新型先导式液压冲击器系统的计算机仿真研究

　　随着液压技术的发展,液压冲击机械在社会各个行业中的应用越来越广泛,从最初的液压凿岩机和液压碎石机用于矿山岩石工程的钻孔作业与大块矿石的二次破碎,发展今天已用于开挖隧道、拆除路桥和建筑物、破碎沥青或混凝土路面以及清除冶炼炉渣和进行水下作业等。在建筑行业已开发出液压打桩机;在机械行业已出现了液压锻锤。由于液压冲击机械的应用范围的不断扩大和用量的不断增加,在国外已形成了一个重要的新技术产业。目前我国在液压冲击机械的研究和生产方面与国外比较还有较大的差距。液压冲击器是液压冲击机械的关键部件,它的好坏直接影响到液压冲击机械的技术性能。近年来,我们对液压冲击机械进行深入系统的研究[1~4],本文以笔者最新研制的新型先导式液压冲击器为例进行计算机仿真研究。

　　1　新型液压冲击器数学模型的建立

　　1. 1　新型液压冲击器的结构简化模型

　　图1表示新型压力反馈式液压冲击器简化后的结构模型。上部是活塞,下部是换向阀和先导阀。活塞的中间腔(P1)和换向阀的左腔(P3)是常压腔,P1=P3=P,而P2、P4分别是活塞和换向阀的控制压力。

　　图中符号说明如下:m1、m2、m3、m0分别为活塞、换向阀芯、先导阀芯、回油管油液质量; y1、y2、y3、y0分别为活塞、阀芯、回油管油液质心的位移;P0~P5分别为储油腔、活塞、换向阀、先导阀等各腔的油压;P为进油软管的入口压力。这里不计管路损失,看成是冲击机构的进口油压力;Pf为回油滤清器背压;Ph为高压蓄能器的工作压力;Pah为高压蓄能器的充气压力;A1、A2、A3分别为活塞前腔、后腔、储油腔工作面积;A4、A5分别为换向阀芯左右腔工作面积,A4=A5;A6为先导阀芯工作面积;A0、d0分别为回油管断面积与内径;di(i=1~11)为各圆柱密封面直径或油管直径;hi(i=1~11)为上述各圆柱密封面相应的径向间隙高度或油管长度; li(i=1~10)为上述各圆柱密封面相应的密封长度;Q为泵的供油油量(视为定值);Sr、Sd分别为活塞回程加速与回程减速行程;S为活塞行程;Shh、Shc分别为换向阀芯回程和冲程换向行程;Sx为先导阀的行程; Vh为高压蓄能器的气室容积;Vah为高压蓄能器的充气容积;Vk为进油管等高压油腔的容积(视为定值);Ke为油液体积弹性系数;KE为进油管及其中油液的表面体积弹性系数。

　　1. 2　液压冲击器系统的基本运动方程

　　由图1可知,新型压力反馈式冲击器主要由冲击机构、配流机构、高压着能器、回油储油腔以及连接它们的油道构成。冲击机构由冲击活塞和缸体组成,配油机构由换向阀阀芯和阀体以及先导阀等组成。液压冲击器是以流体为能量传递介质的阀控活塞系统,因而活塞的运动服从流体运动与机械运动的规律;同时活塞的一个工作循环是由回程加速阶段、回程制动阶段、冲程阶段和冲击接触停顿阶段所组成。活塞运动速度是不断变化的,因此,液压冲击器所需要的高压油流量和所排出的流量是不断变化的,而液压泵所提供的流量却可以认为是基本不变的,这样,蓄能器就始终处于排油或充油状态,其气腔体积不断变化,故液压冲击器高压腔、回油腔的压力始终是变化的。活塞的一个运动周期内,换向阀阀芯和先导阀阀芯往返运动各一次,两个阀芯的运动引起液压冲击器内部油流方向的突变,这就不可避免地会产生液压冲击,从而使高压腔、回油腔的压力在有规律地变化的同时产生高频波动。所以,冲击活塞所受到的作用力是非常复杂的,其运动规律自然就十分复杂,完全按实际情况建立液压冲击器的数学模型就很困难,为了分析和解决问题的方便,则作如下假设[1,2]:①在工作过程中油液温度处处一致;②油液的粘度不受压力的影响;③除蓄能器的隔膜外,所有元件均为绝对刚体;④蓄能器隔膜变形时无任何抗力且质量为零;⑤没有改变油泵的排量时,油泵的供油流量恒定不变;⑥先导阀的运动状态变化按开关量考虑;⑦蓄能器与氮气室的气变化为绝热过程;⑧油液中压力波的传递时间忽略不计。