無(wú)蓄能器型液壓沖擊機(jī)構(gòu)流量匹配關(guān)系研究碩士論文

1、<p>　　中圖分類(lèi)號(hào)：TH137.7學(xué)校代碼：10856</p><p>　　學(xué)號(hào)：M060109118</p><p>　　上海工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文</p><p>　　無(wú)蓄能器型液壓沖擊機(jī)構(gòu)</p><p><b>　　流量匹配關(guān)系研究</b></p><p>　　作者姓名

2、：高軍浩 指導(dǎo)教師：楊國(guó)平</p><p><b>　　業(yè)：車(chē)輛工程 </b></p><p>　　學(xué) 院：汽車(chē)工程學(xué)院 申請(qǐng)學(xué)位：工學(xué)碩士 完成時(shí)間：2011 年 12 月</p><p>　　評(píng) 閱 人 ： 張建武教授 柴曉冬教授</p><p>　　答辯委員會(huì) 主席：張建武教授</p><

3、p>　　成員：王巖松教授 柴曉冬教授</p><p>　　吳訓(xùn)成教授 徐兆坤教授</p><p>　　University Code：10856</p><p>　　Student ID:M060109118</p><p>　　STUDY ON FLOW MATCHING OF HYDRAULIC IMPACT MECHANISM W

4、ITHOUT ACCUMULATOR</p><p>　　Candidate: Junhao Gao</p><p>　　Supervisor: Guoping Yang</p><p>　　Major: Vehicle Engineering</p><p>　　Automotive Engineering College</p>

5、;<p>　　Shanghai University of Engineering Science</p><p>　　Shanghai, P.R. China</p><p>　　December, 2011</p><p><b>　　上海工程技術(shù)大學(xué)</b></p><p><b>　　學(xué)位

6、論文原創(chuàng)性聲明</b></p><p>　　本人鄭重聲明：所遞交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作 所取得的成果。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或集體已 經(jīng)發(fā)表或撰寫(xiě)過(guò)的作品成果。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中 以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。</p><p><b>　　學(xué)位論文作者簽

7、名：</b></p><p>　　日期： 年 月 日</p><p><b>　　上海工程技術(shù)大學(xué)</b></p><p>　　學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)</p><p>　　本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留</p><p>　　并向國(guó)家有關(guān)部門(mén)

8、或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人</p><p>　　授權(quán)上海工程技術(shù)大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢</p><p>　　索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密□，在 年解密后適用本授權(quán)書(shū)。</p><p><b>　　本學(xué)位論文屬于</b></p>

9、<p>　　不保密□。 （請(qǐng)?jiān)谝陨戏娇騼?nèi)打“√”）</p><p>　　學(xué)位論文作者簽名：指導(dǎo)教師簽名：</p><p>　　日期： 年 月 日日期： 年 月 日</p><p>　　無(wú)蓄能器型液壓沖擊機(jī)構(gòu)流量匹配關(guān)系研究</p><p><b>　　要 </b></p>&l

10、t;p>　　液壓沖擊機(jī)械是一種靠液壓驅(qū)動(dòng)使活塞獲得動(dòng)能，通過(guò)撞擊將巖石破碎的工程機(jī) 械。隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，液壓破碎錘、鑿巖機(jī)等沖擊機(jī)械的應(yīng)用越來(lái) 越廣泛。而液壓沖擊機(jī)構(gòu)是這些高速大功率沖擊機(jī)械的共同且核心的部分。面對(duì)世界 范圍的石油緊缺，工程機(jī)械必將朝著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。目前，液壓沖擊機(jī)械多數(shù) 裝配在挖掘機(jī)上，由本來(lái)給鏟斗油缸供油的泵給沖擊機(jī)構(gòu)供油。這種方式并未考慮到 沖擊機(jī)構(gòu)活塞速度變化十分劇烈的工作特點(diǎn)，因此不

11、是最節(jié)能高效的匹配方式。對(duì)于 帶蓄能器的液壓沖擊機(jī)構(gòu)，蓄能器在沖擊機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中起到適時(shí)吸收或釋放油液的 作用。相關(guān)文獻(xiàn)表明，即使不配置蓄能器，沖擊機(jī)構(gòu)的沖擊能與帶蓄能器時(shí)相比只有 微小降低。再加上蓄能器價(jià)格昂貴、壽命低等因素，取消蓄能器成為沖擊機(jī)械的發(fā)展 趨勢(shì)。因此，本文以無(wú)蓄能器型液壓沖擊機(jī)構(gòu)為研究對(duì)象，以輸出的沖擊能最大為主 要目標(biāo)，探討液壓泵與沖擊機(jī)構(gòu)的最佳匹配方式。</p><p>　　本文將無(wú)蓄能器型

12、液壓沖擊機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程分為 5 個(gè)階段，在深入分析工作原理 的基礎(chǔ)上，建立了沖擊機(jī)構(gòu)活塞、氮?dú)馐?、換向閥芯等元件的動(dòng)力學(xué)方程及液壓油路 的油液平衡方程。在 Matlab 中對(duì)簡(jiǎn)化的模型進(jìn)行了求解，得出了活塞速度變化趨勢(shì) 及所需流量變化趨勢(shì)。</p><p>　　在沖擊機(jī)構(gòu)非線性數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用 AMESim 軟件結(jié)合功率鍵合圖思想 建立了沖擊機(jī)構(gòu)的活塞-缸體、氮?dú)馐?、換向閥、變量泵的仿真模型，按照實(shí)際物理

13、結(jié)構(gòu)組合成完整模型。將實(shí)測(cè)圖紙得到的參數(shù)代入仿真模型進(jìn)行仿真，得到了不同流</p><p>　　量大小和恒流、恒壓、恒功率三種供油方式下的沖擊性能曲線。通過(guò)仿真曲線的對(duì)比</p><p>　　分析，得出了“恒壓泵為沖擊機(jī)構(gòu)的最佳供油方式，供油量越大沖擊能越大”的結(jié)論。</p><p>　　為獲得反映沖擊機(jī)構(gòu)性能的沖擊能、沖擊頻率等數(shù)據(jù)，本文設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器<

14、/p><p>　　的測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)軟件由 LabVIEW 語(yǔ)言編寫(xiě)，硬件由傳感器、NI 公司的數(shù)據(jù)采</p><p>　　集卡等組成。應(yīng)用設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)對(duì)沖擊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了不同流量大小下的性能測(cè)試，獲</p><p>　　取了液壓系統(tǒng)壓力、流量、活塞速度、沖擊能、沖擊頻率等數(shù)據(jù)的變化曲線，證明了</p><p><b>　　I</

15、b></p><p><b>　　仿真得出的結(jié)論。</b></p><p>　　本文的研究成果對(duì)現(xiàn)有沖擊機(jī)構(gòu)的選型、節(jié)能高效沖擊機(jī)構(gòu)的開(kāi)發(fā)有一定的指導(dǎo)</p><p><b>　　意義。</b></p><p>　　關(guān)鍵詞：沖擊機(jī)構(gòu)，流量匹配，AMESim，LabVIEW，性能測(cè)試</p

16、><p><b>　　II</b></p><p>　　STUDY ON FLOW MATCHING OF</p><p>　　HYDRAULIC IMPACT MECHANISM</p><p>　　WITHOUT ACCUMULATOR</p><p><b>　　ABSTRACT<

17、;/b></p><p>　　Hydraulic impact machinery is a kind of construction machinery whose kinetic energy is from hydraulic and is used to crash rocks. With the expansion of country’s infrastructure, impact machi

18、nery such as hydraulic breaker and rock drill is applied more widely. Hydraulic impact mechanism is the common core part of these high speed and power machinerys. Facing with oil shortage wordwide, construction machinery

19、 will develop towards energy saving and environmental protection. At present, most impact </p><p>　　The work process of impact mechanism is divided into five stages. After deep analysis of work principle, ki

20、netic equations of piston, Nitrogen chamber and directional valve spool, and flow balance equation are established. Simplified models are solved in Matlab and the trends of piston velocity and required flow rate are obta

21、ined.</p><p>　　Based on non-linear mathematical model of impact machinery and combined with Power Bond Graph points, simulation models of cylinder-body, Nitrogen chamber, directional valve and variable pump

22、are established in the software AMESim. Then a complete model is combined according to the actual physical structure. With the true parameters from drawings set into the model, the simulation is carried out. Performance&

23、lt;/p><p><b>　　III</b></p><p>　　curves under conditions of variable flow rate, constant flow pump, constant pressure pump and constant power pump are obtained. Through comparative analy

24、sis of curves, the conclusion that constant pressure pump is the best oil supply way and that impact energy grows as flow rate increases is obtained.</p><p>　　In order to get the data of impact energy and im

25、pact frequency, a performance test system is designed based on Virtual Instrument Technology. The software for test system is programmed in LabVIEW and hardware consists of sensors, NI acquisition card etc. The system is

26、 applied into the performance test under different flow rates, showing the curves of pressure, flow rate, velocity of piston, impact energy and impact frequency. Through comparative analysis of those curves, the conclusi

27、on got from </p><p>　　The research can provide guidance for selecting pump for existing impact mechanisms and designing energy efficient ones.</p><p>　　KEY WORDS：impact mechanism, flow matching,

28、 AMESim, LabVIEW, performance test</p><p><b>　　IV</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　V</b></p><p><b>　　VI</b></p>

29、<p><b>　　VII</b></p><p>　　上海工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒 論</p><p><b>　　第一章 緒 論</b></p><p>　　液壓沖擊機(jī)械是一類(lèi)應(yīng)用液壓驅(qū)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)能量傳遞的工程機(jī)械，廣泛應(yīng)用于各類(lèi)</p><p>　　拆除施工、基礎(chǔ)建設(shè)、

30、道路和市政施工、礦山破碎、資源回收等場(chǎng)合。</p><p>　　1.1 液壓沖擊機(jī)械的發(fā)展</p><p>　　沖擊是一種運(yùn)動(dòng)物體撞擊目標(biāo)物，進(jìn)而造成目標(biāo)變形或破壞的物理現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)沖</p><p>　　擊最關(guān)鍵的就是使運(yùn)動(dòng)物體獲得足夠的動(dòng)能。在人類(lèi)改造自然的歷史進(jìn)程中，為了獲</p><p>　　得足夠的動(dòng)能和連續(xù)沖擊，人類(lèi)先后發(fā)明了手工、

31、蒸汽、氣動(dòng)、液壓四種做功方式。</p><p>　　1813 年，英國(guó)人理查德·特里維錫科首先發(fā)明了以蒸汽為動(dòng)力的沖擊式鑿巖機(jī)，將</p><p>　　人類(lèi)從繁重的手工開(kāi)鑿中解放出來(lái)。1844 年，英國(guó)人布隆頓發(fā)明了一種以壓縮空氣 為動(dòng)力的鑿巖機(jī)[1]。由于壓縮液體比壓縮氣體的能量密度大得多，20 世紀(jì)初有人嘗試 將液壓技術(shù)應(yīng)用于鑿巖機(jī)。20 世紀(jì) 20 年代，英國(guó)人多爾曼制成第

32、一臺(tái)液壓鑿巖機(jī)[2]，</p><p>　　但受當(dāng)時(shí)工業(yè)水平和液壓技術(shù)的限制，未能用于生產(chǎn)。1963 年德國(guó)克虜伯公司提出</p><p>　　第一份液壓沖擊機(jī)械的專(zhuān)利，并在 1967 年的漢諾威展會(huì)上推出第一臺(tái)液壓破碎錘 HM400[3]。1970 年法國(guó)蒙塔貝特公司研制成功世界上第一臺(tái)實(shí)用的液壓鑿巖機(jī) H50，</p><p>　　將其裝配到液壓鉆車(chē)上用于鉆孔。

33、與傳統(tǒng)的氣動(dòng)沖擊機(jī)械相比，液壓沖擊機(jī)械具有能 耗低、效率高、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)[4]，因而在礦業(yè)開(kāi)采、道路建設(shè)中得到廣泛應(yīng)</p><p>　　用，世界各國(guó)掀起研制液壓沖擊機(jī)械的高潮。在之后的 30 年里，先后出現(xiàn)了瑞典阿</p><p>　　特拉斯科普柯(Atlas-Copco)、法國(guó)蒙塔貝特(Montabert)、芬蘭銳猛(Rammer)、日本古 河(Furukara)、日本東空(T

34、OKU)、美國(guó)卡特(CAT)、美國(guó)史丹利(STANLEY)、德國(guó)克</p><p>　　虜伯(Krupp)、韓國(guó)水山(SOOSAN)、韓國(guó)工兵(GB)等 30 多家沖擊機(jī)械生產(chǎn)廠家，推 出了數(shù)百個(gè)型號(hào)的沖擊機(jī)械產(chǎn)品，在世界范圍內(nèi)形成了一門(mén)新興產(chǎn)業(yè)[5]。</p><p>　　液壓沖擊機(jī)械在我國(guó)的發(fā)展起始于 20 世紀(jì) 70 年代中期。當(dāng)時(shí)，中南工業(yè)大學(xué)、</p><p&

35、gt;　　長(zhǎng)沙礦冶研究院、天水風(fēng)動(dòng)工具廠、沈陽(yáng)風(fēng)動(dòng)工具廠、煤炭科學(xué)院建井研究所、北京</p><p>　　鋼鐵學(xué)院等機(jī)構(gòu)在引進(jìn)國(guó)外產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化研究。1980 年由長(zhǎng)沙礦冶研究</p><p>　　院、株洲東方工具廠等單位研制成功我國(guó)第一臺(tái)液壓鑿巖機(jī) YYG80, 裝配于 CGJ2Y</p><p>　　型全液壓鉆車(chē)上，在湘東鎢礦進(jìn)行了工業(yè)試驗(yàn)并通過(guò)了部級(jí)技

36、術(shù)鑒定。1984 年，由</p><p><b>　　第 1 頁(yè)</b></p><p>　　上海工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒 論</p><p>　　長(zhǎng)沙礦冶研究院等單位研制的 SYD-400 型液墊式液壓碎石沖擊器和北京科技大學(xué)研</p><p>　　制的 YS-5000 型液壓碎石沖擊器相繼通過(guò)了冶金部的技

37、術(shù)鑒定。至 90 年代末, 我國(guó)</p><p>　　先后有 YYG80、TYYG20、YYGJ145 (仿 Cop1038H) 、YYG90A 等十二種機(jī)型通過(guò)</p><p>　　了技術(shù)鑒定。不過(guò)，在國(guó)外品牌大量涌進(jìn)的情況下，這些產(chǎn)品在市場(chǎng)上生存艱難，很</p><p>　　多單位放棄了沖擊機(jī)械的研制工作，僅有中南大學(xué)等少數(shù)機(jī)構(gòu)一直從事著沖擊機(jī)械的</p&

38、gt;<p>　　研究。進(jìn)入 21 世紀(jì)，面對(duì)迅速擴(kuò)張的沖擊機(jī)械需求，國(guó)內(nèi)出現(xiàn)了很多液壓沖擊機(jī)械</p><p>　　生產(chǎn)企業(yè)。這些企業(yè)多數(shù)從國(guó)外進(jìn)口活塞、閥芯等核心零件，自己加工錘體，然后貼</p><p>　　上自己的商標(biāo)投放市場(chǎng)，真正進(jìn)行沖擊機(jī)械國(guó)產(chǎn)化研究的僅有馬鞍山驚天液壓公司、</p><p>　　湖南山河智能公司等少數(shù)企業(yè)。驚天液壓公司成立

39、于 2001 年，曾是安徽工業(yè)大學(xué)的</p><p>　　校辦企業(yè)，現(xiàn)在能夠獨(dú)立生產(chǎn)破碎錘的全套零件，包括高精度的活塞和閥芯。其科研 團(tuán)隊(duì)[6]曾對(duì)沖擊機(jī)械的結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行了深入總結(jié)和分析。山河智能成立于 1999 年，</p><p>　　由中南大學(xué)的何清華等人創(chuàng)立，目前是一家生產(chǎn)多種工程機(jī)械產(chǎn)品的高科技企業(yè)。驚</p><p>　　天推出的 GT 系列氣液聯(lián)合式破

40、碎錘和拆除機(jī)器人、湖南山河智能公司的 SWB 系列</p><p>　　破碎錘就是國(guó)產(chǎn)沖擊機(jī)械的優(yōu)秀代表。不過(guò)國(guó)內(nèi)沖擊機(jī)械市場(chǎng)仍被德、美、日、韓等</p><p>　　國(guó)的產(chǎn)品占據(jù)，其中韓國(guó)品牌最多，接近 70%的份額。</p><p>　　如今，液壓沖擊機(jī)械已經(jīng)發(fā)展出很多子類(lèi)型，如液壓鑿巖機(jī)、液壓破碎錘、鑿巖</p><p>　　機(jī)器人等。

41、圖 1-1 展示了三種典型的沖擊機(jī)械外觀。其中液壓破碎錘應(yīng)用最為廣泛。</p><p>　　按液壓破碎錘機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)的定義，液壓破碎錘是以液壓為動(dòng)力源，直接或間接驅(qū)動(dòng)活塞 往復(fù)運(yùn)動(dòng)，靠活塞沖程時(shí)的動(dòng)能沖擊釬桿，對(duì)物體產(chǎn)生破碎作用的機(jī)械設(shè)備[7]。</p><p>　　隨著世界范圍內(nèi)石油資源緊缺和環(huán)境污染的加劇，液壓沖擊機(jī)械也朝著大功率、</p><p>　　智能化、高效

42、率、節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。如阿特拉斯科普柯推出的 Cop4050 重型鑿</p><p>　　巖機(jī)，沖擊功率可達(dá) 40KW，推出的 HB20000 型破碎錘重 40t，以大功率和高效率著</p><p><b>　　稱(chēng)[8]。</b></p><p>　　目前，我國(guó)正處于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)的高峰期，對(duì)沖擊破碎作業(yè)的需求</p>

43、<p>　　很大。沖擊機(jī)械通常與挖掘機(jī)配套，因此挖掘機(jī)的迅猛增長(zhǎng)也強(qiáng)烈促進(jìn)了沖擊機(jī)械市</p><p>　　場(chǎng)的擴(kuò)張。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止 2010 年底，全國(guó)破碎錘銷(xiāo)售約 50000 臺(tái)，并且每年以 200%</p><p>　　的速度增長(zhǎng)。據(jù)相關(guān)部門(mén)預(yù)計(jì)，3 年內(nèi)國(guó)內(nèi)液壓破碎錘生產(chǎn)能力將達(dá)到 5 萬(wàn)臺(tái)[9]。因</p><p>　　此對(duì)液壓沖擊機(jī)械及應(yīng)用中的

44、各種問(wèn)題進(jìn)行深入研究很有重要意義。</p><p><b>　　第 2 頁(yè)</b></p><p>　　上海工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒 論</p><p>　　圖 1-1 三種典型沖擊機(jī)械</p><p>　　Fig. 1-1 Three typical impact machines</p>&

45、lt;p>　　1.2 液壓沖擊機(jī)構(gòu)的研究現(xiàn)狀</p><p>　　沖擊機(jī)構(gòu)是各類(lèi)沖擊機(jī)械的核心部分。三十多年來(lái)，世界上對(duì)液壓沖擊機(jī)構(gòu)的研</p><p>　　究工作蓬勃開(kāi)展，形成了多個(gè)相關(guān)的研究領(lǐng)域。</p><p>　　1.2.1 沖擊機(jī)構(gòu)建模與仿真研究</p><p>　　在深入分析液壓沖擊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律基礎(chǔ)上，應(yīng)用牛頓第二定

46、律和流體連</p><p>　　續(xù)性方程建立沖擊機(jī)構(gòu)的線性模型和非線性模型，應(yīng)用先進(jìn)的仿真工具建立沖擊機(jī)構(gòu)</p><p>　　的仿真模型并進(jìn)行求解可以深入了解機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。中南大學(xué)、北京科技大學(xué)等單</p><p>　　位的很多學(xué)者在這方面得出了一些有價(jià)值的研究成果。 地質(zhì)礦產(chǎn)部勘探技術(shù)研究所的張佳文[10]采用等加速模型確定了沖擊器的性能、結(jié)</p>

47、;<p>　　構(gòu)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)，建立了活塞運(yùn)動(dòng)的變加速模型，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行了修正，計(jì)算結(jié)果更符 合實(shí)際工況。長(zhǎng)沙礦山研究院的李望生[11]探討了液壓碎石器幾個(gè)主要參數(shù)的確定原則，</p><p>　　得出了沖錘細(xì)長(zhǎng)比取6~7，氮?dú)馐覊嚎s比取1.2~1.3，前后腔面積比取1 為最佳的觀點(diǎn)， 對(duì)新產(chǎn)品的實(shí)測(cè)證明了觀點(diǎn)的正確性。大連理工大學(xué)田樹(shù)軍[12]建立了沖擊器的功率鍵 合圖模型。太原科技大學(xué)的李永堂[13

48、]應(yīng)用灰箱建模法的大系統(tǒng)觀點(diǎn)，建立了液壓錘元</p><p>　　件的子模型，按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和約束條件構(gòu)建大系統(tǒng)模型，自行編制了仿真軟件進(jìn)行了求 解。意大利萊切大學(xué)的 Giuffrida[14]建立了液壓破碎錘參數(shù)詳盡的模型，全面討論了活</p><p>　　塞的動(dòng)態(tài)行為，認(rèn)為以平均流量輸入代替真實(shí)流量輸入，輸出的結(jié)果一致。中南大學(xué) 何清華教授[15]將沖擊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分為 12 個(gè)狀態(tài)，建立了

49、機(jī)構(gòu)的非線性數(shù)學(xué)模型，提</p><p>　　出了 PUA 準(zhǔn)勻加速度數(shù)值計(jì)算方法，應(yīng)用 VB 語(yǔ)言編制了仿真計(jì)算軟件，得出了多 個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律。北京科技大學(xué)周志鴻[16]建立了液壓錘的功率鍵合圖模型，得到了</p><p><b>　　第 3 頁(yè)</b></p><p>　　上海工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒 論</p>

50、<p>　　與實(shí)驗(yàn)相符的仿真結(jié)果。中南大學(xué)鄒湘伏[17]分析了活塞與閥芯間的運(yùn)動(dòng)匹配關(guān)系，建 立了閥芯運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型，仿真結(jié)果表明閥芯宜采用正開(kāi)口的形式。趙宏強(qiáng)[18]得出了氣 液聯(lián)合式破碎錘沖程階段氣液做功比為 0.3~0.5 時(shí)沖擊能最大的結(jié)論。楊務(wù)茲[19~20]應(yīng)</p><p>　　用 Simulink/state flow 模塊建立了沖擊器在有、無(wú)蓄能器下的仿真模型，認(rèn)為無(wú)蓄能</p&

51、gt;<p>　　器時(shí)油液壓縮性和高壓膠管的膨脹性產(chǎn)生的補(bǔ)償流量提供了活塞所需的峰值流量。山 東理工大學(xué)的許同樂(lè)[21~22]采用 Delphi 語(yǔ)言編寫(xiě)了破碎錘仿真軟件并對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行 求解，還應(yīng)用 Simulink 建立了破碎錘的仿真模型。浙江大學(xué)的吳萬(wàn)榮[23]應(yīng)用 AMESim</p><p>　　軟件建立了高速開(kāi)關(guān)閥控制的數(shù)字式液壓沖擊器仿真模型。上海交通大學(xué)的范思源[24]</p&

52、gt;<p>　　利用 ADAMS 和 Matlab 對(duì)沖擊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了仿真。安徽工業(yè)大學(xué)的葉興海、徐必勇等 [25~26]利用子空間狀態(tài)辨識(shí)方法對(duì)破碎錘進(jìn)行了仿真研究，應(yīng)用 Simulink/stateflow 建</p><p>　　立了新型動(dòng)壓反饋式?jīng)_擊器的數(shù)學(xué)模型，得到了多個(gè)參數(shù)的變化曲線。長(zhǎng)安大學(xué)的李 曉寧[27]建立了液壓破碎錘 AMESim 仿真模型。華南理工大學(xué)的丁問(wèn)司[28]基于功率

53、鍵 合圖，對(duì)自配流型沖擊器進(jìn)行了 AMESim 環(huán)境下的建模仿真。中南大學(xué)李候清[29]應(yīng)</p><p>　　用 AMESim 建立了重型鑿巖機(jī)的仿真模型，獲得了符合實(shí)驗(yàn)結(jié)果的仿真曲線。</p><p>　　1.2.2 沖擊機(jī)構(gòu)控制系統(tǒng)研究</p><p>　　液壓沖擊機(jī)構(gòu)的活塞實(shí)現(xiàn)往復(fù)運(yùn)動(dòng)需要換向閥職能位置的切換改變高、低壓油的</p><p

54、>　　流向，反過(guò)來(lái)活塞位移變化又切換了進(jìn)出換向閥的油液流向。活塞、換向閥構(gòu)成了相</p><p>　　互控制的關(guān)系。因此，合理地設(shè)計(jì)控制方式和參數(shù)是提高沖擊性能必須考慮的問(wèn)題。 中南大學(xué)胡均平[30]對(duì)液壓鑿巖機(jī)恒功率自動(dòng)換擋理論進(jìn)行了研究，提出利用沖擊 壓力變化控制換擋的方案。楊襄壁[31~32]認(rèn)為回程加速行程一定時(shí)，沖擊能與流量的</p><p>　　平方成正比，并且研究了四種

55、形式變量泵驅(qū)動(dòng)的多檔液壓鑿巖機(jī)的沖擊能調(diào)節(jié)特性和 適用場(chǎng)合。丁問(wèn)思[33~35]基于壓力反饋原理設(shè)計(jì)了一種能無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)沖擊能和沖擊頻率</p><p>　　的液壓碎石器，用系統(tǒng)壓力控制高速開(kāi)關(guān)閥進(jìn)而控制插裝閥的開(kāi)啟最終實(shí)現(xiàn)調(diào)頻調(diào)能；</p><p>　　基于壓力反饋原理將氮?dú)馐覊毫ψ鞣答佇盘?hào)送到計(jì)算機(jī)進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)閥、插裝閥，研 制出碎石器 DBS-500。楊國(guó)平[36~39]在其博士論文中提

56、出一種全液壓獨(dú)立無(wú)級(jí)調(diào)頻調(diào)</p><p>　　能的液壓沖擊器，將系統(tǒng)壓力與先導(dǎo)閥設(shè)定的控制壓力比較進(jìn)而控制主換向閥的換向，</p><p>　　實(shí)現(xiàn)壓力調(diào)節(jié)；控制壓力控制變量泵的排量實(shí)現(xiàn)流量控制；對(duì)先導(dǎo)式配流閥的動(dòng)特性 進(jìn)行了研究；對(duì)緩沖機(jī)構(gòu)的自適應(yīng)控制進(jìn)行了研究。湖南工程學(xué)院黃麓升[40]介紹了基</p><p><b>　　第 4 頁(yè)</b&g

57、t;</p><p>　　上海工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒 論</p><p>　　于單片機(jī)的壓力反饋的氮爆式液壓沖擊器控制系統(tǒng)軟硬件組成。丁問(wèn)思[41]應(yīng)用波動(dòng)力 學(xué)對(duì)活塞沖擊反彈過(guò)程進(jìn)行研究，得出了反彈速度的高低與巖石性質(zhì)有關(guān)；據(jù)此設(shè)計(jì) 了沖擊器的模糊控制系統(tǒng)。中南大學(xué)劉忠[42]在其博士論文中設(shè)計(jì)了一種變行程調(diào)節(jié)機(jī) 構(gòu)，提出了以高速開(kāi)關(guān)閥為核心的電液控制系統(tǒng)。吳萬(wàn)榮[43]設(shè)

58、計(jì)了基于單片機(jī)的氮?dú)?壓力反饋式?jīng)_擊器的控制系統(tǒng)。中南大學(xué)的張新[44]將模糊控制策略引入液壓沖擊器控 制系統(tǒng)，對(duì)沖擊能和沖擊頻率兩個(gè)輸出參數(shù)實(shí)現(xiàn)了控制。劉忠[45~47]通過(guò)控制釬桿與 活塞撞點(diǎn)的位置改變信號(hào)孔的距離，實(shí)現(xiàn)了行程的連續(xù)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)。蘭州理工大學(xué)的羅 生梅[48]采用壓力反饋原理，論述了全液壓獨(dú)立無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)沖擊能和頻率的控制系統(tǒng)。丁 問(wèn)思[49]提出柔性液壓沖擊系統(tǒng)。上海交通大學(xué)的林紅[50]提出了高速開(kāi)關(guān)閥作先導(dǎo)閥、 二通插

59、裝閥作控制閥的配流換向系統(tǒng)，并研究了調(diào)頻調(diào)能特性。柴睿[51]提出了以氮?dú)?lt;/p><p>　　腔壓力作反饋壓力的控制系統(tǒng)，引入模糊控制策略，在單片機(jī)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。土耳其</p><p>　　Eskisehir Osmangazi 大學(xué)的Iphar Melih[52]將自適應(yīng)神經(jīng)模糊推斷運(yùn)用于預(yù)測(cè)打擊速度。 湖南師范大學(xué)的彭金艷[53]提出一種無(wú)閥自配流氣液聯(lián)合做功式?jīng)_擊器，對(duì)氣液做功比&l

60、t;/p><p>　　進(jìn)行了優(yōu)化，最后建立了以氮?dú)馐覊毫榉答佇盘?hào)的電液控制系統(tǒng)。</p><p>　　1.2.3 沖擊性能測(cè)試方法研究</p><p>　　沖擊機(jī)構(gòu)工作過(guò)程中的壓力、流量、沖擊頻率和沖擊能等參數(shù)是評(píng)價(jià)沖擊機(jī)構(gòu)優(yōu)</p><p>　　劣的關(guān)鍵參量。因此，沖擊性能測(cè)試研究也是一個(gè)主要方向。 煤科總院北京建井研究所的郭孝先[54]總結(jié)

61、了應(yīng)力波法、末速度法的缺點(diǎn)后，指出</p><p>　　了光電位移微分法與液壓模擬受沖系統(tǒng)結(jié)合的優(yōu)越性。中南大學(xué)郭勇[55]設(shè)計(jì)了縮流取 壓式瞬態(tài)流量計(jì)，獲得了活塞沖程末流量最大的結(jié)論。丁問(wèn)思[56~58]提出沖擊能和沖</p><p>　　擊頻率測(cè)量的氣壓法，設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)的測(cè)試程序；通過(guò)建立氣壓管道傳感系統(tǒng)無(wú)</p><p>　　損模型，探討了傳壓管對(duì)氮?dú)鉁y(cè)量

62、的影響，認(rèn)為應(yīng)縮短管長(zhǎng)以提高管道固有頻率。中 南大學(xué)的陳欠根[59]針對(duì)氮爆式液壓破碎錘測(cè)量信號(hào)非平穩(wěn)時(shí)變的特點(diǎn)進(jìn)行了小波分 析處理，得到了可讀性更強(qiáng)的測(cè)試信號(hào)。北京科技大學(xué)周志鴻[60]準(zhǔn)確定義了液壓破碎</p><p>　　錘的沖擊能，分析比較了沖擊能檢測(cè)的末速度法、示功法、應(yīng)力波法、機(jī)械測(cè)量法、 氮?dú)馐覊毫y(cè)量法 5 種方法，并認(rèn)為應(yīng)力波法是最好的方法。葉小華[61~62]以 NI 采集</p>

63、<p>　　卡、LabVIEW 語(yǔ)言為工具，實(shí)現(xiàn)了氮?dú)馐覊毫y(cè)試法，設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器的測(cè)試 系統(tǒng)。郭新強(qiáng)[63]以單片機(jī)、VB 語(yǔ)言為工具，將氮?dú)馐覊毫y(cè)試法付諸實(shí)踐，設(shè)計(jì)了</p><p><b>　　第 5 頁(yè)</b></p><p>　　上海工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒 論</p><p>　　氮爆式液壓破碎錘性能

64、測(cè)試系統(tǒng)。韓國(guó) Park, JW[64]介紹了破碎錘沖擊能測(cè)試的 AEM</p><p>　　法及其實(shí)驗(yàn)平臺(tái)組成。</p><p>　　1.2.4 釬桿碰撞動(dòng)力學(xué)研究</p><p>　　湘潭礦業(yè)學(xué)院的劉德順[65]應(yīng)用波動(dòng)力學(xué)理論，提出了活塞回彈判據(jù)和回彈速度計(jì) 算公式，為沖擊式鑿巖機(jī)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。浙江大學(xué)的張新[66]設(shè)計(jì)了一種能自動(dòng)識(shí) 別工作介質(zhì)物理特性的

65、反彈緩沖機(jī)構(gòu)，并進(jìn)行了仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。中南大學(xué)趙宏 強(qiáng)[67]設(shè)計(jì)了一種防反彈緩沖裝置來(lái)吸收反彈沖擊能量，建立了裝置的動(dòng)力學(xué)模型。北 京科技大學(xué)高麗穩(wěn)[68]應(yīng)用一維波動(dòng)力學(xué)理論和有限元軟件 ANSYS 對(duì)活塞強(qiáng)度進(jìn)行 了分析。武漢科技大學(xué)謝良喜[69]建立了活塞沖程階段的力學(xué)模型，應(yīng)用有限元法獲得 了活塞撞擊時(shí)的應(yīng)力云圖和關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力曲線。中南大學(xué)的王長(zhǎng)春[70]應(yīng)用波動(dòng)力學(xué)理 論研究了釬桿接頭能量傳遞特性。安徽建筑工業(yè)學(xué)院黃磊[

66、71]應(yīng)用有限元軟件 Algor</p><p>　　對(duì)活塞和釬桿的端部沖擊特性進(jìn)行了分析。韓國(guó)亞洲大學(xué)的 Kim B.-S[72]設(shè)計(jì)了一個(gè)</p><p>　　隔振墊來(lái)降低破碎錘噪聲和振動(dòng)，通過(guò)噪聲測(cè)試和聲學(xué)分析證明了改進(jìn)后的效果。</p><p>　　1.2.5 蓄能器和管道的研究</p><p>　　蓄能器和管道為沖擊機(jī)構(gòu)的柔性運(yùn)動(dòng)部

67、件，其動(dòng)特性對(duì)沖擊性能有一定影響。日 本秋田國(guó)家技術(shù)學(xué)院的 Takahashi[73]對(duì)蓄能器的行為進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，得出了打擊速 度隨蓄能器容積增大、充氣壓力增大而增大的結(jié)論，并求得了速度的飽和值。浙江大 學(xué)孫樹(shù)禮[74]充分考慮了管道的液阻、液容性質(zhì)，建立了回油管道的功率鍵合圖模型和 狀態(tài)空間模型。中南大學(xué)高雙峰[75]以無(wú)蓄能器的液壓沖擊器為研究對(duì)象，建立了高壓</p><p>　　管道的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，

68、仿真模型表明無(wú)蓄能器下沖擊能和沖擊頻率稍有下降；</p><p>　　研究了膠管參數(shù)對(duì)性能的影響，得到了增大膠管長(zhǎng)度和內(nèi)徑能增大沖擊能但降低沖擊 頻率的觀點(diǎn)。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)許勤[76]通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了進(jìn)油口管徑對(duì)沖擊壓力和流量的影</p><p>　　響，認(rèn)為管徑越小，壓力脈動(dòng)越大，流量脈動(dòng)越小。</p><p>　　1.2.6 潤(rùn)滑與密封的研究</p>

69、<p>　　工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)通常要求沖擊機(jī)構(gòu)對(duì)巖石進(jìn)行連續(xù)打擊，由于溫升等因素，沖擊機(jī)構(gòu)經(jīng)</p><p>　　常潤(rùn)滑不良、泄漏嚴(yán)重，污染了環(huán)境。因此在追求綠色節(jié)能環(huán)保的今天，進(jìn)行潤(rùn)滑與</p><p>　　密封的研究也很必要。</p><p><b>　　第 6 頁(yè)</b></p><p>　　上海工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)

70、位論文第一章 緒 論</p><p>　　煤科院上海分院的陳民[77]介紹了鑿巖機(jī)活塞密封的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。株洲工學(xué)院 的廖建勇[78]建立了鑿巖機(jī)活塞泄漏量計(jì)算公式，分析了活塞前后腔封油長(zhǎng)度比對(duì)泄漏 量的影響。北京電子科技職業(yè)學(xué)院的王京[79]對(duì)改造后的密封結(jié)構(gòu)進(jìn)行了沖擊性能試驗(yàn)、 油溫試驗(yàn)和摩擦阻力試驗(yàn)。上海工程技術(shù)大學(xué)的楊國(guó)平[80]對(duì)液壓破碎錘的泄漏原因和</p><p>　　排

71、除措施進(jìn)行了研究。</p><p>　　1.3 液壓沖擊機(jī)構(gòu)的研究方法</p><p>　　液壓沖擊機(jī)構(gòu)是由沖擊活塞、換向閥芯、蓄能器等組成的往復(fù)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。工作過(guò)</p><p>　　程中，各部件的運(yùn)動(dòng)參數(shù)必然和其受力狀態(tài)有關(guān)。因此，根據(jù)力學(xué)定律建立活塞、閥</p><p>　　芯等部件的數(shù)學(xué)模型和仿真模型，是可靠的研究方法。仿真后的結(jié)果需要

72、實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，</p><p>　　于是人們又發(fā)展了液壓沖擊機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究方法。</p><p>　　1.3.1 建模與仿真的方法</p><p>　　描述沖擊機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的數(shù)學(xué)模型按考察層次不同分為線性模型和非線</p><p>　　性模型，按表現(xiàn)形式的不同又可以分為微分方程模型、傳遞函數(shù)和方框圖模型、狀態(tài)</p><

73、;p>　　空間模型、功率鍵合圖模型等。</p><p>　　沖擊機(jī)構(gòu)的三個(gè)運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律從本質(zhì)上說(shuō)是非線性的。線性模型研究方法</p><p>　　就是將非線性的規(guī)律線性化或者忽略某些非線性因素的影響，然后建立一個(gè)描述運(yùn)動(dòng)</p><p>　　的簡(jiǎn)單方程組。線性模型的研究建立在“油壓恒定不變”的假設(shè)基礎(chǔ)上。這一假設(shè)來(lái)</p><p>

74、;　　源于前蘇聯(lián)學(xué)者 О.Д.Апимов 和 С.А.басов 提出的“在保證沖擊速度為給定值的情況</p><p>　　下，油壓完全均等的壓力控制是效率最高的控制方式”這一觀點(diǎn)。在此基礎(chǔ)上，人們</p><p>　　對(duì)沖擊機(jī)構(gòu)進(jìn)行了大量的研究。這些研究工作的共同點(diǎn)是，用無(wú)量綱的設(shè)計(jì)變量建立</p><p>　　起一維目標(biāo)函數(shù)，然后對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。如前蘇聯(lián)學(xué)

75、者提出峰值推力最小的設(shè)計(jì)</p><p>　　方案，北京科技大學(xué)李大冶教授提出最優(yōu)行程設(shè)計(jì)思想，中南工業(yè)大學(xué)楊襄壁教授提</p><p>　　出著名的“抽象設(shè)計(jì)變量法”等。線性研究方法因簡(jiǎn)明易懂、計(jì)算簡(jiǎn)單，在沖擊機(jī)構(gòu)</p><p>　　的初期研究中得到廣泛應(yīng)用。但線性模型的方法忽略了一些非線性因素，必然導(dǎo)致很</p><p>　　多細(xì)節(jié)問(wèn)題

76、不能被如實(shí)反映出來(lái)。于是人們嘗試建立沖擊機(jī)構(gòu)的非線性數(shù)學(xué)模型。上</p><p>　　世紀(jì) 70 年代初，國(guó)外就有人將非線性模型和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)的研</p><p>　　究。1976 年，日本學(xué)者槌極口正雄提出了液壓沖擊機(jī)構(gòu)的非線性數(shù)學(xué)模型。1980 年，</p><p>　　中南工業(yè)大學(xué)的何清華教授使用狀態(tài)切換法建立了全面的數(shù)學(xué)模型，提出了“準(zhǔn)勻加

77、</p><p><b>　　第 7 頁(yè)</b></p><p>　　上海工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒 論</p><p>　　速度法（PUA 法）”，并對(duì)狀態(tài)切換之間的誤差進(jìn)行了修正。</p><p>　　由于非線性的數(shù)學(xué)模型必須借助先進(jìn)的計(jì)算機(jī)仿真軟件才能求解，研究人員又開(kāi)</p><p&

78、gt;　　發(fā)了一些液壓系統(tǒng)仿真軟件如 AMESim，DSHplus 等，用于建立液壓系統(tǒng)仿真模型。</p><p>　　因此，根據(jù)數(shù)學(xué)模型建立仿真模型也是十分重要的研究手段。</p><p>　　1.3.2 實(shí)驗(yàn)研究的方法</p><p>　　對(duì)數(shù)學(xué)模型和仿真模型求解后的結(jié)果是建立在一些模型假設(shè)基礎(chǔ)上的理論結(jié)果。</p><p>　　模型正確

79、與否還需要實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。于是，人們探討了液壓沖擊機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究方法。</p><p>　　液壓沖擊機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)是建立液壓沖擊機(jī)構(gòu)性能測(cè)試系統(tǒng)，測(cè)取液壓系統(tǒng)的一</p><p>　　些性能參數(shù)，如油壓、流量、活塞運(yùn)動(dòng)速度等。一般的測(cè)試系統(tǒng)都由被測(cè)對(duì)象、傳感</p><p>　　器、信號(hào)調(diào)理設(shè)備、采集設(shè)備、計(jì)算機(jī)及測(cè)試程序組成。已經(jīng)得到應(yīng)用的測(cè)試方法有</p&

80、gt;<p>　　末速度法、示功法、應(yīng)力波法、氣壓法、AEM 法等。近年來(lái)，又有人將虛擬儀器技</p><p>　　術(shù)應(yīng)用于沖擊機(jī)構(gòu)性能參數(shù)測(cè)試。這種技術(shù)用軟件算法代替硬件線路，功能完全由用</p><p>　　戶定義，便于對(duì)眾多參數(shù)同時(shí)進(jìn)行分析處理。</p><p>　　1.4 本文研究?jī)?nèi)容和研究意義</p><p>　　1.

81、4.1 研究?jī)?nèi)容</p><p>　　本課題來(lái)源于國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(50975169)“智能液壓沖擊器若干基礎(chǔ)理論</p><p>　　與關(guān)鍵技術(shù)研究”。研究建立在實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備和多年的數(shù)據(jù)積累基礎(chǔ)上。本文要完</p><p><b>　　成的主要內(nèi)容有：</b></p><p>　　液壓沖擊機(jī)構(gòu)工作原理分析。以某品

82、牌液壓破碎錘為研究對(duì)象，深入分析此 類(lèi)無(wú)蓄能器型液壓沖擊機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，包括沖擊活塞、換向閥芯的運(yùn)動(dòng)速度和受 力狀態(tài)的關(guān)系，活塞與閥芯運(yùn)動(dòng)的相互控制關(guān)系等。 </p><p>　　建立液壓沖擊機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型和仿真模型。在分析工作原理和幾何結(jié)構(gòu)的基 礎(chǔ)上，應(yīng)用牛頓力學(xué)定律、流量連續(xù)性方程等建立沖擊機(jī)構(gòu)各運(yùn)動(dòng)階段的數(shù)學(xué)模型。 包括活塞的動(dòng)力學(xué)方程、閥芯的動(dòng)力學(xué)方程及各腔室的流量方程等。然后應(yīng)用先進(jìn)的 多領(lǐng)域仿真軟件

83、 AMESim 建立恒流、恒壓、恒功率三種供油方式下的沖擊機(jī)構(gòu)的仿 真模型，通過(guò)理論和仿真計(jì)算得到?jīng)_擊機(jī)構(gòu)的壓力、流量、活塞速度變化規(guī)律。通過(guò) 對(duì)比定量泵、恒壓泵、恒功率泵下活塞速度的變化，探討流量源供給與沖擊性能的匹 </p><p><b>　　配關(guān)系。</b></p><p><b>　　第 8 頁(yè)</b></p><p

84、>　　上海工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文第一章 緒 論</p><p>　　3) 沖擊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)。采用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)壓力、流量等</p><p>　　參數(shù)的測(cè)試系統(tǒng)，并根據(jù)氣壓法的原理得到了沖擊活塞的位移、速度隨時(shí)間的變化規(guī)</p><p>　　律，為分析流量和活塞速度、沖擊能的關(guān)系提供了依據(jù)。</p><p>　　1.

85、4.2 研究目的和意義</p><p>　　隨著世界范圍內(nèi)石油資源的日益短缺，節(jié)能環(huán)保已經(jīng)成為工業(yè)生產(chǎn)的必然趨勢(shì)。</p><p>　　以液壓驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)的工程機(jī)械也要朝著節(jié)能環(huán)保的方向發(fā)展。對(duì)于液壓沖擊機(jī)構(gòu)這類(lèi)</p><p>　　高速、大能耗的機(jī)械裝置來(lái)說(shuō)，其工作過(guò)程對(duì)油液的需求變化十分劇烈。目前沖擊機(jī)</p><p>　　構(gòu)與挖掘機(jī)的匹配

86、大多按挖掘機(jī)重量或斗容選定，這種選擇方式未考慮沖擊機(jī)構(gòu)所需</p><p>　　流量變化的具體情況，從節(jié)能的角度并非最好。本文探討在節(jié)能高效目標(biāo)下的泵流量</p><p>　　與沖擊機(jī)構(gòu)性能的匹配問(wèn)題，通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)獲得適用于沖擊機(jī)構(gòu)的最佳流量配置方</p><p>　　式，為設(shè)計(jì)更節(jié)能高效的沖擊機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)提供依據(jù)。</p><p><

87、;b>　　第 9 頁(yè)</b></p><p>　　上海工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章 沖擊機(jī)構(gòu)的工作原理及數(shù)學(xué)模型</p><p>　　第二章 沖擊機(jī)構(gòu)的工作原理及數(shù)學(xué)模型</p><p>　　2.1 液壓沖擊機(jī)構(gòu)的工作特點(diǎn)</p><p>　　液壓沖擊機(jī)構(gòu)與一般的液壓機(jī)構(gòu)如機(jī)床液壓缸、挖掘機(jī)的大小臂及鏟斗油缸有明<

88、/p><p>　　顯不同。其主要特點(diǎn)如下：</p><p>　　1）沖擊機(jī)構(gòu)的活塞運(yùn)動(dòng)速度變化十分劇烈。在一個(gè)周期內(nèi)，活塞速度經(jīng)歷加速、</p><p>　　減速，反向后再加速、碰撞停止的過(guò)程，并且加速度很大，可以達(dá)到300m / s2 。</p><p>　　2）沖擊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)部件有活塞和換向閥芯，它們都在缸體內(nèi)部。通過(guò)肉眼不可 能觀察到，現(xiàn)在

89、也沒(méi)有能穿透金屬外壁觀察到內(nèi)部元件和流態(tài)的儀器設(shè)備。而活塞是 直接反映機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的元件，這就為測(cè)試沖擊機(jī)構(gòu)的性能帶來(lái)了很大的難度。</p><p>　　3）活塞打擊釬桿的碰撞過(guò)程是一種極其復(fù)雜的現(xiàn)象，況且沖擊機(jī)構(gòu)的作用對(duì)象 的性質(zhì)隨工作場(chǎng)合也要變化，這就對(duì)沖擊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生不同的影響。</p><p>　　2.2 液壓沖擊機(jī)構(gòu)的類(lèi)型</p><p>　　四十多年來(lái)，國(guó)內(nèi)

90、外有關(guān)液壓沖擊機(jī)構(gòu)的新構(gòu)思層出不窮，但基本目的都是一樣</p><p>　　的，都是解決如何使沖擊活塞實(shí)現(xiàn)回程、沖程、打擊、再回程的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。液壓沖擊</p><p>　　機(jī)構(gòu)按照驅(qū)動(dòng)方式、反饋方式和配油方式分為不同的類(lèi)型。不同類(lèi)型的機(jī)構(gòu)在結(jié)構(gòu)上</p><p>　　稍有不同，但它們都有共同的部分。所有沖擊機(jī)構(gòu)都包含活塞、缸體、釬桿、換向閥</p>&

91、lt;p>　　四個(gè)部件。液壓沖擊機(jī)構(gòu)中，一般將推動(dòng)活塞回程的壓力腔稱(chēng)為前腔(靠沖擊端)，而</p><p>　　將推動(dòng)活塞沖程的壓力腔稱(chēng)為后腔。氮?dú)馐摇⑿钅芷鞯炔考鶕?jù)不同沖擊機(jī)構(gòu)有相應(yīng)</p><p>　　設(shè)置。按驅(qū)動(dòng)方式，沖擊機(jī)構(gòu)分全液壓式、氮爆式、氣液聯(lián)合式三種，如圖 2-1 所示。</p><p>　　按反饋方式，分壓力反饋式和行程反饋式。按配油方式，

92、分前腔常壓、后腔交替變壓，</p><p>　　后腔常壓、前腔交替變壓，雙面回油三種類(lèi)型。本文所研究的液壓破碎錘為前腔常壓、</p><p>　　后腔交替變壓的行程反饋氣液聯(lián)合式破碎錘。</p><p><b>　　第 10 頁(yè)</b></p><p>　　上海工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章 沖擊機(jī)構(gòu)的工作原理及數(shù)學(xué)模

93、型</p><p>　　圖 2-1 沖擊機(jī)構(gòu)的三種驅(qū)動(dòng)方式</p><p>　　Fig. 2-1 Three ways of driving impact mechanism</p><p>　　2.3 供油系統(tǒng)的類(lèi)型</p><p><b>　　2.3.1 定量泵</b></p><p>　　定

94、量泵供油量是恒定值。當(dāng)供油量恰好等于活塞運(yùn)動(dòng)所需流量時(shí)，活塞保持勻速</p><p>　　運(yùn)動(dòng)；當(dāng)供油量大于活塞運(yùn)動(dòng)所需的流量時(shí)，活塞將加速并且多余的流量通過(guò)溢流閥</p><p>　　回到油箱；當(dāng)供油量小于活塞運(yùn)動(dòng)所需流量時(shí)，活塞速度將降低。因此，活塞運(yùn)動(dòng)的</p><p>　　最大速度受到供油量的制約。</p><p>　　2.3.2 恒

95、壓變量泵</p><p>　　恒壓泵能在保持一定壓力下使供油量隨負(fù)載需求而變化。壓力較小時(shí)，恒壓泵以</p><p>　　最大流量供油；當(dāng)壓力升高到一定值時(shí)，恒壓泵通過(guò)調(diào)節(jié)流量與負(fù)載所需適應(yīng)，從而</p><p>　　維持此壓力值不變。恒壓泵由普通變量泵、兩位三通液控滑閥和差動(dòng)變量缸三個(gè)關(guān)鍵</p><p>　　元件組成，如圖 2-2 所示。

96、</p><p>　　圖 2-2 恒壓泵結(jié)構(gòu)及特性曲線</p><p>　　Fig. 2-2 Structure and characteristic curve of constant pressure pump</p><p><b>　　第 11 頁(yè)</b></p><p>　　上海工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章

97、 沖擊機(jī)構(gòu)的工作原理及數(shù)學(xué)模型</p><p>　　恒壓變量泵的工作過(guò)程：以滑閥閥芯為研究對(duì)象，當(dāng)負(fù)載對(duì)應(yīng)壓力小于彈簧調(diào)定</p><p>　　壓力Pmax 時(shí)，閥芯左端所受液控力不足以抵消彈簧的卡緊力，閥芯不動(dòng)，變量活塞不</p><p>　　動(dòng)，斜盤(pán)保持最大傾角不動(dòng)，泵輸出最大流量；當(dāng)負(fù)載對(duì)應(yīng)壓力達(dá)到 Pmax 并保持時(shí)，</p><p>

98、;　　處于臨界點(diǎn)，仍可以認(rèn)為閥芯不動(dòng)；當(dāng)負(fù)載對(duì)應(yīng)壓力稍大于Pmax 并保持P1 時(shí)，液控力</p><p>　　大于彈簧卡緊力，閥芯右移，打開(kāi)左位油路，高壓油P1 進(jìn)入變量缸左腔，因敏感腔面 積大于彈簧腔面積，變量活塞左移，斜盤(pán)傾角減小，流量減小，泵出口壓力減小直至</p><p><b>　　恢復(fù)到Pmax 。</b></p><p>　　2

99、.3.3 恒功率變量泵</p><p>　　在一定范圍內(nèi)，恒功率泵的流量可以隨著外載荷的變化而變化，但流量和壓力的 乘積即功率近乎不變。恒功率泵的 Q-P 曲線由三段組成，分別是定量段、恒功率段、 恒壓段。對(duì)于應(yīng)用最多的雙彈簧調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，恒功率段的曲線由兩條直線近似雙曲線，</p><p>　　如圖 2-3 所示。恒功率變量泵由恒流閥、恒壓閥、恒功率閥、阻尼孔、差動(dòng)變量缸、</p>

100、;<p><b>　　普通變量泵組成。</b></p><p>　　圖 2-3 恒功率泵結(jié)構(gòu)及特性曲線</p><p>　　Fig. 2-3 Structure and characteristic curve of constant power pump</p><p>　　恒功率變量泵的工作過(guò)程：</p><

101、;p>　　定量工作區(qū)：當(dāng)泵出口壓力 Ps 小于恒功率閥開(kāi)啟壓力 Ps1 時(shí)，恒功率閥關(guān)閉，沒(méi)</p><p>　　有流量通過(guò)固定節(jié)流孔 A0 ，恒流閥兩端壓力相等（Ps = Pt ），在彈簧 K1 的推力下，恒</p><p>　　流閥閥芯頂在閥套左壁上，處于右位職能。由于Ps 遠(yuǎn)小于恒壓閥調(diào)定壓力 Ps3 ，恒壓</p><p><b>　　第

102、12 頁(yè)</b></p><p>　　上海工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章 沖擊機(jī)構(gòu)的工作原理及數(shù)學(xué)模型</p><p>　　閥也保持右位職能。差動(dòng)變量缸 AD 腔保持與油箱相通，變量活塞差動(dòng)變量缸 Ad 腔油</p><p>　　壓和彈簧K 的作用下處于最小行程，相應(yīng)泵斜盤(pán)傾角處于最大位置，泵輸出最大流量。</p><p>　　

103、恒功率工作區(qū)：當(dāng)泵出口壓力 Ps 增加到大于恒功率閥開(kāi)啟壓力 Ps1 時(shí)，恒功率閥</p><p>　　打開(kāi)，有流量通過(guò)固定節(jié)流孔 A0 而在節(jié)流孔上下游產(chǎn)生壓差?p ，恒功率閥開(kāi)度到一</p><p>　　定值時(shí)（通過(guò)的流量到一定值），壓差?p 足以克服恒流閥彈簧K1 的力時(shí)，恒流閥處 于左位職能。恒壓閥仍處于右位職能。出口壓力Ps 被引入變量缸 AD 腔，按三通閥控</p>

104、<p>　　差動(dòng)變量缸的原理，變量活塞左移，而使斜盤(pán)傾角變小。同時(shí)，通過(guò)變量缸的機(jī)械反</p><p>　　饋，使恒功率閥彈簧 K2 預(yù)壓力增大，達(dá)到新的平衡。由于 K2 作用力與位移成正比， 也就是Ps 與Qs 成正比，Q ? P 曲線成直線。當(dāng)泵出口壓力Ps 增加到大于第二起調(diào)壓力</p><p>　　Ps2 時(shí)，小彈簧K3 受力，與大彈簧并聯(lián)工作，總剛度增加，在第二條折

105、線上工作。</p><p>　　恒壓工作區(qū)：當(dāng)泵出口壓力 Ps 增加到大于恒壓閥開(kāi)啟壓力 Ps3 時(shí)，恒壓閥處于左</p><p>　　位職能，從而切斷恒功率控制油路，出口壓力 Ps 被引入差動(dòng)缸 AD 腔，按恒壓曲線改</p><p>　　變排量。在恒壓段，由于恒功率閥彈簧K2 、K3 被進(jìn)一步壓縮，作用力增大，而使恒</p><p>　　

106、功率閥關(guān)閉。這樣，不再有流量通過(guò)節(jié)流孔，恒流閥兩端壓力又恢復(fù)相等（Ps = Pt ），</p><p>　　恒流閥也回到右位職能。</p><p>　　2.4 沖擊機(jī)構(gòu)的組成</p><p>　　液壓破碎錘的結(jié)構(gòu)如圖 2-4 所示，其沖擊機(jī)構(gòu)由釬桿、活塞、缸體、氮?dú)馐摇Q</p><p><b>　　向閥組成。</b>

107、</p><p>　　活塞為沖擊機(jī)構(gòu)的主要運(yùn)動(dòng)部件。高壓油和氮?dú)庾饔迷诨钊碾A梯面或端面上， 推動(dòng)活塞做功，使活塞獲得足夠的動(dòng)能?；钊c缸體或襯套之間的配合間隙是一個(gè)很 重要的技術(shù)參數(shù)。間隙太大，將會(huì)產(chǎn)生很大的泄漏，甚至導(dǎo)致沖擊機(jī)構(gòu)不能正常工作； 間隙太小，可能導(dǎo)致活塞運(yùn)動(dòng)不暢甚至拉缸現(xiàn)象，同時(shí)使制造成本急劇增加。</p><p>　　缸體上有液控孔道，并且與換向閥連通?？椎琅c活塞上的臺(tái)階

108、面配合起到反饋活 塞行程的作用。當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到一定位置，其臺(tái)階面打開(kāi)或關(guān)閉液控口，從而將高壓或</p><p><b>　　低壓油引入換向閥。</b></p><p>　　氮?dú)馐覂?nèi)儲(chǔ)存了一定壓力的氮?dú)?，利用氮?dú)獾膲嚎s作用吸收活塞的動(dòng)能，利用膨</p><p><b>　　脹作用對(duì)活塞做功。</b></p>&l

109、t;p><b>　　第 13 頁(yè)</b></p><p>　　上海工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章 沖擊機(jī)構(gòu)的工作原理及數(shù)學(xué)模型</p><p>　　換向閥為兩位三通滑閥結(jié)構(gòu)，閥芯兩端的臺(tái)階面面積不等，感受活塞兩端反饋來(lái)</p><p>　　的壓力，與活塞組成閉環(huán)位移控制。</p><p>　　釬桿在實(shí)際工作中是固

110、定不動(dòng)的?；钊矒翕F桿，能量以應(yīng)力波的形式在釬桿上</p><p>　　傳遞給巖石。因此釬桿要有足夠的硬度和韌性。</p><p>　　圖 2-4 液壓破碎錘結(jié)構(gòu)</p><p>　　Fig. 2-4 Components of hydraulic breaker</p><p>　　2.5 沖擊機(jī)構(gòu)工作原理</p><p

111、>　　2.5.1 工作過(guò)程</p><p>　　從活塞的角度來(lái)看，沖擊機(jī)構(gòu)的工作過(guò)程分回程加速、回程減速、沖程加速和打</p><p>　　擊停頓四個(gè)階段，這四個(gè)階段組成一個(gè)工作周期。回程為沖程儲(chǔ)存能量，是沖程的準(zhǔn)</p><p>　　備階段。沖程實(shí)現(xiàn)活塞的加速運(yùn)動(dòng)，是油液或氣體對(duì)活塞做功的過(guò)程。打擊停頓是活</p><p>　　塞將動(dòng)

112、能以應(yīng)力波的形式通過(guò)釬桿傳遞到巖石等物體的碰撞過(guò)程?；钊麑?shí)現(xiàn)回程與沖</p><p>　　程的換向依賴于配油換向閥的控制，而換向閥又受到活塞位移或各腔室油壓的控制，</p><p>　　活塞與換向閥形成閉環(huán)反饋控制回路?？刂崎y的換向靠沖擊活塞移動(dòng)時(shí)啟閉閥的液流</p><p>　　通道來(lái)完成，反過(guò)來(lái)閥的換向又切換了進(jìn)入缸體的液流通道，完成活塞沖程與回程之</p

113、><p>　　間的轉(zhuǎn)換，這樣周而復(fù)始，靠位置反饋?zhàn)詣?dòng)實(shí)現(xiàn)周期性的沖擊運(yùn)動(dòng)。因活塞與閥芯運(yùn)</p><p>　　動(dòng)配合的不同，可以將沖擊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分為 5 個(gè)階段。</p><p>　　a. 活塞回程加速階段，閥芯不動(dòng)</p><p>　　如圖 2-5(a)所示，活塞與釬桿在完成上一次沖擊后，有一個(gè)瞬時(shí)停頓狀態(tài)。定義</p><

114、p><b>　　第 14 頁(yè)</b></p><p>　　上海工程技術(shù)大學(xué)碩士學(xué)位論文第二章 沖擊機(jī)構(gòu)的工作原理及數(shù)學(xué)模型</p><p>　　此狀態(tài)為一個(gè)工作周期的初始狀態(tài)。換向閥閥芯在端面 A5 處高壓油P 的作用下處于</p><p>　　下極限位置。高壓油經(jīng)缸體內(nèi)孔道進(jìn)入活塞前腔，活塞后腔經(jīng)換向閥閥芯中心孔道與</p>

115、;<p>　　回油相連。此時(shí)氮?dú)馐覂?nèi)作用有一定壓力的氮?dú)釶3 ，給活塞向下的作用力。但氮?dú)庾?lt;/p><p>　　用力小于前腔油液作用力。因此活塞向上加速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)壓縮氮?dú)鈨?chǔ)存能量。</p><p>　　b. 活塞繼續(xù)回程加速，閥芯換向</p><p>　　如圖 2-5(b)所示，當(dāng)活塞的端面 A1 越過(guò)液控孔a 時(shí)，前腔的高壓油P1 被引入到換 向閥