液压冲击器的研究现状及发展趋势.pdf

线性研究是通过假设 ， 将非线性 冲击器线性化 后进行的理想化研究 。是在假设 “ 液压油压力恒定 不变” ，且忽略某些因素的前提下 ，得到的线性模 型 。它的研究前提是前苏联 学者 0 皿 A ／ n 4 M O B和 C A 6 a c o B在 液压振 动冲击机构理论 中提出的 “ 在保证冲击末速度为给定值的情况下，压力完全 均等的压力控制是效率最高的最佳控制” 的观点。 在“ 恒压控制” 假设基础上 ， 前苏联学者提 出了 峰值推力最小的最佳设计方案； E t 本学者中山等人 在此基础上 ， 考虑了管道阻力 ， 对活塞行程 可调性 进行 了理论和设计研究Ⅲ ； 北京科技大学 的李 大冶 1 综合应用于冲击能、 冲击频率、 主要结构参 数等计算 ， 研究冲击系统中的活塞 、 阀、 蓄能器或机 体运动 ， 分析系统特性等 ； 2 建立 目标 函数 ， 进行优化设计 ； 3 对许多问题 的复杂理论推导结果进行简化 处理 ； 4 把定性 的理论分析与试验相结合 ，可避免 传统设计理论中没有考虑各因素对相关性能影响 的缺陷。 如相对运动体之间的间隙和密封对冲击性 能的影响 ； 活塞防后撞及防空打装置对 阀换 向特性 的影响等『 2 l 。 资助项目 南京师范大学创新实践项 目资助 作者简介 许勤 1 9 6 4 一 ， 女， 副教授， 博士， 研究方向 液压与气压传动控制。 - -- 47-- - 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 但是， 线性研究中没有考虑直接影响冲击性能 的活塞和阀的相互制约关 系以及蓄能器 的状态 ， 故 不能正确地反映机构中众多 的结构 参数问的相互 关系。尽管其研究的精确性较差 ， 但结果基本上能 反映各种 因素对性能的影响关系 ， 因此在理论和设 计研究中具有一定的参考意义。 1 ． 2 液压冲击器的非线性模型 液压冲击器作为比较典型、 复杂的单体机械反 馈随动系统 ， 与其它领域的非线性系统一样， 存在 着很多非线性的现象和规律。 为了对冲击器整个工 作过程做出比较精确的描述 ，提高设备的工作性 能 ， 开始了冲击器的非线性研究。 非线性模型研究主要有如下几种l 3 l 1 不考虑液压油压缩性的变加速方法 。这种 方法忽略了油液的可压缩性， 但考虑了冲击器工作 时的较多因素， 因而能够比较精确地描述实际工作 情况 ； 2 考虑液压油压缩性的变加速研究方法 。在 1 的基础上考虑了液压介质的压缩性的研究 ； 3 联合考虑液压系统的波动性和动力性 。在 液压 由 运动 时的阻力和泄漏 的基础上考虑介质流 动过程的波动性 ， 联合给出液压系统 的波动方程和 动力学方程， 得到的数学模型与实际工作情况更为 接近； 4 应用振动理论进行分析。该方法认为 蓄能 器的隔膜运动类似于变刚度的弹簧 ， 冲击器运动类 似于变刚度的 自振系统 ， 利用振动理论进行分析计 算。 早在 2 0 世纪 7 0 年代初， 国外就有人将计算机 和仿真技术应用于风动凿岩机冲击器的研究 ， 获得 较为精确的结果 。 近年来 ， 随着计算机技术 的发展 ， 非线性模型研究越来越受到人们重视。1 9 7 6年 ， 日 本学者正桶口正雄最早用计算数学研究了液压冲 击器 ， 在 日本机械学会会议上提出液压冲击试验装 置的数学模型； 2 0世纪 8 O 年代，日本学者高桥义 雄、 涩谷嗣等人对液压冲击器的性能和设计进行了 非线性研究， 提出了适用于液压冲击器性能评价和 设计的解析模型以及解析模型的推导理论和分析 方法； 1 9 8 0 年， 北京科技大学李大冶、 陈定远等人提 出了以蓄能器压力为工作压力的非线性数学模型 ， 并求得了稳定的数值解 ； 1 9 8 3 年，中南工业大学的 何清华在 液压凿岩机冲击器数值仿真研究 中， 使 -- - 4 8--- 用状态切换法建立了较为全面的非线性数学模型， 提出“ 准匀加速度数值计算方法” P U A法 ， 并且对 各状态切换之间 的误差进行 了校正计算 ； 1 9 9 4年 ， 长沙矿山研究院对气液联合作用型液压碎石冲击 器先用线性设计理论进行初始设计， 再用液压控制 系统动态建模理论建立非线性数学模型， 对液压冲 击器进行了优化设计， 并根据优化结构参数设计出 新型的液压冲击器。 非线性研究利用计算机技术进行辅助研究和 优化设计。从 目前的文献报道看 ， 液压凿岩机的动 力学分析较多采用解析法 ， 但是液压破碎锤 的动力 学特性分析较多采用仿真研究 。随着计算机科学 技术的发展和普及， 利用非线性方法研究液压冲击 器运动规律 已越来越受到人们的重视。 1 ． 3 液压冲击器结构研究 1 ． 3 ． 1 蓄能器的研究 蓄能器是液压冲击器的重要组成部分， 其结构 直接影响液压 冲击器 的整机性能。因此 ， 在研究液 压冲击器性能的同时，也展开了对蓄能器的研究。 1 9 9 0年 ， 日本学者高桥义雄 、 涩谷嗣等人进行 了试 验 和理论研究 ， 根据建立的解 析模 型 ， 利用状态方 程得到蓄能器充氮体积的计算公式和各种液压冲 击器中蓄能器最佳尺寸的计算公式， 并试验验证了 该公式的正确性， 为设计最优蓄能器提供了理论依 据； 1 9 8 6 年， 北京科技大学段晓宏以集中参数为基 础 ， 建立 了高压 隔膜式蓄能器的动态模型 ， 采用试 验和计算两种方法分析了蓄能器系统频率特性， 提 出在冲击器结构和尺寸确定的情况下 ， 蓄能器容积 尺寸选择的计算方法和工作时最优工作参数的计 算方法。 同年， 中南工业大学何清华、 廖建勇等也提 出回油蓄能器参数设计方法； 近年来北京科技大学 对液压凿岩机 的蓄能器动态藕合特性进行了研究 ， 编制了仿真软件包 H R D P ， 对蓄能器最佳动态藕合 特性进行 了验正性计算。 1 ． 3 ． 2 控制阀的研究 有阀型液压冲击器是位置反馈的阀控活塞系 统 ， 通过改变冲击器某一腔的供油规律， 实现活塞 高速往复运动。虽然这种控制形式比较简单， 但它 的过渡过程比较复杂。 在阀换向过程中时间、 速度、 行程、 耗油量等都呈阶段性变化 ， 可对冲击器性能 造成很大的影响。 为此北京科技大学刘万灵等通过 理论与试验， 专门对液压冲击系统中控制阀特性进 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 行 了研究 ，得出所研究冲击器上 阀的实 际运 动轨 迹 ， 揭示了换 向阀运动规律 ， 确定 了影响该 冲击器 性能的控制阀的主要参数； 中南工业大学齐任贤等 从理论上对阀控制过程进行分析 ， 对 阀的结构和参 数进行优化研究 ，得 出了一些有益 的规律性结论 ， 针对液动换向阀高速运动时可能出现的速度饱和 现象 ， 提出了采用减小 阀芯重量 和行程 ， 同时适 当 加大油道直径等有效的解决方法。 其后杨襄璧和赵 宏强等也对阀结构设计进行 了研究 。 1 ． 3 ． 3 冲击频率调节研究 液压冲击机械的冲击功率取决于冲击能和冲 击频率。为适应不同的冲击对象 ， 对液压冲击机械 提出了新要求 工作中能不断地调整 冲击能和冲击 频率的匹配， 以获得最佳冲击性能。 目前大多数 冲击器采用调节 活塞行程 的方法 调节冲击频率，虽然能实现工作参数的有级调节， 但 限制了液压冲击器 的工作范围。为实现冲击频率 的无级调节 ， 近年来 国内外学者进行 了大量的研究 工作嘲 。中南工业大学液压机械工程研究所从控制 输人流量和压力人手， 率先提出基于压力反馈原理 独立无级调节冲击能与冲击频率的液压冲击器构 想 ， 通过对活塞 回程压力调节 ， 无 级调控冲击器的 单次冲击能 ； 通过调节变量泵流量， 达到对活塞冲 击频率的无级调节， 并把机电一体化技术引入冲击 器结构设计中 ， 推出了压力反馈独立无级调节 冲击 能与冲击频率的新型液压冲击器； 并通过对冲击器 模型的静态和动态仿真， 研究了有关结构参数对其 性能 的影响 ，为新型 自动换挡机构设计 提供 了方 向， 为冲击能和 冲击频率独立无级调节与控制寻求 了一条新思路 。 1 ． 3 ． 4自动控制研究 在不断完善 液压冲击 器的设计理论 和方法 的 同时， 液压冲击机械工作过程的 自动化也受到各国 研究者 的注意 ，纷纷开展 了智能化 的研究工作 ， 通 过实时监测被冲击体的性质， 随时调整液压参数以 适应不 同对象 ， 提高速度 ， 获得最优效率 ； 利用传感 器和机械手进行巷道断面的形状测绘与被凿岩石 的性质识别， 自动操纵液压机械准确定位 ， 自动开 孔、 停钎和退钎， 并根据工作对象 自动调节冲击能、 冲击频率等。 1 ． 3 ． 5 振动和噪声控制研究 衡量液压冲击机械性能的指标除了冲击能、 冲 击频率和重量外 ， 噪声、 机体振动和能量利用率也 是评价总体性能的重要方面。随着环保意识增强 ， 发达国家对设备噪声的限制越来越严 。为适应市场 需求 ， 液压冲击机械的噪声和振动及粉尘控制也逐 渐成为商业竞争的重要指标， 其控制技术现已成为 重要的研究课题。 各国学者从结构和材料等方面开 展研究 ， 研发的产品已经投放市场[6 1 。日本学者在结 构上采取内藏衬套、 消音装置或夹有减振钢板措施 对振动和噪声进行控制 ， 克虏伯公司则对其公司的 中型 以下产 品装备 了阻声材料 ， R a mm e r 公 司在新 开发的产品上安装高压水泵及雾化喷头以达到降 低粉尘的作用。 2 液压冲击器的试验技术研究现状 液压冲击器作为性能优越的冲击系统 ， 从在第 一 台实用液压凿 岩机上使用至今 ，不过几 十年时 间 ， 却 已形成 了一个颇具竞争力 的 、 重要 的新技术 产业 。 2 ． 1 测试设备的建设 许多冲击机械发达的国家如瑞典、 芬兰、 日本、 美国、 英国和德国等 ， 众多的生产厂商都十分重视 产品的开发和产品质量的提高。由于影响液压冲击 器运动规律因素的多样性 ， 仅靠理论分析和计算得 不到满意的结果。 这就迫使人们通过试验对液压冲 击器进行实测 ， 以弥补理论分析 的不足 ， 为产品改 进设计提供依据。为此， 国外各主要生产液压冲击 机械的公司， 不但有大量资金投入和专门的研究队 伍 ， 还有配备齐全的先进试验测试设施和手段 。目 前国外各液压冲击机械的公司都具有比较完善的 试验室和先进 的测试装置 ， 为发展液压冲击技术奠 定 了可靠基础。在一些国家由于测试方法过多 ， 还 颁布了国家测试标准 ，对测试方法作了规定和说 明。 世界最大液压冲击机械生产商 A t l a s C o p c o 公司 在斯德哥尔摩 的纳卡设有 由采矿 与建筑技术公 司 专门负责的研究机构 ， 在研 究机构 中拥有规模很 大 占公司总员 8 ％和技术装备现代化 的测试 中心 ， 试验 中心又拥有凿岩机综合试验室 、冲击能试 验 室、 冲击应力试验室、 噪声试验室、 寿命试验室和电 子计算机中心等与冲击机械性能参数测试有关的 试验室 ， 负责本公 司产品的试验研究 、 质量控制 、 材 料试验研究及对外的一些服务性测试。该公司每一 产品从设计初期的原理提出、 结构方案设计 、 参数 - - 4 9-- 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 选择到样机测试 ， 都必须在该 中心通过充分 的理论 分析和多次的试验研究； 测出所有参数， 找出使用 条件参数、 基本功能参数和使用效果参数相互之间 的关系 ， 以确定最优方案。 目前该公司推出的新产 品还都要在瑞典或爱尔兰做 1 年左右 的工业试验 ， 在对试验结果非常满意， 并认为试验结果会使行业 大开眼界后才推向市场。法国塞克马公 司也建有由 综合试 验台 、控制台和 中央控制 室等组成 的试验 室 ， 鉴定产品运行情况 ， 进行主要性能参数测定 ； 德 国埃森采矿研究中心，为寻求最佳凿岩速度途径， 专门建有科研型试验室， 主要试验各种液压凿岩机 在常见受冲对象上的冲击效果。目 前国外各液压冲 击设备生产厂和研制中心为了提高产品质量， 也基 本建有一些研究性试验室或测试 中心 ， 如研制高频 液压 冲击机械的美国英格索 兰德公司建有专门研 究机构和试验中心 ；瑞典林登 阿利马克公司有整 机试验台等。在 日本秋 田大学高桥研究室有较完整 的液压破碎机和液压凿岩机性能测试系统， 该系统 为 日 本的液压破碎机和液压凿岩机生产厂家提供 了不少可信数据。 国内也有一些单位拥有一些试验 设备 ， 如 中国煤炭科学研究总院 、 北京科技大学 、 长 沙矿冶研究院等都建有液压冲击器的试验室， 但测 试设备建设上与国外相比仍存在相当大的差距。 2 ． 2 液压冲击器的试验研究 在液压冲击器方面的很多研究 ， 大多是以试验 为参照标准。离开此参照标准， 理论和仿真研究结 果的准确性 以及对实际设计工作 的指导意义总是 有一定 的局 限。有些问题从理论角度根本无法人 手， 只能依靠试验进行研究。国内外研究人员和设 计工作者为了得到液压冲击器设计基础资料， 做了 许多试验研究工作， 为冲击器的设计和控制提供许 多新思路[7 1 ， 而且研究 内容十分广泛 理论研究正确 性的分析和验证， 冲击凿岩能量转换率高低的影响 因素， 纯水液压系统间隙泄漏问题， 液压冲击器主 要性能参数的影响因素[81 ， 主要工作参数对工作速 度的影响， 噪声和振动特性， 活塞材料分析和有关 试验研究等。纵观这些试验， 基本上都是对研究者 的理论结论的验证分析， 很多试验由于使用试验设 备的精确性和试验方法可行性并没得到有关权威 部门认可， 因此一些试验结果的准确度和精确度有 待商榷。 3 液压冲击器仿真技术的研究现状 一 5 0一 从产 品设计 、 研发角度来看 ， 机构特性 动态研 究最好是放在产品开发和设计阶段进行。对液压控 制系统动态响应仿真一直是液压行业不断研究的 一 个 门类 ， 也是研究控制系统动态 响应特性常用的 手段 。 液压冲击器特殊的工作方式决定了该机构理 论设计、 开发必须以相应的动态仿真分析和试验为 基本前提 。计算机面世后 ， 只有靠产品试验得到机 构运动性能精确或可信结果的障碍被打破， 研究者 开始利用各种方法建立描述液压振动与 冲击机械 运动的数学模型， 通过仿真技术对液压冲击器的参 数变化过程进行分析， 并利用虚拟样机技术进行冲 击机械运动过程的模拟。在设计结果确定后， 就可 以清楚了解机构运动， 计算有关性能参数 ， 为缩短 新产品开发周期、 优化设计和进行性能动态分析开 辟 良好的途径。 最早的方法是先设定系统工作原理及有关参 数，用一定的电子元器件来模拟所设计的系统， 运 用模拟电子回路对流量 、 压力及运动件动态特性进 行仿真 ， 做到基本上符合要求[9 1。所需修改量比较 少 ， 这种方法 比设计 、 试验 、 再设计 、 再试验虽稍有 进步，但是模拟计算需要使用大量的模拟参数， 对 设计者来讲， 极不方便 ， 费时又费工。 上世纪 6 0 7 0 年代， 美国学者 R ．w．埃德金斯和 W． N ．佩特森、 日 本 学者 T a k a h a s h i Y ．和 Wa t a n a b e Z ． 、 高桥义雄 、 渡边善 太郎等人， 就应用数字计算机开始冲击机械仿真工 作， 这些工作将前后腔压力看作变量， 液体流入和 流出按孔口流动计算 ， 用流量系数修正； 再应用气 体状态方程、 能量平衡方程 ， 建立描述蓄能器和运 动件活塞状态变化微分方程 ， 对阀的运动做一定的 近似处理后， 采用数值差分法求解。 仿真结果， 尤其 是性能参数与实测值很接近 ， 取得 了令人满意的结 果。在 日 本， 研究人员更侧重针对具体液压冲击器 建立计算机模型进行研究， 并在模拟中引入由试验 实测得到的系数，去进行液压冲击器结构参数、 冲 击参数和性能优化， 得到了相应的液压冲击器的最 优回油口面积、 蓄能器最优充气腔容积和后腔受压 面积等。在进行模拟的同时， 日本研究人员更注重 仿真结果与试验测试结果的比较 ， 并依照测试数据 对计算模型进行修正。 如 日 本在仿真研究中提出由 冲击器、 钎杆和钎头等组成的仿真模型， 以活塞、 钎 杆和钎头一元应力波理论为基础 ， 并假定 了钎头与 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 岩石间相互作用力与凿透能力的滞后关系， 建立起 连续冲击的计算机解析模型， 为使仿真过程更加符 合凿岩机实际工作情况， 又在试验室模拟被冲击对 象在冲击断面形状和岩石性质识别上进行研究 ， 为 提高冲击器冲击效率 、 进行液压 冲击参数调整和优 化结构提供了有利的理论和试验依据 ， 大大提高试 制样机 的精度 ， 减少 了不必要 的开发成本 。 目前瑞 典桑得威克公司 S a n d v i k A k t i e b o l a g 在考虑到冲击 活塞的形状对能量传递方式的影响后， 也设计开发 了该方面的计算机仿真程序。利用此程序 1 可模拟冲击各部分的能量传递过程； 2 可模拟系统各部件的不同设计 ； 3 可在不同类型冲击对象情况下模拟各种设 计可能对能量传递的影响。 桑得威克公司的这种计算机程序不仅能保证 研制出最优的产品 ， 还可测定和 了解所有参数对 冲 击系统影响的能力 和模 拟与预测 系统某部分参数 发生变化 对效率 的影 响 ， 并能按照用户要求 ， 在需 要充分利用冲击能量时， 作为可使用的、 实用有效 的计算工具提供给用户。 上世纪 8 0 年代后 ，国内也开始仿真技术和应 用方面的研究 。我国学者齐任贤 、 田树军 、 陈玉凡等 都采用各 自方法建立 了数学模型。为满足我 国液压 凿岩机设计开发的需要和国家“ 八五” 科技攻关课 题的需要， 在“ 八五”期间， 大连理工大学和中国煤 炭科学研究总院北京建机研究所联合进行了 Z Y J 通用仿真程序的研究， 田树军等人应用功率键合图 P o w e r B o n d G r a p h 这一先进 动态建模技术 ， 结合 状态空 间分析方法 ， 主要针对滑 阀控制式液压凿岩 机开展 了动态仿真软件 的研究 。在该项研究 中 ， 对 液压冲击器动态仿真建模与编程进行了探索， 为后 来许多仿真编程提供了一种方法和思想， 并在国家 “ 八五” 科技攻关课题“ 完善提高液压凿岩机的性能 和可靠性研究 ”的科研实践 中得到 了充分的应用 ， 对缩短研究开发周期 、 加强研究深度和广度及提高 新机型的设计质量等均起 到了 良好的保 障作用 ， 取 得了与一般理论分析及实测结果有较好吻合的满 意结果， 为机器结构改进设计提供了较有借鉴意义 的理论依据。 但该通用仿真程序要想成为一种在机 构设计和使用中， 使冲击效率得到最大优化的实用 软件工具仍有待进一步考证、 完善和提高。 在建立仿真模型方法方面， 目前一般是在假设 条件下 ， 通过建立活塞 、 换 向阀的动力学 方程式和 各液压腔流量方程式， 以及蓄能器气体状态方程来 建立模型。 也有利用功率键合图法建立实际液压系 统的数学模型， 然后利用计算机语言编制的仿真程 序实现。这些研究可 以对前后腔压力 、 活塞位移和 速度等主要状态变化过程进行分析； 有些研究是将 动态数值模拟与结构参数优化结合起来， 以获得最 优机构。但这些研究只限于对个别机器的模拟， 所 建模型和仿真软件基本上都是针对所研究的具体 对象， 并且在过多假设条件下建立起来 ， 有些因素 因种种原因没有被考虑， 仿真时对很多运动参数做 了近似处理， 大多是通过单独改变某个物理参数来 观察性能变化， 因此研究结果对实际应用有一定的 限制， 新机构模拟时的盲 目性无法避免 ， 大多数仿 真被用来作为新机型开发的可行性验证 ， 为进一步 研究液压冲击器参数变化对其性能的影 响提供一 个平台。 4 液压冲击器的研究趋势 液压冲击技术近几十年间的发展速度充分证 明了它的技术先进性。 但随着世界市场对液压冲击 设备的需求量日益扩大， 工作领域不断扩展和工作 要求不断提高，对液压冲击器的性能要求越来越 高 。国内外对 冲击器的研究从没间断 ， 结 构不断改 进 ， 性能参数不断优化， 液压控制系统也在不断地 完善中。随着液压控制 和微电子等高新技术的发展 和应用， 液压冲击器技术也在不断地向前发展。综 合目前情况来看， 冲击器的研究发展主要表现在以 下几个方面 1 为实现液压 冲击器能量最优传递 和提高寿 命、 改善操作者工作条件等， 进行的新设计方法和 理论方面研究和对易损件的新工艺 、 新材料及结构 改进等研究； 2 随着液压控制系统不断完善，以控制性能 参数优化为目的， 对产品自动化和智能化冲击控制 技术方向的研究 ； 3 随着市场竞争的加剧 ，产 品更新速度会进 一 步加快， 为促进设计工作走上模块化研发制造的 道路， 以便有利于“ 积木式” 发展系列产品和变型产 品， 将加快实现提高产品的标准化和系列化程度的 研究 ； 下转第 6 2页 一 51 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 4 结束语 钻床多轴头作为一种高效的孔加工装置 ， 已广泛 应用在工程机械、汽车等需进行大批量生产的行业。 但一般都体积大、 质量大， 常作为一种大型的工艺装 备使用。 本文以某型号推土机后桥箱的内部孔的加工 为例， 介绍了一种轻量化的多轴头， 使多轴头成为一 种易搬运、 便于装夹的小型工艺装备， 并解决了原本 较难解决的半封闭箱体类零件内部的多孔加工问题 ， 提高了生产效率 ， 在实际使用中效果明显。 参考文献 【 1 】 蒲林祥． 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c h a n i c al En g i n e e ri n g C o n f e r e n c e ， Ho u s t o n ， T e x a s ， 1 9 6 5 ． 通信地址江苏省南京市板仓街 7 8号南京师范大学电气 与自动化工程学院 2 1 0 0 4 2 收稿 E t 期 2 0 1 0 0 2 2 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m