劉金麗， 郝慧斌， 李樹崗， 郝小剛， 張曉峰

（1.晉中學院 機械學院，山西 晉中030600；2 .潞安集團 余吾煤業(yè)公司，山西 長治046100）

0 引 言

目前，廣泛采用液壓鉆車進行煤礦、隧道和地下巖石開采工作。鑿巖機又是鉆車的重要工作部件，其內(nèi)部的沖壓活塞和導向套經(jīng)常由于液壓沖擊而發(fā)生氣蝕損壞，從而導致整臺鉆車停產(chǎn)。所以，了解液壓鑿巖機的工作原理，分析和解決鑿巖機的空穴和氣蝕問題對于鉆車的正常使用非常重要[1-4]。

1 液壓鑿巖機工作原理

液壓鑿巖機主要由沖擊和回轉(zhuǎn)裝置組成。如圖1所示為沖擊機構(gòu)。壓力油經(jīng)液動換向閥6的閥內(nèi)通道和油管到達活塞8的右腔，推動活塞向左產(chǎn)生沖擊。沖擊作用通過釬桿傳遞到釬頭，再使釬頭撞擊巖石產(chǎn)生沖擊。當活塞8的右側(cè)凸肩移動到主油路2的油口時，壓力油從主油路2通過控制油路流到換向閥6的右腔，油液推動閥芯左移，換向閥6換向。油液經(jīng)液動換向閥6和油管到達沖擊活塞8的左腔，使活塞向右退回。當沖擊活塞8的左側(cè)凸肩移動到主油路7的油口時，活塞左腔壓力油經(jīng)控制油路進入換向閥6左腔，閥芯右移換向，從而完成工作循環(huán)[5-8]。

圖1 鑿巖機沖擊機構(gòu)

鑿巖機旋轉(zhuǎn)裝置如圖2所示。壓力油使得液壓馬達1轉(zhuǎn)動，馬達1輸出的回轉(zhuǎn)運動通過軸2，經(jīng)過齒輪傳動帶動釬尾5轉(zhuǎn)動，最終將回轉(zhuǎn)運動傳遞給釬桿和釬頭[8-10]。

圖2 旋轉(zhuǎn)裝置

2 沖擊活塞和導向套的氣蝕現(xiàn)象

液壓鑿巖機在使用過程中，由于液壓缸內(nèi)部的油液不能及時填充，則缸內(nèi)就會產(chǎn)生真空。當缸內(nèi)壓力低于空氣分離壓力時，原來溶于液體中的氣體就會分離出來，形成大量氣泡。當壓力增大，氣泡又會破裂，產(chǎn)生的高溫和高壓會使沖擊活塞和導向套表面發(fā)生侵蝕和剝落，這就是氣蝕，會降低其使用壽命。沖擊活塞的制造精度高，強度和表面硬度較高，因此氣蝕的程度不嚴重，但是其表面粗糙度值變大，將會使得活塞在往復運動中摩擦阻力和能量損失增大，而且若粗糙表面一旦延伸到密封區(qū)域，將會增加機體泄漏，此時必須更換沖擊活塞。導向套一側(cè)的氣蝕現(xiàn)象非常嚴重, 所產(chǎn)生的雜質(zhì)會進入液壓系統(tǒng)，從而污染油液，加速液壓元件發(fā)生磨損，影響液壓系統(tǒng)的正常工作[9-11]。

3 數(shù)學模型

圖3為沖擊活塞結(jié)構(gòu)參數(shù)圖，取向右為正方向，圈出的1 為回程換向控制油口，2為液動換向閥右腔泄油孔，3為活塞泄漏回油孔，4為液動換向閥左腔泄油孔，5為沖程換向控制油口。沖擊活塞的動力學方程如下：

式中：mp為活塞的質(zhì)量，kg；xp為活塞的位移量，mm；Ff為摩擦力，N；Kp為黏阻力系數(shù)；A1為活塞前腔的有效作用面積，mm2；p1為活塞前腔的油液壓力，MPa；A2為活塞后腔的有效作用面積，mm2；p2為活塞后腔的油液壓力，MPa；ε為偏心率；μ為絕對黏度，kg/(m·s)；h1～h4是縫隙高度，mm；Lp1～Lp4為活塞不同位置與缸體產(chǎn)生的相對運動長度，mm；dp1～dp4為活塞不同位置的直徑，mm；f為密封與活塞的摩擦因數(shù)；b為密封寬度，mm；ζ為密封圈的壓縮系數(shù)。

圖3 沖擊活塞機構(gòu)參數(shù)

蓄能器的氣態(tài)方程為：

式中：PH為蓄能器壓力，MPa；VH為蓄能器內(nèi)氣體體積，L；QH為油液流量，L/min；VH0為蓄能器的初始氣體體積，L。

4 仿真分析

對液壓鑿巖機的沖擊機構(gòu)進行仿真分析，圖4為沖擊活塞前腔和后腔的壓力變化和活塞的運動速度曲線。在活塞回程制動的開始階段，后腔已接通了高壓油液，因而出現(xiàn)了壓力峰值，壓力達到21.5 MPa。由圖4可知，在回程換向階段和回程制動的初始階段，由于換向閥換向，沖擊液壓缸前腔已經(jīng)接通油箱回油，但是沖擊活塞在慣性力作用下還是處于回程狀態(tài)，這時前腔形成負壓可達-0.89 MPa，產(chǎn)生空穴，油液中的氣泡分離出來。當分離出的氣泡破裂，會產(chǎn)生沖擊壓力，從而沖擊活塞和導向套產(chǎn)生氣蝕破壞，掉落的銅屑會污染液壓油，并劃傷液壓元件低表面，降低零件的使用壽命[10-12]。

圖4 活塞前后腔壓力及活塞運動速度分析

5 減小氣蝕的措施研究

1）設置回油蓄能器。由上述分析可知，前腔負壓和壓力震蕩是產(chǎn)生導向套和活塞發(fā)生氣蝕的主要原因。圖5為在液壓鑿巖機上設計回油蓄能器后，其沖擊液壓缸前腔壓力仿真曲線。根據(jù)仿真結(jié)果，在系統(tǒng)中設置回油蓄能器之后，液壓缸前腔的負壓情況得到有效改善。所以，在液壓鑿巖機上加裝回油蓄能器可以有效解決前腔負壓問題，從而改善導向套和活塞的氣蝕程度。

圖5 增加回油蓄能器后活塞前腔壓力分析

2）檢查蓄能器。定期檢查蓄能器是否發(fā)生破壞，以及蓄能器內(nèi)的氣體壓力是否正常，這些因素都會導致導向套和沖擊活塞發(fā)生氣蝕破壞?？梢酝ㄟ^在蓄能器上安裝壓力傳感器來監(jiān)控其壓力是否正常。

3）改變導向套位置。如果沖擊活塞和導向套的內(nèi)部及導向面沒有發(fā)生破壞，只是在其端面上發(fā)生氣蝕，這樣就可以不必更換零件。氣蝕破壞一般只發(fā)生在導向套的一端，通過改變導向套的位置，有效避免這一端部產(chǎn)生更加嚴重的氣蝕破壞，在新的表面上產(chǎn)生氣蝕，從而延長導向套的使用壽命。

6 結(jié) 語

通過對沖擊活塞前、后腔的壓力變化進行仿真，得出活塞和導向套發(fā)生氣蝕的主要原因是在活塞回程制動階段，液壓鑿巖機的沖擊活塞前腔會產(chǎn)生負壓，從而使得沖擊活塞和導向套發(fā)生氣蝕。并對減小活塞和導向套氣蝕的方法進行了研究，通過仿真分析可知，在液壓系統(tǒng)上設置回油蓄能器可以改善活塞前腔負壓情況。并且，定期檢查蓄能器的壓力是否正常，改變導向套的位置等均可以有效防止氣蝕。