液壓破碎錘動(dòng)態(tài)特性的研究

張明松，蘇志成，王 宏

（三峽大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

近年來(lái)，我國(guó)加大對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)的投入。 液壓鑿巖機(jī)在進(jìn)行礦山開(kāi)發(fā)、挖掘隧道、清理航道等作業(yè)中發(fā)揮著重要作用。 由于液壓鑿巖機(jī)具有眾多優(yōu)點(diǎn)與實(shí)用性，有必要對(duì)其進(jìn)行研究。 本文采用AMESim 軟件分別對(duì)液壓鑿巖機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與工作參數(shù)進(jìn)行模擬仿真分析，探究其對(duì)于液壓鑿巖機(jī)的工作性能的影響。

1 液壓破碎錘系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及其工作原理

本文選取液壓破碎錘的研究模型結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示，工作原理可以分為回程與沖程兩部分來(lái)描述[1]。

1)回程階段。 液壓鑿巖機(jī)的缸體有兩個(gè)信號(hào)調(diào)節(jié)孔，當(dāng)沖擊活塞經(jīng)過(guò)第一個(gè)信號(hào)孔時(shí)，液壓油流入配流閥的左腔室，后腔與回油連通，高壓油與活塞前腔相通，活塞在前腔壓力下向右做回程運(yùn)動(dòng)，沖擊活塞完成回程加速階段，完成整個(gè)回程運(yùn)動(dòng)。

2)沖程階段。 活塞在壓力差作用下向左加速運(yùn)動(dòng)，開(kāi)始沖程的階段。 在沖擊活塞進(jìn)行沖程加速時(shí)，由于活塞的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致液壓系統(tǒng)壓力降低，高壓蓄能器開(kāi)始排油對(duì)后腔進(jìn)行液壓油補(bǔ)充。 當(dāng)沖擊活塞越過(guò)第二個(gè)信號(hào)孔時(shí)，閥芯開(kāi)始向左進(jìn)行換向運(yùn)動(dòng)，沖擊活塞完成打擊釬桿的運(yùn)動(dòng)，沖程階段結(jié)束，以此循環(huán)對(duì)巖石進(jìn)行破碎。

圖1 液壓鑿巖機(jī)結(jié)構(gòu)圖

2 液壓鑿巖機(jī)的AMESim 模型與參數(shù)定義

圖2 AMESim 模型結(jié)構(gòu)圖

依據(jù)前文的分析，將沖擊活塞完成上一次打擊結(jié)束的時(shí)刻為模擬仿真的初始時(shí)刻。 在AMESim 軟件中建立液壓鑿巖機(jī)的模型結(jié)構(gòu)圖[2]，如圖2 所示。 結(jié)合液壓鑿巖機(jī)的實(shí)際結(jié)構(gòu)尺寸，對(duì)所建模型進(jìn)行賦值。

依據(jù)對(duì)液壓鑿巖機(jī)的工作原理以及對(duì)液壓鑿巖機(jī)系統(tǒng)功能關(guān)系的分析與研究，液壓鑿巖機(jī)基本的工作參數(shù)設(shè)置如下：活塞質(zhì)量5.5kg，活塞直徑為45mm，前腔活塞桿直徑為40mm，后腔活塞桿直徑為37mm，高壓蓄能器充氣容積為1L，低壓蓄能器充氣容積450mL。隨后進(jìn)入仿真模式，設(shè)定仿真時(shí)間為5s，時(shí)間步長(zhǎng)為0.01s。

3 工作參數(shù)對(duì)于性能的影響

液壓油作為液壓鑿巖機(jī)的能量運(yùn)輸載體，推動(dòng)著液壓沖擊活塞做著往復(fù)運(yùn)動(dòng)。 液壓油的流量對(duì)液壓破碎錘的運(yùn)動(dòng)性能具有十分重要的影響[3]。 現(xiàn)在保持其他參數(shù)不變，改變系統(tǒng)輸入流量的大小。 設(shè)置輸入液壓油流量在一定的范圍內(nèi)變化。 分別取液壓油的5 個(gè)流量值，運(yùn)用AMESim 軟件對(duì)這5 個(gè)參數(shù)進(jìn)行批處理。得出在這5 個(gè)參數(shù)下活塞的速度與時(shí)間變化曲線圖。 如圖3 所示。

圖3 不同流量下的沖擊活塞速度曲線

沖擊活塞的沖擊速度極值、沖擊頻率、沖擊能分別如表1 所示。

表1 輸入流量仿真結(jié)果

在液壓鑿巖機(jī)進(jìn)行沖程運(yùn)動(dòng)時(shí)，液壓鑿巖機(jī)后腔的工作壓力由于液壓沖擊系統(tǒng)流量的增加而變大，沖擊活塞的速度極值、沖擊能與沖擊頻率因此得到提高。 依據(jù)液壓油流體力學(xué)公式（1）可知，流體的壓力損失是與流量的平方成正比。 而且過(guò)大的流量也會(huì)超過(guò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)額定數(shù)值，導(dǎo)致壓力泄露。 從而使得系統(tǒng)流量對(duì)沖擊活塞速度影響降低。

式中：λ為流體的沿程壓力損失系數(shù)，理論值λ = 64 / Re。

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)工作性能的影響

液壓鑿巖機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于性能的影響很大，有必要對(duì)比較重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行分析研究[4]。

4.1 活塞質(zhì)量對(duì)液壓鑿巖機(jī)工作性能的影響

改變沖擊活塞質(zhì)量參數(shù)的設(shè)置，使用AMESim 批處理功能，得到活塞與時(shí)間的仿真曲線，如圖4 所示。

圖4 不同沖擊活塞質(zhì)量下的沖擊活塞速度曲線

沖擊活塞的沖擊速度極值、沖擊頻率、沖擊能分別如表2 所示。

表2 沖擊活塞質(zhì)量仿真結(jié)果

當(dāng)液壓鑿巖機(jī)工作時(shí)，系統(tǒng)給定的流量保持不變，液壓鑿巖機(jī)的工作推力保持不變，沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)加速度隨著質(zhì)量增大而變小，而沖擊活塞的行程不變，所以沖擊活塞的速度極值變小。 此外，當(dāng)沖擊活塞速度變小，而活塞運(yùn)動(dòng)行程保持不變時(shí)，沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)周期變長(zhǎng)，運(yùn)動(dòng)頻率變小。 增加沖擊活塞的質(zhì)量過(guò)大，導(dǎo)致液壓鑿巖機(jī)的做功效率變低，而且沖擊活塞單次沖擊能增大的速率變小。

4.2 后腔活塞桿直徑對(duì)液壓鑿巖機(jī)工作性能的影響

改變后腔活塞桿直徑參數(shù)采用軟件批處理功能進(jìn)行仿真分析，仿真曲線如圖5 所示。

圖5 不同后腔桿直徑下的沖擊活塞速度曲線

沖擊活塞的沖擊速度極值、沖擊頻率、沖擊能分別如表3 所示。

表3 沖擊活塞壓力作用面積仿真結(jié)果

隨著后腔桿直徑的增大，即后腔的有效壓力作用面積變小。 液壓沖擊活塞后腔可容納液壓油的容積隨之變小，所以液壓鑿巖機(jī)的沖擊活塞工作壓力變小，故液壓鑿巖機(jī)的速度極值變小。 在液壓鑿巖機(jī)工作的過(guò)程中，由于沖擊活塞的運(yùn)動(dòng)行程不變，所以沖擊活塞運(yùn)動(dòng)的周期變大，沖擊活塞工作的頻率變小。 可以通過(guò)減小后腔活塞桿的直徑來(lái)達(dá)到提高液壓鑿巖機(jī)工作效率的目的，但是也會(huì)使得液壓鑿巖機(jī)后腔室在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中所需要流量瞬間峰值也增大。 流量瞬間峰值不僅會(huì)增大系統(tǒng)的能耗，還會(huì)增加后腔室流場(chǎng)的不穩(wěn)定，從而使得系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用AMESim 軟件建立了液壓鑿巖機(jī)的模型，分析了液壓鑿巖機(jī)的工作參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于液壓鑿巖機(jī)性能的影響，探索了液壓鑿巖機(jī)的工作動(dòng)態(tài)特性，為液壓鑿巖機(jī)的研究與設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。