阀控缸液压振动系统动态性能分析

　　阀控缸液压振动系统是液压冲击器的简化原理结构模型.液压冲击器以流体为传递能量介质的阀控油缸系统,其工作过程服从流体运动和机械运动规律,且受多种因素的影响与制约,运动规律复杂,需用非线性数学模型进行分析[1].阀控对称缸系统具有优良的控制特性,在实际工作中得到了充分证明.但由于应用空间的限制,因此,近年来,阀控非对称缸系统的工程应用地位日趋显现.然而,阀控对称缸系统的数学模型和理论分析已较成熟,而阀控非对称缸系统数学模型一直还没有统一的完整表达.液压冲击器是一种具有位置反馈的阀控缸设备,广泛用于矿石和公路破碎等场合,而阀控缸正是液压冲击器的典型结构[5].本文以阀控缸为模型,通过建立活塞和阀芯运动的数学模型探讨其运动规律.

　　1　工作原理

　　图1为阀控缸液压振动系统的工作原理图.主要由冲击机构、配油机构以及连接它们的油道、管路构成.冲击机构由冲击活塞、氮气室和缸体组成,配油机构由配油阀阀芯和阀体组成.由于活塞运动速度不断变化[4],因此,液压冲击器所需要的高压油流量和排出流量也是不断变化的.

　　1.1　活塞回程运动

　　活塞和换向阀初始位置如图1(a)所示.此时,高压油进入活塞的前腔、活塞后腔通油箱.活塞在前腔高压油作用下向右运动,压缩氮气室中的氮气.在油口C处连通高压油之前,活塞作回程加速运动.活塞运动至油口C处连通高压油时,换向阀开始换向.活塞前后腔均连通高压油,但后腔作用面积大于前腔.当A2>A1,阀芯左移,高压油进入后腔;当A4>A3,活塞在前后油压差和氮气压力作用下,减速制动直至停止,回程结束,进入冲程.

　　1.2　活塞冲程运动

　　活塞和换向阀位置如图1(b)所示.活塞前后腔均连通高压油,形成差动回路,后腔作用面积大于前腔.在氮气室气体作用力和活塞前后腔液压油作用力下,活塞作冲程加速运动,直至活塞右腔通过油口C处.当A4>A3,活塞在前后油压差及氮气室压力作用下加速向左冲程[2];当信号孔与油箱连通时,换向阀右端也与油箱连通,阀芯右移,回到左位,冲程结束,开始新循环.

　　2　数学模型

　　在建立数学模型过程中,为了方便分析和解决问题,本文对系统中一些因素作如下假设:

　　1)氮气室气体变化视为绝热过程,气体不可压缩且无泄漏;

　　2)工作过程中,不考虑油液液流的损失,忽略温度变化和机械摩擦对油压的影响;

　　3)系统供油压力恒定,活塞运动和换向阀换向对压力没有影响;

　　4)不计活塞、阀芯重力作用,除液压油和氮气外,其余部分均为刚体.

　　根据上述假设条件及物体运动所必须遵守的牛顿第二定律、流体连续性原理,气体状态方程可以列出描述此冲击机构运动的微分方程,即得到该阀控缸系统的数学模型[7].