楊襄璧

（中南大學(xué)機電學(xué)院，湖南 長沙 410083）

近年來，液壓沖擊器（液壓錘）的國際和國內(nèi)市場均不甚景氣，至于液壓沖擊器方面的理論文章，更是少之又少，市場對理論研究的沖擊和影響是顯而易見的。

十年前筆者曾大膽地預(yù)言［1］：理論推演，預(yù)計在β 值分布的區(qū)域內(nèi)存在一個待開發(fā)區(qū)，那里將是新一代液壓沖擊器技朮創(chuàng)新和理論創(chuàng)新的主戰(zhàn)場。

β 值是什么？ 預(yù)言的理論基礎(chǔ)又是什么？ 預(yù)言的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如何？其結(jié)構(gòu)原理的技術(shù)進步與液壓沖擊器的發(fā)展的關(guān)系是怎樣的？這些問題都應(yīng)該給予科學(xué)的回答！

1 預(yù)言的理論基礎(chǔ)—《液壓沖擊器抽象變量設(shè)計理論》［2］

液壓沖擊器自問世以來，己經(jīng)經(jīng)歷了三個發(fā)展階段，即開發(fā)了三代產(chǎn)品：第1 代的全液式和第2 代的氣液式以及第3 代的氮氣（氮爆）式液壓沖擊器產(chǎn)品。 從技術(shù)上講，它們一代比一代更進步，性能不斷提高，更經(jīng)濟，更實用。 全液壓式液壓沖擊器在目前市場上己很少見，有被淘汰的趨勢。 氣液式液壓沖擊器，為目前市場上的主打產(chǎn)品。 而氮氣式液壓錘雖然在理論上，其技術(shù)性能先進，但由于還存在某些不足，其市場占有率不高。這主要表現(xiàn)在：它是前腔變壓式工作原理，活塞回程換向后，閥的工作不穩(wěn)定和要求的啟動軸推力過大，因而它的應(yīng)用范圍受到了限制。 為了克服氮氣（氮爆）式液壓錘的不足，中南大學(xué)機電工程學(xué)院，經(jīng)過多年努力己成功地研制了全新的新型氮氣（氮爆）式液壓錘。該機發(fā)揚了氮氣式液壓錘的諸多優(yōu)點，成功地克服了其不足，是具有自主知識產(chǎn)權(quán)的新一代液壓沖擊器創(chuàng)新產(chǎn)品。

分析液壓沖擊器的發(fā)展過程及其結(jié)構(gòu)特點，不難發(fā)現(xiàn)其中存在某些規(guī)律性的東西：

這就是活塞后腔與前腔的有效面積比—β，它與活塞的形狀和液壓沖擊器的技術(shù)性能有關(guān)。

液壓沖擊器抽象變量設(shè)計理論定義β 值為：

β＝A′1/A′2

式中 A′1——活塞后腔的有效面積

A′2——活塞前腔的有效面積

當(dāng)沖擊器的工作原理為前腔常壓時： A′1=A1-A2； 當(dāng)為雙面回油時：A′1=A1

式中 A1——后腔的實際面積

A2——前腔的實際面積

β 表達式雖然簡單， 可其中包含了液壓沖擊器的許多信息：如液壓沖擊器活塞的運動學(xué)和動力學(xué)、結(jié)構(gòu)特點、技術(shù)性能優(yōu)劣以及工作效率高低和開發(fā)者的設(shè)計意圖等。 因此，研究液壓沖擊器不能不了解和研究β 值這一既抽象又具體的概念。

從液壓沖擊器的發(fā)展過程可以看到，首先開發(fā)出的第一代，是全液壓式液壓沖擊器，這完全符合人們的認識規(guī)律。 當(dāng)時人們首先想到的是，沖程和回程全都用油推動活塞運動。但使用中卻發(fā)現(xiàn)這種工作原理的回油量大，且回油阻力相當(dāng)高， 影響沖擊活塞的沖擊速度和整機效率的提高。 繼而為了克服第一代的不足，又研制出第二代氣液式液壓沖擊器。 氣液式的特點是，活塞回程用油推動，而沖程則由油和氮氣聯(lián)合推動活塞做功。 氣液聯(lián)合做功，是液壓沖擊器發(fā)展中的一次飛躍和重要的創(chuàng)新。由于氣體的加入減小了做功的油量，也就是減小了回油阻力，并提高了機器的效率。至今性能更為先進的第三代氮氣式液壓沖擊器己經(jīng)問世，它索性把沖程推動活塞做功的油全部取消，只用氮氣推動活塞沖程做功。 這是液壓沖擊器的又一次發(fā)展和飛躍，實現(xiàn)了由油向氣的轉(zhuǎn)變。這樣，用氮氣完全取代了油液，又進一步減小了回油阻力，進一步提高了機器效率和技術(shù)性能。 隨著液壓沖擊器的技術(shù)進步，可明顯地看到， 推動活塞做功的氣體比重越來越高，而表征液壓沖擊器結(jié)構(gòu)特征的β 值則呈現(xiàn)一代比一代小的特點。 這個規(guī)律的揭示，對于人們更深刻、更全面地認識液壓沖擊器，有著非常重要的理論意義和實際使用價值。

從β 值的定義出發(fā)，進行推演可知：

（1） 當(dāng)活塞后腔的有效面積 A′1=A1即后腔的實際面積與有效面積相等， 且 A′2＝A2＝0 即前腔的有效面積等于零時，則 β = A′1/A′2＝（A1-A2） ／A2＝A1／0＝∞。 這是一個極端的情況，只有理論意義，沒有實際使用價值。

（2）當(dāng)活塞后腔的實際面積A1=2A2，即后腔的實際面積為前腔的實際面積的2 倍時， 則β=A′1/A′2＝（A1－A2） ／A2＝（2A2－A2） ／A2＝1。 活塞的這種結(jié)構(gòu)特點，沖擊器能夠正常運轉(zhuǎn)，是一個可行設(shè)計。

（3） 當(dāng)活塞后腔的有效面積 A′1=A1＝A2，即后腔的實際面積與前腔的實際面積相等， 且A′2＝A2， 即前腔的有效面積與實際面積相等時，則β=A′1/A′2＝（A1-A2） ／A2＝0/A2＝0。 這種極為特殊的活塞結(jié)構(gòu)，是氮氣（氮爆）式液壓沖擊器的典型結(jié)構(gòu)，它沖程時完全靠氮氣推動活塞，而回程用油推動活塞，并壓縮氮氣儲能。

（4）當(dāng)活塞后腔 A1＝0，A′2＝A2時，則 A′1＝0－A2；β＝－A2／A2＝－1。 顯然，這種結(jié)構(gòu)原理，是只有前腔沒有后腔（A1＝0）的那種結(jié)構(gòu)；沖程時活塞全靠氮氣推動，而回程則全靠油推動，壓縮氮氣儲能，于沖程時釋放，故也稱其為氮氣（氮爆）式。因此，所謂氮氣（氮爆）式，即活塞沖程全靠氮氣推動的那種結(jié)構(gòu)原理。

上述的4 種β 值都與活塞的特定結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，它們在β 值的存在區(qū)域上都只占有一個點，把β值的所有的點連接起來就是β 值的存在域。如下圖1 所示為β 值分布的全圖。

β 的分布：

圖1 β 值在其存在域上的分布圖

從圖1 可以看到，β 在其存在域中分布得很廣，并且任何一個點都與活塞的一個特定的結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，也就是代表一個具有獨特性能的液壓沖擊器設(shè)計。 在β 值分布的區(qū)域內(nèi)有無數(shù)多個點，也就是說有無數(shù)多個要求各異的液壓沖擊器設(shè)計，它們的結(jié)構(gòu)參數(shù)也完全不同，這就為實現(xiàn)液壓沖擊器的優(yōu)化設(shè)計［2］創(chuàng)造了條件。 當(dāng)然，由于對設(shè)計的優(yōu)化要求不同，β 值也將各不相同，也就是說在β 值的存在域上，有多個滿足各種優(yōu)化要求的點。

必須指出，所謂液壓沖擊器的設(shè)計，實際上就是選擇和決定一個活塞的后、前腔的有效面積比，優(yōu)選出一個β 值；并根據(jù)此值求得液壓沖擊器的全部結(jié)構(gòu)參數(shù)，如此而已。

β 的意義就在于：它的每一個值都代表一個設(shè)計。 它能表征活塞的結(jié)構(gòu)特征，也就是液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)特征。 β 值是無量綱的，它的數(shù)值太抽象， 故把β 值稱作液壓沖擊器的抽象設(shè)計變量，專門用來表征活塞的結(jié)構(gòu)特征。 用優(yōu)化處理（選擇）過的β 值，設(shè)計出來的液壓沖擊器，在技術(shù)上必然有許多優(yōu)秀的特征和技術(shù)性能，故設(shè)計可稱之為優(yōu)化設(shè)計。

2 三代液壓沖擊器的β 值，在其存在域上的分布

在β 值的存在域上，有幾個點必須引起我們的注意：

（a）β=∞，該點位于存在域的左側(cè)，是存在域的起點，該值只有理論意義，無使用價值；

（b）β=1， 該點位于存在域的中間偏左的位置，是一個可行設(shè)計，但不一定是優(yōu)化設(shè)計；

（c）β=0， 該點位于存在域的中間偏右的位置，是氮氣（氮爆）式液壓沖擊器的抽象設(shè)計變量，它在存在域上僅為一個點。 即該點只適合氮氣（氮爆）式液壓沖擊器；

（d）β=-1，該點位于存在域的最右側(cè)，是存在域的終點。該點所代表的液壓沖擊器結(jié)構(gòu)極為獨特，只有前腔沒有后腔（A1=0），是β 值的特殊點。 研究三代液壓沖擊器的β 值，其分布范圍大致為：

第一代全液壓式液壓沖擊器，β=1 ～∞；

第二代氣液式液壓沖擊器， β=0.4 ～ 2.8；

第三代氮氣式液壓沖擊器， β=0 ～ 1；

三代液壓沖擊器的β 值在其存在域的分布如圖2 所示。

β的分布：

圖2 已開發(fā)的三代液壓沖擊器β 值在其存在域的分布圖

在此必須指出， 在這些落點范圍內(nèi)的β 值，都只是一個可行設(shè)計。當(dāng)然其中也必然存在最優(yōu)化設(shè)計。因此，所謂液壓沖擊器（液壓錘）的設(shè)計，實際上就是選擇和確定一個最優(yōu)的β 值。

使用結(jié)構(gòu)抽象設(shè)計變量β，對于了解液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)特點非常方便。下面舉液壓沖擊器的實例進行說明（見圖3）。

例1：分析TOYO 舊機型液壓錘：活塞尺寸d1=130；d2=140；d3=145

有 β1=A′1/A′2=21.2/11.19=1.89

例2：分析TOYO 新機型液壓錘，活塞尺寸d1=135；d2=140；d3=145

有 β2=A′1/A′2=10.79/11.19=0.96

圖3 液壓沖擊器活塞結(jié)構(gòu)圖

新舊機型均屬氣液式，通過對上述兩例的比較可以看出，新機型的改進方向，是減小沖程有效面積 A′1而 A′2不變。從而減小了 β，即減小了沖程的耗油量和降低了回油阻力，提高了整機效率。 所以新機型優(yōu)于舊機型。

另外，比較兩者的β 值還能看出，新機型的β2=0.96 遠小于舊機型的 β1=1.89，即更接近 β 值的取值范圍的下限，性能較好。

例3 分析加拿大TB-700X 型液壓錘：活塞尺寸 d1=110 ；d2=118 ；d3=124.5 有 β3=A′1/A′2=14.36/12.38=1.16。 該機亦為氣液聯(lián)合式，β 值接近于其取值范圍的中間， 是一個優(yōu)化的設(shè)計，技術(shù)性能較佳。

例4 分析日本古河HD500 型液壓鑿巖機：活塞尺寸 d1=46.5；d2=53；d3=57.15；有 β4=A′1/A′2=5.08/3.59=1.42。 該機為全液壓式，β 值趨近其取值范圍的下限，是一個優(yōu)化的設(shè)計，技術(shù)性能較好。

例5 分析我國YYG90 型液壓鑿巖機：活塞尺寸 d1=39 ； d2=47； d3=50 有 β5=A′1/A′2=5.4／2.29=2.37。 該機為全液壓式，β 值趨近于取值范圍的下限， 但比HD500 型古河液壓鑿巖機的β值稍大， 這是優(yōu)化目標不同所致，YYG90 的優(yōu)化目標是減小油管的震動。 這兩型液壓鑿巖機，曾在我國二灘水電站工程施工中進行過比試，結(jié)果是：YYG90 型液壓鑿巖機運轉(zhuǎn)平穩(wěn)， 油管不振動，且壽命長；HD500 型古河液壓鑿巖機，開機后油管是又蹦又跳，損壞嚴重。此例說明，優(yōu)化目標不同，β 值是不一樣的。 但從節(jié)能的角度看，β 值越小越好！ 但一個產(chǎn)品的設(shè)計，還必須考慮其他的優(yōu)化目標，全面權(quán)衡。

例6 分析中南實驗樣機， 活塞尺寸d1=31；d2=31；d3=40 有 β6=A′1/A′2=0／5.01=0。 β=0 為典型的氮氣（氮爆）式液壓沖擊器，活塞的前、后腔的有效面積相等。 實驗表明：該機整個系統(tǒng)的沖擊效率達60%，證明了β 值小，沖擊效率高的理論判斷。

必須重申，效率高只是液壓沖擊器的一個優(yōu)化目標，還有其他的優(yōu)化目標，如蓄能器的容積最小、供油峰值流量最小、回油峰值流量最小、提高蓄能器隔膜壽命以及油管振動最小等……，設(shè)計時必須兼顧，選準要解決的主要問題，方能設(shè)計出性能優(yōu)秀的液壓沖擊器。

3 在β 存在域中尚有未開發(fā)的區(qū)域

把已開發(fā)的三代液壓沖擊器產(chǎn)品的β 值，放到其存在域中，不難發(fā)現(xiàn)它們幾乎占滿了β 值的存在域的大部， 只留下β=0～-1 的區(qū)間沒有產(chǎn)品問世，這區(qū)間筆者稱為待開發(fā)區(qū)。

研究β 值存在域己證明： 待開發(fā)區(qū)是存在的，它只是以前未被人們發(fā)現(xiàn)而已。 因此，筆者預(yù)計那里將是新一代液壓沖擊器技術(shù)創(chuàng)新和理論創(chuàng)新的主戰(zhàn)場。在β=0～-1 的區(qū)間，可以開發(fā)出許許多多的產(chǎn)品，但都只是可行設(shè)計，是否有產(chǎn)品化的價值還必須進一步研究。

經(jīng)筆者深入研究， 認為β=-1 的液壓沖擊器具有產(chǎn)品開發(fā)的應(yīng)用價值。該液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)特點，必然是單作用油缸式結(jié)構(gòu)，否則不能實現(xiàn)β=-1、也就是說，該產(chǎn)品必然是只有前腔，沒有后腔的柱塞式結(jié)構(gòu)，全靠前腔油壓回程，靠柱塞后端的氮氣壓力推動活塞沖程做功。

A′1=A1=0，即活塞沒有了后腔，變成了單作用油缸結(jié)構(gòu)。

β=-1 的液壓沖擊器有如下的優(yōu)點：

（1）液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)簡單（柱塞式結(jié)構(gòu)），缸體就是一個油缸筒，加工成本低。 這是沖擊器結(jié)構(gòu)的重大創(chuàng)新；

（2）可使用二位三通換向閥換向，缸、閥之間只需一個通道（因沒有后腔），這就為實現(xiàn)缸、閥分離結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件。 缸、閥分離，它們之間只有一條膠管聯(lián)系，則三通閥可布置在挖掘機的大臂上。液壓沖擊器實現(xiàn)缸、閥分離，也是一項結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。

（3）β=-1，是其存在域上 β 值最小的一個點，可實現(xiàn)液壓沖擊器系統(tǒng)效率為最高的一個優(yōu)化設(shè)計。

4 待開發(fā)區(qū)研究

前面已證明待開發(fā)區(qū)是存在的。 但是，是否真實存在， 還必須開發(fā)出液壓沖擊器的新結(jié)構(gòu)、新產(chǎn)品才能最終證明待開發(fā)區(qū)的真實性。 因此，待開發(fā)區(qū)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特征以及待開發(fā)區(qū)的性質(zhì)等都必須進行深入的研究。

筆者自提出‘待開發(fā)區(qū)'概念后，多年來，一直對此問題予以關(guān)注、研究。 現(xiàn)將對“待開發(fā)區(qū)”的一些初步認識介紹如下。

（1） 在 β 存在域上，β 值的變化是相當(dāng)驟烈的。 β 從‘∞'一路下來逐漸減小，經(jīng)過‘0'直至‘-1'。 因為β 是液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)的抽象設(shè)計變量，則液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)在β 存在域上的變化也必然是驟烈的。 也就是說，液壓沖擊器由于β 的不同，其結(jié)構(gòu)的差異也是相當(dāng)大的；

（2）以 β=0 為拐點，其左邊 β=‘+'；其右邊β=‘-'。β=0 的液壓沖擊器為氮爆（氣）式結(jié)構(gòu)，活塞兩端的承壓面積相等，即d1=d2，活塞的前、后腔直徑相等;

（3）在開發(fā)區(qū) β=∞～0 區(qū)間內(nèi)，因為 β=‘+'，則意味著活塞的后腔的實際面積一定大于前腔的實際面積，即 d1＜d2；而在 β=0～-1 區(qū)間，即待開發(fā)區(qū)內(nèi)的β 值皆為負，其活塞后腔的面積皆小于前腔的面積，即 d1＞d2；

（4）顯然，在 β=0 的兩側(cè)：將 β=‘+'的活塞圖像翻轉(zhuǎn) 180°，就變成了 β=‘-'的活塞圖像，反之亦然，互為映像。其實兩種活塞的作用是相同的，只是以往人們開發(fā)液壓沖擊器時帶有較大的盲目性，不知道還有一個待開發(fā)區(qū)存在，不知道利用待開發(fā)區(qū)開發(fā)新型的液壓沖擊器，其實待開發(fā)區(qū)的產(chǎn)品效率都是較高的。

兩種活塞互為映像，舉例：YYG90 國產(chǎn)液壓鑿巖機的活塞結(jié)構(gòu)圖如圖3 所示。

（1） 原設(shè)計：d1=39 ； d2=47； d3=50 有 β90=2.37，為典型的全液壓式液壓鑿巖機的活塞。

（2）映像設(shè)計：把上述活塞倒置，有：d1=47；d2=39； d3=50 ，有 β［-1］=-0.7，顯然該設(shè)計的液壓鑿巖機處于待開發(fā)區(qū)，證明了兩個活塞是可以互為映像的，也證明了待開發(fā)區(qū)是存在的，是可以被利用的。

上述表明，待開發(fā)區(qū)是存在的，是可以被利用的。采用β=-1 的結(jié)構(gòu)抽象設(shè)計變量，可設(shè)計出創(chuàng)新型的液壓沖擊器， 由于該沖擊器沒有后腔，則必然是柱塞式結(jié)構(gòu)。 在此基礎(chǔ)上，筆者提出了可以產(chǎn)品化的液壓沖擊器新方案——單管分體柱塞式信息化的液壓沖擊器。

該結(jié)構(gòu)方案創(chuàng)新之處有三：

（1）由于β=-1，表明沖擊器處于待開發(fā)區(qū)，并且活塞后腔的面積A1=0， 沖擊器必為柱塞式結(jié)構(gòu)；

（2） 因為是柱塞式結(jié)構(gòu)， 只有前腔沒有后腔，缸、 閥之間才有可能只用一條油管聯(lián)接， 故稱單（油）管式。 這在液壓沖擊器發(fā)展史上是一次創(chuàng)新；

（3）由于是單管，它為缸、閥分離創(chuàng)造了條件。 缸、閥分離的分體式液壓沖擊器也是一種結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新。

圖4 為單管分體柱塞式信息化液壓沖擊器原理圖， 此圖為一完整的液壓沖擊器創(chuàng)新方案。此圖可分為兩大部分：機械部分（β=-1 的液壓沖擊器結(jié)構(gòu)）—缸和閥；電控部分——電腦、控制器及高速開關(guān)閥、傳感器等。 由于本文的研究內(nèi)容，只涉及機械部分，因此，只閱讀機械部分即可與本文的文字部分對應(yīng)起來了， 電氣部分可不讀；有興趣了解液壓沖擊器整體創(chuàng)新方案的讀者可參閱［3］《鑿巖機械氣動工具》雜志 2013 年第四期第50～56 頁，從而對機械部分和電控部分有更深入、全面和系統(tǒng)的了解。

圖4 單管分體柱塞式信息化液壓沖擊器工作原理圖

5 結(jié)論

（1）對 β 的深入研究，更進一步證明“β 存在域”和“待開發(fā)區(qū)”是真實存在的。 在β 值的存在域上其值的變化非常大，β 從‘∞'一路下來逐漸減小，經(jīng)過‘0'直至‘-1'。 這表明，在 β 的存在域上液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)變化也是非常大的，活塞的前腔和后腔甚至均可變?yōu)椤?'；

（2）β=0 是個拐點， 在這一點上活塞兩腔的面積相等，是典型的氮（爆）式結(jié)構(gòu)；而在其兩側(cè)，活塞的外形則互為映像（β=‘+'，β=‘-'）；

（3）β=-1 是待開發(fā)區(qū)上的一個特殊的點，A1=0，即后腔面積為‘0'，沖擊器變成柱塞油缸式結(jié)構(gòu)；筆者堅信，按圖4 原理開發(fā)新產(chǎn)品—單管分體柱塞式信息化液壓沖擊器一定是可行的。

［1］ 羅銘，楊襄璧.液壓錘（沖擊器）的結(jié)構(gòu)特征與技術(shù)進步[J]，中國工程機械學(xué)報，2005（7）.

［2］楊襄璧，羅銘.液壓沖擊器抽象變量設(shè)計理論[J].鑿巖機械氣動工具，2012（2），2012（3）.

［3］楊襄璧.單管分體柱塞式液壓破碎錘[J].鑿巖機械氣動工具，2013（4）.