液压锤控制系统的研究

　　液压锤是以液压泵为动力源、以液压油作为工作介质,将液压能转换为机械冲击能的一种破碎工具。在工作过程中,由液压驱动活塞作往复运动对外输出能量来进行工作。目前,液压锤已被广泛地应用于冶金、矿山开采,国防施工、公路和铁路建设、市政工程和建筑等行业。液压锤今后主要的发展趋势是:应尽可能产生大的冲击能量,提高破碎效率;提高能量的利用率;易于维修和更换零部件;活塞行程可调、以改变冲击频率和冲击能;可根据打击的阻力能自动地调节输出、控制冲击能量。

　　1　液压锤的数学模型

　　图1是液压锤的结构和工作原理示意图,它是以液体为能量传递介质的阀控活塞系统,液压锤工作时活塞在缸体内运动,根据活塞与换向阀的运动情况,可以得出以下数学模型[1~3]。

　　(1)活塞的运动数学模型

　　式中:Fpf—缸体前腔油压对活塞的作用力;

　　Fpb—缸体后腔油压对活塞的作用力;

　　Fn—氮气室对活塞的作用力;

　　Fpg—活塞的重力;

　　Ff—活塞所受的粘性摩擦力;

　　Mp—活塞的质量。

　　(2)换向阀的运动数学模型

　　式中:Fv1—缸体后腔油压对换向阀的作用力;

　　Fv2—阀体前腔对换向阀的作用力;

　　Fv3—阀芯回油腔对换向阀的作用力;

　　Fv4—阀体后腔对换向阀的作用力;

　　Fvg—换向阀的重力;

　　Ff—阀芯所受的粘性摩擦力;

　　Mv—换向阀的质量。

　　(3)容腔的数学模型

　　式中:V—前腔的容积;

　　Vpf0—前腔的初始体积

　　E—液压油在容腔中的体积弹性模量;

　　Sp1—Cpf腔和Cps腔溶液未能相通时活塞运行的最大距离;

　　Cpf—前腔中液容,

　　2　系统的仿真及分析

　　(1)活塞位移、速度曲线(图2)。

　　从图2可以看出,在一个周期的开始阶段,有一段时间活塞位移为零,这是由于此时换向阀换向尚未完成,后腔液压油还没有与回油腔相通,后腔仍为高压状态,此时活塞会静止一段时间。当换向阀换向完成,后腔与回油腔相通,由于前腔始终处于高压状态,在压差作用下,活塞开始作回程运动,到达信号孔腔Cps时,前腔中的高压油通过信号孔腔进入Cv4腔,此时该腔也处于高压状态,由于Cv4腔的高压油作用在换向阀的上端面,其有效作用面积大于Cv2腔内换向阀上的有效作用面积,此时因Cv3腔仍处于低压状态,故换向阀在压差的作用下迅速切换到下极限位置,使Cpb腔与Cv2腔相通,系统高压油通过换向阀进入缸体后腔,此时缸体前腔、缸体后腔与高压油连通,因后腔油液对活塞的有效作用面积大于前腔,同时受氮气室气体对活塞向下的作用力以及活塞重量向下的合力作用,活塞向上的速度迅速减小,活塞进入制动阶段,速度很快减到零。接着冲程开始,活塞在氮气室压力的作用下作加速运动打击钎杆,位移变为零,开始下一个新的周期。在活塞回程过程中,因活塞后端高压氮气的持续作用,所以活塞回程时间很长,大约占90%。冲程时活塞速度迅速增加,在很短时间内完成冲程运动过程。