畢曉鋒

摘要：本文為了更好解決液壓破碎錘的換向閥出現(xiàn)了空蝕的問題，利用有效的軟件構(gòu)建其仿真的模型，通過研究分析，了解并掌握好換向閥的運動軌道、活塞腔壓力變化曲線等問題，對空蝕的問題解決提供參考。

關(guān)鍵詞：液壓破碎錘;換向閥空蝕;問題

中圖分類號：TH137.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0062-02

0? 引言

液壓破碎錘通過高壓液壓油進(jìn)行工作，在性質(zhì)方面屬于液壓振動類的機(jī)械之一。其作用原理是通過閥控、體活塞系統(tǒng)兩者的配合、信息轉(zhuǎn)動，在缸體內(nèi)實現(xiàn)活塞反復(fù)、快速的運動，將液壓能有效轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能，實現(xiàn)打擊釬桿以及對外做功的效果。在實際過程過程中，為了可以讓液壓破碎錘在穩(wěn)定的工作狀態(tài)下工作，保持其性能，達(dá)到有效的工作效果，需要確保換向閥以及活塞之間的配合是有效、高效且良好的。

1? 換向閥存在的空蝕情況

當(dāng)液壓元件發(fā)生損壞之后，最常見的一種現(xiàn)象便是空蝕。液壓破碎錘有著非常大的流量，在不斷反復(fù)沖擊過程中，會進(jìn)一步突出存在的空蝕現(xiàn)象。換向閥若已發(fā)生損壞，可能出現(xiàn)麻坑、穿透的情況。而由于元件空心腐蝕，產(chǎn)生機(jī)械的星屑，這些粉末狀的屑末會和油液混合，之后隨著油液的軌跡不斷涌入至活塞腔的內(nèi)部，并在運行過程可能對活塞和缸體產(chǎn)生損壞，如粉末狀的屑末可能劃傷設(shè)備內(nèi)部[1]。

2? 液體破碎錘的發(fā)展?fàn)顩r

液體破碎錘又被稱之為碎石器，其發(fā)展基礎(chǔ)為風(fēng)動錘，動力源為液壓泵，工作介質(zhì)為液壓油。液壓能可有效轉(zhuǎn)換成為機(jī)械能，形成沖擊的作用，借用壓力進(jìn)行反復(fù)式的活塞運動，產(chǎn)生一定的驅(qū)動性。外輸能量以此達(dá)到完成工作的目的。當(dāng)前在冶金、礦山開采、國防施工、鐵路以及公路建設(shè)、建筑等當(dāng)中，對其使用非常廣泛，在1950年代末，便產(chǎn)生了液壓破碎錘，在施工工程當(dāng)中首先應(yīng)用，例如：對混凝土進(jìn)行振搗，在之后的發(fā)展中逐步進(jìn)入了采礦工業(yè)，主要的內(nèi)容為針對礦石實施二次破碎。和傳統(tǒng)爆炸法相比，該項機(jī)械破碎法可有效提高社會、經(jīng)濟(jì)效益。由于優(yōu)勢突出，發(fā)展快速，在這五十幾年的發(fā)展過程中，液壓破碎錘從一開始只有簡單功能的設(shè)備，變成了結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功能多樣的設(shè)備，并且在不斷發(fā)展中出現(xiàn)了各種形式的產(chǎn)品。目前的液壓破碎錘有著繁多的種類[2]。例如：日本AWA公司生產(chǎn)了14種液壓破碎錘，并且商家可以結(jié)合用戶提出的需求，開展有針對性的設(shè)計。

當(dāng)前對國外的系列液壓破碎錘優(yōu)勢開展研究分析，發(fā)現(xiàn)性能發(fā)展包括以下幾方面：

①有較大的沖擊能。沖擊器要保持量，其關(guān)鍵在于沖擊器對沖擊能最大限度的提升，這樣可有效提高破碎的效率。②有比較高的能量利用率。③容易更換部件和對其維修。④調(diào)節(jié)活塞，有效改變沖擊頻率和能力。這樣操作是通過參數(shù)調(diào)節(jié)實現(xiàn)，設(shè)定最有效的沖擊參數(shù)，適應(yīng)需破碎巖石硬度。⑤使用智能型的破碎沖擊器技術(shù)。結(jié)合之前打擊所產(chǎn)生的阻力來決定本次的輸出，連續(xù)控制沖擊能量，減少沖擊波共振及發(fā)熱的情況，有效減少哭聲，并拓展了釬具使用年限。

3? 工作原理分析：氣液聯(lián)合式液壓破碎錘

具體的工作結(jié)構(gòu)圖，如圖1所示。前腔常高壓、后腔變壓氣液聯(lián)合自配流式。其中，液壓破碎錘的構(gòu)成，主要包括沖擊活塞、缸體、換向閥、油管以及相應(yīng)的管路等。

活塞回程運動，高壓油從油口1進(jìn)入活塞的前腔，而設(shè)備中后腔和油箱是相互連通在一起的，此時借用高壓油的作用力回程運動受活塞的作用，不斷加速，壓縮后氮氣室氮氣存儲量，做好蓄能器儲油的工作。在控制油口出現(xiàn)活塞回程運動之后，高壓油會在信號孔油道中進(jìn)入，這時閥芯的兩端都會連通高壓油。有效推閥門面積的閥芯a端>b端，以高壓油的作用力，產(chǎn)生向下作用力，閥芯的活塞會在此時提升至回程的頂點。在閥芯轉(zhuǎn)向方向之后，在活塞后腔會有高壓油進(jìn)入。

在設(shè)計方面中，有效作用面積后腔>前腔，閥芯的加速沖程會以最大速度完成主要作用的是合力作用，這一合力來源于高壓油、后氮氣室產(chǎn)生的，對釬桿打擊，將沖技能輸出。當(dāng)活塞超越打擊點，由油口2、回油口導(dǎo)通控制，接通了油箱并通過閥門a排出，再次利用b端油壓作用，更加閥芯方向的改變，這樣活塞便會第一時間恢復(fù)到最初的回程狀態(tài)，步入到之后的打擊循環(huán)中，依次反復(fù)。

4? 采用AMESim針對液壓破碎錘液壓系統(tǒng)實時建模以及仿真

AMESim為客戶提供出的仿真建模環(huán)境非常理想，為時域建模環(huán)境，所以可以對圖形的平臺直接觀察，并在整個環(huán)境當(dāng)中，顯示仿真過程。為了直觀、系統(tǒng)、方便構(gòu)建系統(tǒng)，軟件為用戶提供了HCD液壓元件設(shè)計的數(shù)據(jù)庫，模型完成可對參數(shù)反復(fù)調(diào)適、修改，仿真運行起來也會十分快速、方便。

4.1 仿真模型建立

以系統(tǒng)為基礎(chǔ)假設(shè)，與液壓破碎錘的工作原理有機(jī)結(jié)合，可以達(dá)到系統(tǒng)優(yōu)化的目的。氣體、液體變化與模型有關(guān)，因此，模型建立時同時有對液體元件、氣動元件的數(shù)據(jù)庫，可以更好完成建立。并且需要注意，在模型建立時，充分考慮質(zhì)量較大的活塞，其重力也是重要的影響因素之一。

4.2 仿真結(jié)果與分析

在模型中，做好如下參數(shù)設(shè)置：機(jī)械轉(zhuǎn)速=1500r/min、定量泵排量=0.2L/r、信號孔內(nèi)？準(zhǔn)=10mm、仿真步長=0.001s、訪問時間=2s，模型運動后，可以得到相關(guān)的數(shù)據(jù)信息內(nèi)容，如圖2、圖3所示。

根據(jù)圖2研究、分析之后可以看出，壓力變化規(guī)律和后腔變壓式液壓破碎錘高低壓循環(huán)變換相關(guān)，放大低壓點局部可看出后腔出現(xiàn)了短時間的負(fù)壓（技術(shù)時間為5.3ms，負(fù)壓峰值-25kPa）。結(jié)果圖3可看出，當(dāng)換向閥關(guān)閉后，活塞未對釬桿打擊，而事實上，這個過程活塞實際已進(jìn)入打擊點（這意味著閥超出中位值），造成高壓油、活塞后腔一起在同個階段被關(guān)閉。打擊點活塞速度少量下降，由9.32m/s降低了0.11m/s，通過綜合考量可以得知，換向閥有提前轉(zhuǎn)向的情況，但提前換下，如果并不嚴(yán)重，換向閥并不能提供合理的開口量。

開口量較小情況下，活塞后腔需要有大量流量作為供應(yīng)使用。這樣就說明開口量較小時有大量流量通過的情況下，閥口流速會不斷增加，導(dǎo)致閥口壓力降低，氣穴產(chǎn)生。假設(shè)這個時候，存在嚴(yán)重提前換向的情況，換向閥直接進(jìn)入活塞后腔，切斷高壓油。此時，后腔油液填充由于無法及時進(jìn)行，吸空產(chǎn)生造成氣穴。換向閥內(nèi)部氣穴壓潰后，填充過程中壓力沖擊極大，無論哪種情況出現(xiàn)，在時間逐步增加之后，都會對閥壁表面造成破壞，進(jìn)而產(chǎn)生空蝕問題。

5? 改善問題的有效措施分析

換向閥換氣被提前則造成氣穴，產(chǎn)生空蝕。優(yōu)化修改仿真模型的參數(shù)，可以將沖程反饋口內(nèi)徑有效減少，進(jìn)而將換向閥存在的提前換向問題進(jìn)行消除。借助AMESim軟件，對功能分次處理，把原有10mm信號孔內(nèi)徑添加1mm補(bǔ)償，有效遞減，五次后即完成處理。結(jié)果如表1。

根據(jù)表1可看出，縮減信號孔內(nèi)徑換向閥開口量緩慢提高，從負(fù)變成為正開口，有效將后腔負(fù)壓值減少，同時保持的時間也有了明顯的縮短，活塞的速度也變成了最大速度。當(dāng)信號孔內(nèi)徑達(dá)到了7mm之后，我們發(fā)現(xiàn)活塞后腔內(nèi)的壓力是正數(shù)，且不再出現(xiàn)負(fù)壓。當(dāng)開口量=8mm時，開口量變?yōu)檎?，但是依然存在活塞后腔?fù)壓情況，便是典型的提前換向并不嚴(yán)重問題。此時，信號孔內(nèi)徑達(dá)到9mm以及10mm后，活塞提前換向問題反而會不斷加重，這一點需要引起注意。

減小信號孔內(nèi)徑雖然可有效解決換向閥、活塞后腔負(fù)壓以及氣穴的問題。但由于信號孔內(nèi)徑太小傳遞壓力的信號時間可能有所延長，造成換向閥的換向明顯落后，破碎錘打擊頻率過亂，并且明顯減少。為了使信號孔內(nèi)徑數(shù)值最為合理，需要結(jié)合仿真，先對參數(shù)進(jìn)行設(shè)定，本文設(shè)定的信號孔內(nèi)徑=6.5mm后進(jìn)行仿真實驗，腔壓力曲線、活塞速度對應(yīng)換向閥開口曲線一步一步優(yōu)化[3]。

通過優(yōu)化并對曲線圖進(jìn)行分析，再也未見出現(xiàn)活塞后腔負(fù)壓問題，最低壓力=0.75bar。分析活塞速度對應(yīng)換向閥開口量曲線后，未打擊活塞前，速度持續(xù)增加，提高到打擊點換向閥開口量大概是2.64mm。其中，產(chǎn)生的最大沖擊速率為9.43，對于改善之前，活塞打擊率的提升為5%。最后一步是進(jìn)行破碎錘的實際測試，在正常狀態(tài)的工作情況，再未見空蝕問題。

6? 結(jié)語

總之。其一，有效借用AMESim軟件可以說是比較精確的，對液壓破碎錘系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，設(shè)置科學(xué)的步長以及時間，可以充分、準(zhǔn)確顯示設(shè)備運動的特點;其二，在活塞工程當(dāng)中，造成氣穴控制的主要原因便是換向閥有氣穴空蝕;其三，對換向閥提前換向現(xiàn)象進(jìn)行改善的主要措施便是將信號孔內(nèi)直徑減小;其四，當(dāng)液壓破碎錘活塞到達(dá)極點時，換向閥需要對合適的開口給予保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]張立強(qiáng)，白云飛，周廣星，等.液壓破碎錘換向閥空蝕問題分析[J].液壓氣動與密封，2019，039（003）：40-43.

[2]許同樂，夏明堂.液壓破碎錘的發(fā)展與研究狀況[J].機(jī)械工程師，2005（06）：20-21.

[3]孔德飛.新型重力式液壓破碎錘的建模、仿真及優(yōu)化設(shè)計[D].2015.