基于AMESim气液联合式液压冲击器的建模与仿真

　　液压冲击器是液压破碎锤、液压凿岩机等液压冲击机械的核心工作装置，其以液压为动力源，直接或间接驱动活塞往复运动，靠活塞冲程时的动能冲击钎杆，对物体产生破碎作用.液压冲击器按驱动活塞冲程做功的动力来源可分为全液压式、氮爆式和气液联合式3类;按配流方式可分为自配流和强制配流两大类，强制配流是通过电子信号等控制配流阀实现油路的转换，自配流则是通过冲击器结构中的控制油路匹配实现配流[1].

　　对液压冲击器的研究主要包括结构设计改进、控制方式、计算机仿真、性能测试、制造工艺和基础理论等，其研究成果对液压冲击机械的设计、制造与发展具有重要意义.

　　1　工作原理与动力学模型

　　1.1　工作原理

　　前腔常高压、后腔变压回油的气液联合式液压冲击器是目前最为常用的结构型式，基于行程反馈控制的气液式液压冲击器工作原理，如图1所示.其主要由冲击机构、配油机构，以及连接它们的油道、管路等构成.其中，冲击机构由冲击活塞、氮气室和缸体等部件组成，配油机构由换向阀阀芯和阀体等部件组成[2-3].

　　1)回程(回程加速、回程制动)

　　回程包括回程加速和回程制动两个阶段.如图1所示，高压油进入活塞前腔时，活塞后腔通回油，活塞向上运动，压缩氮气室中的氮气，在信号口C处通高压油之前，活塞做回程加速运动;当活塞运动至信号口C处并与前腔高压油相通时，在高压油作用下换向阀换向，切换油路，活塞前后腔均通高压油，后腔的作用面积大于前腔，活塞在惯性作用下继续上移，作回程减速运动，直至运动到活塞上止点，回程结束.

　　2)冲程(冲程加速、冲击停顿)冲程阶段，活塞前后腔均通高压油，构成差动回路.在活塞前后腔油液和氮气室气体的作用力下，活塞作冲程加速运动，直至冲击停顿，冲击过程结束，换向阀换向，进入下一个周期的回程初始状态.

　　1.2　动力学模型

　　依据液压冲击器的工作原理(图1)，假设系统压力恒定，油液不可压缩，黏度不变，氮气室绝热，根据动力平衡、流体连续性原理和气体状态方程，液压冲击机构运动的数理方程可描述如下[4]：

　　1)活塞动力学方程

　　2)换向阀阀芯动力学方程

　　3)氮气室绝热状态下气体状态方程

　　式中：mP，mV为活塞、阀芯的质量;SP，S·P，S··P为活塞位移、速度、加速度;SV，S·V，S··V为阀芯位移、速度、加速度;δPi，δVi为活塞与缸体、阀芯与阀体的配合间隙;εPi，εVi为活塞、阀芯的偏心率;dPi，dVi为活塞、阀芯各接触柱面的直径;μ为液压油动力黏度;lPi，lVi为活塞、阀芯各段密封长度;pN为氮气室压力;Δpi为压力差;p1，p2，p3为活塞前腔、后腔、换向阀前腔压力;AP1，AP2，AP3为活塞前腔、后腔、氮气室的承压面积;AV1，AV2为换向阀前、后腔的承压面积;p0为氮气室充气压力;VN，V0为氮气室工作瞬时容积、氮气室初始容积.