液压冲击器性能测试方法的研究.pdf

2 0 1 1 年 2月 第3 9卷 第 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Fe b ． 2 0 1 l Vo 1 ． 3 9 No ． 4 DO I 1 0． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 0 4 ． 0 1 7 液压冲击器性能测试方法的研究 丁冲冲，杨 国平 ，梁翠平 ，王亮 上海工程技术大学汽车工程学院，上海 2 0 1 6 2 0 摘 要简述冲击器性能参数准确测量 的重要意义 ，介绍几种主要的冲击器性能测试方法 以及 各种方法的测试原理 。提 出一种新的冲击器性能测试装置，该测量装置采用传感器直接测量力，再通过数据分析处理程序计算得到冲击功。对其系 统组成、工作原理及特点做了简要介绍。 关键词 冲击能 ；冲击频率 ；测试装置 中图分类号 T U 6 3 文献标识码 A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 t 1 4 0 5 63 Re s e a r c h O i l Pe r f o r ma nc e Te s t i n g M e t ho d f o r Hy dr a ul i c I mpa c t o r DI NG Cho n g c h o n g， YANG Gu o p i n g， L I ANG Cui p i n g， W ANG Li a n g S c h o o l o f A u t o m o b i l e E n g i n e e r i n g ，S h a n g h a i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e r i n g S c i e n c e ，S h a n g h a i 2 0 1 6 2 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e s i g n i fi c a n c e o f a c c u r a t e me a s u r e me n t t o t h e p e r f o r ma n c e p a r a me t e r s o f h y d r a u l i c i mp a c t o r w a s i n t r o d u c e d ． B a s e d o n s o me ma i n t e s t i n g me t h o d s a n d t h e i r p r i n c i p l e s ， a n e w t e s t i n g d e v i c e f o r h y d r a u l i c i mp a c t o r w a s i n t r o d u c e d i n wh i c h s e n s o r w a s u s e d t o me asu r e f o r c e a n d d a t a p r o c e s s i n g s o f t w a r e w a s u s e d t o c a l c u l a t e i mp a c t e n e r g y ． I t s s y s t e m c o mp o s i t i o n，w o r k p r i n c i p l e a n d f e a t u r e s w e r e i n t r o d u e e d ． Ke y wo r d s I mp a c t e ne r g y； I mp a c t f r e qu e n c y； Te s t i n g d e v i c e 液压 冲击器 是一 种特殊 的液压 机具 ，它集控 制 阀、执行器、蓄能器等液压元件于一身，控制阀与执 行器相互反馈控制，自动完成活塞的往复运动，将液 体 的压力能转化为活塞的冲击能 。 在冲击器研究和设计过程 中，冲击 器生产厂商采 用经验方法进行设计并标定 冲击 器的 冲击功 和频率 ， 这种方法只能粗略地计算出冲击功和频率，而不能反 映出活塞在整个工作周期中的运动情况，计算结果与 实际情况相比 ，存在较大的误差 。部分科研机构运用 计算机仿真方法来研究冲击器的运动学特点，但是由 于建立的数学模型都是基于某些假设 ，存在一定的偏 差 ，其结果的可靠 性有待检验。因此 ，冲击器性能参 数的正确测定对其理论模型的建立与验证 、技术性能 评价、结构设计与改进以及冲击器使用寿命 的提高等 都具有重要意义 。 1 液压冲击器冲击性能的定义 冲击能和冲击频率是 冲击器 的两个主要参数 ，是 衡量冲击器优劣的关键 ，冲击器的设计 主要围绕这 两 个参数进行 ，必须对其准确测量。 液压冲击器 冲击能定义为 在规定条件下 ，液压 冲击器活塞单次 冲击所 具有 的能量 ，以 表 示 冲击 能 ，单位为焦耳 J 。 液压冲击器冲击频率定义为在规定条件下，液 压冲击器活塞每秒钟的平均打击次数。一般以 表示 冲击频率，单位为赫兹 H z 。 上述定义中的 “ 规定条件 ” ，是指输 入液压 冲击 器 的油液流量和压力 、液压油的黏度与温度 、钎杆 的 长度与直径 、破 碎作业 对象 如 岩石等 对 液压 冲 击器的轴向压力等各项 条件 。只有在 规定 的条 件下 ， 用完全相 同的检测方法 ，得到 的冲击能和冲击频率才 具有 可比性 。 2液压冲击器的测试方法 2 ． 1 应 力波 法 应力 波法是指冲击活塞 冲击钎杆后在钎杆上产生 应力波 ，然后通过测定应力 波 的波形 来测定 冲击能。 由波动力学理论可知 ，活塞 冲击钎尾时 ，冲击能量以 应 力脉 冲的形 式 自钎尾 向钎 杆 、钎 头 、岩 石界 面传 递 ，根据 冲击器活塞形成 的冲击应力波能量计算冲击 功 。 应力波法是在钎杆的适当位置粘贴应变片，以测 量活塞撞击钎 杆 而产生 的轴 向力 o r ，应 用下式计 算 得到冲击能 E 吖2 收稿 日期 2 0 1 0一 O 1一 O 7 基金项 目国家 自然科学基金资助项 目 5 0 9 7 5 1 6 9 ；上海高校知识创新工程 0 8 5工程 建设项 目 J Z 0 9 0 1 作者简介 丁冲冲 1 9 8 6 一 ，男 ，在读 研究 生 ，研 究方 向为机 电一 体化 、智 能控 制 等。 电话 1 3 5 8 5 6 3 8 3 9 4 ，Em a i l d i n g c h o n g 61 1 63 ．c o n。 第 4期 丁冲冲 等 液压冲击器性能测试方法 的研究 5 7 式 中A为贴应变片处钎 杆的截 面积 ； C为钎杆 中的声速 ； K为钎杆材料 的弹性模量 ； r ， 为钎杆的轴 向应力 ； t 为轴向应力持 续时间。 ，1 丁 为变量， 所以 用积分E 警 J c r d t 求冲 击能。 1 JU 应力波法测定冲击机构 的冲击能存在 以下 问题 1 冲击频 率和 冲击能测 定 条 件不 一 致 冲击 能是在 冲击 吸能装置 上测 得 ，而 冲击频 率 以实 际 冲 击 的测 试值为试 验 结 果 ，所 以计 算 的 冲 击 功不 准 确 。 2 虽可保持整机的原形但 准备工作 量大 ，只能 在实验 台上进 行测试 ，不能在 实际工作 条件下进 行现 场测试 。 3 由于 冲击器在 高频 、强振 动的工况 下工作 ， 因此应 变片粘贴及引 出线 的连接是一个极其重要 的环 节 ，需专业人员操作 。与其他测试方法相 比 ，应力波 法测得 的冲击能略低 。这是 因为其他大多数方法测得 的冲击能是活塞本身 冲击钎尾时所具有 的能量 ，而应 力波法测得 的冲击能 是活塞传 递给钎 杆 的冲击 能量 。 通常 由于存在着传递能 比，活塞不可能将能量全部传 给钎杆 。 应力波法测试系统的优点是测试原理简单 ，但 由 于液压冲击机械的工作条件恶劣 、冲击能大 、冲击频 率高 、振动强烈 、粘 贴的电阻应 变片难 以承受 较高的 冲击能 ， 标定与实际测试条件 不能完 全保持 一致 ，因 此测试误差 较大 ，只能在试验 台上进行 测试 ，不能在 实际工作条 件下进行 现场测试 。 2 ． 2末速度 法 末速度 法是 检测 活塞 质量 m 和活塞 在 冲程 阶段 t 末期速度即撞击速度 ，通过公式 Em y 计算得 二 到液压锤 的冲击 能。质 量 m 的检 测简 单可 靠 ，但 末 速度 的测量则复杂而 困难 。 测量活塞末速度 的方法可分为接触式与非接触式 两大类共 6种 1 接触式测量可分为①触点测量法；②感 应式线速度测量法 ；③ 电容式线速度测量法 。 2 非接 触 测量 可分 为 ① 活塞端 面 反射 光测 量法 ；② 光电位移微分测 量法 ；③ 高速摄影法 。 2 ． 3 示 功 图 法 示功图法是 利用力 F 一 位 移 s 曲线 所包 围的 面积表示 活塞冲击 能的一种 方法 ，应用 公式 EF s 计算 出冲击 能。F为活塞 冲程 时所受 的作用 力 ，s 为 在该作用力下 ，活塞 冲程所走 的距离 。因为活塞受力 为变量，可用积分法求出冲击能 E j F d s 。活塞的 J 受力 F P A 一 P A ，即活塞上 下腔 的油压 P 、P 分 别乘 以上下 腔 的受压 面 积 A ，上 下腔受 力 相减 即得活塞受力 F 。P P 可用 压力传感器 测得 ，方法 比较简单 ，而活塞的位移测量则复 杂而困难 。 2 ． 4 气压 法 对 气动冲击器等 冲击机械 ，由于活塞密闭于腔体 内 ，不可能暴露在外 ，因此 ，中南大学研究 出了一种 气压测试方法 。该方法 的基本原理是 冲击器活塞在 气腔 中高速往复运动 ，由于 冲击频率 高 ， 这一过程可 以看作是 绝热 过程 ，可通 过在 气腔 内安装压 力 传感 器 ，定时测取上下气腔压力 ， 在 已知活塞 质量的情况 下 ， 通过气腔压力 和活塞加速度 的换算关 系得到活塞 运动速度，进而可计算出活塞的冲击能。而冲击频率 则可通过 以下方法得到 对计算后得 到的一 系列活塞 运动速度数值进行 比较 ，找到两个相邻速度峰值所处 的时间 ，其差 值的绝 对值 即为活塞 的冲击周期 ， 而冲 击频率 即为周期 的倒数 。若把 活塞速度周期变化趋势 或气 腔压力周期 变化趋势 以曲线 的形式表达 出来 ，则 可以直 观地读 出活塞 的运动周期 ，并计算 出频率 。 该 方法是一种 间接测试 冲击器性 能参 数的方 法 ， 只能针对某一类 冲击机械进行性能测试 。由于存在气 腔压力 变化大 ，而且变化速率快 ，加之存在压力与活 塞运动速度 的换算 ，因此不可避免地存在误差 。同时 此方法还需要知道活塞在气缸 内的有效面积 ，这也增 加 了测量难度 。 在 冲击器 的性 能测 试 中，以上几 种 方法 较 为常 见 ，另外也有一些厂商和科研机构提出了其他一些测 试方法 ，由于其操 作的复杂性 和高成本 ，或 由于对活 塞运动状态的反映不全面等缺陷 ，在实 际运用 中很少 见。 3一种液压冲击器性能测试装置 根据以上分析 ，作者提 出了一种新 的液压冲击器 性 能测试 装 置 ，其测 试 系统 由以下几 个基 本部 分 组 成 ，如图 1 所示 。 图 1 测试系统组成 该系统中采用的传感器是柱式力传感器 。该 柱式力传感器采用 的弹性元件是实心柱 ，设 圆柱截 面 5 8 机床与液压 第 3 9卷 积为 S m ，弹性模 量为 E N ／ r n 。由传感 器输 出 信号可得到冲击力为 F，则纵 向的应变量为 壶 冲击力 F在一个周期 T内所做的功为 f d 2 其 中周期 T由所测得的冲击 波形得到 ，冲击频率 f 3 除了上述计 算方法外 ，还可以由动量原理计算 出 冲击功。设 冲击 器钎杆 的质 量为 m k g ，冲击末 速 度为 m ／ s ，根据动量原理 my F t 4 得 出 f 5 一 【 J ， m 又由 E- -f - m y 6 将式 5 代入式 6 中，得 到冲击能为 2 E 7 则在一个周期 内 ，冲击功为 [ d t 8 该测试系统 中的传感器是柱式力传感器 ，力是此 测试装置 中的直接检测量 ，因此传感器的测量 准确度 高低直接影响测试结果。将力信号转换为电信号，是 保证测试精度的关键部件。因此选择性能价格 比合适 的力传感器十分重要 。 由于冲击器钎杆直接冲击传感器 ，为了避免传感 器受损 ，需要为柱式力传感器设计一套保护装置 ，包 括底座和顶盖 。 信号调理部分包括对信号的放大、滤波、数／ 模 转换等 电路 。其 目的主要是 1 将传 感器 的输 出量变 换成易 于处理 或放 大 的量 ； 2 消除或抑制传感器输 出量中的无用信号 ； 3 提高处理 、分析 的准确度 ； 4 简化后续 系统 的组成。 对于 A ／ D转换 卡的选用 ，采样频 率 的确定 是一 项重要 的工作 ，必须正确选择采样速率 ，才能保证获 得最佳 的性价比。香农 采样定理指出 只有采样频率 大于原始信号频谱 中最高频率 的两倍 ，采样结果才能 恢复原始信号的特征。在现场测量中，一般应保证采 样频率为信号最高频率 的 5～ l 0倍 。 A ／ D转换后的数据，经通讯电缆接入计算机系 统进行数据 、图形处理 ，数据 、图形可存储 、再分析 及打印输 出。 该测试系统的软件部 分主要 有 三个模 块 组成 ， 完成数据采集 、数据分析 处理以及 冲击器性能判定 的功能。其基本结 构如图 2所示。 数据采集程序 用来完 图2 软件部分结构图 成各通道信号的采集 ，可设定通道数 、采样频率 、起 始通道、数据长度等参数；数据分析处理程序将采集 到的各通道信号进行分析、剔除畸异数据，计算最大 值 、最小值 、平均值；冲击器性能判定程序将测得的 冲击功与相关标定数据项比较 ，来判 断冲击器性能的 优劣。 4结语 冲击能反映了液压锤 的破碎能力 ，冲击频率反 映 了液压锤的破碎速度 ，这是两个非常重要的参数 。在 许多厂商的样本或技术文件中往往只提供冲击频率， 不标注冲击能。相对于冲击频率而言，冲击能的检测 是一件非常困难 费时费力费钱 的事 。因为没有统一的 检测方法 与标准 ，所测得结果 的准确性 、重复性 、可 比性都很差 ，容易引起争论 ，这就是许多厂商不 提供 冲击能的原 因。 文中所提 出的液 压 冲击器性 能测 试装 置简便 易 行 ，适用性强 ，可作为工厂出厂检验方法 ，也可作为 比较不 同液压锤 冲击能 的方法。 参考文 献 I 1 】黄志强， 宋嘉宁， b 艳， 等． 冲击器性能测试方法研究现 状与发展[ J ] ． 凿岩机械气动工具， 2 0 0 8 4 1 5 ． 【 2 】魏海菊 ， 岳媛媛 ， 曲庆利． 钻井用液动冲击器的参数测试 系统[ J ] ． 石油仪器， 2 0 0 2 1 2 2 42 6 ． 【 3 】周志鸿， 许同乐， 高丽稳． 液压破碎锤冲击能检测方法分 析[ J ] ． 建筑机械 ， 2 0 0 4 8 5 4 5 5 ． 【 4 】丁问司， 杨襄璧， 刘忠． 液压冲击器冲击性能新型测试方 法研究[ J ] ． 凿岩机械气动工具 ， 2 0 0 4 4 5 0 5 7 ． 【 5 】李瑜芳． 传感器原理及其应用[ M] ． 成都 电子科技大学 出版社 ， 2 0 0 8 ． 【 6 】张功学， 候东生． 材料力学[ M] ． 西安 西安电子科技大 学 出版社 ， 2 0 0 8 ． 【 7 】胡向东， 徐洋， 冯志宇， 等． 智能检测技术与系统[ M] ． 北 京 高等教育出版社， 2 0 0 8 ．