液压冲击器回程运动和冲程运动仿真研究

　　0 引言

　　氮爆式液压冲击器作为一种新型的液压工程设备,广泛应用于矿山岩石的破碎、混泥土构件的拆毁等工程建设中,其结构简图与工作原理见图1。活塞顶部设置有氮气室,内充有高压氮气;活塞下腔由换向阀进行切换,回程加速时下腔通高压油,冲程时通回油;活塞上腔常通回油。活塞回程加速运动时,换向阀控制高压油进入活塞下腔,推动活塞上移,同时压缩活塞顶部氮气室里面的氮气,氮气压力上升,液压能转换为气压能而被存储;活塞冲程时,下腔的油路已被切换,从接通高压油转为与回油管接通,氮气室氮气压力作用于活塞顶部,氮气膨胀做功,活塞在氮气压力和重力的共同作用下,快速作冲程运动,同时氮气压力下降,直至活塞打击冲击器钢钎为止,又开始另一次回程运动。

　　计算机仿真是模拟系统实际工作情况和特性的一种重要手段。EASY5是一个工程仿真分析软件包,它是波音公司几十年工程实践的结晶,它可以用来建立动态系统模型并对其进行仿真分析。EASY5还包括了全套的控制系统分析和设计的工具,各个模块根据其性质的不同放在不同的模型库(Library)里,用户可以方便、迅速地选用自己所需的组件来搭建模型,无须用户自己编写代码,只需要将组件连接起来,修改其参数即可,另外, EASY5允许用户根据自己的特殊需要,通过FORTRON或C语言定义自己的模型库和组件,并可以被其他用户使用,可以说,EASY5具有其它软件无可比拟的强大功能。

　　MATLAB是一种面向科学与工程计算的高级语言,集科学计算、自动控制、信号处理、神经网络、动态仿真、优化设计、图像处理于一体的工程分析工具,广泛用于自动控制理论、数理统计、数字信号处理、时间序列分析、动态系统仿真等诸多领域。MATLAB中的Smi ulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包,它支持连续、离散及两者混合的线性、非线性系统和具有多种采样频率的系统。

　　本文分别使用EASY5和MATLAB两个软件对液压冲击器回程加速过程和冲程过程进行了仿真研究,从仿真结果中得出活塞加速度、速度与位移、冲击器前腔油压、氮气室氮气压力随运动时间变化的规律曲线,且都表明改变系统油泵供油量对回程加速运动活塞加速度和速度的峰值、回程时间、系统油压和氮气室氮气压力的变化速度都有影响,但不影响它们的变化规律,冲击器冲程运动与系统供油量几乎无关。

　　1 液压冲击器的数学模型

　　以图1所示的氮爆式液压冲击器的简化模型为例,建立液压冲击器回程加速过程与冲击过程的数学模型。本文将蓄能器和冲击活塞作为一个系统进行分析,由于活塞在运动过程中,系统油压和冲击器氮气室氮气压力相对于运动时间呈非线性关系。而影响系统油压的因素又是多方面的,考虑本文研究的氮爆式液压冲击器的实际情况,在求解动力学方程过程中,忽略了一些次要的、对系统工作影响甚微的因素。所以,提出以下假设: