考虑活塞回弹的液压凿岩机冲击机构仿真分析

耿晓光，马 飞，李叶林，马 威，王顺凯

GENG Xiao-guang, MA Fei, LI Ye-lin, MA Wei, WANG Shun-kai

（北京科技大学 机械工程学院，北京 100083）

0 引言

液压凿岩机具有高效、节能、环保、操作方便和易于实现现代化等优点，能够很好的适应现代工业生产的趋势和要求，所以被广泛用于矿岩开挖工程[1,2]。

液压冲击机构是凿岩机的核心，活塞在液压油的作用下高频往复运动，通过撞击钎尾实现能量传递进行破岩。对冲击机构的研究较多，按所建数学模型的不同分为线性模型仿真和非线性模型仿真两大类，但在分析过程中均忽视了活塞撞击钎尾后的回弹，而将回程初速度当作零处理[3～5]。这将势必影响结果的准确性和可靠性，基于线性计算模型，考虑活塞回弹，分析其对凿岩机性能参数的影响。

1 冲击机构的结构和工作原理

图1 冲击机构的结构模型

以双面回油型液压凿岩机为例，对其冲击机构进行仿真分析，结构模型如图1所示。活塞在缸体内的往复运动是在换向阀的配合下完成的。它在一个周期内的运动可以分为四个阶段：回程加速、回程减速、冲程加速和碰撞回弹。在回程加速阶段，换向阀芯位于左位，高压油进入缸体前腔，活塞加速右移，后腔油液经由换向阀流回油箱；当活塞右移至左侧信号孔打开以后，信号油推动换向阀芯右移，高压油进入缸体后腔，进入回程减速阶段，直到活塞停止；紧接着是活塞的冲程加速，如果设计合理，活塞将在右侧信号油孔打开，且换向阀执行换向的同时撞击钎尾；活塞和钎尾的碰撞过程极短，碰后活塞将回弹，即进入回程加速阶段[6,7]。

图2 行程调节装置

另外，为提高凿岩机的适用性，冲击机构处配有行程调节装置，如图2所示。通过调节活塞的回程加速行程Sr1，改变凿岩机的性能参数，进而适应不同性质的岩石。

同非线性模型相比，线性模型仿真更加直观、明了，能够宏观上描述冲击机构的运动过程和本质关系，并且可以满足工程需要[8]。另外，由于配备了高压蓄能器，有效地减小了压力脉动，所以前后腔压力近似不变。通过对比发现，只要回油阻力系数和综合阻力系数等经验系数选取得当，线性模型与非线性模型之间的误差将会很小很小，所以此处选择线性模型分析比较活塞的回弹对凿岩机性能的影响[9]。

2 冲击机构的数学模型

2.1 假设条件

从结构模型到数学模型的转化过程中，需作出以下假设：

1）油液不可压缩；

2）运动过程中压力恒定不变；

3）活塞和钎尾的碰撞瞬间完成，且没有位移；

4）换向阀瞬时切换，且换向节点为信号油孔的轴线位置。

2.2 分阶段建立数学模型

图3 冲击机构的参数模型

基于上述假设，建立冲击机构的参数模型如图3所示。下面以活塞为研究对象，建立其每个过程的数学模型。

1）回程加速阶段

活塞在回程加速阶段的初位移是与钎尾碰撞的位置，定义为零位置，且规定向后为正；初速度为与钎尾碰撞后的回弹速度。

建立活塞的运动方程如式（1）所示。

式中：

m为活塞的质量；

x为活塞的位移；

P为冲击进油压力；

P0为回油压力；

Py为阻力油压；

A1为活塞前腔作用面积；

A2为活塞后腔作用面积。

其中，k0为回油阻力系数，一般取0.06～0.12；ky为综合阻力系数，一般取0.05～0.1。

2）回程减速阶段

活塞的回程减速开始于前侧信号油孔的轴线位置；初速度为回程加速阶段的末速度。

建立活塞的运动方程如式（6）所示。

在此过程中，活塞减速直到停止。

3）冲程加速阶段

在回程减速终了后，立刻进入活塞的冲程加速阶段。活塞的初位移为回程减速停止的位置；初速度为0。

建立活塞的运动方程如式（7）所示。

在此过程中，活塞一直加速，直到和钎尾碰撞，即到达回程加速的初始位置（也即零位置）。

4）碰撞反弹阶段

此过程在瞬间完成，所以忽略碰撞时间和活塞的微小位移，此处仅关注活塞速度的变化，即确定活塞的回弹速度。

文献[10]基于应力波理论，推导出了凿岩机活塞的回弹判据和回弹速度公式。经过计算，对于一般的液压凿岩机（特征参数控制在1～2之间），活塞的回弹速度在0～0.28vm范围内，即如式（8）所示。

式中：

V0为活塞的回弹速度；

vm为活塞冲程加速阶段的末速度；

k为活塞回弹系数（0～0.28）。

2.3 结束语

上一节建立了活塞各个过程的数学模型，通过求解可以得到活塞一个周期内的位移-曲线、速度-曲线以及凿岩机的冲击能和冲击频率。

凿岩机冲击能的计算公式如式（9）所示。

冲击频率的计算公式如式（10）所示。

式中：

tr1为活塞的回程加速时间；

tr2为活塞的回程减速时间；

tp为活塞的冲程加速时间。

3 动态仿真

3.1 参数设置

为研究活塞回弹对凿岩机性能参数的影响，前提是其结构参数和输入参数一定，下面将冲击机构的初始参数列入表1。

表1 冲击机构初始参数设置

3.2 仿真分析

3.2.1 凿岩机处于低频档

首先分析凿岩机处于低频档，即活塞的回程加速行程为26.5mm时，活塞回弹对冲击机构性能参数的影响。

图4和图5分别为活塞在一个周期内的一组速度对比曲线和一组位移对比曲线。其中，回弹系数依次取0、0.1、0.2和0.28。另外，通过图4和图5，并结合式（9）、（10）还可求出不同回弹系数对应的冲击能和冲击频率，如表2所示。

图4 活塞的速度对比曲线（低频）

图5 活塞的位移对比曲线（低频）

表2 不同回弹系数对应的冲击能和冲击频率（低频）

通过以上仿真结果可以看出：

1）活塞运动的总趋势相同，且从图4中可以看出，制动减速阶段的加速度大于冲程加速段，这是由于摩擦阻力、密封阻力和液压卡紧力始终与运动方向相反。

2）随着回弹系数的增大，活塞回程加速段所用时间逐渐减少，且回程加速的末速度逐渐增大。

3）回弹系数越大，活塞总位移越大，最大和最小相差约2mm；同时运动周期越短，最大和最小相差约3.5ms。

4）回弹系数越大，凿岩机的冲击能越大，并且冲击频率也越高。

3.2.2 凿岩机处于高频档

同理，得到高频档时活塞的一组速度对比曲线和一组位移对比曲线，分别如图6和图7所示。不同回弹系数对应的冲击能和冲击频率如表3所示。

图6 活塞的速度对比曲线（高频）

图7 活塞的位移对比曲线（高频）

表3 不同回弹系数对应的冲击能和冲击频率（高频）

通过分析看出，回弹系数对活塞运动和凿岩机性能的影响同低频时相同。大的回弹系数对应更高的冲击频率，并且冲击能也越大。

4 结论

1）活塞的碰撞回弹会缩短其回程加速时间和整个运动周期，且总位移增大。反映到凿岩机性能参数上则表现为冲击频率升高，且冲击能也略有增长。

2）无论是冲击频率的提高，还是冲击能的增大，看似都有利于凿岩机的破岩。但根据能量守恒定律，活塞的回弹恰好说明凿岩机的冲击能没有完全传递给岩石。所以在凿岩机冲击频率足够高的情况下，要通过合理设计来尽可能的减小活塞的回弹。

3）由于活塞回弹现象的客观存在，在凿岩机的设计和性能分析时都要予以考虑。

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