系统的动态建模理论建立了液压冲击器系统的非线性数学模型，对液压冲击器系统进行了计算机数字仿真研究，以提高液压冲击器系统的能量利用率为目标，对液压冲击器进行了优化设计并根据优化结构参数设计了一台应用于生产实际的新型液压冲击器4 i 。3 蓄能器的研究蓄能器也是液压冲击器的重要组成部分，其设计好坏直接影响液压冲机构的整机性能1 7 2 5 1 。因此，在研究液压冲击器时，也必须对蓄能器进行研究，北京科技大学段晓宏老师以集中参数为基础，建立了高压隔膜式蓄能器的动态模型，并用实验和计算两种方法分析了蓄能器系统的频率特性，在此基础上，进一步分析了蓄能器与液压凿岩机冲击器的耦合特性，提出了在冲击器结构和尺寸确定的情况下，蓄能器容积尺寸的选择计算方法和冲击器工作时最优工作参数的计算方法4 ”。中南工业大学何清华教授在液压冲击机构的回油与回油蓄能器一文中，对回油蓄能器进行了全面研究，提出了回油蓄能器的参数设计方法 4 2 1 。廖建勇在液压冲击器回油蓄能器的设计一文中，提出了液压冲击器回油蓄能器的参数设计计算方法m i ，取得了良好的效果。天津工程机械研究所的冯建华在液压锤用蓄能器的设计一文中。通过理论与实验，证明在液压冲击器中设置蓄能器的必要性，并介绍了一种设计蓄能器的简捷方法1 4 4 1 。中南工业大学朱建新教授在液压碎石机的蓄能器动态性能实验研究) 一文中，通过实验测定液压碎石机的蓄能器工况，研究了蓄能器充气腔容积和充气压力的变化对液压碎石机性能的影响1 4 ”。4 配流阀的研究有阀型液压冲击器是一个具有位置反馈的阀控活塞系统，改变冲击器某一腔的供油规律，使活塞做高速往复运动，打击钎尾对外作功。阀换向过程中的时间、行程、耗油量等都是影响冲击器性能的重要因素。北京科技大学刘万灵等老师在液压凿岩机换向阀的分析与测试一文中，通过理论与实测的手段，对换向阀进行了研究，得出阀的实际运动轨迹，揭示了换向阀运动规律，确定了配流阀影响冲击器的主要参数“。中南工业大学齐任贤等老师对控制阀控制过程进行了理论分析，同时对控制阀的造型设计和控制阀的参数优化进行了研究，得出了一些有益的规律性的结论，如液动换向阀作高速运动时，由于回油阻力( 包括油液惯性力) 影响，可能出现速度饱和现象。解决的有效方法是减小阀芯重量和行程，同时适当加大油遭直径等“”。1 2 液压冲击器调频调能的研究概况随着液压冲击器技术的发展，实际施工对液压冲击器提出了新的要求，即：为了有效地提高生产效率，要求液压冲击器的冲击能和冲击频率能根据岩石性质的变化而改变。也就是说，在冲击功率相当的情况下，岩石较硬时液压冲击器输出较大的冲击能和较低的冲击频率。反之则输出较小的冲击能和较高的冲击频率。从而获得较高的生产效率。为达到上述目的，国内外学者进行了大量的研究工作。日本秋田大学高桥义雄教授在( 岩种c ：应口亡油压，- 一j 打击力。制御中，通过调节回程信号口的位置，以达到改变液压冲击器活塞行程的目的。实验证明，当将活塞行程增加i o 时，虽然冲击频率会下降8 ，但冲击能则可增加1 2 。这将提高工作效率。如果将活塞行程缩短1 0 时，虽然冲击能降低了8 ，但冲击频率则可增加8 a它为设计冲击能可诃的液压冲击器提供了理论和实验依据i 删。中南工业大学研究生肖健19 9 1 年在其硕士学位论文多档液压冲击器理论研究与计算机辅助设计中，对多档液压冲击器进行了全面的分析与研究，得到了多档液压冲击器的运动学特点、各参数与流量的关系，推导了抽象设计变量与液压冲击器结构参数之间的关系，由此得出结论：在多档液压冲击器中，一个确定的n 值代表各档的特定共同品质。当a 取不同目标的优化值时，多档液压冲击器的各档都具有那种优化品质a 论文指出：当各档流量的立方与活塞冲程之比q 3 s 为常数时，多档液压冲击器的输出功率相同，如果不计各档效率上的差异，各档的输入功率就相同，因此各档对系统的能量利用率就最高，由此得出了多档液压冲击器参数设计的恒功率设计原理r 4 9 1 。中南工业大学何清华教授在行程可调式液压冲击机械的研究一文中，对几种变档方式进行了比较，并基于描述液压冲击器理想工况的基本公式，从理论上分析了行程可调液压冲击器的各种工作参数与变档行程之间的关系。所得结论对于变档液压冲击器的设计、使用及其液压系统的配置，具有明显的指导意义| s o l 。在平巷中深孔掘进时，为降低凿岩成本，提高凿岩效率，应使凿岩机的冲击能随孔径的增大而增大，同时，为充分发展设备效能，要求凿岩机在钻凿不同直径的孔眼时保持一定的凿岩速度。中南工业大学罗松保博士在一种新型多档液压凿岩机中，介绍了一种全新型多档液压凿岩机的换档机构及其液压控制系统，试验研究表明，所设计的机构和系统能满足上述要求，并且是切实可行的1 5 ”。4 第i 章绪论中南工业大学杨襄璧教授在多档液压凿岩机工作参数调节原理的研究中，根据抽象设计变量理论，从理论上分析了多档液压凿岩机工作参数调节原理，揭示了多档液压凿岩机的运行机理。在变量泵驱动的多档液压凿岩机工作参数调节特性的研究中，从理论上分析了常用变量泵驱动的多档液压凿岩机的恒功率和变功率工作参数调节特性，揭示了多档液压凿岩机参数调节机理，得出了若干有益的结论，对推广应用多档液压凿岩机具有指导作用 5 2 、5 3 i 。中南工业大学博士研究生罗松保1 9 9 8 年在其博士学位论文多档液压凿岩机设计理论与实践的研究中，提出了一种全新的内部压力反馈行程调节原理，推出了一种全新的自动换档机构，并对该机构进行了静态和动态仿真研究，考察了有关结构参数对其性能的影响，为新型自动换档机构的优化设计提供了方向m 。瑞典a t l a s - - c o p c o 公司率先在8 0 年代推出了三档液压凿岩机c o p l 0 3 8 系列，之后其它许多液压冲击器制造商也纷纷推出行程可调的液压冲击器系列产品，中南工业大学也于8 0 年代率先在国内进行了这方面的研究工作，并取得了一系列的成果，成功地推出了y y g 系列自动换档液压凿岩机，填补了国内空白。以上多档冲击器皆为行程反馈工作原理，主要是通过改变液压系统的输人流量与压力，或通过增设多个回程信号孔，控制各信号孔的开关来调节活塞行程，以改变液压冲击器的冲击能和冲击频率，但这些调节方式要么由于冲击能与冲击频率是同步增减的而引起主机功率变化很大，要么由于受结构限制，一般只有二三档可调，冲击能和冲击频率的调节范围很小；因而在很大程度上限制了液压冲击器的工作范圉与工作效率的发挥。针对这些缺陷，中南工业大学液压机械工程研究所率先提出了压力反馈独立无级调节冲击能与冲击频率的液压冲击器的构想，根据这一构想，中南工业大学的赵宏强博士在其博士论文独立无级调节控制的新型液压碎石机研究一文中，推出了一种新型的压力反馈独立元级调节冲击能与冲击频率的液压冲击器i s s l ，它是通过调节活塞回程压力的大小无级调节冲击器的单次冲击能，同时，通过调节变量泵的流量，元级诃节冲击器的冲击频率。这样可使冲击能和冲击频率在很大范围内实现各自独立元级调节，而主机功率变化不大，从根本上克服了行程反馈原理的各种缺陷，使得液压冲击器的工作效率充分发挥，达到一机多用的目的。中南工业大学博士研究生张新1 9 9 9 年在其博士学位论文机电一体化的新型压力反馈式液压冲击器系统研究中，采用单片机控制高速开关阀实现了液压冲击器的微机控制，使得液压冲击器在工作过程中能够根据工作介质的不同物理性质自动调节单次冲击能与冲击频率，保证液压冲击器的工作性能始终处于最佳状态，无疑对于提高液压冲击器的自动化与智能化水平，提高生产效率，降低能源消耗都有十分重要的意义惭i 。1 3 液压冲击器缓冲机构的研究概况液压冲击器工作时是利用活塞冲击钎杆，通过钎杆将活塞的动能传递给岩石而完成破岩作业的。由于岩石和钎杆都具有一定的弹性，因此在破岩过程中必然存在镐钎的反弹。特别是当岩石没有被破碎或岩石没有吸收大部分冲击能时，根据能量守恒原理，反弹的能量就更大。一般液压冲击器的冲击能都比较大，如果让铸钎反弹直接冲击液压冲一5 -击器机体和动臂，则将对液压冲击器、动臂、承载底盘等产生很大的破坏作用。如使液压冲击器松动，保护覃开裂，动臂弯曲、开裂，底盘振动，产生噪音等，对操作人员又极为不利，影响生产。为了能承受很大的反弹冲击力。要求承载底盘吨位大，提高了机器的造价。因此必须设计合适的弹性垫来吸收稿钎反弹时所具有的能量。以往大都采用减震弹簧和弹性橡胶等把液压冲击器与保护罩、动臂进行缓冲连接，它可使挖掘机的动臂、斗杆以及连接支架上所受到的震动力有效地减弱到只有刚性连接时的五分之一。但是它不能降低反弹冲击对液压冲击器本身的不利影响，且这些都是清极的防震、吸震措施，其使用寿命不长，需定期更换，拆卸安装困难，使用不方便，存在许多不足之处。为此人们开始对其进行研究及改进，在设计新型的防反弹冲击缓冲装置方面作了很多方面的研究，中南工业大学的廖义德在液压凿岩机防空打缓冲装置的理论与实验研究的硕士论文中，建立了防空打缓冲过程的数学模型并进行了仿真研究，取得了与实验基本相符的仿真结果i 卅；盂遂民老师在 液压凿岩机活塞反弹速度分析一文中，分析了引起钎尾反弹的因素，探讨了吸收钎尾反弹能量的方法| 5 8 1 ；中南工业大学的廖建勇博士在其博士论文多档液压凿岩机的设计理论与计算机辅助设计一文中，进行了防空打缓冲装置和钎尾反弹能量吸收装置的计算机仿真研究与优化设计1 5 ”。由此取得不少成绩。如利用液压缓冲垫吸收反弹冲击能量，液压能在液压冲击器冲程时再释放出来，使能量浪费少系统效率高，并且液压缓冲装置吸振效果好，使用寿命长。并能使液压冲击器冲击活塞吸收大部分反弹冲击能量，降低机体承受的反弹冲击能量。但这些缓冲机构不能随岩石硬度不同，反弹力大小的不同自动地调节缓冲机构的状态，不能最大程度地起到缓冲减振的效果。1 4 本课题的意义与研究内容纵观液压冲击器的发展历史，三十多年来已取得了非常重大的进步。但从结构原理讲，却基本没有变化，一直延用至今。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上的反馈孔时，高压油使阀换向，活塞转为冲程。液压冲击器的行程反馈工作原理决定了它的技术特性，不能实现液压冲击器独立无级调频诃能的功能。本文的目的是：采用压力反馈工作原理，研翩出一种新型独立元级调频诃能液压冲击器。并从理论和实践方面证明其技术上的先进性、总体方案的可行性。为液压冲击机械进入新的发展阶段提供技术基础。实现液压冲击器的压力反馈原理有二条技术路线：其一是由机电一体化控制来实现其二是由全液压控制来实现。由于前者离产业化还有一段距离，因此，要使压力反馈工作原理的液压冲击器早日走向市场，最现实可行的方案应是全液压控制。为此，将在分析和研究目前国内外液压冲击器现有技术的基础上，克服其不足研制出一种全液压式独立调频词能液压冲击器。新型液压冲击器司机可在驾驶室内操纵一个手柄来控制其的输出，实现冲击能e 和频率f 的合理组合，提高工作效率、降低能耗，在相同装机容量下扩大使用范围、降低设备造价。这一点，具有非常重要的现实意义和使用价值。由于液压冲击器工作对象的多变性，第1 章绪论在没有完全实现自动控制的情况下。司机可根据经验，视工作对象的情况，选择最佳参数( e 、f ) 组合。新型压力反馈液压冲击器主要的创新点是：i ) 实现无级调频和调能；2 ) 冲击频率和冲击能可以分别单独调节；3 ) 用一个手柄( 先导减压阀) 控制流量及反馈压力，实现远程控制，这是液压冲击器的新发展。主要研究内容如下：1 全液压无级调频调能液压冲击器的总体方案研究( 1 ) 压力反馈液压冲击器工作原理的研究( 2 ) 液压冲击器结构形式的研究( 3 ) 液压冲击器的液压系统的研究2 液压冲击器的设计理论研究( 1 ) 新型液压冲击器的设计理论研究( 2 ) 新型液压冲击器活塞系统的设计理论研究( 3 ) 新型液压冲击器蓄能器的设计理论研究3 新型液压冲击器回油储油腔理论与实验的研究4 新型先导式配流闽的研究( 1 ) 新型先导式配流阀的结构研究( 2 ) 新型先导式配流阀的静、动态研究5 液压冲击器缓冲机构的自适应控制的研究6 液压冲击器系统的计算机仿真研究( i ) 新型液压冲击器数学模型的建立( 2 ) 新型液压冲击器仿真结果的分析研究7 液压冲击器实验研究，第2 章新型独立无级调频调能液压冲击器总体方案研究第2 章新型独立无级调频调能液压冲击器总体方案研究2 1 液压冲击机构工作参数的常用调节方法和存在的问题由上一章分析可知，为了适应破碎不同性质的作业物，需要调节液压冲击器的性能参数，其目的是使液压冲击器输出的冲击能尽可能地接近作业物所要求的最佳冲击能，从而降低生产成本，扩大液压冲击器的使用范围。目前调节液压冲击器输出工作参数的常用方法有二种：改变液压冲击器运动行程的调节方法：改变液压冲击器供油流量的调节方式【5 “5 9 , 6 0 , “l 。下面简单介绍一下这两方法的工作和不足之处。一、改变液压冲击器运动行程的调节方法现在大部份液压冲击器都采用活塞行程调节装置来改变活塞的行程，以得到不同的冲击能和冲击频率。各种型号液压冲击器的行程调节装置的具体结构是不同的，但原理基本上是一样的。现以c o p l 2 3 8型液压凿岩机的冲击器的行程调节装置为例加以说明。行程调节装置的工作原理见图2 - l 。在行程调节杆上沿轴向铣有3 个长度不等的油槽，沿圆周它们互差1 2 0 。当调节杆处于图2 - 1 b 所示位置时，反馈孔a 通过油道与配流阀阀芯的左端面相通，一旦活塞回程左凸肩越过反馈孔a ，活塞前腔高压油就通到阀芯的左端面，同时，活塞右侧封油面也刚好封闭了阀芯右端面与留骨留高压油相通的油道，并使其与系统图2 - 1c o p l 2 3 8 型液压碎石器行程调节原理的回油相通，这样阀芯在左端面高l 一调节杆2 缸体3 一活塞4 一f 同芯5 蓄能器压油的作用下，迅速由左位移到右位，于是活塞前腔与回油相通，而后腔与高压油相通，活塞由回程加速转为回程制动。由于反馈孔a 是三个反馈孔最左端的一个，所以这种情况下活塞运动的行程最短，输出冲击能最小而频率最高。当调节杆处于图2 - ic 所示位置时，反馈孔a 被封闭，活塞行程超过反馈孔a 并不能将系统的高压油引到阀芯左端面，因而不会引起换向阀换向，只有当活塞越过反馈孔b 时，阀芯左端面才与高压油相通，使换向阀换向，动作同前。此时活塞行程较前者为长。因此冲击能较高而频率则较低。8 第2 章新型独立无级调额调能液压冲击器总体方案研究当调节杆处于图2 1 d 所示的位置时，反馈孔a 和b 都被封闭，只有当活塞回程越过反馈孔c 时才能引起f 雕笸：换向。在这种情况下，活塞行程最长。冲击能最大、冲击频率最低。在恒压变量泵驱动方式下，根据抽象变量理论可以推出1 3 1 “、“删：巴e =f =n j =：厩磊而咄而糕哦s j = k 2 瞄j啬1j 等2 k 净s 如悟s一0 l 、3 脚、，“3 叫，叫：需瓜叱雨( 2 - 1 )( 2 - 2 )( 2 3 )f 2 4 )式中：s j 活塞回程加速行程a 抽象设计变量，a = o 3 5 2 ；p 。液压冲击器工作压力：k 阻力系数，k = 1 i 5 1 2 0 ；m 活塞质量：q d 液压冲击器冲击流量( 用作有用功的理论流量，q d p 0 ，p 。o ，因此，由式( 3 - 1 7 ) 、( 3 - 1 8 ) 可得活塞前腔面积活塞后腔面积活塞最大直径活塞腔直径即拉+ 争妒臣( 3 1 9 )( 3 2 0 )( 3 2 1 )( 3 2 2 )三、活塞台肩设计的理论研究在上一章的讨论中。我们已经分析了新型液压冲击器活塞只有一个台肩的特点及其意义，这里将进一步研究其设计理论。活塞在正常的往复运动过程中，其台肩与缸体之间有一道圆环间隙，当台肩两侧有压差时，该间隙处将产生缝隙流动而出现泄漏现象。从上一章的分析已经知道，当活塞回程减速和冲程时，台肩两侧有压差因而产生泄漏。另一方面，当活塞与缸体有相对运动时，由于液体内部剪切应力的作用。活塞将受到摩擦阻力的作用，该力的方向始终与活塞运动方向相反。由此可见，泄漏损失和摩擦损失是活塞台肩处能量损失的两大要素，使上述能量损失的总和最小，是台肩设计的最优目标，而台肩长度i 和平均间隙8 是台肩设计的两个关键参数。根据液压流体力学的有关理论和推导i 叫，在具有相对运动壁面所形成的缝隙中，由摩擦和泄漏所引起的总的功率损失n ，为：2 5 堕：五a 一一叶堕邸一4爿基：主全鎏昼鎏窑垂璧塑堡塑鳇鎏童量塑堡盐翌笙至墨= 掣+ 半z s ，式中：k ：丁【d( d 为活塞台肩处的直径) ；。p ik ，：l + 1 5 2 ( 为偏心率，即= 善。o，e为偏心量)；0髟2 击p 为环缝两边的压差；v 为活塞速度；u 为流体的动力粘度。8系统循环工作，故只须讨论一个循环内的能量损失。下文将推导系统在一个冲击循环内台肩处的能量损失表达式。图3 - 2 ( a ) 是台肩两侧压差与时间关系的曲线示意图，图中p d 为系统供油压力，p 2 为后腔压力，p 为前腔压力，v 为活塞速度。从图中可以看到，如果不考虑系统工作时压力波- p p b p l ，( a )rtv，。，ttl 1。31rt 2t l动，那么在活塞回程加速阶段时，压差p图3 - 2 台肩两侧压差与时闻曲线为0 ，而在回程减速和冲程阶段，压差ap 等于p d 。若不计阀的影响，则可以把系统速度曲线分为回程加速，回程减速和冲程三个阶段，图3 - 2 ( b ) 是活塞运动的速度与时间曲线示意图。这样就可以按上述三个阶段分别计算台肩处的能量损失，然后相加得到一个循环内的总能量损失。为了简单起见。假设上述三个阶段中速度曲线均为线性变化。1 ) 回程加速阶段矿在这个阶段中有：p 2 0 ，v 2 学，代人式3 - 2 3 得： 等笋由此可以得到本阶段的能量损失e 。为- 2 6 第3 章全液压独立无级调频调能冲击器的设计理论研究斫= 芈茗嚣黔舭叱v ：一氰在这个阶段中有：p = 尸：，= 二华f ，同理可得：忙等笋+ 笔笋e 2 = r , - n ，2 d t= f 警+ 锷芋k k 2 巧63 正。k k ，拉嘿o i t2 ：= 一十一1 2 b t l3 8茗燃有：a p 咄v 专，一确在这个阶段中有：= 己，= ，同理可得 等笋+ 笔华一k l k ：巧6 ”蜀k 3 “嘿i t2 一1 2l l ，3 8由此可得一个循环内的总能量损失为- 2 7 打一螳誓，e ok 一+卜如，r=l le警w 降星：耋全鎏量驾耋歪墼鎏錾塑璧鎏童矍墼鎏盐堡鎏里耋e =