液压冲击器性能气压测试法分析

　　1　问题的提出

　　液压冲击器是建筑、矿山、冶金、交通和市政等行业工程施工中常用的液压设备,其主要性能参数为冲击能和冲击频率。常用的液压冲击器性能参数测试方法有:应力波法、光电法、电磁法、触点法、高速摄影法、能量法和气压法等[1-6],但也有各自的应用限制条件。目前,国际上尚无统一的用于测定冲击器性能参数的试验方法标准。

　　气压法作为一种非接触测试方法已经在众多的气液联合型液压冲击器性能测试、实时控制中实际运用[7-8],其工作原理如图1所示。

　　检测时,冲击器活塞尾部安装在一密闭加压氮气腔中,活塞回程时压缩氮气腔使其气压增高,而冲程时气腔压力降低。活塞在密闭气腔中高速往复运动,导致气腔压力周期性变化。通过采集气腔压力,利用密闭气体绝热过程气态方程可推导活塞在各个气压采集点时的位置。通过微分运算可求出活塞速度,最终可计算出活塞在打击点时的冲击能[9]。

　　在气压法实际运用过程中,对于低频、小冲击能的液压冲击器,压力传感器可直接安装在冲击器气腔外壳上。对于大功率冲击器,若直接将压力传感器安装在机壳上,会出现因震动过大导致传感器损坏或信号传输线路故障等情况,使得检测过程无法完成。因此常采用将压力传感器通过软管与氮气腔联接的方法来解决,其测试系统如图2所示。但是采取此方法后,测试系统性能有所改变,影响冲击器的测试精度。

　　2　测压管道模型

　　大功率冲击器性能检测时,用于测量压力的传感系统带有一定长度的传压管,且传感器测量膜片前还有固定容积的腔室。这样,测试系统可简化成以传感器腔室为终端的理想流体管道,如图3所示。管道始端阻抗为纯阻抗Z0,终端阻抗为纯流阻Rl和纯流容Ck串联。传感器腔室体积为V,管道长为l。腔室长度与管长相比十分短,腔室可看作为集中流容。这样,管道终端阻抗Zl由管道纯流阻Rl和腔室纯流容Ck两部分线性叠加成,即,其中:Ck=。管道特性阻抗为Zc,Zc=ρa/A。

　　在工程实际系统中测压管道的始端和终端一般是完全放开的,即始端阻抗中纯阻抗Z0=0,终端阻抗Zl中纯流阻Rl=0,此时终端阻抗为Zl=。

　　3　气压测试系统谐振频率分析

　　冲击器工作时需要测量氮气腔瞬间压力的波形变化,特别是在活塞打击点附近。该变化的压力包含许多高次谐波,频谱复杂。当瞬态气压某一频率与传感系统固有频率一致时,传感系统产生谐振,此时传感系统的动态输出量远远超过其实际静态输出量,即对不同频率的瞬态压力,测压传感器不能按同一比例响应。因而大功率冲击器性能检测时,由于传感系统的传压管管道和测量膜片前腔室的存在,使得检测系统的可用工作频率范围缩小,测量动态误差增大。为了限制动态误差,有必要分析传压管及腔室参数对检测系统固有频率的影响,以达到优化传感系统几何尺寸,提高系统固有频率的目的。