液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)的仿真分析

陽復(fù)建， 劉忠

（桂林航天工業(yè)學(xué)院，廣西桂林541004）

0 引 言

目前大多數(shù)大型開挖工程都需要采用鑿巖爆破，鑿巖設(shè)備的重要性凸顯，液壓鑿巖機因具備效率高、成本低、清潔、安全等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用。在實際應(yīng)用中，活塞在壓力油的作用下高速運轉(zhuǎn)，并且運轉(zhuǎn)速度非?？?，同時釬桿與巖石都有一定的彈性，根據(jù)應(yīng)力波理論，釬桿在碰撞巖石后會反彈，如果巖石在沒破碎時反彈能量非常大，就會直接導(dǎo)致釬桿撞擊液壓鑿巖機，帶來非常嚴重的振動和噪聲，并且對鑿巖機造成一定程度的破壞。這些問題都給液壓鑿巖雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)的分析帶來了一定的難度。針對這種情況，對液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)的動態(tài)力學(xué)分析方法進行設(shè)計，使雙緩沖機構(gòu)能夠避免釬具和機體之間的剛性沖擊。

此次設(shè)計從液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)力學(xué)性能角度出發(fā)，對液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)三維仿真結(jié)構(gòu)進行了構(gòu)建，給出一定的約束條件，完成了對液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)分析。實驗對比結(jié)果表明，此次設(shè)計的液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)分析方法準確程度高，具有一定的實際應(yīng)用意義。

1 液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)仿真方法設(shè)計

1.1 液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)三維仿真結(jié)構(gòu)構(gòu)建

為了更好地進行液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)分析，構(gòu)建一個液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)三維仿真結(jié)構(gòu)，在該結(jié)構(gòu)下對雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)性能進行分析。在構(gòu)建該結(jié)構(gòu)之前，需要對結(jié)構(gòu)的參數(shù)進行設(shè)置，為了真實反映雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)的實際物理過程，建立一些假設(shè)條件，保證液壓鑿巖機油泵供油流量恒定[1]。忽略油液中的應(yīng)力波傳播時間，在沖擊后速度降低至零位置，一般情況下忽略液壓鑿巖機體內(nèi)的油液質(zhì)量，如果不能忽略則進行集中處理。在上述假設(shè)條件設(shè)置完成的情況下，對雙緩沖機構(gòu)參數(shù)進行設(shè)置[2]，參照實際的模型，對活塞直徑、活塞桿直徑和泄漏油孔的設(shè)置，并配合液壓鑿巖機的配合長度、間隙及直徑進行設(shè)置，緩沖機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

該雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)三維仿真結(jié)構(gòu)中主要包括沖擊活塞、換向閥、高低壓蓄能器及其他導(dǎo)向零部件等，此次設(shè)置的雙緩沖機構(gòu)參數(shù)主要包括油管通流截面積、活塞回程推閥面積、高壓蓄能器、低壓蓄能器等等。以此完成液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)三維仿真結(jié)構(gòu)的構(gòu)建，在構(gòu)建的液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)三維仿真結(jié)構(gòu)上，對液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)進行分析。

1.2 液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)壓力波反彈計算

在上述液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)三維仿真結(jié)構(gòu)構(gòu)建的基礎(chǔ)上，對液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)壓力波反彈進行計算分析時，發(fā)現(xiàn)環(huán)形間隙的影響較大，更改緩沖活塞環(huán)形間隙的大小，根據(jù)軸配合公差等級選擇，將中間體外殼的孔配合公差設(shè)置為hq，由于不能輕易改變殼體孔徑大小，所以對緩沖活塞的環(huán)形間隙配合選擇4組配合工程數(shù)據(jù)，并通過狀態(tài)空間計算得到傳遞函數(shù)，減少遠離極點對極子的影響，由下述公式進行調(diào)整：

式中：HG為緩沖腔壓力；F為鑿巖機的推動力；Gg為雙緩沖機構(gòu)固有頻率；ser為自然頻率，此次計算不做定向分析。如果超過HG范圍，緩沖就會失去效果，所以將環(huán)形間隙控制在HG范圍內(nèi)[3]。

通過上述公式計算獲得環(huán)形間隙對液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)參數(shù)設(shè)置的影響，為下面的分析提供基礎(chǔ)。在上述鑿巖機雙緩沖機構(gòu)參數(shù)設(shè)置的基礎(chǔ)上，對雙緩沖機構(gòu)的壓力波反彈進行計算，在雙緩沖機構(gòu)內(nèi)對緩沖活塞配合有限位結(jié)構(gòu)。為防止產(chǎn)生共振，緩沖蓄能器的固有頻率需要小于鑿巖機的沖擊頻率[4-5]。綜合考慮到緩沖活塞運動規(guī)律、動態(tài)特性等因素，對壓力波反彈進行計算，計算公式為

式中：d為緩沖機構(gòu)反彈能量，是沖擊能量的25%；q為緩沖機構(gòu)功率參數(shù)[6]；y為工作壓力范圍。

在上述計算完成后，分析液壓鑿巖機沖擊機構(gòu)運動體的工作規(guī)律，并對其運動過程進行細化，對液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)壓力波反彈進行計算，為液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)分析提供一定的基礎(chǔ)。

1.3 液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)分析

為保證應(yīng)力波能穩(wěn)定傳遞，將活塞的端部直徑盡量接近釬尾直徑，并保證活塞與釬尾固定在同一個軸上，將其嚴格貼合，提高傳遞效率。并對其嚴格密封，如果密封不合格，會產(chǎn)生泄漏問題，從而影響液壓鑿巖機的工作效率。采用斯特封做組合密封，其原理是利用壓力將圈變形，然后緊緊固定住，以延長液壓鑿巖機的工作時間。在此基礎(chǔ)上，提高液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)的緩沖壓力，對緩沖壓力的平衡狀態(tài)進行求解，在沖擊活塞碰撞釬尾之前的一段時間內(nèi)，緩沖機構(gòu)處于短暫的平衡狀態(tài)，采用平衡公式[7]，對緩沖壓力的平衡狀態(tài)進行求解，計算公式為

式中：F為鑿巖機的推動力[8]；p/4為某一時刻的緩沖腔壓力；dw、ky分別為緩沖結(jié)構(gòu)參數(shù)。

經(jīng)過上述公式計算完成后，緩沖腔的壓力與二級緩沖腔的壓力相等并保持恒定，此時的液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)平衡力最好，對回油路中的節(jié)流孔進行分析計算，節(jié)流孔結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2所示。

回油路中的節(jié)流孔應(yīng)用孔口流量公式，計算公式為

式中：Q2為緩沖進油的油量[9]，是一個定值；G為流量系數(shù)；ρ為油液密度；ΔE為節(jié)流前后壓差，此次計算不做定向分析。

通過上述的分析和求解，得到雙緩沖機構(gòu)緩沖壓力的平衡狀態(tài)和節(jié)流孔應(yīng)用孔口流量，根據(jù)這些值，對液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)進行動力學(xué)分析，計算公式為

式中：gh為緩沖活塞位置；f為過油面積；h為時間；qi為雙緩沖機構(gòu)平衡算法因子，此次計算不做定向分析。當(dāng)gh值大于0.25時，該液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)性能較好；當(dāng)gh值低于0.25時，力學(xué)性能較低，受沖擊可能性較高。

通過上述公式計算完成液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)的分析，為了證明該液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)仿真方法設(shè)計的有效性，將在下一步進行實驗。

2 仿真實驗分析

為了證明上述液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)仿真方法的有效性，進行仿真實驗。將傳統(tǒng)方法與本文設(shè)計的方法進行對比。并設(shè)置運行實驗臺，其中包括泵站、壓力傳感器、臥式臺架、油缸、液壓鑿巖機、釬桿、打印機、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對實驗的沖擊能力進行設(shè)置，實驗參數(shù)設(shè)置表1所示。

表1 參數(shù)設(shè)置

借助UDIF88軟件，對實驗結(jié)果進行分析，在該實驗環(huán)境下對傳統(tǒng)的液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)分析方法與本文設(shè)計的力學(xué)方法的準確性進行對比，得到如圖3所示的實驗結(jié)果曲線圖。

通過上述仿真實驗對比圖能夠看出，本文的液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)仿真分析方法有效性高，能夠?qū)σ簤鸿弾r機雙緩沖機構(gòu)的力學(xué)性能進行有效分析，很大程度上減少了實際工作中對液壓鑿巖機的損壞，而傳統(tǒng)的設(shè)計方法沒有根據(jù)實際情況對液壓鑿巖機進行分析，導(dǎo)致其分析準確性低。綜上所述，通過上述實驗基本能夠證明此次設(shè)計的液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)仿真分析方法的有效性，具有一定的實際應(yīng)用意義。

3 結(jié) 語

液壓鑿巖機已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到了礦山、水電、鐵道等生產(chǎn)建設(shè)中，雙緩沖機構(gòu)是液壓鑿巖機中重要的組成部分，對其進行了動力學(xué)研究。本文針對傳統(tǒng)的液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)仿真分析方法準確性低的情況，從分析力學(xué)性能的角度出發(fā)，首先構(gòu)建了液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)三維仿真結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上對液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)壓力波反彈進行計算，以此實現(xiàn)對液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)仿真分析。實驗對比結(jié)果表明，該液壓鑿巖機雙緩沖機構(gòu)動力學(xué)仿真方法比傳統(tǒng)的方法準確性高，具有一定的實際應(yīng)用意義。