气液联合式冲击器工作状态参数的研究刘 忠1 邹 宇1 张 凯1 霍沅明21.中国矿业大学,徐州,2211162.苏州大学,苏州,215006摘要:在气液联合式冲击器工作原理的基础上,构建了冲击凿岩过程中冲击器和岩石力学特性的数学模型,并运用MA T L A B 和AM E S i m 软件进行了联合仿真,获得了不同氮气室反馈压力㊁不同工作流量以及不同岩石特性条件下冲击器工作状态参数的曲线㊂仿真结果表明:对氮气室反馈压力和工作流量进行调节,可实现冲击器输出冲击能的无级调节;通过冲击系统活塞回弹速度的测量,可实现冲击器凿岩状态的辨识㊂关键词:冲击器;氮气反馈压力;工作流量;岩石特性中图分类号:T U 63;U 455.3 D O I :10.3969/j.i s s n .1004132X.2015.24.018R e s e a r c ho nP n e u m a t i c ‐h y d r a u l i c I m pa c t o rB a s e do n W o r kS t a t u s P a r a m e t e r s L i uZ h o n g 1 Z o uY u 1 Z h a n g K a i 1 H u oY u a n m i n g21.C h i n aU n i v e r s i t y o fM i n i n g a n dT e c h n o l o g y ,X u z h o u ,J i a n gs u ,2211162.S o o c h o w U n i v e r s i t y ,S u z h o u ,J i a n gs u ,215006A b s t r a c t :O n t h e b a s i s o f t h ew o r k p r i n c i p l e s o f p n e u m a t i c ‐h y d r a u l i c i m p a c t o r ,t h e p a p e r c o n s t r u c -t e d t h em a t h e m a t i c a lm o d e l o f t h e i m p a c t o r a n dr o c k m e c h a n i c s p r o p e r t i e sd u r i n g t h e p r o c e s so f i m -p a c t d r i l l i n g ,t h e c o ‐s i m u l a t i o nw a s c a r r i e do u t b a s e do n MA T L A Ba n dAM E S i m ,t h ew o r k s t a t u s p a -r a m e t e r c u r v e o f i m p a c t o rw a s o b t a i n e du n d e r t h e c o n d i t i o n s o f d i f f e r e n t f e e d b a c k p r e s s u r e s o f n i t r o -g e n c h a m b e r ,d i f f e r e n tw o r k f l o w s a n dd i f f e r e n t r o c k p r o p e r t i e s .T h e s i m u l a t i o nr e s u l t s s u g ge s t t h a t ,a d j u s t i n gf e e d b a c k p r e s s u r e o f n i t r og e n ch a m b e r a n dw o r k f l o wc a n r e a li z e t h e r e g u l a t i o n o f i m p a c t e n -e r g y c o n t i n u o u s l y ,m e a s u r e m e n t of p i s t o n r e b o u n d s p e e do f t h e i m p a c t s y s t e mc a n r e a l i z e t h e i d e n t i f i -c a t i o no fd r i l l i n g s t a t u s o f t he i i m pa c t o r .K e y wo r d s :i m p a c t o r ;f e e d b a c k p r e s s u r e o f n i t r o g e n c h a m b e r ;w o r k f l o w ;r o c k p r o p e r t y 收稿日期:20141217基金项目:国家自然科学基金资助项目(51275060);苏州市科技计划资助项目(S Y G 201325)0 引言液压冲击器是以油液压力为动力源,推动冲击活塞使其实现往复运动的机械振动装置㊂因液压冲击器特殊的工作方式,能够稳定输出循环的冲击能量,故被广泛应用于液压破碎锤㊁液压打桩机和液压凿岩机等液压冲击机械装置中㊂液压冲击器有纯液压式冲击器㊁气液联合式冲击器和氮爆式冲击器三种类型,历经行程反馈㊁压力反馈㊁无阀控三种配流方式和电磁信号控制的强制配流方式两个阶段㊂由于压力反馈控制的气液联合式冲击器工作效率高㊁工作系统稳定㊁能实现无级调频调能等优点,成为市场上销售的主流液压冲击器产品[1‐2]㊂针对气液联合式冲击器的研究主要从气液做功比和控制方式两方面来开展㊂文献[3‐4]研究了气液做功分配比问题,获得最优效率下的做功分配比㊂丁问司等[5]提出了基于氮气室压力反馈来实现冲击能的自适应输出的控制方法,并进行了实验验证,随后李传昌等[6]在此基础上也开展了相关的研究工作㊂传统对气液联合式冲击器的仿真研究未考虑工作介质(岩石特性)因素,本文以氮气室压力反馈控制的气液联合式冲击器为研究对象,充分考虑冲击器与工作介质的耦合特性,分别建立不同工作状态参数条件下的数学模型,探讨不同状态下冲击器的参数输出规律,为冲击器凿岩状态的辨识与自适应控制的研究寻求有效的途径㊂1 气液联合式冲击器的工作原理本文研究的气液联合式冲击器以氮气室压力为反馈与控制对象,采用电磁信号控制换向阀的强制配流方式,从而实现冲击器的循环往复冲击工作[7]㊂基于氮气室压力反馈控制的气液联合式冲击器工作原理如图1所示㊂冲击器工作过程分为回程和冲程两个阶段㊂回程阶段,换向阀工作于右位,高压油液进入活塞前腔,回油口与活塞后腔连通,活塞向右做回程加速运动,同时不断压缩氮气室中的氮气;当氮气室压力达到设定反馈值时,控制器发出控制信号控制换向阀动作,使换向阀工作于左位,此时活塞前后腔均通有高压油液,因活塞后腔的有效作用面㊃0733㊃中国机械工程第26卷第24期2015年12月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.1.岩石2.钎杆3.活塞前腔4.活塞5.活塞后腔6.氮气室7.压力传感器8.换向阀图1 氮气室压力反馈控制的气液联合式冲击器工作原理图积大于活塞前腔的有效作用面积,在后腔油液压力与氮气室压力的共同作用下,活塞向右做回程减速运动,直至活塞速度为零㊂冲程阶段,换向阀工作于左位,在差动连接回路和氮气室压力的作用下,活塞换向向左做冲程加速运动,直至打击钎杆冲击破碎岩石,完成一个工作周期㊂冲击器如此循环往复工作,便可通过循环输出冲击能来完成连续的凿岩碎石任务㊂2 冲击器工作状态建模根据工作介质对冲击器的反作用力,冲击凿岩过程包括冲击碎石和非冲击碎石两个阶段,因此在建立冲击器工作过程动力学模型的基础上,还需要考虑岩石的力学特性对冲击器的影响㊂2.1 活塞运动的动力学模型活塞在回程加速阶段和冲程加速(回程减速)阶段所受作用力的形式有所不同,应该区分开来考虑㊂在建立数学模型过程中,假定油液是不可压缩的,忽略管道对油液压力的影响㊂活塞在回程加速阶段动力学方程为m d2x d t2=p1A1-p2A2-p d A d-f(1)式中,m为活塞的质量,k g;x为活塞的位移,m;p1为活塞前腔的压力,P a;p2为活塞后腔的压力,P a;p d为氮气室的压力,P a;A1为活塞前腔的有效作用面积,m2;A2为活塞后腔的有效作用面积,m2;A d为氮气室作用于活塞杆的有效作用面积,m2;f为活塞与缸体间的摩擦力,N㊂活塞在冲程(回程减速)阶段动力学方程为m d2x d t2=p2A2+p d A d-p1A1-f(2) 2.2 氮气室的气体状态方程由于冲击器在工作过程中,氮气室中氮气的压缩和膨胀过程比较迅速,还来不及与外界进行热交换,可假定氮气室在工作过程一直处于绝热状态㊂于是,氮气室在绝热状态的气体状态方程为p0V k0=p d V k d=p d(V0-A d x)k(3)式中,p0为氮气室的初始充气压力,P a;V0为氮气室的初始充气容积,m2;V d为对应于p d的容积,m2;k为绝热系数,其值为1.4㊂联立式(1)~式(3)可得m d2x d t2=p1A1-p2A2-p0A d(V0V0-A d x)k-f回程加速阶段p2A2+p0A d(V0V0-A d x)k-p1A1-f冲程(回程减速)ìîíïïïïïï阶段(4) 2.3 岩石力学特性方程[8‐10]假定岩石为弹性体模型,冲击凿岩碎石过程岩石的力学模型包括加载和卸载两个阶段,凿岩破碎过程中岩石受力表达式为F=K u 加载阶段F m a x-δK(u m a x-u){卸载阶段(5)式中,K为岩石的加载刚度,N/m;u为岩石的形变量,m;F m a x为岩石形变过程中的最大作用力,N;δ为岩石的卸载系数;u m a x为岩石的最大形变量,m㊂3 仿真分析运用MA T L A B软件和AM E S i m软件分别构建岩石力学模型和冲击器动力学模型,进行冲击器冲击破碎岩石过程的联合仿真[11‐12]㊂以AM E S i m系统模型中活塞的位移㊁速度作为MA T L A B模型的控制输入变量,根据凿岩机冲击破碎岩石的不同阶段(加载与卸载阶段),控制输出不同的作用力作用于AM E S i m系统模型中的活塞㊂3.1 冲击器的A M E S i m仿真模型AM E S i m软件为冲击器工作状态的动态仿真提供了良好的平台,综合运用AM E S i m中的液压库㊁液压元件设计库㊁信号控制库来搭建冲击器的仿真模型,如图2所示[13‐15]㊂图2中气液联合式冲击器采用氮气室压力作为反馈信号,来控制换向阀的动作以达到使冲击器换向的目的㊂此种强制配流方式操作方便㊁灵活,可根据工作介质的状态(岩石的性质)来设定氮气室压力阀值,实现冲击器无级调频调能的参数输出㊂3.2 岩石力学特性的M A T L A B模型在冲击凿岩过程钎杆与岩石相互接触的状态下,岩石的力学性质才能表现出来㊂仿真过程需根据冲击器的AM E S i m模型的参数输出,建立岩石力学特性的边界条件方程㊂冲击凿岩过程中岩㊃1733㊃气液联合式冲击器工作状态参数的研究 刘 忠 邹 宇 张 凯等Copyright©博看网. All Rights Reserved.图2 气液联合式冲击器仿真模型图石对冲击器的反作用力边界条件方程为F =-Kx x ≤0,v ≤0-K x m i n +δK (x m i n -x )x ≤0,v >00x >ìîíïïïï0(6)式中,x m i n 为冲击器活塞的最小位移,m ;v 为冲击器活塞速度,m /s㊂在S i m u l i n k 中将岩石力学特性的边界条件方程以MA T L A BF u n c t i o n 的形式封装起来,从而获得了岩石力学特性的MA T L A B 模型㊂3.3 仿真参数确定本文参照S WH B 58型液压破碎锤,根据抽象变量设计理论,以结构轻量化和冲击效率最优为原则,设计了气液联合式冲击器的结构参数,冲击器的关键结构参数如表1所示㊂表1 气液联合式冲击器关键结构参数参数数值前腔活塞杆直径(mm )53后腔活塞杆直径(mm )54.3活塞直径(mm )50.2活塞质量(k g)7.8125氮气室初始压力(M P a)0.34 仿真结果及其分析4.1 氮气室反馈压力对冲击器性能的影响设定冲击器的工作流量为40L /m i n ,工作压力为12M P a,并取氮气室的反馈压力分别为0.310M P a ㊁0.314M P a ㊁0.320M P a,获得了活塞速度和位移曲线以及冲击器工作状态参数表,如表2和图3㊁图4所示㊂表2 不同氮气室反馈压力下冲击器工作状态参数表反馈压力(M P a)末速度(m /s)频率(H z)位移(m )效率(%)0.3106.6014.330.07930.480.3147.1012.900.10131.750.3207.3911.450.13330.53由不同氮气室反馈压力条件下仿真获得的活塞速度㊁位移曲线图可知,氮气室反馈压力值增图3 不同氮气室反馈压力下活塞速度曲线图图4 不同氮气室反馈压力下活塞位移曲线图大,活塞的行程和末速度都增大,行程值由0.079m 增大至0.133m ,冲击末速度由6.6m /s 增大至7.39m /s ;冲击频率却相应减小,其值由14.33H z 降低至11.45H z ;工作效率先从30.48%提高至31.75%,然后再降低至30.53%㊂通过分析可知,氮气室反馈压力增大,活塞回程时间和位移量增大,氮气室储存的能量增大,活塞冲程加速段增大,因此冲击末速度增大㊂图3中,活塞在冲击过程中的速度发生了突变,其原因为活塞在冲程阶段末期与岩石冲击碰撞产生了回弹运动,导致活塞速度在反方向突然达到峰值,然后其数值在油液压力和氮气室压力的反作用力下迅速下降达到平稳状态㊂采用控制氮气室反馈压力的方法,能无级调节冲击器输出的冲击能量,可作为控制气液联合式冲击器参数输出的一种有效方法㊂4.2 工作流量对冲击器性能的影响设定冲击器的工作压力为12M P a,氮气室的反馈压力为0.315M P a ,取工作流量q V 分别为20L /m i n ㊁30L /m i n ㊁40L /m i n ㊁50L /m i n,获得了活塞速度和位移曲线以及冲击器工作状态参数表,如表3和图5㊁图6所示㊂表3 不同工作流量下冲击器工作状态参数表流量(L /m i n)末速度(m /s)频率(H z)位移(m )效率(%)205.6011.290.10134.58306.6912.990.10637.85407.2313.700.10734.97507.6614.200.10732.55㊃2733㊃中国机械工程第26卷第24期2015年12月下半月Copyright ©博看网. All Rights Reserved.图5不同工作流量下活塞速度曲线图图6 不同工作流量下活塞位移曲线图由图5㊁图6可知,在一定范围内,随着冲击器工作流量的增大,其冲击末速度和工作频率均会增大,冲击末速度由5.6m /s 增大至7.66m /s ,工作频率由11.29H z 增大至14.2H z ㊂在工作流量由20L /m i n 到30L /m i n 增大的过程中,活塞的回程会增大,其值由0.101m 增加至0.107m ;其他变化过程中,活塞的回程几乎保持在0.107m 左右㊂冲击器的工作效率先由34.58%提高到37.85%,然后降低到32.55%㊂通过分析可知,工作流量为20L /m i n 的条件下,不能提供冲击器所需的流量要求,系统的工作压力低于系统的额定压力,导致活塞回程减小;工作流量增大,推动活塞的力会有一定的波动,导致冲击末速度会有一定程度的增大;由于氮气室反馈压力不变,且推动力的波动对回程过程影响较小,因此在正常工作状态下活塞回程保持不变㊂采用变频控制的容积调节来控制工作流量,也可实现对冲击器无级调节冲击能输出的控制㊂4.3 工作介质对冲击器状态参数的影响设定冲击器的工作流量为40L /m i n ,工作压力为12M P a ,氮气室的反馈压力为0.315M P a ,取不同性质的岩石加载刚度分别为10MN /m ㊁40MN /m ㊁80MN /m ,获得了活塞的速度情况,如图7和表4所示㊂图7 不同工作介质下活塞速度曲线图表4 不同工作介质下活塞的速度值刚度(MN /m )冲击末速度(m /s)回弹速度(m /s)107.181.87407.183.28807.184.09由图7可知,随着岩石加载刚度值的增大,活塞的回弹速度会逐渐变大,其值由1.87m /s 增大至4.09m /s ,冲击末速度保持在7.18m /s 左右不变㊂根据冲击系统的波动理论知识,活塞的回弹速度与冲击岩石的加载刚度㊁冲击末速度有关,当保持活塞冲击末速度不变时,活塞的回弹速度会随着岩石加载刚度的增大而增大,即岩石越坚硬,其回弹速度越大㊂建立活塞回弹速度㊁冲击末速度与岩石状态模型,可通过活塞回弹速度的测量来实现凿岩状态的辨识㊂5 结论(1)基于氮气室压力反馈控制的气液联合式冲击器比传统的行程㊁压力反馈控制的冲击器更具有优势,具有较强的灵活性,能实现冲击器工作参数的无级调节输出,且能实现随工作状态变化的自适应控制功能㊂(2)研究了氮气室反馈压力㊁工作流量对冲击器工作性能的影响,适当地提高氮气室的反馈压力和工作流量可增大冲击器的冲击能量,并可改善其冲击破碎效率㊂氮气室反馈压力和工作流量的调节,可以实现冲击器冲击能和冲击频率的无级调节输出,为冲击器的工作参数自适应输出提供了途径㊂(3)验证了冲击系统中波动力学理论关于活塞回弹速度计算的结论,活塞回弹速度随着凿岩状态的变化而改变,岩石的加载刚度越大,活塞的回弹速度越大㊂岩石特性与活塞回弹速度的关系,可以为冲击器凿岩状态的辨识研究提供理论参考㊂(4)气液联合式冲击器工作状态参数的建模㊃3733㊃气液联合式冲击器工作状态参数的研究刘 忠 邹 宇 张 凯等Copyright ©博看网. All Rights Reserved.仿真研究与实际的冲击器运动规律基本吻合,为液压冲击器的研究与开发提供了技术参考㊂参考文献:[1] 杨襄璧,罗铭.液压冲击器抽象变量设计理论[J].凿岩机械气动工具,2012(1):44‐64.Y a n g X i a n g b i,L u o M i n g.A b s t r a c tV a r i a b l eD e s i g nT h e o r y o f H y d r a u l i cI m p a c t o r[J].R o c k D r i l l i n gM a c h i n e a n dP n e u m a t i cT o o l s,2012(1):44‐64.[2] 许勤,黄园月,田祥友.液压冲击器的研究现状及发展趋势[J].工程机械,2010,41(6):47‐51,62.X uQ i n,H u a n g Y u a n y u e,T i a nX i a n g y o u.R e s e a r c hS t a t u s a n dD e v e l o p m e n tT r e n do fH y d r a u l i c I m p a c-t o r[J].C o n s t r u c t i o n M a c h i n e r y a n d E q u i p m e n t, 2010,41(6):47‐51,62.[3] 赵宏强,何清华,朱建新,等.新型液压冲击器气液做功分配比研究[J].凿岩机械气动工具,2004(2): 18‐23.Z h a o H o n g q i a n g,H e Q i n g h u a,Z h uJ i a n x i n,e ta l.G a sa n d H y d r a u l i c W o r k D i s t r i b u t i o n R a t i o o faN e w H y d r a u l i cI m p a c t o r[J].R o c k D r i l l i n g m a-c h i n e a n dP n e u m a t i cT o o l s,2004(2):18‐23.[4] 刘忠,彭金艳,梁承杰,等.无阀控自配流液压冲击器系统建模与仿真[J].中国机械工程,2010,21(23):2794‐2797.L i uZ h o n g,P e n g J i n y a n,L i a n g C h e n g j i e,e t a l.M o d-e l i n g a n dS i m u l a t i o no fV a l v e l e s sH y d r a u l i c I m p a c-t o r[J].C h i n a M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g,2010,21(23):2794‐2797.[5] 丁问司,迟永滨.柔性液压冲击系统[J].机械工程学报,2006,42(4):161‐167.D i n g W e n s i,C h iY o n g b i n.F l e x i b l e H y d r a u l i cI m-p a c t o r[J].C h i n e s eJ o u r n a lo f M e c h a n i c a lE n g i-n e e r i n g,2006,42(4):161‐167.[6] 李传昌,杨国平,丁冲冲,等.电控液压冲击器控制机制研究与设计[J].液压与气动,2010(7):5‐8.L i C h u a n c h a n g,Y a n g G u o p i n g,D i n g C h o n g c h o n g,e ta l.T h e o r e t i c a l A n a l y s i sa n d D e s i g n o f E l e c t r o n i cC o n t r o lH y d r a u l i cI m p a c t o r[J].C h i n e s e H y d r a u-l i c s&P n e u m a t i c s,2010(7):5‐8.[7] 胡均平,宋光伟,郭勇,等.电气液一体化打桩锤控制系统设计研究[J].郑州大学学报(工学版), 2011,32(1):72‐74,93.H u J u n p i n g,S o n g G u a n g w e i,G u o Y o n g,e ta l.D e-s i g na n dD y n a m i cR e s e a r c ho naN e wE l e c t r i c a l a n dH y d r o‐p n e u m a t i cC o n t r o lS y s t e m o fP i l e H a mm e r[J].J o u r n a l o f Z h e n g z h o uU n i v e r s i t y(E n g i n e e r S c i-e n c e),2011,32(1):72‐74,93.[8] 杨襄璧,刘德顺,胡均平.撞击回弹问题的理论研究[J].中国有色金属学报,1996,6(4):171‐175.Y a n g X i a n g b i,L i u D e s h u n,H uJ u n p i n g.T h e o r e t i c a l S t u d i e s o nR e b o u n dP r o b l e mo f I m p a c t[J].T h eC h i n a J o u r n a l o fN o n f e r r o u sM e t a l s,1996,6(4):171‐175.[9] L iX,R u p e rG,S u mm e r sDA.e t a l.A n a l y s i s o f I m-p a c tH a mm e rR e b o u n d t oE s t i m a t eR o c kD r i l l a b i l i-t y[J].R o c k M e c h a n i c s a n d R o c k E n g i n e e r i n g, 2000,33(1):1‐13.[10] 刘德顺,李夕兵,朱萍玉.冲击机械动力学与反演设计[M].北京:科学出版社,2007. 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