耿曉光，馬 飛，李葉林，馬 威，王順凱

GENG Xiao-guang, MA Fei, LI Ye-lin, MA Wei, WANG Shun-kai

（北京科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，北京 100083）

0 引言

液壓鑿巖機(jī)具有高效、節(jié)能、環(huán)保、操作方便和易于實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的適應(yīng)現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的趨勢(shì)和要求，所以被廣泛用于礦巖開(kāi)挖工程[1,2]。

液壓沖擊機(jī)構(gòu)是鑿巖機(jī)的核心，活塞在液壓油的作用下高頻往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)撞擊釬尾實(shí)現(xiàn)能量傳遞進(jìn)行破巖。對(duì)沖擊機(jī)構(gòu)的研究較多，按所建數(shù)學(xué)模型的不同分為線性模型仿真和非線性模型仿真兩大類，但在分析過(guò)程中均忽視了活塞撞擊釬尾后的回彈，而將回程初速度當(dāng)作零處理[3～5]。這將勢(shì)必影響結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，基于線性計(jì)算模型，考慮活塞回彈，分析其對(duì)鑿巖機(jī)性能參數(shù)的影響。

1 沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)和工作原理

圖1 沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)模型

以雙面回油型液壓鑿巖機(jī)為例，對(duì)其沖擊機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真分析，結(jié)構(gòu)模型如圖1所示?；钊诟左w內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)是在換向閥的配合下完成的。它在一個(gè)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可以分為四個(gè)階段：回程加速、回程減速、沖程加速和碰撞回彈。在回程加速階段，換向閥芯位于左位，高壓油進(jìn)入缸體前腔，活塞加速右移，后腔油液經(jīng)由換向閥流回油箱；當(dāng)活塞右移至左側(cè)信號(hào)孔打開(kāi)以后，信號(hào)油推動(dòng)換向閥芯右移，高壓油進(jìn)入缸體后腔，進(jìn)入回程減速階段，直到活塞停止；緊接著是活塞的沖程加速，如果設(shè)計(jì)合理，活塞將在右側(cè)信號(hào)油孔打開(kāi)，且換向閥執(zhí)行換向的同時(shí)撞擊釬尾；活塞和釬尾的碰撞過(guò)程極短，碰后活塞將回彈，即進(jìn)入回程加速階段[6,7]。

圖2 行程調(diào)節(jié)裝置

另外，為提高鑿巖機(jī)的適用性，沖擊機(jī)構(gòu)處配有行程調(diào)節(jié)裝置，如圖2所示。通過(guò)調(diào)節(jié)活塞的回程加速行程Sr1，改變鑿巖機(jī)的性能參數(shù)，進(jìn)而適應(yīng)不同性質(zhì)的巖石。

同非線性模型相比，線性模型仿真更加直觀、明了，能夠宏觀上描述沖擊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程和本質(zhì)關(guān)系，并且可以滿足工程需要[8]。另外，由于配備了高壓蓄能器，有效地減小了壓力脈動(dòng)，所以前后腔壓力近似不變。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，只要回油阻力系數(shù)和綜合阻力系數(shù)等經(jīng)驗(yàn)系數(shù)選取得當(dāng)，線性模型與非線性模型之間的誤差將會(huì)很小很小，所以此處選擇線性模型分析比較活塞的回彈對(duì)鑿巖機(jī)性能的影響[9]。

2 沖擊機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型

2.1 假設(shè)條件

從結(jié)構(gòu)模型到數(shù)學(xué)模型的轉(zhuǎn)化過(guò)程中，需作出以下假設(shè)：

1）油液不可壓縮；

2）運(yùn)動(dòng)過(guò)程中壓力恒定不變；

3）活塞和釬尾的碰撞瞬間完成，且沒(méi)有位移；

4）換向閥瞬時(shí)切換，且換向節(jié)點(diǎn)為信號(hào)油孔的軸線位置。

2.2 分階段建立數(shù)學(xué)模型

圖3 沖擊機(jī)構(gòu)的參數(shù)模型

基于上述假設(shè)，建立沖擊機(jī)構(gòu)的參數(shù)模型如圖3所示。下面以活塞為研究對(duì)象，建立其每個(gè)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。

1）回程加速階段

活塞在回程加速階段的初位移是與釬尾碰撞的位置，定義為零位置，且規(guī)定向后為正；初速度為與釬尾碰撞后的回彈速度。

建立活塞的運(yùn)動(dòng)方程如式（1）所示。

式中：

m為活塞的質(zhì)量；

x為活塞的位移；

P為沖擊進(jìn)油壓力；

P0為回油壓力；

Py為阻力油壓；

A1為活塞前腔作用面積；

A2為活塞后腔作用面積。

其中，k0為回油阻力系數(shù)，一般取0.06～0.12；ky為綜合阻力系數(shù)，一般取0.05～0.1。

2）回程減速階段

活塞的回程減速開(kāi)始于前側(cè)信號(hào)油孔的軸線位置；初速度為回程加速階段的末速度。

建立活塞的運(yùn)動(dòng)方程如式（6）所示。

在此過(guò)程中，活塞減速直到停止。

3）沖程加速階段

在回程減速終了后，立刻進(jìn)入活塞的沖程加速階段?；钊某跷灰茷榛爻虦p速停止的位置；初速度為0。

建立活塞的運(yùn)動(dòng)方程如式（7）所示。

在此過(guò)程中，活塞一直加速，直到和釬尾碰撞，即到達(dá)回程加速的初始位置（也即零位置）。

4）碰撞反彈階段

此過(guò)程在瞬間完成，所以忽略碰撞時(shí)間和活塞的微小位移，此處僅關(guān)注活塞速度的變化，即確定活塞的回彈速度。

文獻(xiàn)[10]基于應(yīng)力波理論，推導(dǎo)出了鑿巖機(jī)活塞的回彈判據(jù)和回彈速度公式。經(jīng)過(guò)計(jì)算，對(duì)于一般的液壓鑿巖機(jī)（特征參數(shù)控制在1～2之間），活塞的回彈速度在0～0.28vm范圍內(nèi)，即如式（8）所示。

式中：

V0為活塞的回彈速度；

vm為活塞沖程加速階段的末速度；

k為活塞回彈系數(shù)（0～0.28）。

2.3 結(jié)束語(yǔ)

上一節(jié)建立了活塞各個(gè)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)求解可以得到活塞一個(gè)周期內(nèi)的位移-曲線、速度-曲線以及鑿巖機(jī)的沖擊能和沖擊頻率。

鑿巖機(jī)沖擊能的計(jì)算公式如式（9）所示。

沖擊頻率的計(jì)算公式如式（10）所示。

式中：

tr1為活塞的回程加速時(shí)間；

tr2為活塞的回程減速時(shí)間；

tp為活塞的沖程加速時(shí)間。

3 動(dòng)態(tài)仿真

3.1 參數(shù)設(shè)置

為研究活塞回彈對(duì)鑿巖機(jī)性能參數(shù)的影響，前提是其結(jié)構(gòu)參數(shù)和輸入?yún)?shù)一定，下面將沖擊機(jī)構(gòu)的初始參數(shù)列入表1。

表1 沖擊機(jī)構(gòu)初始參數(shù)設(shè)置

3.2 仿真分析

3.2.1 鑿巖機(jī)處于低頻檔

首先分析鑿巖機(jī)處于低頻檔，即活塞的回程加速行程為26.5mm時(shí)，活塞回彈對(duì)沖擊機(jī)構(gòu)性能參數(shù)的影響。

圖4和圖5分別為活塞在一個(gè)周期內(nèi)的一組速度對(duì)比曲線和一組位移對(duì)比曲線。其中，回彈系數(shù)依次取0、0.1、0.2和0.28。另外，通過(guò)圖4和圖5，并結(jié)合式（9）、（10）還可求出不同回彈系數(shù)對(duì)應(yīng)的沖擊能和沖擊頻率，如表2所示。

圖4 活塞的速度對(duì)比曲線（低頻）

圖5 活塞的位移對(duì)比曲線（低頻）

表2 不同回彈系數(shù)對(duì)應(yīng)的沖擊能和沖擊頻率（低頻）

通過(guò)以上仿真結(jié)果可以看出：

1）活塞運(yùn)動(dòng)的總趨勢(shì)相同，且從圖4中可以看出，制動(dòng)減速階段的加速度大于沖程加速段，這是由于摩擦阻力、密封阻力和液壓卡緊力始終與運(yùn)動(dòng)方向相反。

2）隨著回彈系數(shù)的增大，活塞回程加速段所用時(shí)間逐漸減少，且回程加速的末速度逐漸增大。

3）回彈系數(shù)越大，活塞總位移越大，最大和最小相差約2mm；同時(shí)運(yùn)動(dòng)周期越短，最大和最小相差約3.5ms。

4）回彈系數(shù)越大，鑿巖機(jī)的沖擊能越大，并且沖擊頻率也越高。

3.2.2 鑿巖機(jī)處于高頻檔

同理，得到高頻檔時(shí)活塞的一組速度對(duì)比曲線和一組位移對(duì)比曲線，分別如圖6和圖7所示。不同回彈系數(shù)對(duì)應(yīng)的沖擊能和沖擊頻率如表3所示。

圖6 活塞的速度對(duì)比曲線（高頻）

圖7 活塞的位移對(duì)比曲線（高頻）

表3 不同回彈系數(shù)對(duì)應(yīng)的沖擊能和沖擊頻率（高頻）

通過(guò)分析看出，回彈系數(shù)對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)和鑿巖機(jī)性能的影響同低頻時(shí)相同。大的回彈系數(shù)對(duì)應(yīng)更高的沖擊頻率，并且沖擊能也越大。

4 結(jié)論

1）活塞的碰撞回彈會(huì)縮短其回程加速時(shí)間和整個(gè)運(yùn)動(dòng)周期，且總位移增大。反映到鑿巖機(jī)性能參數(shù)上則表現(xiàn)為沖擊頻率升高，且沖擊能也略有增長(zhǎng)。

2）無(wú)論是沖擊頻率的提高，還是沖擊能的增大，看似都有利于鑿巖機(jī)的破巖。但根據(jù)能量守恒定律，活塞的回彈恰好說(shuō)明鑿巖機(jī)的沖擊能沒(méi)有完全傳遞給巖石。所以在鑿巖機(jī)沖擊頻率足夠高的情況下，要通過(guò)合理設(shè)計(jì)來(lái)盡可能的減小活塞的回彈。

3）由于活塞回彈現(xiàn)象的客觀存在，在鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)和性能分析時(shí)都要予以考慮。

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