液压冲击机构工作参数调节机理与控制策略

　　1 引言

　　随着液压技术的发展, 20世纪六七十年代诞生了利用高压液体作为传动介质的液压冲击机械,其典型代表有液压凿岩机、液压碎石机和液压破碎锤等,并广泛应用于冶金、矿山、公路、铁道、水电工程和工程建筑等工程领域,形成新的产业。不同种类的液压冲击机械可抽象出其主要内核---液压冲击机构,它们的工作原理基本相同,主要由冲击活塞、控制阀和蓄能器等基本部件组成,利用活塞前后腔压差的作用,使活塞高速往复运动,冲击工作对象对外做功。在不同的工况下,为了获得最优的工作效率,要求液压冲击机构能够适时地调节其工作参数(冲击能、冲击频率等)。目前国内外液压冲击机构普遍采用行程反馈原理(活塞行程可调)来调节工作参数。由于受结构的限制,在液压冲击机构缸体上设置回程信号反馈孔不可能太多(一般为3个),因此,这种工作原理只能实现液压冲击机构输出工作参数的有级调节,限制了设备工作范围的扩大和工作效率的提高[1]。针对这种情况,笔者提出了在液压冲击机构中设计行程无级调节装置,通过控制钎杆前端和活塞打击点的位置,改变对回程反馈信号孔的距离,实现活塞行程的连续调节,以改变无级控制液压冲击机构工作参数的新思路。同时,在不增加设备尺寸和功率的基础上,设计新型的液压控制系统,通过采用高速开关电磁阀PWM控制技术,实现液压冲击机构工作参数的无级调节控制。

　　2 设计原理

　　根据液压冲击机械系统的工作原理,由抽象设计变量理论[2],液压冲击机构工作时所遵循的规律---流量压力特性,可用下列关系式表示:

　　式中,Sj为活塞回程加速行程(m);为活塞回程换向行程(m);S为换向行程提前量(m);S为活塞行程(m);A为抽象设计变量(活塞冲程时间与活塞运动周期之比);P为工作压力(MPa);k为系数;m为活塞质量(kg);Q为液压冲击机构工作流量(m³/s);A1为活塞冲程有效作用面积(m²);N为冲击机构输出功率(kW);E为冲击能(J);f为冲击频率(Hz);为相应公式系数(冲击机构结构一定时均为常数)。

　　分析上述式(1)至式(7)可知,影响液压冲击机构工作参数的控制变量只有液压冲击机构工作流量Q和活塞回程加速行程Sj。当液压冲击机构档位一定(Sj为常数)时,工作参数的变化只取决于Q。采用行程反馈调节原理的液压冲击机构一般不超过3档(即设置3个回程反馈信号孔),其冲击能和冲击频率在调节过程中是同向变化的,而且调节范围很小,导致出现大装机容量低效率的不合理现象。为克服该缺点,根据文献[3,4],笔者选择恒压变量泵作为液压冲击机构的驱动能源。由式(4)至式(7)可知,液压冲击机构最终输出工作参数取决于工作压力P和活塞回程加速行程Sj;冲击能E与PSj的乘积成正比,而冲击频率f与P的平方根成正比,与Sj的平方根成反比。因此新型液压冲击机构的创新技术就在于设置了一个行程无级调节装置,该装置设置在冲击机构前部,如图1所示。