液壓破碎錘動態特性的研究

張明松，蘇志成，王 宏

（三峽大學機械與動力學院，湖北 宜昌 443002）

近年來，我國加大對基礎建設的投入。 液壓鑿巖機在進行礦山開發、挖掘隧道、清理航道等作業中發揮著重要作用。 由于液壓鑿巖機具有眾多優點與實用性，有必要對其進行研究。 本文采用AMESim 軟件分別對液壓鑿巖機系統的結構參數與工作參數進行模擬仿真分析，探究其對于液壓鑿巖機的工作性能的影響。

1 液壓破碎錘系統的結構及其工作原理

本文選取液壓破碎錘的研究模型結構圖如圖1 所示，工作原理可以分為回程與沖程兩部分來描述[1]。

1)回程階段。 液壓鑿巖機的缸體有兩個信號調節孔，當沖擊活塞經過第一個信號孔時，液壓油流入配流閥的左腔室，后腔與回油連通，高壓油與活塞前腔相通，活塞在前腔壓力下向右做回程運動，沖擊活塞完成回程加速階段，完成整個回程運動。

2)沖程階段。 活塞在壓力差作用下向左加速運動，開始沖程的階段。 在沖擊活塞進行沖程加速時，由于活塞的運動導致液壓系統壓力降低，高壓蓄能器開始排油對后腔進行液壓油補充。 當沖擊活塞越過第二個信號孔時，閥芯開始向左進行換向運動，沖擊活塞完成打擊釬桿的運動，沖程階段結束，以此循環對巖石進行破碎。

圖1 液壓鑿巖機結構圖

2 液壓鑿巖機的AMESim 模型與參數定義

圖2 AMESim 模型結構圖

依據前文的分析，將沖擊活塞完成上一次打擊結束的時刻為模擬仿真的初始時刻。 在AMESim 軟件中建立液壓鑿巖機的模型結構圖[2]，如圖2 所示。 結合液壓鑿巖機的實際結構尺寸，對所建模型進行賦值。

依據對液壓鑿巖機的工作原理以及對液壓鑿巖機系統功能關系的分析與研究，液壓鑿巖機基本的工作參數設置如下：活塞質量5.5kg，活塞直徑為45mm，前腔活塞桿直徑為40mm，后腔活塞桿直徑為37mm，高壓蓄能器充氣容積為1L，低壓蓄能器充氣容積450mL。隨后進入仿真模式，設定仿真時間為5s，時間步長為0.01s。

3 工作參數對于性能的影響

液壓油作為液壓鑿巖機的能量運輸載體，推動著液壓沖擊活塞做著往復運動。 液壓油的流量對液壓破碎錘的運動性能具有十分重要的影響[3]。 現在保持其他參數不變，改變系統輸入流量的大小。 設置輸入液壓油流量在一定的范圍內變化。 分別取液壓油的5 個流量值，運用AMESim 軟件對這5 個參數進行批處理。得出在這5 個參數下活塞的速度與時間變化曲線圖。 如圖3 所示。

圖3 不同流量下的沖擊活塞速度曲線

沖擊活塞的沖擊速度極值、沖擊頻率、沖擊能分別如表1 所示。

表1 輸入流量仿真結果

在液壓鑿巖機進行沖程運動時，液壓鑿巖機后腔的工作壓力由于液壓沖擊系統流量的增加而變大，沖擊活塞的速度極值、沖擊能與沖擊頻率因此得到提高。 依據液壓油流體力學公式（1）可知，流體的壓力損失是與流量的平方成正比。 而且過大的流量也會超過系統結構設計額定數值，導致壓力泄露。 從而使得系統流量對沖擊活塞速度影響降低。

式中：λ為流體的沿程壓力損失系數，理論值λ = 64 / Re。

4 結構參數對工作性能的影響

液壓鑿巖機的結構參數對于性能的影響很大，有必要對比較重要的結構參數進行分析研究[4]。

4.1 活塞質量對液壓鑿巖機工作性能的影響

改變沖擊活塞質量參數的設置，使用AMESim 批處理功能，得到活塞與時間的仿真曲線，如圖4 所示。

圖4 不同沖擊活塞質量下的沖擊活塞速度曲線

沖擊活塞的沖擊速度極值、沖擊頻率、沖擊能分別如表2 所示。

表2 沖擊活塞質量仿真結果

當液壓鑿巖機工作時，系統給定的流量保持不變，液壓鑿巖機的工作推力保持不變，沖擊活塞的運動加速度隨著質量增大而變小，而沖擊活塞的行程不變，所以沖擊活塞的速度極值變小。 此外，當沖擊活塞速度變小，而活塞運動行程保持不變時，沖擊活塞的運動周期變長，運動頻率變小。 增加沖擊活塞的質量過大，導致液壓鑿巖機的做功效率變低，而且沖擊活塞單次沖擊能增大的速率變小。

4.2 后腔活塞桿直徑對液壓鑿巖機工作性能的影響

改變后腔活塞桿直徑參數采用軟件批處理功能進行仿真分析，仿真曲線如圖5 所示。

圖5 不同后腔桿直徑下的沖擊活塞速度曲線

沖擊活塞的沖擊速度極值、沖擊頻率、沖擊能分別如表3 所示。

表3 沖擊活塞壓力作用面積仿真結果

隨著后腔桿直徑的增大，即后腔的有效壓力作用面積變小。 液壓沖擊活塞后腔可容納液壓油的容積隨之變小，所以液壓鑿巖機的沖擊活塞工作壓力變小，故液壓鑿巖機的速度極值變小。 在液壓鑿巖機工作的過程中，由于沖擊活塞的運動行程不變，所以沖擊活塞運動的周期變大，沖擊活塞工作的頻率變小。 可以通過減小后腔活塞桿的直徑來達到提高液壓鑿巖機工作效率的目的，但是也會使得液壓鑿巖機后腔室在運動的過程中所需要流量瞬間峰值也增大。 流量瞬間峰值不僅會增大系統的能耗，還會增加后腔室流場的不穩定，從而使得系統工作不穩定。

5 結語

本文采用AMESim 軟件建立了液壓鑿巖機的模型，分析了液壓鑿巖機的工作參數與結構參數對于液壓鑿巖機性能的影響，探索了液壓鑿巖機的工作動態特性，為液壓鑿巖機的研究與設計提供指導。