气动回扩锤的计算机仿真与优化研究.pdf

冲击锤有气动矛、 夯管锤和碎管机等设备， 上述设备 对于在地质条件较好的地层中进行非开挖管线铺设 是十分有效的 ， 但不能用于岩石、 卵砾石等复杂地层 中的管线铺设。 本文研究的气动回扩锤是一种新型气动冲击设 备， 它和水平定向钻机配套使用 ， 可以满足在岩石、 卵砾石等复杂地层中扩孔和置换管线的施工要求。 本文 旨在弄清回扩锤活塞内部的运动规律和受力过 程 ， 揭示回扩锤 内部工作的复杂过程 ， 建立工作原理 的数学模型， 进行结构参数的优化设计。 1 气动回扩锤的工作原理和结构特点 气动回扩锤属于低频、高冲击能量型气动冲击 基金项 目 国家 8 6 3项目 2 0 0 3 A A 4 3 0 1 2 0 一 1 6一 为 气动回扩锤的回扩头与水平定向钻钻杆相连， 空 压机通过钻杆向气动回扩锤提供高压气体，并由水 平定向钻提供回转运动。气动回扩锤的活塞在高压 气体的作用下， 做往复运动， 并撞击回扩头， 提供冲 击能 ， 回扩头冲击切削工作地层。 该气动回扩锤和气动矛、夯管锤等设备有所不 同， 它和潜孔钻的工作原理相似。首先 ， 气动回扩锤 有回扩头 ，在对工作 的地层进行冲击 的同时进行 回 转切削钻进， 从而完成扩孔。而气动矛、 夯管锤等工 作时候只是对工作地层进行冲击扩孔。 其次， 气动回 扩锤的扩孔方向是钻杆回拉的方向，和传统的冲击 锤不同。再次， 气动回扩锤在工作的时候， 钻杆内部 是输气通路，而水平定向钻单独工作时候钻杆内部 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 冲程方向 回程方 向 后封 头 活塞 内活塞 内活塞杆 排气孔 回扩 头 前气 室 后气 室 控制 阀孔 排气室 缸体 图 1 气动 回扩锤的结构示意 图 则是输送泥浆。 回扩锤的工作过程可分为回程和冲程运动。当 回扩锤处于回程工作状态时 ， 活塞速度为零 ， 与 回扩 头接触， 后室始终与高压气路相通， 此时前室压力与 外界大气相通。活塞在压缩气体的作用下作加速向 前运动 ， 当阀孔被 内活塞关闭后 ， 前室被 隔离 ， 随着 活塞向前运动 ，前室容积缩小 ，前室内的空气被压 缩 ， 当活塞继续向前运动 ， 阀孔越过内活塞后 ， 前室 与后室相通 ， 压缩空气从后室进入前室 ， 前室压力急 剧升高直到前、 后室的压力相等， 由于前室压力面积 大于后室压力面积，活塞在压缩气体的作用下作减 速运动， 直到速度为零。 当回扩锤活塞冲程开始时，活塞运动速度为 零 ， 由于前后室的压力相等， 前室压力面积大于后 室压力面积 ，活塞在压缩气体的作用下作加速运 动 ， 当阀孔被 内活塞关闭后 ， 前室被隔离 ， 随着活塞 向后运动， 前室容积增大， 前室内的压力降低， 当活 塞继续 向后运动 ， 阀孔越 过内活塞 后 ， 前 室压 力与 外界大气相通 ， 压缩 空气从前 室进 入外界 ， 前室压 力急剧降低， 活塞在后室压缩气体的作用下作减速 运动， 并与回扩头碰撞 ， 速度降为零。 回扩锤在压 缩气体的作用下， 回程和冲程交替进行 ， 实现对导 向孔回扩加工。 2 计算机仿真数学模型的建立 2 ． 1 气动回扩锤系统的假设 回扩锤系统内部的动力过程非常复杂 ，要想全 面地分析其动力过程是不可能也是没有必要的。为 了合理分析回扩锤系统 内部的动力过程，简化计算 并得出适合工程应用的解，应去除系统中的次要因 素， 保留能描述系统动力过程的主要因素， 作如下假 设 ① 气室内气体的热力过程为准静态过程； ② 气 室内气体变化为绝热过程； ③ 空压机输送给回扩锤 的排气量和压力为定值；④ 忽略摩擦阻力影响， 回 扩锤处于水平工作状态。 2 ． 2 气动回扩锤 系统数学模型的建立 2 ． 2 ． 1 气动 回扩锤活塞的运动方程 回扩锤在工作时， 后室始终受高压气体的作用， 后室压力在活塞运动过程 中变化不大 ，在此先忽略 波动的影响， 把后室压力视为常数 P 。 ， 假设前室压力 为p f ，P f 是时间和结构参数的函数。 则可导出回 扩锤活塞运动规律的微分形式为 2 m 1 - p t A 2 - F 1 d t 式中 m为活塞质量， k g ； A 、 A 为后、前室活塞受压 面积， m 2 ； F为综合阻力， N ； 5 为活塞位移， m； t 为时 间， S 。 2 ．2 ．2 气室内气体压力的动特陛分析 所谓气体压力动特性就是研究各气室内压力随 时间的变化特性 。气室内压力的变化决定 了活塞的 运动。由假设②和文献f3 、4T 可以求得各气室回程和冲 程的气体压力特性方程 - pl k[ 一 ] 回 酬 2 -- pl kf ‘m 1 ] 冲 程 时 3 2k[ A 2网u ‘ ] 回 程 时 4 i 一 专 ‘ ] 冲 程 时 5 一 3 ] 回 程 时 ㈦ A 3 u ‘ ] 冲 程 时 7 式中 5为活塞行程 ， m； 为活塞速度 ， m ／ s ； p l 、 p 、 p ， 一 1 7 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m ≯ 为后气室、 前气室、 排气室内的气体压力 ， M P a ； V 、 l ， 、 l ， 为后气室、前气室、排气室内的气垫体积， m m ； m 。 、 、 m 为后气室、 前气室、 排气室内的气体 质量， k g ； k为气体绝热指数。 假设在一特定时刻气室充气的气体质量流量为 Q ， 排气的气体质量流量为 Q ， 则气室内气体的质 量 m变化方程为 d m Q 。 一 Q 8 2 ．2 -3 气动回扩锤系统活塞运动微分方程 由假设④并依据牛顿第二定律可得出活塞运动 微分方程 9 _ M ， M d m U ． ．1 t _ p z t 9 3 A 2 - At 回程时 1 0 M m d u ． ．【 t - p e t 2 - p 3 A z - At 冲程时 1 1 式 中 为活塞质量 k g 。 2 ． 2 ． 4 进、 排气通路流量特 陛分析 在气动技术中往往将气流通过各种阀类元件和 管件组成的管道系统抽象成一个等效的收缩喷嘴或 节流小孔来计算， 然后作适当的修正。 由气体流动连 l k 续 性 方 程 Q 和 JD 。 ， JDPo 。 死 可 得 通 过 节流小孔的气体质量流量公式为 。循 ， 式中 为气体流速，m ／ s ； P为气体绝对压力， P a ； A 为节流小孔面积，m ； P 。 、 P为上、 下游气体绝对压力， M P a ； T o 为上游绝对温度， K ； 为气体常数， 干空气 的气体常数R 2 8 7 ． 1 ， N i n ／ k g K ； P 。 、 P为节流孔 上、 下游的气体密度， k g ／ m 。 3 气动回扩锤数学模型的应用 3 ． 1 数 学模型 的计 算机 仿真研 究 上一节把气动回扩锤系统内部动力过程归纳为 一 组常微分方程即回扩锤系统的数学模型来描述 ， 当把活塞的往复运动分解为许多小的时间段 如取 时间段为 0 ．0 0 0 1 s 时，可认为在每一小的时间段 一 】 8一 内， 气室内的压力保持稳定， 气室内的压力的变化和 活塞位置的变化被看作是在这段很短的时间内同时 发生的， 在每一时间段开始时， 活塞的位置和速度及 各气室内气体状态参数是已知的，且是由上一时间 段 的末状态确定的， 这样就可用近似方法 ， 利用计算 机求得其数值解。在工程仿真问题中，龙格 一 库塔 R u n g e k u t t a 法数学推导严谨， 计算精度高， 因此本 文选用四阶龙格 一库塔法作为回扩锤的计算机仿真 方法， 使用数值计算软件 F o r tr a n 进行编程仿真。仿 真流程如图 2 所示。 图 2 系统 仿 真 流 程 图 回扩锤系统工作状态的性能参数主要有冲击频 率．厂 、 单次冲击功 E 、 冲击功率 ， 可以通过仿真编程 的结果间接得到。 冲击频率 厂 6 0 ／ T 式中 为活塞冲程和回程用的时间， s 。 2 单次冲击功 E 式中 U 活塞运动到回扩头前的瞬间速度， m ／ s 。 冲击功率 W 1 0 E 厂 3 ． 2 气 动 回扩锤参 数优 化研 究 气动回扩锤的性能主要取决与其活塞的运动规 律，活塞的运动规律又受到回扩锤结构参数等众多 因素的影响。为了分析某一参数在特定的区间内对 回扩锤性能参数的影响程度，假设影响因素的给定 区间为 6 ] ， 把区间 6 ] 等分为 n 段， 则影响因素 a s 在区间 6 ] 上可用如下表达式表示 叶 1 ， 2， ⋯ n 对应于 i 1 ， 2 ， ⋯n的每一个点， 调用仿真子程 序可以求得对应点上的回扩锤的性能参数．厂 、 E 、 Q ， 然后调用绘图子程序， 以影响因素为横坐标 ， 冲击锤 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 的性能参数为纵坐标 ，可绘制出影响因素和性能参 数之问的关系 曲线 ，使用 F o r t r a n语言编程可以实 现， 仿真流程图如 图 3 所示 。 图 3参数分析仿真流程图 通过参数分析仿真程序，可以得出对回扩锤的 性能参数影响比较大的参数。把这一组参数分析仿 真所得到的参数做为优化设计的设计变量 ，就可以 达到优化的 目的。所以设计变量 M d1 d 2 r 1 2 式 中 为活塞质量 ， k g ； d 。 为后室活塞直径 ， m； d z 为前室活塞直径， m； r 为阀孔半径， m； V 。 为后室气 垫体积， m ； V 为前室气垫体积， m 。 回扩锤 的单次冲击 功和冲击频率是 回扩锤性能 优劣的重要标志，因此把回扩锤的冲击频率和单次 冲击功的积作为回扩锤优化的目标函数以数学模型 的格式记为 一 E mi n F F 式中 f ． ⋯ 冲击频率函数 E ． ⋯ 冲击功函数 ， ， ⋯ 卜一 设计变量 X 。 ， ， ⋯ 卜一 设计变量的最优解 回扩锤的目 标函数为隐函数 ， 在优化方法中， 复 形调优法适合于对隐函数的优化是一种有效的、 在 工程中已得到了广泛应用 的优化设计方法，因此选 用复形调优法来对 回扩锤进行优化设计。 为 了检验参数优化设计的有效性 ，对 中联重科 的 H K C 1 8 0 型气动回扩锤进行了优化设计。表 1 是 参数优化设计的结果。 约束条件 实际行程小于结构 行程 ， 结构行程为 2 9 9 ．4 m m； 对最大冲击频率的约 束 f f m ---- 3 0 0 mi n 表 1 HKC1 8 0型 气 动 回扩 锤 的 优 化 结 果 M d l d 2 r l 2 { E 参数 ／ k g ／ m ／ m ／ m ／ m ／ m ／ mi n 一 0 ／ N m 优化前 7 4 0 ． 1 4 0 0 ． 0 6 7 O ． O 1 8 O ．0 0 o 4 1 O ． 0 o 6 2 2 8 5 ． 4 1 O 1 优化后 6 9 0 ． 1 3 7 0 ． 0 6 5 0 ． 0 1 5 O ． 0 0 o 3 9 O ． 0 o 5 7 2 9 5 ． 1 1 1 6 由表 1 可以看出优化后， 冲击频率提高 3 ． 3 9 ％， 冲击功提高 1 4 ．8 5 ％， 优化效果明显。 根据建立的气动回扩锤活塞运动规律的数学 模型， 进行计算机仿真和参数优化设计， 为气动回 扩锤的的设 计提供 了理论依据 和一 种更 为有效 的 方法， 可以大大提高产品研制的效率， 降低研制和 设计成本。 参 考文 献 【 1 ]于晓琳， 阎明印，郑秀琴． 气动矛电算模型的建立及其应 用【 J 】 ． 沈阳工业学院学报，2 0 0 2 ， 2 2 4 ． [ 2 ]张志兵， 刘静气 动矛活塞运动规律的计算机仿真【 J 】 ． 中 南工业大学学报， 2 0 0 0 ， 3 1 5 ． 【 3 ]李建藩． 气压传动系统动力学【 M ] ． 广州； 华南理工大学 出版社， 1 9 9 1 ． [ 4 ] 张国忠． 气动冲击设备及其设计【 M ] ． 北京 机械工业出 版社， 1 9 8 9 ． 【 5 ]徐小荷． 冲击凿岩的理论基础和电算法[ M ] ． 沈阳 东北 工学院出版社， 1 9 8 6 ． 【 6 ] 梁武． 智能型水平定向钻进铺管设备 阴． 建筑机械化， 2 0 0 4 8 ． 通信地址 湖南省长沙市 中南大学本部桃 A一 1 1 8 4 1 0 0 8 3 收稿 13 期 2 0 0 7 0 5 2 1 一 1 9一 弛 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m