基于高速开关阀的电液振动冲击系统的研究

　　电液振动冲击技术具有输出功率大、效率高、结构紧凑、控制方便等优点,广泛应用在冶金、建筑、铁路、煤炭、地质钻探和国防等工业部门。在过去的 30多年中,电液振动冲击技术得到了迅速的发展,其应用范围也不断扩大[1-8]。其中,电液控制强制配流式液压振动冲击系统由于具有振动频率调整方便、准确稳定以及冲击能无级可控等优点,被应用于剁锉机[9]。20世纪80年代,国内已成功研制了液压冲击式剁锉机,取得了很好的效果,并沿用至今 [10]。但是该系统配流所采用的伺服/比例阀存在价格昂贵、对油液污染敏感和维护困难等缺点。近年来,高速开关阀由于价格便宜、抗污染能力强、结构简单、工作可靠以及便于与计算机接口等诸多优点,得到广泛应用[11-12]。

　　作者提出了一种基于高速开关阀的电液控制强制配流振动冲击式剁锉机的液压系统,利用AMESim软件建立了仿真模型,并对系统的动态特性进行了仿真分析,同时探讨了系统各主要参数对冲击能的影响,为电液振动冲击系统的设计与优化提供理论依据。

　　1 系统结构与原理

　　基于高速开关阀的电液控制强制配流振动冲击式剁锉机的液压系统原理图如图1所示。控制器发送脉冲电压作为控制信号,直接输出给高速开关阀;高速开关阀驱动特殊设计的高速液动切换阀,使高速液动切换阀完成快速换向配流动作;高速液动切换阀作为中间一级流量放大器件,其控制油口直接与冲击液压缸的上腔相连接;冲击液压缸采用下腔常高压、上腔高低压交替变换的差动结构,这样,再借助蓄能器和蓄能弹簧的作用,冲击活塞就在控制器产生的控制信号作用下产生振动与冲击,使剁刀反复运动不断冲击随台架移动的锉刀坯,,从而在锉刀坯上剁制齿纹。

　　2 建模与分析

　　由于冲击机构的运动体在多数情况下都处于剧烈的变速运动状态,系统的压力、流量变化都非常剧烈。因此,描述其运动的数学模型是一个复杂的非线性微分方程组,这就给液压冲击机构的研究和设计带来一定的难度[13]。为了更精确地反映液压冲击器的运动规律,利用AMESim软件[14],建立了图1 所示的剁锉机液压系统的仿真模型,如图2示。

　　图3为冲击液压缸活塞在一个周期内的位移特性s和速度特性v。可看出,活塞的运动可分为回程和冲程两大部分。其中回程包括回程滞后t1、回程加速t2和回程制动t3,冲程包括冲程加速t4、冲程冲击t5。

　　t1为回程滞后阶段,此时控制信号从高电压转换为低电压,高速开关阀关闭,通过控制高速液动切换阀使冲击液压缸上腔接回油箱,但是冲击液压缸上腔的压力尚未卸荷,因此活塞仍在下面,蓄能器充压;t2为回程加速阶段,此时控制器的控制信号保持低电压,冲击液压缸上腔的压力已降低,在下腔压力的作用下,活塞上移,压缩蓄能弹簧,蓄能器保持充压状态;t3为回程制动阶段,此时控制信号切换为高电压,高速开关阀换向,切换高速液动换向阀使控制油缸上腔通高压,活塞上下腔差动连接(上、下腔均处于高压状态),但是活塞由于惯性作用将继续向上运动,直至速度为零,蓄能弹簧的压缩量达最大值,此阶段蓄能器继续充压;t4为冲程加速阶段,此时控制信号保持高电压,活塞上下腔继续保持差动连接,活塞在油液压力差和蓄能弹簧作用下向下加速,同时蓄能器释放油液辅助工作,活塞速度不断提高,直至接触锉刀坯;t5为冲程冲击阶段,此时控制信号保持高电压,活塞反复冲击锉刀坯剁出齿纹,耗尽冲击能,此时蓄能器重新开始充压,完成一个工作循环。直至控制信号重新由高电压变为低电压,重新开始下一循环。