基于氮气室的液压冲击器理论分析与实验研究

彭峰，高贵军

(1.太原理工大学机械工程学院，山西太原 030024;2.山西省矿山流体工程实验室 (研究中心)，山西太原 030024)

与气动冲击器相比，液压冲击器的破碎能力得到了成倍的提高，其能量利用率也由气动冲击器的15%提高到了40% ～50%，噪声降低了10～15 dB。而且由于液压系统是密封的，液压油既是驱动介质，又是润滑剂，工作零件的磨损大大减少，提高了设备的使用寿命，同时也降低了维护成本;不再需要额外的空压机操作人员和风镐工，降低了人员开支费用，有着巨大的经济效益，因此对其进行研究分析，具有理论价值和应用价值。

对于液压冲击器，其研究模型分为线性模型和非线性模型，李大诒［1］研究了“满足蓄能器容积变化最小时，能量利用率最高，瞬时流量接近最小值”的最优行程设计;杨襄璧［2］以冲程时间比∂=T1/T(T1为冲程时间，T为活塞运动周期)作为抽象设计变量，推导了液压冲击器结构参数与工作参数的全套设计公式，并得出了不同优化目标的∂值;陈定远［3］以∂=S/Sm(S为计算行程，Sm为最大行程)作为设计变量，对等加速无阻尼数学模型的液压冲击器参数进行了量纲一分析和推导，得出最佳效率区为C=0.75～0.85［3］。在传统的液压冲击器的研究当中，液压冲击器的运动是通过系统压力进行驱动的，忽略了氮气室的作用，活塞的运动可简化为匀加速运动，而增加了氮气室后，氮气室在回程时对活塞有缓冲作用，在冲击时对活塞的冲击能有辅助作用，因而，增加了氮气室后，活塞的运动变为变加速运动，活塞的时间速度曲线由直线型变为曲线型，增加了活塞运动的复杂性。

1 理论研究

1.1 活塞运动特性研究

当液压冲击器在运动时，通过换向阀的作用，从而实现活塞运动的换向，使液压冲击器能够反复进行冲击运动，实现对目标物件的破碎。通过一次回程，一次冲程，液压冲击器完成了一个运动周期。图1是液压冲击器的结构原理［4］简图。

图1 液压冲击器的结构原理简图

1.1.1 回程运动

当活塞进行回程运动时，其前腔保持常高压，活塞杆后端向氮气室行进，此时，高压油作用于活塞杆前端的力大于氮气室作用于活塞杆后端面的力，活塞先做加速度逐渐减小的加速运动，活塞速度由0变为最大;当高压油作用于活塞杆前端的力小于氮气室作用于活塞杆后端面的力时，活塞做加速度逐渐增加的减速运动，直至速度变为0。至此，活塞完成一个回程运动。在活塞回程过程中，考虑到活塞与缸壁的摩擦阻力，忽略氮气室温度变化的影响，稳态、瞬态液动力的影响，建立回程数学模型如下:

根据热力学方程可得nrT=k(常数)，联立式(1)、(2)、(3)得到二阶微分方程:

1.1.2 冲程运动

当冲击活塞从末端由零速度向前冲击时，此时活塞受到氮气室的作用力，还受到活塞前、后端面的压力，在这3个力的作用下，活塞在整个冲击行程中做加速度逐渐减小的加速运动，当活塞运动到末端时，活塞具有的冲击能将传递给钻杆，从而使钻杆具有冲击能，实现对目标物的冲击破碎。在活塞冲击过程中，考虑到活塞与缸壁的摩擦阻力，忽略氮气室温度变化的影响，稳态、瞬态液动力的影响，建立冲击数学模型［5－8］如下:

联立式 (2)、(7)、(8)、(9)解得二阶微分方程:

设活塞进行一次冲程、回程运动为一个周期，所用的时间用T表示，冲程运动所用的时间为T1，则回程所用时间比满足如下关系式:

式中:x为活塞回程的位移 (m)，初始位置时的位移为0;

M为活塞质量，kg;

F0为活塞与缸壁的摩擦力，N;

V0为当活塞在回程初始状态时氮气室的体积，m3;

V'0为当活塞在冲击初始状态时氮气室的体积，m3;

p0为当活塞在回程初始状态时氮气室的压力，Pa;

p'0为当活塞在冲击初始状态时氮气室的压力，Pa;

p为液压系统的压力，Pa;

f(x)为活塞运动时的速度时间函数;

A1为活塞前端面的面积，m2;

A2为活塞后端面的面积，m2;

A3为活塞杆后端面的面积，m2;

p(x)为活塞位移为x时，氮气室与之相对应的压力，N/m2;

V(x)为活塞位移为x时，氮气室与之相对应的体积，m3。

1.2 液压冲击器性能参数的确定

对于液压冲击器来说，冲击能E、冲击频率f、冲击末速度vm是其重要的基本参数。文中通过构建液压冲击器活塞的速度时间目标函数，确定部分目标性能参数，经运算后，从而可以确定其余的性能参数［9－11］，通过这种参数的设计方法，可以将机器的性能参数与运动参数联系起来，从而可以在一定程度上指导结构参数的确定。图2为活塞运动速度时间曲线示意图。

图2 活塞运动速度时间曲线示意图

对于以上活塞运动速度曲线示意图，由于目标函数f1(x)、f2(x)在以上文中代入参数可求解得出，根据物理意义及活塞的运动速度时间曲线示意图，可以得出式 (12)、(13)、(14):

对于液压冲击器的参数α、T、S、vm，根据设计目标要求，可以事先确定其中的一个参数，其余的参数最后通过式 (12)、(13)、(14)求解得出，从而可以确定液压冲击器冲击能E、冲击频率f等相关性能参数。

2 实验研究

首先确定液压冲击器的目标参数，冲击能为50 J，冲击频率为5.3 Hz，质量为2.4 kg。利用 Matlab软件处理上述公式［12］，对带氮气室的液压冲击器运动情况进行仿真，得到其变化规律。经分析得到冲击末速度约为6.44 m/s，冲程时间比约为0.391。在实验过程中对冲击末速度与冲、回程时间进行统计，最后得出冲击末速度为6.37 m/s，冲程时间比约为0.387。液压冲击末速度的仿真与实验测得数据误差为1.1%，冲程时间比的误差为1%。可见上述数学模型具有一定的准确性。同时，通过对整个运动过程的分析研究，对液压冲击器设计方案的改进具有一定的指导作用。

3 结论

(1)建立了基于氮气室的液压冲击器变加速运动的非线性数学模型，从理论方面分析了液压冲击的运动规律。

(2)构建了带氮气室液压冲击器的相关性能参数的设计方法，通过对部分目标性能参数的确定，可以确定其余的性能参数，从而有利于设计一款符合需求的液压冲击器。

(3)利用数学模型，可以将机器的性能参数与运动参数联系起来，从而可以在一定程度上指导结构参数的确定，对实际应用及理论研究具有指导意义。

［1］李大诒.有阀型液压凿岩机有关问题的探索［J］.冶金设备，1980(6):1－8.

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