液压破碎锤高压胶管的仿真研究

刘昀波，杨国平

(上海工程技术大学，上海201620)

0 前言

国内外的研究人员对液压破碎锤的工作过程进行了不少的分析研究，提出液压破碎锤冲击机构工作过程的线性数学模型和非线性数学模型［1］，对液压破碎锤的设计起到指导性的作用。但现阶段对进油高压胶管的研究很少有人涉及，本文作者利用AMESim 软件进行仿真建模，研究高压胶管对破碎锤工作性能的影响。

1 高压胶管的理论模型

AMESim 软件中管道模型分为“DIRECT”和“HL”两种模型，前一种模型为直接连接模型，表示两个元件直接连接，中间没有用上管道进行连接;后一种模型考虑了管道的摩擦力、相对粗糙度、管道壁材料的杨氏模量、管道中流体的体积模量、管道中流体的质量和管道随压力流量变化的几何适应性等物理量，最后在计算流体的压力和流量的时候，将这些变量都应用到计算公式里面，得出了比较接近实际情况的压力流量值，可以用来模拟高压胶管模型。下面列出需要用到的主要公式［2］:

高压胶管的几何适应性公式:

式中:wcompr、wcompl、wcompa、wcompV分别为高压胶管的径向适应性系数、长度适应性系数、通流面积适应性系数和体积适应性系数，单位为Pa-1;E为高压胶管所用材料的杨氏模量;p为液压油的压力;ν 为泊松比，在这里取值为0.3;ro、ri、Ao、Vo分别为高压胶管在表压力为零时的通流面半径、考虑了高压胶管厚度的半径、通流面面积、通流区域的体积;rp、Ap、Vp分别为高压胶管在表压力为p时的通流面半径、通流面面积和通流区域体积。

高压胶管相对粗糙度的计算公式:

式中:rr为高压胶管的相对粗糙度;Δ 为高压胶管的等效均匀粗糙度;D为高压胶管的内径。

在计算液压油的压力时，使用的体积模量并不是液压油的体积模量，而是耦合了管道壁材料的杨氏模量和液压油体积模量得到的有效体积模量，公式如下:

式中:BL为液压油的体积模量;Beff为有效体积模量。其余各变量定义同上。

通过进一步地分析，在Reduce的执行过程中，Shuf fle子阶段一般占用长的时间，这主要是因为这一阶段需要通过网络传输数据，而且网络链路的情况不稳定，且网络带宽已经成为网络中的瓶颈资源，对数据的传输时间有很大的影响；Reduce子阶段需要的时间次之，因为这一阶段需要将最终结果写入HDFS中，且每个数据块需要存储一定数量的副本，需要花费较长的时间；Sort子阶段需要的时间最短，因此，这3个子阶段所占Reduce阶段的时间比例并不是Hadoop平台默认情况下的各占1/3。因此，基于各子阶段的实际时间占比，可以进一步优化Reduce执行过程的时间开销。

管道中液压油压力的计算公式:

式中:Q为液压油在表压力为p时的流量。其余各变量定义同上。

管道中液压油流速的计算公式:

式中:v为液压油的流速;ρ 为液压油的密度;f为胶管的摩擦因数;g为重力加速度;θ 为高压胶管与水平面间的夹角;Δp为压力差;L为高压胶管长度。其余各变量定义同上。

以上各变量如无特殊说明均使用国际标准单位。

2 AMESim 仿真模型及结果分析

AMESim 软件中没有现成的模型与液压破碎锤的冲击活塞和液控式换向阀相对应，利用HCD(Contents of the Hydraulic Component Design library)库中的模块，搭建冲击活塞和液控式换向阀的模型，该模型如图1所示。

图1 冲击活塞仿真模型

用恒压力源“P”为冲击活塞和换向阀提供动力，恒压力源上引出来的线段使用“HL”管道模型，该模型表示高压胶管，在图1 中用数字“1”标示出来，管道长度为1 m，内径为12 mm，管道的壁厚为2 mm。其余液压元件的连接根据实际情况分别使用“HL”管道模型和“DIRECT”直接连接模型。

2.1 直接连接模型与高压胶管模型的冲击压力和冲击性能的对比

为了验证高压胶管是引起冲击活塞前腔压力波动的原因之一，不改变其他参数，将高压胶管模型改为直接连接模型，并分别对直接连接模型和高压胶管模型进行仿真，得到活塞前腔压力和冲击速度的仿真曲线，如图2、3所示。

图2 不同模型的活塞前腔压力仿真曲线

图3 不同模型的冲击速度仿真曲线

由图可知，高压胶管是引起活塞前腔压力波动的原因之一，如果是直接连接模型，前腔压力在仿真过程中不存在变化。直接连接模型和高压胶管模型的速度大小虽然不同，但是变化趋势一致，由此可见，高压胶管虽然会影响活塞速度的大小，但不会改变速度的变化规律。

2.2 管道的长度对冲击压力和冲击性能的影响

不改变其他参数，设置管道的长度分别为1、5、10 m，进行仿真，得到活塞前腔压力和冲击速度的仿真曲线，如图4、5所示。

图4 不同管道长度的活塞前腔压力仿真曲线

图5 不同管道长度的冲击速度仿真曲线

由图可知，高压胶管的长度对活塞前腔的压力和冲击速度都有影响;高压胶管的长度越长，前腔压力在一周期内的波动越大;高压胶管越长，冲击速度越小。

2.3 管道的内径对冲击压力和冲击性能的影响

不改变其他参数，设置管道的内径分别为12、25、50 mm，进行仿真，得到活塞前腔压力和冲击速度的仿真曲线。如图6、7所示。

图6 不同管道内径的活塞前腔压力仿真曲线

由图可知，高压胶管的内径对活塞前腔的压力和冲击速度都有影响;当胶管内径增大时，活塞前腔的压力波动明显减小，当内径达到50 mm 时，前腔基本上不存在压力波动，与理想模型相似;当胶管内径增大时，活塞的冲击速度增大。

图7 不同管道内径的冲击速度仿真曲线

3 结论

(1)通过对直接连接模型和高压胶管模型的对比分析可知，高压胶管是引起液压破碎锤冲击活塞前腔产生压力波动的原因之一，在直接连接模型中，液压破碎锤冲击活塞的前腔不会出现压力波动。

(2)高压胶管的长度对液压破碎锤冲击活塞前腔压力和冲击速度都有影响。长度越长，活塞前腔的压力波动越大;随着高压胶管长度的增加，活塞的冲击速度有所减小。不管是从性能还是从安装尺寸考虑，高压胶管都应该尽可能短一些。

(3)高压胶管的内径对液压破碎锤冲击活塞前腔压力和冲击速度都有影响。内径越大，活塞前腔的压力波动越小，活塞的冲击速度越大。因此，在液压破碎锤的冲击机构上应尽可能使用内径大的高压胶管，但胶管内径增大，相应的安装尺寸也会增大，设计人员需要平衡两者的关系。

(4)该模型虽然是理论模型，但因考虑了较多的影响因素，与高压胶管的实际工作情况非常接近，对破碎锤高压胶管的选择有一定的指导意义。

［1］何清华.液压冲击机构研究·设计［M］.中南大学出版社，2009.

［2］Libraries for AMESim［EB］.IMAGINE S.A.2007.

［3］杨务滋，王长春，王贺剑.管路效应对液压冲击器性能影响的研究［J］.机床与液压，2008，36(5):57，73-75.

［4］高双锋.液压冲击器中管路蓄能效应的研究［D］.长沙:中南大学，2007.

［5］杨襄壁.液压凿岩机的评价指标:抽象设计变量［J］.凿岩机械气动工具，1993(2):2-7，10.

［6］司癸卯，张青兰，段立立，等.基于AMESim 的液压破碎锤液压系统建模与仿真［J］.中国工程机械学报，2010，8(2):179-183.

［7］刘鹏，赵宏强，方晓瑜，等.考虑过流面积的气液联合式冲击器建模与仿真［J］.中国机械工程，2013，24(4):463-467.

［8］舒敏飞，何清华，赵宏强，等.液压凿岩机冲击压力及冲击性能仿真研究［J］.武汉理工大学学报，2011，33(8):133-137.

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