氮爆式液压冲击器的仿真建模

　　液压冲击器通过活塞的往复运动冲击钎杆,使工作对象(岩石等)发生位移、变形或破坏,最终达到冲击、破碎的目的.采矿、建筑行业中广泛使用的破碎锤、桩锤、冲击夯等设备均是利用液压冲击器原理工作的.

　　液压冲击器按做功原理可分为3类: (1)液压式,其活塞回程与冲程完全靠油液压力作用,活塞上端不设氮气室,蓄能器只起减少油压的脉动作用;(2)氮爆式,其活塞上端设有氮气室,活塞回程靠油压作用同时压缩氮气,冲程则靠氮气的爆发作用来完成; (3)液气联合式,其活塞上端设氮气室,活塞回程靠油压作用同时压缩氮气,冲程则靠油压与氮气的共同作用.

　　尽管液压冲击器结构简单,但它属于一种比较特殊的液压机械.与一般液压机械相比,它具有4个突出特点[1]: (1)工作时,冲击器所有的运动体(活塞、阀芯、油液等)均始终处于加(减)速度高达几十倍于重力加速度的剧烈变速状态; (2)其控制阀是具有高频响的开关控制阀,要求在1~2ms左右完成大开口流量的切换动作; (3)液压冲击器工作油压主要取决于惯性油压,一般情况下与外部负载,即被冲击对象的物理性质关系不大; (4)冲击器中传动介质的流动属剧烈变化的非恒定流动,流体流动产生的惯性压力不可忽视.这些特点给液压冲击器的研究、设计和制造均带来了一定难度.　　国内外学者对冲击器的研究目前主要集中在结构设计方面.Anderson等[2]对液压冲击器复杂的流道结构进行了实验研究;Majumdar[3]分析了冲击器结构形式对工作可靠性的影响;罗铭等[1]提出了基于抽象变量的冲击器参数线性设计方法;Li等[4]对电液控制系统进行了分析.

　　液压冲击器是一个多维非线性系统,工作时的过渡过程繁多、状态变化复杂,动态性能的研究较为困难,国内外相关研究也不多见.为分析冲击器的动态特性,实现冲击输出参数的优化匹配,有必要建立其计算仿真模型.文中针对基于数字控制的新型氮爆式液压冲击器,采用功率键图法,精确分析了冲击器的功率流分布形式,快速、准确地构建了冲击器计算模型.

　　1　氮爆式强制配流液压冲击器原理

　　按照配流方式,液压冲击器分为自配流型和强制配流型两大类.自配流型冲击器通过结构中的控制油路匹配来实现配流,强制配流型冲击器通过电信号方式控制配流阀,以实现油路的转换[4].

　　随着计算机技术的广泛运用,液压冲击器设计中出现了以数字开关控制来实现强制配流的新型氮爆式液压冲击器,其液压系统如图1所示.

　　氮爆式液压冲击器的工作原理如下:

　　(1)回程阶段

　　如图1(a)所示,压力变送器7将活塞处于打击点时的压力值传送给计算机,计算机分析处理后控制高速开关阀8、10运动到工作位置.锥阀Ⅱ控制腔通高压油,锥阀Ⅱ关闭,切断回油路17;锥阀Ⅰ控制腔接通回油油路,锥阀Ⅰ打开,冲击器前腔2与高压油源相连,活塞3在高压油作用下作回程运动,同时压缩氮气腔中的氮气使其压力升高,回油储油腔4向油箱排油.当氮气室中压力达到某一预先设定值时,计算机发出指令,高速开关阀10将锥阀Ⅰ控制腔连通高压油,锥阀Ⅰ关闭,切断高压油路,回程结束.