基于仿真计算的气动潜孔冲击器性能分析.pdf

2 0 1 0年 2月 第 3 8卷 第 3期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAUL I CS F e b ． 2 01 0 V0 l _ 3 8 No ． 3 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 3 ． 0 3 2 基于仿真计算的气动潜孔冲击器性能分析 江涛，李锻能 广 东工业大学机电工程 学院，广 东广州 5 1 0 0 0 6 摘要通过分析气动潜孔冲击器内部关键结构及其工作原理，建立气动冲击器 的冲击系统数学仿真模型，再结合 MA T L A B语言以及其系统仿真工具 S I MU L I N K，以市场上应用得比较广泛的一种气动冲击器作为实例进行仿真计算，并对 影响气动冲击器性能参数的主要因素进行了分析。 关键词气动潜孔冲击器；数学模型；仿真计算 ；性能分析 中图分类号 T H 1 3 8 ． 9 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 31 0 1 3 Pe r f o r ma n c e Ana l y s i s f o r Pn e uma t i c Do wn． ． t h e ． - h o l e Ha mme r wi t h S i mul a t i o n Co mp u t a t i o n J I A NG T a o ，L I Du a n n e n g F a c u l t y o f E l e e t r o m e e h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，G u a n g d o n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，G u a n g z h o u G u a n g d o n g 5 1 0 0 0 6 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e ma t h e ma t i c a l mo d e l f o r t h e i mp a c t s y s t e m o f t h e p n e u ma t i c d o w n - t h e - h o l e h a mme r wa s b u i l t b a s e d o n t h e a n a l y s i s o f t h e k e y s t r uc t u r e c h a r a c t e ris t i c a n d t h e wo r k i ng p rin c i pl e． Ta k i n g a pn e u ma t i c d o wn t he - h o l e h a mme r pr o du c t a s e x a mp l e ，t h e s i m u l a t i o n c o mp u t a t i o n W as ma d e b y MAT L AB a n d S I MUL I NK． T h e ma i n i n flu e n c i n gc t o m o n p e r f o r ma n c e p a r am e t e r s o f t h e p n e u ma t i c d o w n - t h e - h o l e h a mme r w e r e an aly z e d ． Ke y wo r d s P n e u ma t i c d o w n ． t h e - h o l e h a mme r ；Ma t h e ma t i c al mo d e l ； S i mu l a t i o n c o mp u t a t i o n； P e r f o rm a n c e a n aly s i s 近年来我 国不断加大对基础设 施以及 采石矿 场的 投入 ，大力推广 中深孔爆破 作业。潜孔凿岩工具凭借 其结构简单、使用操作方便 、便于维修、价格较低等 优点 ，在 国内许多露天凿岩 场地得 到广泛应用 。无 阀 型气动潜孔冲击器利用高压空气作为动力介质 ，驱动 冲击器内部的活塞高速度、高频率的往复运动 ，使活 塞获得足够的能量 ，实现对钻头施加周期性的冲击 力 ，达到凿岩钻孔的效果 。近几年 ，马克新 建立 了 与气动潜孔冲击器相关的一些数学模型，针对特定型 号的冲击器提供设计计算思路。林元华等 进行了结 合冲击器机械钻进速度的建模研究 ，通过对冲击器动 力学建模达到预测 冲击力 以及钻进速度 的 目的，证明 了仿真计算的有效性 。作者试 图在分析常规无阀气动 潜孔冲击器结构的基础上 ，结合生产实际的要求，重 点建立气动冲击器活塞的冲击动力学仿真模型，应用 M A T L A B语言及其 系统工具 S I MU L I N K对气动 冲击器 进行仿 真计算 ，并对仿真结果进行分析 ，研究影 响冲 击器性 能的几个相关 因素 ，为改善气动潜孔 冲击器 的 综合性能以及优化设计提供方法和参考依据。 1 气动冲击器的工作原理及其特点 一 般常规的无阀气动潜孔冲击器工作原理如图 1 所示 ，图中活塞正处 于冲程 阶段 。 l ，2{{ { 、 、 p t { 、 尸 { ● p 一 ； j Ic 1 一外缸2 一后腔排气孔3 --活塞4 一进气孔 5 一 前腔排气孔6 一钻头7 一后腔8 一后腔进气道9 一 进气腔1 0 一前腔进气道1 l 一前腔 图 1 气动潜孔冲击器工作原理简图 根据气动潜孔钻的基本工作原理，活塞实施以下 几个工作阶段 。回程阶段 启 动冲击器 时 ，钻头 6与 岩石接触并 顶起 活塞 3 ，即高压空气 通过进气 孔 4进 入冲击器的进 气腔 9 ，再 经过前 腔进 气道 1 0进入 前 腔 1 1 。后腔7和后腔排气孔 2则与孔底相通进行排 气，即处于低压状况 ，从而启动活塞回程运动。 回程制动阶段 活塞回程到一定距离时，前腔进 收稿 日期 2 0 0 9 0 4 0 7 基金项目国家 自然科学基金资助项 目 5 0 7 7 5 0 4 3 作者简介江涛 1 9 8 4 一 ，男，硕士研究生。研究方向为数控机床及虚拟制造、流体力学、测量技术。电话1 3 6 3 1 4 1 3 1 3 9 ， Em a i l j t5 1 1 3 0 0 1 6 3 ． c o m。 1 0 2 机床与液压 第 3 8卷 气道 l 0先被断开，此时前腔 1 1 停止进气，活塞 3 靠 前腔 1 1的高压空气膨 胀继续 回程 ；当活塞 3断 开了 后腔 7与后腔排气孔 2的连 接时 ，后腔 7的低压 气体 受到压缩；当活塞 3打开前腔进气孔 5后 ，前腔 1 1 的高压气体被排到孔底 ，使得活塞3回程的背压变得 很小；当活塞 3打开后腔进气道8时，高压气体从进 气腔 9经过后腔进气道 8进入后腔 7 ；在后腔7内的 高压气体的作用下，活塞 1 O的回程运动不断减速直 至结束回程，然后使活塞 3开始做冲程运动。这时活 塞后端面到达 置 的位置 。 冲程开始及加速 阶段 活塞 3 经历一次与 回程运 动时的配气顺序相反的过程开始冲程运动，然后后腔 进气道 8和前腔进气道 l 0均被截断，全部气体供给 活塞 3 ，使活塞 3开始加速 。 同步 冲程加速阶段 冲锤 向前腔方向运动 时，前 腔进气道 1 0被打开，进气腔 9通过前腔开始卸压， 此时活塞处于同步冲程加速阶段。 冲击阶段 活塞运动到一定位 置 ，前 腔排气孔 5 被打开，进气腔 9完全卸压，但这时活塞已获得速 度 ，从而以极高的速度撞击钻头6 ，完成一次冲击过 程 ，然后活塞 3又开始 回程运动 ，如此反复 。前腔排 气孔 5的位置尺寸 决定了排气孔开启时间，对活 塞运行性能有较为重要 的影 响。 由于气体介质的黏度极低 ，流动速度快，因此活 塞可以实现高的循环速度 ，打击频率高。而排出的压 缩气体被用来清理孔底 ，使得能量得到再利用。 2 气动冲击器冲击系统仿真模型建立 2 ． 1 关于冲击系统仿真模型的假设 根据气动冲击器的结构形式及工作原理，可以针 对活塞建立微分方程 ，从而确定冲击系统仿真模型。 在实际系统 中复杂影响因素很 多 ，因此在建立仿 真模 型之前 ，简化对分析结果影 响不大 的因素 ，做出以下 程方程 应为 A2 2 m n 军 p A 一 n p A j m g 1 式中s 为活塞的运动位移； t 为活塞的运动时间；n 为活塞的运动状态系数 ，n1 时活塞冲程 ，n一1 时活塞回程 ； P为工作气腔的工作压力；i 为工作气 腔，1 为后腔，2为进气腔； _『 3为前腔；A为工作 气腔的有效工作面积；m为活塞的质量。 2 ． 3 冲击器各工作气腔的压力计算 无 阀气动潜孑 L 冲击器的配气结构决定了前腔和后 腔的进气 、排气通道的开闭都与活塞运动的位移状况 有着直接的关 系 ，所 以应该根据活塞的运动位移量对 各个通道的开闭状态 的影响 ，确定 出前腔和后 腔内气 体的压力状态方程。依据前腔和后腔气体的变化过程 为绝热过程，可写出气体绝热过程的压力状态方程 P 1 ／ p p V ／ m c o n s t 2 将 上式 的第 二个 等 式 两边 对时 间 t 求 导 ，整 理 得 业 一 一d m s 一生 d V d d￡ d t 、 由气体状态方程 p V m R T 4 两边对时间 t 求导 ，整理得 p e _ v a r 5 式中 P为气体的密度；V为气腔 内气体的体积；k 为比热比 ，对空气，k1 ． 4 ；m 为气腔内气体的质 量 。 根据热力学以及气体动力学建立的气体连续性原 理 ，有气体的连续性方程 假设 1 空气压缩机的气体是理想气体，系统 内气 程 空气压缩机的气体是理想气体 ，系统 内气 一 体的变化过程为气体的绝热过程 ； 2 前腔与后腔封闭时气体的膨胀与收缩过程 也可看成气体的绝热过程； 3 气动冲击器内外泄漏可忽略不计； 4 活塞与内外缸之间的滑动摩擦力忽略不计。 2 ． 2 活塞的受力分析与运动方程 由上述工作原理的分析、活塞的结构分析以及冲 击系统各工作阶段受力分析可知，无论是活塞做回程 运动还是冲程运动，后腔与进气腔内气压对活塞的作 用力方向都始终与活塞冲程运动的方向保持一致，而 前腔与排气腔内气压对活塞的作用力则都始终与活塞 回程运动的方向保持一致。于是，以活塞与钻头的撞 击面为运动原点 ，根据牛顿第二定律 ，活塞的运动过 警 6 故可得出前腔与后腔内气体在绝热过程中流动方 7 式中日为喷嘴节流的面积 ；u为气体的流动速度 ； P u 为上游气体的压力； P 。为下游气体的压力；R为 气体常数 ，对于空气R 2 8 7 J ／ k g K ；7 ’D 为上游气 体的绝对温度； 为流出速度系数，有 P D 5 2 8叭 ．后 当 PU 52 8 时 ， √ J} 1 。 ＼ ，c 十 ， 由式 3 、 5 和 7 得到 R T D 告 一 等 8 第 3期 江涛 等基于仿真计算的气动潜孔冲击器性能分析 1 0 3 警 R T D 告 一 9 通过式 8 、 9 便能够有效地计算出前、后 气腔在排气与进气过程 中的压力变化 。 开始启 动冲击器 的瞬间，后腔气体的容积并 没有 马上发生变化 ，直到 聚集足够的压力能把活塞抬起来 时后腔气体 的容积才发生膨胀 ，于是在启动冲击 器的 瞬间后腔气体 的压力变化是 P P o 2 5 ． 61 7 B T -o p ． 1 o P P t 十 一 L ／ 式中 P 。 为高压气体进入气腔前气体压力 ；r o 为高 压气体进入气腔前的容积；T o 为高压气体进入气腔 前气体的绝对温度；P 为气源提供的气体压力 ；T n 为气 源气体 的绝对温度 。 3 S I MU L I N K仿真计算结果与分析 在建立了气动冲击器的数学仿真模型之后 ，利用 M A T L A B语言 以及系 统仿真工 具 S I M U L I N K，对 冲击 器 的冲击系统进行仿真计算 。 3 ． 1 仿真计算结果 仿真计算以某公司生产的 Z D T型气动高频冲击 器为例，相关计算参数 活塞质量为 l 6 ． 8 k g ，空气 压缩机提供 的压力为 1 ． 7 M P a ，其他所需参 数按照 冲 击器的实际数据进行设定 。 在单次运动过程中，活塞位移与时间关系、速度 与时间关 系分 别如 图 2 、3 ，前 、后腔压 力 与时 间关 系分别 如图 4 、5 。 0． 0 0． o ．0． ．0． 1 芝1 出 秘 o j 盂 2 1 ．1 o o． Ol o． 02 o． 0 3 o． 04 o． 0 5 o o． 0l o． 02 o． 03 o． 0 4 o． 05 时间r ／ s 时 间f ， s 图 2 活塞位移与 图 3 活塞速度与 时间关 系图 时间关 系图 ￡ 芝1 龃 。 o． Ol o． 02 o． 03 o． 0 4 o． 05 o o． O1 o ． O2 o． 0 3 o． 04 o． 05 时问 时间 图4 前腔压力与 时间关 系图 图 5 后腔压力与 时间关系 图 观察图 2可以发现 ，活塞在 回程运动上所消耗的 时间比消耗在冲程的时间多出了 1 ／ 3 ，占了整个往复 运动周期 的 6 0 ％ 以上 。 观察图 3 可 以发现 ，活塞在冲程时绝大部分时间 处于加速状 态 ，而 活塞 在 回程 时则是 先 加速后 减 速 羹 1 。 O． O 3 o ． 04 o． 05 0． o6 o． 07 o ． 03 n 04 o ． 05 o． 06 o ． 07 前腔 排气孔位 置 ， m 前腔排气 孔位置墨， m 图6 活塞质量不同时 图 7 活塞质量不同时前 前腔排气孔位置 腔排气孔位置 与冲击功关系 与冲击频率关系 在 活塞质 量不 同 的情 况下 ，前 腔排 气孔 位 置 对冲击器的冲击功与冲击频率的影响分别如图 6 、7 所示 。可 以明显地看到 ，随着活塞质量不断增加 ，无 论是冲击功还是冲击频率都呈现下降的趋势；同时， 随着前腔排气孔与运动原点之间的距离 的不断增 下转第 1 2 6页 1 2 6 机床与液压 第 3 8卷 同理可以求出纵坐标的融合结果，因此得到该点 的坐标 ，也 即得 到该方 向灭点 。 得到各方 向灭点后按 照理想透视作 图方法求解透 视图的站点。如图2中的站点 Js ，主视线位于视物的 中心 。以 F F 的中点为圆心 ，F F 2 为直径 画圆 ；以 直线 皓 ， 交 于 O X轴 的 b d 的中点 画铅直 线 ，该 铅直线与圆弧的交点 即为 站点 S 。得 到站点即找 到透 视角度 。 4 效果图立体反求需注意的问题 效果图的绘制属于中心投影 ，原理类似于透视 图 ，但其与透视图还存在着诸多差异 。汽车车身 的设 计是技术与艺术的结合体 ，在设计过程 中考虑 的因素 是跨领域的 ，要取得各方 面的均衡很难 ，因此在反求 时还需要注意 以下问题 。 1 效果图是设计者根据 自己的设计思路进行 绘制的，由于存在艺术性 ，也就是 自由创造性，因此 存在着一定的不规则性 ，这样人工提取 时就要找 出能 体现出真实结构的框架，并去掉其美学特征 ，比如色 彩等 。 2 在确定 透视灭 点 时 ，可能 透视 图会 出现 灭 点很远而超 出纸面的情况 ，给作 图带来 困难 ，可 以用 位似变换法将透视图按 比例缩小 ，得到透视图的灭 点。 3 站点求解 一般 是根 据理 想透视 图作 图方 法 来求 ，主视线位于物体 最左最 右视线 的中间，即视物 的中间，另外还要根据图像外形 、结构特征等进行分 析，找到修正位置。 4 在总体分析时，由于效果图的不规则性可 能各部分 的透视灭点及站点差别较大 ，可以考虑各部 分采用不同的灭点及透视角度。 5 进行数 据 融合计 算时 ，如 果要 融 合 的数 据 比较多 ，可 以考虑将数据分为几组分别 进行融合 ，在 将所得结果进行均值化或再融合处理。 5结论 基 于效果 图的反求设计还处在起步阶段 ，由于不 规则性及效果图的唯一性使得很多的信息无法得到， 这是设计阶段的难点。作者对单幅效果图反求的图解 方法做了基本 的理论研究 ，进一步的研 究工作是对 曲 面的拟合研究及研制系统软件，为新产品的开发提供 新的设计手段 。 参考文献 【 1 】王明道． 新产品摄视法[ M] ． 北京 中国建筑工业出版 社 ， 1 9 9 3 ． 【 2 】刘之生， 黄纯颖． 反求工程技术[ M] ． 北京 机械工业出 版社 ， 1 9 9 2 ． 【 3 】马晓丽， 厉善元， 章文兵， 等． 影像反求外形设计理论与 应用研究[ J ] ． 南华大学学报 ， 2 0 0 2 ， 1 6 3 7 0 7 4 ． 【 4 】杨玉芳， 林大均， 孟聪颖． 透视图在反求设计中的应用 [ J ] ． 工程图学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 7 5 ． 【 5 】 马云， 余 隋怀， 杨燕燕． 基于轮廓线的透视反求研究 [ J ] ． 科学技术与工程， 2 0 0 7， 7 6 ． 【 6 】 侯伟， 高满屯． 机械设计与制造图像处理[ J ] ． 机械设计 与制造 ， 2 0 0 6 1 O ． 【 7 】范金城， 梅长林． 数据分析 [ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 00 2． 【 8 】 刘同明， 夏祖勋 ， 解洪成． 数据融合技术及其应用[ M] ． 北京 国防工业 出版社 ， 1 9 9 8 ． 1 ． 上接第 1 0 3页 加，冲击功逐渐地提高，而冲击频率则逐渐地下降。 所 以，要使冲击器的整体 性能得 到有效 的提高 ，必须 严格控制活塞的质量 ；而要获得理想的破岩碎石的效 果则可 以从控制冲击器内部各个进 、排气孔的位置以 及各气腔 的容积等方面人手。 5结 论 1 在仿真计算方面，通过对气动潜孔冲击器 结构与工作原理的分析 ，建立起其冲击系统的仿真 模 型 ，并利用 MA T L A B语 言 以及 S I MU L I N K系统 仿 真工具进行仿真计算 ，得出的仿真计算结果与冲击 器的实际工作参数的一致性好 ，说明所采用的仿真 方法 较为正确 与可靠 ，该仿 真方 法 为建立 气动 冲击 器仿真模型并计算获得冲击器主要性能提供了有效 参 考 ，同时也 为优化设 计气 动潜 孔 冲击 器提供 必要 的前提条件 。 2 对影 响气动 冲击器 性能 的主要 因素 进行 了 分析 ，重点分析冲击器活塞质量、前腔排气孔相对于 运动原点 的位置 的数值 大小对 于冲击功 与冲击 频 率 的影 响 ，为优化设计气动冲击 器提供参考 。 参考 文献 【 1 】马克新． WQ - 7 5 A型气动潜孔冲击器的电算模型的建立 及其应用[ J ] ． 世界采矿快报， 1 9 9 9 ， 1 5 1 4 2 4 4 ． 【 2 】林元华 ， 施太和， 李润方， 等． 空气冲旋钻井冲击力和机 械钻速仿 真研究 [ J ] ． 岩石力学与工程学报， 2 0 0 5 ， 2 4 1 8 3 3 3 7 3 3 4 1 ． 【 3 】陈家旺， 殷琨， 谭凡教． 基于 M a t l a b 语言的射流式冲击 器冲击系统仿真计算[ J ] ． 露天采矿技术， 2 0 0 7 1 4 2 4 5． 【 4 】 杨务滋 ， 邱海灵， 苗润田． 基于S i m u l i n k的液压冲击器动 态仿真[ J ] ． 凿岩机械气动工具， 2 0 0 5 3 4 0 4 5 ． 【 5 】陈宝义， 王清岩， 赵向东． 油压冲击器的工作原理及仿真 电算研究[ J ] ． 吉林地质， 2 0 0 4 ， 2 3 2 7 2 7 5 ．