自配流型液压冲击器建模与仿真

　　液压冲击器以油液为介质,将压力能转换为动能,通过往复运动的活塞冲击钎杆进行能量传递,使工作对象(岩石等)发生位移、变形或破坏,最终达到冲击、破碎的工作目的。采矿、建筑行业中广泛使用的液压凿岩机、液压破碎锤、液压桩锤、液压冲击夯等设备均是利用液压冲击器来工作的。

　　尽管液压冲击器结构简单,但它属于一种比较特殊的液压机械。与一般液压机械相比,它具有如下突出特点^[1]:

　　(1)冲击器所有运动体工作时均始终处于加(减)速度高达几十甚至百倍于重力加速度的剧烈变速状态。

　　(2)其控制阀是具有高换向频率的开关控制阀,一般要求在1 ms~2 ms左右完成大开口流量的切换动作。

　　(3)液压冲击机构工作油压主要取决于惯性油压。一般情况下与外部负载,即被冲击对象的物理性质关系不大。

　　(4)冲击器中传动介质液体的流通状态属于变化剧烈的非恒定流动,流体流动产生的惯性压力也不可忽视。

　　(5)冲击活塞与配流阀之间的反馈控制不是确定的机械反馈控制,而是通过液体传递,活塞和阀之间的控制关系相对比较自由。

　　上述特点给液压冲击器的研究、设计和制造均带来一定难度。

　　液压冲击器按照配流方式可分为自配流和强制配流两大类。强制配流是通过电子信号等控制配流阀,以实现油路的转换。自配流则是通过冲击器结构中的控制油路匹配来实现配流的,常分为有阀型和无阀型两种方式^[2]。

　　1　自配流液压冲击器工作原理

　　经过长期研究和发展,前腔常压后腔回油的工作方式成为自配流型液压冲击器的主要形式,如图1所示,其工作原理如下:

　　液压源1输出的高压油一部分直接接入冲击活塞3的前腔和高压蓄能器2,另一部分为信号孔打开时,阀之液控腔通入的高压油。阀芯在差动力的作用下向右运动,使节流口Z1打开,Z2关闭,高压油通过节流口Z1流入活塞后腔,则活塞在差动力的作用下作减速和冲程运动,最后打击钎尾。在活塞打击钎尾之前信号空关闭,阀的液空腔卸压,阀芯在差动力的作用下向左运动,使节流口Z1关闭,Z2打开,活塞后腔与回油管路5相同,则活塞在强腔油压作用下作回程运动。在回程过程中,信号孔又被打开,整个系统重新又恢复到原来状态。这样的过程交替进行,从而实现系统的高频打击运动。

　　2　液压冲击器功率键图

　　键图-状态向量法是研究多种能量耦合系统特性的综合分析法,特别适用于多输入-多输出的非线性系统。在针对液压冲击器特性的研究中,采用此分析方法[3]建立起了自配流型液压冲击器的功率键图,如图2所示。它把各种不同类型的物理元件和物理过程归并为五种键图元件[4](能源、惯性、容性、阻性、变换器),完整地表示了自配流液压冲击器系统的功率分布网络。