氮爆式液壓沖擊器的仿真建模*

丁問司 黃曉東

(華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院,廣東廣州 510640)

液壓沖擊器通過活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)沖擊釬桿,使工作對(duì)象(巖石等)發(fā)生位移、變形或破壞,最終達(dá)到?jīng)_擊、破碎的目的.采礦、建筑行業(yè)中廣泛使用的破碎錘、樁錘、沖擊夯等設(shè)備均是利用液壓沖擊器原理工作的.

液壓沖擊器按做功原理可分為3類:(1)液壓式,其活塞回程與沖程完全靠油液壓力作用,活塞上端不設(shè)氮?dú)馐?蓄能器只起減少油壓的脈動(dòng)作用; (2)氮爆式,其活塞上端設(shè)有氮?dú)馐?活塞回程靠油壓作用同時(shí)壓縮氮?dú)?沖程則靠氮?dú)獾谋l(fā)作用來完成;(3)液氣聯(lián)合式,其活塞上端設(shè)氮?dú)馐?活塞回程靠油壓作用同時(shí)壓縮氮?dú)?沖程則靠油壓與氮?dú)獾墓餐饔?

盡管液壓沖擊器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但它屬于一種比較特殊的液壓機(jī)械.與一般液壓機(jī)械相比,它具有 4個(gè)突出特點(diǎn)[1]:(1)工作時(shí),沖擊器所有的運(yùn)動(dòng)體(活塞、閥芯、油液等)均始終處于加(減)速度高達(dá)幾十倍于重力加速度的劇烈變速狀態(tài);(2)其控制閥是具有高頻響的開關(guān)控制閥,要求在 1～2ms左右完成大開口流量的切換動(dòng)作;(3)液壓沖擊器工作油壓主要取決于慣性油壓,一般情況下與外部負(fù)載,即被沖擊對(duì)象的物理性質(zhì)關(guān)系不大;(4)沖擊器中傳動(dòng)介質(zhì)的流動(dòng)屬劇烈變化的非恒定流動(dòng),流體流動(dòng)產(chǎn)生的慣性壓力不可忽視.這些特點(diǎn)給液壓沖擊器的研究、設(shè)計(jì)和制造均帶來了一定難度.

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)沖擊器的研究目前主要集中在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面.Anderson等[2]對(duì)液壓沖擊器復(fù)雜的流道結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究;Majumdar[3]分析了沖擊器結(jié)構(gòu)形式對(duì)工作可靠性的影響;羅銘等[1]提出了基于抽象變量的沖擊器參數(shù)線性設(shè)計(jì)方法;Li等[4]對(duì)電液錘控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析.

液壓沖擊器是一個(gè)多維非線性系統(tǒng),工作時(shí)的過渡過程繁多、狀態(tài)變化復(fù)雜,動(dòng)態(tài)性能的研究較為困難,國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究也不多見.為分析沖擊器的動(dòng)態(tài)特性,實(shí)現(xiàn)沖擊輸出參數(shù)的優(yōu)化匹配,有必要建立其計(jì)算仿真模型.文中針對(duì)基于數(shù)字控制的新型氮爆式液壓沖擊器,采用功率鍵圖法,精確分析了沖擊器的功率流分布形式,快速、準(zhǔn)確地構(gòu)建了沖擊器計(jì)算模型.

1 氮爆式強(qiáng)制配流液壓沖擊器原理

按照配流方式,液壓沖擊器分為自配流型和強(qiáng)制配流型兩大類.自配流型沖擊器通過結(jié)構(gòu)中的控制油路匹配來實(shí)現(xiàn)配流,強(qiáng)制配流型沖擊器通過電信號(hào)方式控制配流閥,以實(shí)現(xiàn)油路的轉(zhuǎn)換[4].

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛運(yùn)用,液壓沖擊器設(shè)計(jì)中出現(xiàn)了以數(shù)字開關(guān)控制來實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制配流的新型氮爆式液壓沖擊器,其液壓系統(tǒng)如圖1所示.

圖1 氮爆式液壓沖擊器系統(tǒng)Fig.1 System ofnitrogen-inflating hydraulic hammer1—釬桿;2—前腔;3—活塞;4—儲(chǔ)油腔;5—缸體;6—氮?dú)馇?7—壓力變送器;8—回油高速開關(guān)閥;9—錐閥Ⅰ;10—進(jìn)油高速開關(guān)閥; 11—高壓蓄能器;12—高壓油路;13—溢流閥;14—泵;15—濾油器; 16—低壓蓄能器;17—回油管;18—錐閥Ⅱ;19—大孔徑軟管

氮爆式液壓沖擊器的工作原理如下:

(1)回程階段

如圖1(a)所示,壓力變送器7將活塞處于打擊點(diǎn)時(shí)的壓力值傳送給計(jì)算機(jī),計(jì)算機(jī)分析處理后控制高速開關(guān)閥 8、10運(yùn)動(dòng)到工作位置.錐閥Ⅱ控制腔通高壓油,錐閥Ⅱ關(guān)閉,切斷回油路 17;錐閥Ⅰ控制腔接通回油油路,錐閥Ⅰ打開,沖擊器前腔 2與高壓油源相連,活塞 3在高壓油作用下作回程運(yùn)動(dòng),同時(shí)壓縮氮?dú)馇恢械牡獨(dú)馐蛊鋲毫ι?回油儲(chǔ)油腔4向油箱排油.當(dāng)?shù)獨(dú)馐抑袎毫_(dá)到某一預(yù)先設(shè)定值時(shí),計(jì)算機(jī)發(fā)出指令,高速開關(guān)閥 10將錐閥Ⅰ控制腔連通高壓油,錐閥Ⅰ關(guān)閉,切斷高壓油路,回程結(jié)束.

(2)沖程階段

如圖1(b)所示,在關(guān)閉進(jìn)油路的同時(shí)計(jì)算機(jī)發(fā)出指令,使高速開關(guān)閥 8將錐閥Ⅱ控制腔連通油箱,錐閥Ⅱ打開,前腔 2接通回油路而卸荷,活塞在壓縮氮?dú)庾饔孟孪蚯皼_擊,活塞前腔中的油一部分進(jìn)入活塞后腔,一部分進(jìn)入油箱.同時(shí)高壓油路中的油液充入高壓蓄能器,以備回程需要.經(jīng)過一段延時(shí)后,計(jì)算機(jī)發(fā)出指令控制高速開關(guān)閥 10打開高壓油路,沖程結(jié)束.

回程與沖程交替進(jìn)行,以實(shí)現(xiàn)活塞的打擊運(yùn)動(dòng).

2 氮爆式液壓沖擊器功率鍵圖

氮爆式液壓沖擊器的工作過程呈強(qiáng)烈非線性且過渡過程繁多,采用傳統(tǒng)的液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)則難以進(jìn)行細(xì)致的工程計(jì)算和準(zhǔn)確的性能分析.文中采用對(duì)沖擊器液壓系統(tǒng)搭建功率鍵圖的方法建立沖擊器狀態(tài)方程,并深入分析各作用因素的影響.建立沖擊器功率鍵圖[5-7]的基本步驟如下:

(1)分析功率流程,確定各節(jié)點(diǎn)和變換器(TF);

(2)繪制各節(jié)點(diǎn)周圍的功率鍵,并用半箭頭標(biāo)注功率流向;

(3)標(biāo)注容性(C)、阻性(R)、慣性(I)、源性(S)元件;

(4)標(biāo)注各個(gè)功率鍵標(biāo)號(hào)并標(biāo)出因果線;

(5)標(biāo)明控制關(guān)系.

高壓油下的活塞運(yùn)動(dòng)及錐閥閥芯的運(yùn)動(dòng)是氮爆式液壓沖擊器的兩條主要功率流路徑,也是鍵圖建立的關(guān)鍵.另外,系統(tǒng)中各處油流泄漏的功率路徑、氮?dú)馇患靶钅芷鞯墓β蚀鎯?chǔ)或釋放路徑也是鍵圖中的重要部分.對(duì)于系統(tǒng)中的微電子控制部分,其消耗的功率很小,故在鍵圖中將其忽略.氮爆式液壓沖擊器工作時(shí)沖程和回程兩階段的功率流分布是有所區(qū)別的,圖 2所示為回程階段功率鍵圖.圖 2中為避免符號(hào)過多,將每個(gè)鍵上的壓力符號(hào) p和流量符號(hào) q省略,僅注明其下編號(hào).同理,也可建立沖程階段的功率鍵圖,文中在此略去.

圖2 液壓沖擊器回程階段功率鍵圖Fig.2 Power bond graph of backhaul of hyd raulic hammer液壓泵額定輸出流量,恒流源;Se—回油管路末端背壓,恒壓源; C4—高壓蓄能器液容;C9—活塞前腔液容;C19—活塞后腔液容; C34—低壓蓄能器液容;C31—閥液控腔液容;C38—回油管路容腔等效液容(含液壓油壓縮性及管路變形);C44—活塞氮?dú)馇粴馊?A1—活塞前腔面積;A2—閥芯高壓油腔面積;A3—閥芯控制腔面積;A4—活塞后回油腔面積;A5—活塞氮?dú)馇幻娣e;I12—沖擊機(jī)構(gòu)活塞質(zhì)量慣性;I14—活塞腔內(nèi)油液慣性;I25—閥芯質(zhì)量慣性;I26—閥芯腔內(nèi)油液慣性;R2—進(jìn)油管路沿程液阻;R11—活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)粘性阻力;R13—活塞所受庫(kù)侖摩擦力;R20—油液從活塞后腔到低壓蓄能器間沿程液阻;R23—閥芯泄漏液阻;R27—閥芯所受庫(kù)侖摩擦力;R32—油液從閥芯控制腔到低壓蓄能器間沿程液阻;R36—低壓蓄能器與回油管路間液阻;R40—回油管路沿程壓力損失;R45—活塞處油液泄漏液阻; R46—閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)粘性阻力;x—活塞運(yùn)動(dòng)位移;y—錐閥Ⅰ閥芯運(yùn)動(dòng)位移

根據(jù)功率鍵圖可以一目了然地了解整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成情況,也可以明確系統(tǒng)所包含的所有變量,同時(shí)也能真實(shí)反映沖擊器系統(tǒng)的能量分配、傳遞、消耗和貯存情況.由此功率鍵圖可以建立強(qiáng)制配流氮爆式液壓沖擊器沖程時(shí)的狀態(tài)方程.

2.1 確定狀態(tài)變量和輸入變量

取I和C元件上的自變量積分為狀態(tài)變量,使鍵上的自變量和因變量之間的積分關(guān)系變成狀態(tài)變量和因變量之間的代數(shù)關(guān)系.同時(shí),這些狀態(tài)變量的一階導(dǎo)數(shù)也就代表了原來的自變量[4-6].上述鍵圖模型中自變量共有 8個(gè),即 6個(gè)流量變量(q9、q19、q31、q34、q44、q38)和 2個(gè)力變量(F12、F25).它們的積分就是 8個(gè)狀態(tài)變量,因其初始值都為 0,故有

式中:Vi為由于壓力(油壓、氣壓)變化而造成的油液或氣體容量變化(i=9,19,31,34,38,44);P12為活塞動(dòng)量;P25為錐閥Ⅰ的閥芯動(dòng)量.

對(duì)于Ci,有

對(duì)于I12,有

對(duì)于I25,有

2.2 狀態(tài)方程的建立

對(duì)于C4,有

所以高壓蓄能器的蓄油量為

對(duì)于I14,有

對(duì)于I26,有

根據(jù)鍵合圖的結(jié)構(gòu)特性及網(wǎng)絡(luò)串并聯(lián)原理得

由式(1)～(11)組成的方程組即為氮爆式液壓沖擊器狀態(tài)方程組,其對(duì)應(yīng)的狀態(tài)向量為

由此可以計(jì)算出氮爆式液壓破碎錘回程時(shí)的各狀態(tài)參數(shù).同樣,在搭建了沖擊器沖程的功率鍵圖模型后,也可以建立沖擊器沖程時(shí)的各狀態(tài)方程.

3 基于AMESIM系統(tǒng)的仿真模型

根據(jù)上述強(qiáng)制配流氮爆式液壓沖擊器的功率鍵圖,以多學(xué)科智能建模仿真系統(tǒng)AMESIM為平臺(tái)[8],可搭建針對(duì)圖 1所示的氮爆式強(qiáng)制配流型液壓沖擊器計(jì)算仿真系統(tǒng),結(jié)果如圖3所示.

圖3 氮爆式液壓沖擊器的AMESIM模型Fig.3 AMESIM model ofnitrogen-inflating hydraulic hammer

建模過程中,對(duì)氮爆式液壓沖擊器系統(tǒng)作了必要的簡(jiǎn)化:

(1)假定油泵為恒流源;

(2)忽略沖擊器缸體的彈性變形;

(3)忽略蓄能器隔膜的變形抗力;

(4)忽略系統(tǒng)的外泄漏.

DBS500型液壓破碎錘是氮爆式強(qiáng)制配流型液壓沖擊原理的一個(gè)成功應(yīng)用范例.此AMESIM模型在建立時(shí)的各種實(shí)際參數(shù)均按照DBS500型液壓破碎錘相關(guān)參數(shù)建立,其基本關(guān)鍵參數(shù)如下:活塞質(zhì)量為13.5kg;活塞的臺(tái)階直徑分別為0.060m(前腔軸徑)、0.067m(中間軸徑)、0.060m(后腔軸徑);錐閥Ⅰ的直徑為16mm,閥芯質(zhì)量為0.033 kg;錐閥Ⅱ的直徑為32mm,閥芯質(zhì)量為0.100kg;高壓蓄能器的充氣容積為250mL,充氣壓力為6.00MPa;低壓蓄能器的充氣容積為250mL,充氣壓力為0.30MPa;系統(tǒng)壓力為12.00MPa,流量為24L/min;氮?dú)馇豢刂茐毫?.75MPa.

4 試驗(yàn)與仿真結(jié)果

按照上述DBS500型液壓破碎錘技術(shù)參數(shù)進(jìn)行了仿真計(jì)算.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果的比較如圖 4所示.實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果數(shù)值誤差的對(duì)比見表1.

圖4 實(shí)測(cè)值與計(jì)算值的比較Fig.4 Comparison of simulated and testvalues

表1 實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果數(shù)值誤差的比較1)Table 1 Comparison of error between simulated and test results

由圖 4和表 1中可知,采用文中建立的模型計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有良好的一致性.需要指出的是,由于仿真計(jì)算中的許多參量如偏心率、各處局部阻力系數(shù)、液壓卡緊系數(shù)等的取值具有較大的離散性和隨機(jī)性[10],因此,仿真過程中這些參數(shù)的選擇需要較為豐富的液壓沖擊器設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn).

5 結(jié)語(yǔ)

液壓沖擊器是具有特殊功能的液壓設(shè)備,其運(yùn)動(dòng)部件的高加速度與其慣性工作的油壓特點(diǎn)決定了對(duì)其采用的研究方法與常用設(shè)備的研究方法不同.文中采用的功率鍵圖模型是一種快速建模的方法,液壓沖擊器的建模采用該方法可以使得模型搭建方便、細(xì)致.基于功率鍵合原理搭建的氮爆式液壓破碎錘的AMESIM模型的仿真結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果相近,從而證明了該模型的正確性和合理性.基于上述模型可方便地實(shí)現(xiàn)同類型沖擊器系列設(shè)計(jì)和參數(shù)、性能的優(yōu)化.

正確的液壓沖擊器模型為沖擊器特性的研究提供了良好平臺(tái),對(duì)于沖擊器中的補(bǔ)償流量、沖擊反彈、回油與空穴等方面的研究將另文論述.

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