淺析基于AMESim 的氣液聯合式液壓破碎錘建模與仿真

吳幫普

（黔南民族職業技術學院，貴州 黔南 558022）

氣液聯合式液壓破碎錘是一種實用的巖體破碎工具，它在工作過程中以連續的液體壓力能轉化為往復運動的沖擊能，通過釬桿把沖擊力作用在破壞對象上，形成連續捶打的狀態，如鑿裂巖石、破壞墻體和振搗堅硬土體等過程，破碎錘廣泛應用在市政設施建設、房屋拆建、礦石開采、高鐵建設、水庫電站建設等基礎工程施工。隨著我國基建的發展，液壓破碎錘在我國市場發展迅猛，品牌和型號較多，應用比較普遍，但是國內研發及制造高品質破碎錘的企業較少，在沖擊功大小、工作穩定性和使用壽命方面，國產品牌與國外先進產品比較還有一定的差距。

1 氣液聯合式液壓破碎錘的工作原理

氣液聯合式液壓破碎錘由缸體、活塞、控制閥、釬桿等部分組成，活塞與缸體之間形成氮氣室、前腔和后腔，如圖1 所示。工作時破碎錘豎直向下，活塞下滑在缸體最低位置，液壓油直接進入前腔，前腔壓力增大使活塞加速向上運動；當活塞向上運動越過缸體信號口位置時，控制閥閥芯上移，液壓油通過控制閥進入后腔，后腔壓力逐漸增大，氮氣室的氮氣被逐漸壓縮，對活塞阻力也逐漸增大，以上壓力共同作用下活塞向上作減速運動并最終停滯；活塞停滯瞬間后，在前后腔壓力差、氮氣壓力和重力作用下加速向下運動，以較高的速度撞擊釬桿，完成能量傳遞，撞擊的同時越過信號口位置，控制閥閥芯下移，液壓油停止進入后腔，在前腔壓力作用下活塞向上運動進入下一個循環，氣液聯合式液壓破碎錘工作原理見圖1。

圖1 氣液聯合式液壓破碎錘工作原理

活塞向上（回程）、向下（沖程）加速時動力學模型分別為式（1）和（2）：

式中，m是活塞質量；x是活塞位移；v是活塞運動速度；1A、2A、3A是活塞前后腔和氮氣室有效作用面積；1P、2P、3P是活塞前后腔和氮氣室壓力。

2 氣液聯合式液壓破碎錘的建模與仿真

2.1 建立氣液聯合式液壓破碎錘模型

氣液聯合式液壓破碎錘的控制閥閥芯直徑為φ35mm，行程為30mm，質量為0.25kg，活塞直徑為φ70mm，行程為130mm，質量為15kg，氮氣室初始壓力為0.8MPa，容積為1L。活塞各個軸肩長度是破碎錘工作特性優劣的關鍵參數，在該模型中通過配置各個元件的underlap 值，實現活塞軸肩的長度的設置。假設被沖擊物體為巖石，質量為1×1012kg，采用LSTP00A元件作為碰撞接觸模型，設置剛度系數為1×109N/m，阻尼系數為1×109N/(m/s)，間隙為0mm，穿透深度為0.001mm。采用理想的液壓源作為輸入，壓力恒定為8MPa，流量為理想流量，具體參數見圖2。

圖2 氣液聯合式液壓破碎錘仿真模型

2.2 活塞與閥芯運動分析

仿真結束后，得到活塞和閥芯的運動規律曲線，作為分析破碎錘系統的運動特性的依據，如圖3 所示。

圖3 活塞和閥芯的運動規律曲線

活塞回程時未撞擊缸底，沖程時明顯撞擊釬桿，工作過程比較穩定，行程保持在70mm 左右，周期約為0.09s，沖擊頻率為660bpm，沖擊速度為4.6m/s，通過末速度法算出系統沖擊能為158.7J，當活塞撞擊釬桿的瞬間，短暫停滯時間約為0.03s，撞擊后活塞反彈速度較小，能量傳遞效果好，沖擊力約為1.7×103N，如圖4所示。閥芯的行程為30mm，運動到極限位置有穩定的停留，沒有出現抖動現象，工作過程穩定。

圖4 巖石受到的沖擊力隨時間變化曲線

在工作過程中，活塞前腔壓力保持在8MPa 左右，活塞在不同位置時，前腔壓力有輕微波動，活塞后腔壓力在沖程時為8MPa，其他階段為0MPa，氮氣室受到活塞回程的影響最大壓力為1.23MPa，反作用協助推動活塞向下加速運動，實現活塞沖程運動。

2.3 系統壓力與穩定性分析

不同的液壓系統壓力對氣液聯合式液壓破碎錘的沖擊頻率、沖擊功、穩定性影響較大，通過優化液壓系統壓力，保證工作穩定性的前提下最大程度提升沖擊功，發揮破碎錘最大潛能，從而提高工作效率。

如圖5 所示，系統壓力從6MPa 以1MPa 為步長增加到23MPa 時，活塞位移逐漸增大、頻率逐漸增高。系統壓力6MPa 時，幾乎沒有產生碰撞瞬間停滯現象；系統壓力7 ～8MPa 時，明顯產生了碰撞瞬間停滯現象，活塞有了沖擊作用；系統壓力19MPa 后，曲線幅值和周期變化不明顯，基本上趨于極限，因此，分別以8MPa、19MPa、23MPa 的系統壓力為條件，考查破碎錘的沖擊功、沖擊力和沖擊頻率的變化情況。

圖5 不同系統壓力對穩定性的影響

如圖6、圖7 所示，當液壓系統壓力為8MPa 時，最大沖擊速度為4.6m/s，沖擊頻率約660bpm，沖擊力超過1.7×103N，沖擊功為158.7J 左右；當液壓系統壓力為19MPa 時，最大沖擊速度為8.2m/s，沖擊頻率約1200bpm，沖擊力超過7.5×103N，沖擊功為504.3J 左右；當液壓系統壓力為23MPa 時，最大沖擊速度為8.7m/s，沖擊頻率約1380bpm，沖擊力超過9.6×103N，沖擊功為567.7J 左右。

圖6 8MPa、19MPa、23MPa 時活塞的速度曲線

氣液聯合式液壓破碎錘的最小穩定工作液壓系統壓力在7MPa 左右，隨著液壓系統壓力升高，沖擊速度、沖擊頻率、沖擊力和沖擊功隨之升高，超過19MPa 后，沖擊性能提升不明顯，考慮系統壓力過高可能會造成能耗比過高、磨損加劇、壽命降低等因素，比較理想的液壓系統壓力為19MPa 左右。

3 結語

本文基于AMESim 仿真軟件的HCD 液壓元件設計庫環境建立了氣液聯合式液壓破碎錘模型，通過仿真結果表明了7MPa 是最小系統穩定工作壓力值，19MPa 是理想系統工作壓力值，為破碎錘液壓系統參數配置提供理論依據。后續工作中，將對系統流量、活塞軸肩長度、閥芯結構尺寸等參數進行優化，提升氣液聯合式液壓破碎錘工作性能。