高氣壓沖擊器后氣室進(jìn)氣相關(guān)分析與研究

（山東天瑞重工有限公司，山東 濰坊 261000）

高氣壓潛孔沖擊器是一種以壓縮空氣為動力的氣動沖擊破巖工具，鉆孔時(shí)搭配鉆頭和鉆桿使用。此種施工方法具有能量損耗低、鑿孔速度快、沖擊力量大、鉆頭磨損輕和鉆孔深度大等優(yōu)點(diǎn)。該作業(yè)方式主要應(yīng)用于建筑樁基孔、水井鉆探、礦山露天開采施工、鐵路施工、橋梁樁基孔施工、錨固工程施工等領(lǐng)域。

高氣壓潛孔沖擊器采用無閥配氣機(jī)構(gòu)，利用活塞運(yùn)動實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道開啟和關(guān)閉，從而控制氣路的切換，具有響應(yīng)迅速、配氣可靠和故障率低的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)氣道的不斷切換將活塞整個(gè)運(yùn)動行程分為進(jìn)氣行程、膨脹（壓縮）行程和排氣行程，各個(gè)行程之間的切換是通過沖擊器內(nèi)部的配氣結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。

本文結(jié)合數(shù)學(xué)仿真模型、編程語言和計(jì)算機(jī)仿真軟件，分析5吋沖擊器后氣室的壓力變化。

1 高氣壓潛孔沖擊器工作原理

沖擊器結(jié)構(gòu)如圖1所示，沖擊器工作時(shí)，高壓空氣經(jīng)由后接頭1中心孔推開單向閥2 進(jìn)入沖擊器內(nèi)部，然后高壓氣體沿配氣座4 進(jìn)氣孔經(jīng)內(nèi)缸5 左側(cè)進(jìn)氣孔進(jìn)入內(nèi)缸與外管7之間的環(huán)形進(jìn)氣腔。

1.1 活塞回程

圖1 高氣壓潛孔沖擊器結(jié)構(gòu)

回程開始，活塞6小頭與鉆頭11 尾部接觸，高壓氣體從內(nèi)缸5 與外管7之間的環(huán)形空間，經(jīng)活塞6與外管7之間的進(jìn)氣槽進(jìn)入沖擊器前氣室。此時(shí)前氣室呈現(xiàn)高壓狀態(tài)，后氣室呈現(xiàn)常壓狀態(tài)，活塞6在壓氣壓力差作用下高速回程。活塞回程至前氣室進(jìn)氣槽關(guān)閉后，前氣室內(nèi)部封閉的高壓氣體膨脹，推動活塞繼續(xù)回程，此狀態(tài)直至活塞小頭與導(dǎo)向套8 脫離，前氣室泄氣。活塞繼續(xù)回程，直至后氣室進(jìn)氣槽打開，高壓氣進(jìn)入后氣室，后氣室呈現(xiàn)高壓狀態(tài)，前氣室已經(jīng)泄氣呈現(xiàn)常壓狀態(tài)，此后活塞6劇烈減速，直至速度為零，回程結(jié)束。

1.2 活塞沖程

沖程開始時(shí)，活塞6處于內(nèi)缸左側(cè)，速度為零，高壓氣體從內(nèi)缸5 與外管7之間的環(huán)形空間，經(jīng)活塞6與內(nèi)缸5之間的進(jìn)氣槽進(jìn)入沖擊器后氣室。此時(shí)后氣室呈現(xiàn)高壓狀態(tài)，活塞6加速沖程，直至后氣室進(jìn)氣槽關(guān)閉。此后封閉在后氣室內(nèi)的高壓氣膨脹做功，推動活塞繼續(xù)沖程，直至配氣座4 尾部與活塞6中心孔脫離，后氣室開始泄氣。此后高壓氣沿活塞6與外管7之間的進(jìn)氣槽進(jìn)入前氣室，活塞在前后氣室的巨大壓力差下減速，直至活塞撞擊鉆頭11，沖程結(jié)束，此后活塞進(jìn)入第二個(gè)工作循環(huán)。

2 高氣壓沖擊器系統(tǒng)仿真模型建立

2.1 系統(tǒng)仿真模型的假設(shè)

根據(jù)沖擊器的結(jié)構(gòu)形式及工作原理，針對活塞建立微分方程，從而確定沖擊系統(tǒng)仿真模型。由于實(shí)際系統(tǒng)中影響因素較為復(fù)雜，因此在建立仿真模型之前，對分析結(jié)果影響不大的因素作一些簡化，具體假設(shè)如下：

（1）沖擊器后氣室內(nèi)氣體的膨脹和壓縮過程視為絕熱過程；

（2）忽略沖擊器內(nèi)氣體泄漏；

（3）活塞與內(nèi)缸之間的滑動摩擦力忽略不計(jì)；

（4）忽略沿程壓力損失和局部壓力損失。

2.2 活塞的受力分析與運(yùn)動方程

（1）活塞運(yùn)動微分方程

式中 L——活塞位移，m

Mh——活塞質(zhì)量，kg

Ph——后氣室內(nèi)氣體壓力，MPa

S——?dú)怏w有效作用面積，m2

t——時(shí)間，s

g——重力加速度，m/s2

v0——活塞初始速度，m/s

L0——活塞初始位移，m

圖2所示的位置為坐標(biāo)原點(diǎn)，將活塞左向運(yùn)動視為正方向。

（2）氣體狀態(tài)方程

PV=MRT

圖2 活塞在后氣室內(nèi)運(yùn)動示意圖

式中 P——?dú)馐覂?nèi)氣體絕對壓力，MPa

V——?dú)馐覂?nèi)氣體體積，m3

M——?dú)馐覂?nèi)氣體質(zhì)量，kg

R——?dú)怏w常數(shù)，J/(kg·K)

T——?dú)怏w絕對溫度，K

（3）氣體流動方程

后氣室內(nèi)進(jìn)氣為絕熱膨脹過程，氣體流動狀態(tài)可由臨界壓力比判定（e=0.5283），當(dāng)Pd/Pu≤e時(shí)，氣體處于超音速流動

當(dāng)Pd/Pu＞e時(shí)，氣體處于亞音速流動

式中 Pd——進(jìn)氣口下游壓力，MPa

Pu——進(jìn)氣口上游壓力，MPa

A——?dú)馐疫M(jìn)氣截面積，m2

Td——進(jìn)氣口下游溫度，K

（4）氣體能量方程

氣室內(nèi)氣體溫度微分方程

氣室內(nèi)氣體壓力微分方程

2.3 數(shù)值計(jì)算參數(shù)設(shè)定

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB 數(shù)學(xué)軟件進(jìn)行編程計(jì)算，模擬沖擊器后氣室進(jìn)氣過程。計(jì)算過程中所需要的主要參數(shù)有：后氣室初始體積V=375 000 mm3，高壓氣作用活塞有效面積SH1=7 554 mm2、SH2=6 182 mm2，后氣室內(nèi)氣壓Ph=0.1 MPa，后氣室內(nèi)溫度Th=298 K(25℃)，后氣室內(nèi)空氣密度ρh=1.1691 kg/m3，環(huán)形進(jìn)氣口截面積A=367 mm2，高壓氣源壓力Pu=2.2 MPa，高壓氣溫度Tu=333 K(60℃)，高壓氣密度ρu=23.02 kg/m3，空氣比熱比k=1.4，活塞質(zhì)量Mh=12 kg，活塞初始速度v0=7 m/s，配氣行程L1=12.2 mm，L2=12 mm，重力加速度g=9.8 m/s2。

3 結(jié)果分析

3.1 沖擊器工作過程分析

以活塞回程方向作為正方向，活塞沖程方向?yàn)樨?fù)方向，得到如下結(jié)果。

圖3為活塞回程末期和沖程起始階段后氣室內(nèi)氣壓的變化情況。

圖3 后氣室內(nèi)氣壓變化情況

A-B 表示：活塞以7 m/s的初速度回程（位置如圖2所示），后氣室進(jìn)氣道打開，高壓氣沿內(nèi)缸內(nèi)部的進(jìn)氣槽進(jìn)入后氣室，后氣室內(nèi)部壓力不斷提高，活塞減速前行，直至活塞與減速環(huán)接觸，高壓氣不再進(jìn)入后氣室，此時(shí)速度降為6.1 m/s，后氣室內(nèi)氣壓提高到1.48 MPa；

B-C 表示：活塞繼續(xù)減速，后氣室內(nèi)封閉的氣體因體積的壓縮而氣壓迅速增加到2.2 MPa，直至活塞速度降為零；

C-D 表示：活塞在后氣室內(nèi)封閉的高壓氣體作用下迅速提速，速度增加至-6.1 m/s，氣壓降為1.48 MPa；

D-E 表示：后氣室進(jìn)氣道重新打開，外界氣體（2.2 MPa）在壓力差的作用下繼續(xù)進(jìn)入后氣室，后氣室內(nèi)氣壓升高至2.08 MPa，活塞速度提升至-8.2 m/s。活塞回程末期和沖程初始階段整個(gè)過程經(jīng)歷0.0135 s。

由上述分析可知，沖擊器沖程起始階段結(jié)束后，后氣室壓力為2.08 MPa，而高壓氣源壓力為2.2 MPa，故配氣參數(shù)不合理會導(dǎo)致后氣室進(jìn)氣不足，沖擊無力，同時(shí)減速和加速過程耗時(shí)過長，導(dǎo)致沖擊頻率下降。

3.2 不同進(jìn)氣參數(shù)對后氣室壓力的影響

回程末期和沖程初始階段在整個(gè)沖擊周期中起到承上啟下的作用，該加速階段可以為后續(xù)膨脹加速過程提供較高的后氣室壓力、活塞速度，對后續(xù)過程影響很大，故合理搭配配氣參數(shù)對提高沖擊器性能具有較大影響。

后氣室進(jìn)氣是否充足與配氣行程參數(shù)L1和環(huán)形進(jìn)氣口截面積A 有關(guān)，本文將借助仿真模型探索其中的規(guī)律。圖4為配氣行程不變的情況下，進(jìn)氣口截面積分別為367、467、567、667 mm2時(shí)后氣室壓力變化情況，具體數(shù)據(jù)見表1。

圖4 不同進(jìn)氣截面積對后氣室壓力的影響

表1 不同進(jìn)氣截面積下各性能參數(shù)

在其他條件保持不變的情況下，進(jìn)氣截面積越大，后氣室進(jìn)氣越充足，當(dāng)進(jìn)氣截面積增加到一定程度后，后氣室進(jìn)氣情況的改善不大，故建議進(jìn)氣截面應(yīng)控制在567～600 mm2之間。進(jìn)氣截面過小會導(dǎo)致進(jìn)氣不足，進(jìn)而造成沖擊力過小和沖擊頻率下降的狀況；進(jìn)氣截面積過大，會削弱內(nèi)缸的強(qiáng)度，造成內(nèi)缸斷裂。

圖5 不同配氣行程對后氣室壓力的影響

圖5為在環(huán)形進(jìn)氣截面積為367 mm2不變的前提下，配氣行程參數(shù)分別為12.2、14、16、18 mm時(shí)后氣室壓力的變化情況，具體見表2。

在其他條件保持不變的情況下，配氣行程越長，后氣室進(jìn)氣越充足，當(dāng)配氣行程增加到一定程度后，后氣室進(jìn)氣情況改善不大，故建議配氣行程控制在14 mm至18 mm之間。

從表1可知，進(jìn)氣截面積的增加，有利于減小過程耗時(shí)，提高后氣室的壓力，同時(shí)還會相對降低活塞速度；從表2可知，配氣行程的增加有利于增加活塞速度，但是過程耗時(shí)減小不明顯，同時(shí)壓力提升較為緩慢。

運(yùn)用正交實(shí)驗(yàn)法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并結(jié)合過程耗時(shí)、后氣室壓力和活塞速度，建議采用：進(jìn)氣截面積為567 mm2和配氣行程為14 mm，此時(shí)整個(gè)過程耗時(shí)0.0109 s，后氣室壓力為2.162 MPa，活塞速度為8.05 m/s。

此種配氣參數(shù)可以使活塞在回程減速和沖程加速方面耗時(shí)更短，有利于提高沖擊頻率；后氣室具有相對較高的壓力，膨脹加速階段活塞加速較為充足，可以獲得更大的動能。

表2 不同配氣行程下各性能參數(shù)

4 結(jié)語

（1）所研究的高氣壓沖擊器后氣室進(jìn)氣相關(guān)問題，以氣體狀態(tài)方程、氣體流動方程、能量平衡方程和牛頓運(yùn)動方程為理論基礎(chǔ)，使用有限差分法，應(yīng)用Matlab 仿真軟件，模擬活塞在回程末期和沖程起始階段的動力過程，可以得到各參數(shù)對工作過程的影響規(guī)律。

（2）闡述了活塞回程末期和沖程初始階段后氣室內(nèi)氣壓的變化規(guī)律，并針對后氣室的配氣結(jié)構(gòu)提出了改進(jìn)方案，對提高沖擊頻率和單次沖擊能有重要作用。