液压冲击器结构抽象变量β的再认识

杨襄璧

（中南大学，湖南 长沙 410083）

笔者在《凿岩机械气动工具》1992年第1期发表的《液压冲击器抽象变量设计理论》[2]中提出了一个新的概念—液压冲击器结构抽象变量β。文中所述只是对结构抽象变量的创新性、系统的合理性和可行性进行了概括的探讨；对其设计的理论问题，并没有进行较为深入的探讨和研究。本文将对液压冲击器的结构抽象变量β，进行进一步的讨论，以提高对液压冲击器的规律性的认识。因为前腔常压全液压液压冲击器是当今市场上占统治地位的液压冲击器，具有广泛的代表性，因此本文就以它为原型进行理论研究。至于其他工作原理的液压冲击器，则都能从本理论中派生出来，不言自明。

笔者定义液压冲击器结构抽象变量β为

式中F1g——活塞冲程的有效运动力，即活塞后腔的有效面积上承受的运动力，使活塞产生冲击运动

F2g——活塞回程加速阶段的有效运动力，即活塞回程前腔有效面积上承受的运动力，使活塞产生回程运动

A1'——活塞后腔的有效承压面积（A1'＝A1－A2，因前腔常压）

A1——活塞后腔的实际承压面积

A2——活塞前腔的实际承压面积，并且A2'＝A2

F1g是活塞冲程的有效运动力，即活塞后腔的有效面积上承受的运动力，使活塞产生冲击运动；F2g是活塞回程加速阶段的有效运动力，即活塞回程前腔有效面积上承受的运动力，使活塞产生回程运动。

为什么这样定义呢？试想一个液压冲击器它最关键的部件就是活塞，活塞定了，整个液压冲击器的结构也就定了。这里所说的活塞结构系指活塞的前、后腔的实际面积，这两个面积定了，则活塞的实际结构也就定下来了。其中活塞的面积比，虽然很抽象，但它能代表一个设计。因为每个具体的液压冲击器活塞都有一个一定面积的前腔和后腔面积，它们的面积比都必然存在，并且是唯一的。因此，将活塞前、后腔的有效面积比β定为活塞结构的抽象变量，说它代表一个设计是可行的，是有理论根椐的。

可见，β是一个比值，无量纲，是活塞前、后腔有效压力的比值。活塞前、后腔承受的有效的压力就是使活塞冲程和回程的有效运动力，在这两个力的作用下，活塞才能产生往复运动；因为冲程和回程的系统压力相等，所以有效运动力之比就变成了活塞前、后腔的有效的面积比A1'/A2；又因为活塞冲程和回程的质量相等，则冲程和回程的有效运动力之比就与冲程和回程的加速度之比a1/a2相等。

因为，液压冲击器的结构抽象变量β＝A1'/A2，它就非常形象地表示了活塞的结构特征，也就形象地表示了液压冲击器的一个设计。只要将β与所设计的液压冲击器的冲击能和频率联系起来，就能求出活塞的结构参数，即完成了活塞的设计。

因为，液压冲击器的结构抽象变量β＝a1/a2，它又非常形象地表示了活塞的运动特征,并决定了活塞冲程、回程的速度。也就是说，β值决定了活塞的运动特点，也就形象地表示了活塞的运动规律。

表示液压冲击器运动学特征的抽象变量，定义为：

式中T1——活塞的冲程时间

T——活塞的循环时间

显然，α＝T1/T，它形象地表示了活塞的运动学特点，故也将其称为液压冲击器的运动学抽象变量。

液压冲击器的结构抽象变量β，也称为液压冲击器的动力学抽象变量。活塞的运动规律，决定于加于其上的运动力的变化规律。也就是说，动力学是因，运动学是果。有因才有果，那么动力学与运动学之间，一定存在一种关系。这关系在《液压冲击器抽象变量设计理论》[2]中已经导出：

即已知活塞的结构抽象变量β，就可以方便地求得它的运动学抽象变量，进而求得活塞运动的所有参数（见《液压冲击器抽象变量设计理论[2]（4.2最优行程及运动学参数计算）。

根据下式可方便地求解冲程的有效作用面积

式中WH——所设计液压冲击器的冲击能

α——液压冲击器的运动学抽象变量

Vm——活塞的最大冲击速度

T——活塞的运动周期（冲击器的运动频率）

PH——所设计的系统压力等级（设计者选定）

S——活塞的行程

K——考虑活塞运动各种阻力的系数，K＝1.15

这些参数皆为已知，故冲程的有效作用面积A'1可求，而 A2＝A'1/β，即活塞前、后腔的面积均为可求。因此，就可以据此设计活塞了。以上所述，清楚地表明了笔者提出的液压冲击器抽象变量理论的思路历程和研究方法。下面对β进行进一步的研究。

1 液压冲击器结构抽象变量β与三代液压冲击器的关系

液压冲击器发展至今已经走过了三代：

（1）全液压式液压冲击器：这是出现最早的液压冲击器。该液压冲击器的特征在于其工作介质只有一种—液压油，活塞往复运动全靠液压油来推动。这种原理的液压冲击器又有前腔常压，后腔常压和前、后腔变压式等工作原理之分。在液压冲击器的发展过程中，由于效率和结构的原因，后腔常压和前、后腔变压式工作原理的液压冲击器，已逐渐被淘汰，退出了市场。现在市场上的纯液压冲击器（包括液压凿岩机和液压锤）几乎全是全液压式液压冲击器一统天下，这也是本理论重点研究内容放在全液压式液压冲击器上的主要原因之一。全液压式液压冲击器的β＝A'1/A2。

（2）气液式液压冲击器：该液压冲击器的特征在于其工作介质既有液压油又有氮气，液压冲击器从理论上讲，完全是全液压式液压冲击器的理论延伸和发展。它主要用于液压破碎锤、液压打桩机和液压锻锤等低频、大冲击能的液压冲击设备上。实际上，气液式液压冲击器就是全液压式液压冲击器引入了氮气的结果，则其结构抽象变量应为 βc＝β＋1，见公式（8—1）

（3）氮爆式液压冲击器：该液压冲击器的特征在于其工作介质既有液压油又有氮气，与气液式不同的是，活塞回程时用液压推动，并在氮气腔中储存能量；活塞冲程时则不使用液压油，完全靠氮气的储能推动做功，故它冲程时不消耗液压油，效率较高。氮爆式工作原理的液压冲击器，从理论上讲，它也是全液压式液压冲击器的理论延伸和发展。氮爆式液压冲击器的主要优点是效率高，但在运行过程中液压波动严重，管路损坏厉害，推广受阻，也很少使用。氮爆式液压冲击器，也属于气液式液压冲击器的一种，β＝A1'/A2；βc＝ β＋1＝A1'/A2＋1＝A1'/A2＋A2/A2＝A1/A2， 故氮爆式液压冲击器，其结构抽象变量与气液式液压冲击器的结构抽象变量是一致的，均为βc＝A1/A2。必须指出，氮爆式液压冲击器的结构特征一定是活塞两端直径相等，即d1＝d2，这样的活塞结构，其结构抽象变量必然β＝0，茲证明如下：因为活塞两端的直径相等， 則 A1＝A2；β＝A1－A2/A2＝0；引入氮气后，就成了氮爆式，它的活塞结构抽象变量 βc＝β＋1，βc＝1。

液压冲击器发展之初，人们所能想到的就是用油推动活塞往复运动输出冲击能，实现打击功能。随着使用的广泛，人们开始思考液压冲击器的效率问题。发现引入氮气可以提高效率，于是气液式液压冲击器诞生了。人们进一步研究又发现，随着氮气参与的比重增加，效率会越来越高，直至冲程时完全取消液压油，则氮爆式液压冲击器就诞生了。非常遗憾，氮爆式液压冲击器虽然效率高、结构简单，但运行中液压波动严重，油管振动厉害，因此，基本上退出了市场。保持氮爆式液压冲击器的高效率，减小其运行中的液压波动，是液压冲击器研究中的一个新的课题。

2 任何全液压式液压冲击器，只要引入氮气就变成了气液式液压冲击器

任何全液压式液压冲击器都可以改造成气液式液压冲击器，只要将其活塞的尾端加一个氮气室，充入一定压力的氮气，则这个全液压式液压冲击器就变成了气液式的了。这个气液式的液压冲击器的结构抽象变量βc＝β＋1，而全液压式液压冲击器的结构抽象变量β＝A1'/A2，則βc＝A1'/A2＋A2/A2＝A1/A2。

公式βc＝A1/A2表明：全液压式液压冲击器引入氮气后，相当于增加了活塞冲程的有效作用面积，这个增加的有效面积就是A2，于是，活塞的结构抽象变量发生了变化。活塞结构抽象变量由β＝A1'/A2变成 βc＝A1/A2，显然，βc＞β。 结构抽象变量的变化，必然导致活塞运动学的变化。

新形成的气液式液压冲击器系统中，有两个独立变量可调：这就是泵的流量和充入氮气室的氮气压力，从而改变气液式液压冲击器的输出——冲击能和频率。新形成的气液式液压冲击器，可提高系统的效率，这是不言自明的，因为冲击能中包含了氮气的能量。

3 在全液压式液压冲击器结构抽象变量β值的存在域上有几个关键节点

全液压式液压冲击器结构抽象变量β值的存在域，β值的分布非常广泛，从∞→5→3→2→1→0→-1。这其中，β的每一个具体数值都代表一个设汁，并具有自己的独特结构和特点，但β＝∞没有实际使用价值。

全液压式液压冲击器结构抽象变量β值的存在域上，大致可分为四段：

这种β＝0的全液压式液压冲器因为A2＝A2'＝A1，并且是前腔常压，则通油后由于前、后腔的承压面积相等，活塞两端的压力成平衡状态，液压冲击器不能工作。

这种全液压式液压冲击器，只有引入氮气后，才能建立起冲程有效作用力，活塞才能产生冲击运动，活塞才能产生往复运动向外输出冲击能。很显然，活塞的回程是用油推，氮气腔储存能量；冲程则全靠氮气推动，不耗油效率较高。具有这种特点的气液式液压冲击器则给它一个特殊的名字，称为氮爆式液压冲击器。

（4）β＝－1的全液压式液压冲击器，其结构特征为 A1＝A1'＝0；A2＝A2'。 这种冲程有效面积等于零的活塞结构，实际上它是柱塞油缸结构。由于它不能建立起冲程有效运动力 F1g＝A1'×PH＝0×PH＝0，这种结构的冲击器，它只有回程没有冲程，形成不了往复运动。

所以，β＝－1的全液式液压冲击器，没有实际使用价值。此外，前腔常压式原理的液压系统，也不适应这种柱塞结构的液压冲击器。

4 改造β＝－1的全液压式液压冲击器为单管柱塞式液压冲击器

β＝－1的全液压式液压冲击器，因为活塞为柱塞式结构，A1＝0，通油后活塞只有回程没有冲程，此液压冲击器是不能正常工作的，必须进行结构和液压系统的全面改造：

（1）引入氮气建立冲程有效运动力：在活塞的尾端设氮气室，充入一定压力的氮气。

（2）改造液压系统：使前腔通油，或者回程前腔放油（前腔与回油通）活塞冲程。因冲击器为柱塞式结构，只有前腔没有后腔，则要求前腔通油，活塞回程，并压缩氮气室的氮气储存能量，为冲程准备能量；当活塞前腔与回油相通时，活塞冲程。为使活塞满足上述要求，必须对原系统进行改造，将原二位四通阀改变为二位三通阀，如图1所示。

图1 二位三通阀控制的单管液压冲击器液压系统

（3）这个系统中必不可少的要安装液压蓄能器，其安装位置有二：

如图1所示，将蓄能器布置在三通阀高压油入口处。这是很常规的布置方法，活塞回程时蓄能器储油→放油，当三通阀换向后，高压油的通道被关闭，则泵打出的油只能泵入蓄能器，活塞到达打击点，三通阀换向，活塞完成一个循环又开始回程，则蓄能器又开始蓄油→排油，重复上述过程。

必须指出，该系统的蓄能器工作与前腔常压式液压冲击器的蓄能器的工作完全不一样。

这就是：所示的系统工作时，蓄能器的工作为：活塞回程→蓄能器储油→排油→三通阀换向→活塞冲程→泵的全流量都注入蓄能器储油→活塞冲至打击点→三通阀换向活塞回程→蓄能器储油→系统开始新的循环。这里与前腔常压式液压蓄能器不同的是，三通阀换向后，蓄能器就一直接受泵的全流量储能。不像前腔常压式有一个排油过程。这就是该系统设计蓄能器时，必须注意的地方。

如图2所示，将蓄能器布置在三通阀的出口处。这样，活塞回程时，三通阀向前腔供油，蓄能器蓄能；三通阀换向，活塞冲程时，使前腔与回油通，蓄能器放油，直至隔膜触底无油可放，活塞冲至打击点停止；三通阀换向后，活塞又回程，则蓄能器又开始储能，重复上述过程。这样，系统中蓄能器虽然能够工作，但当隔膜触底时由于频繁地与底板冲击接触，使隔膜损坏严重，使用寿命缩短。为解决隔膜触底的难题，笔者想了一个巧妙的办法——控制蓄能器的充气压力，使其等于回油管路的回油压力。这样就能使得蓄能器放油时，气腔的压力与回油管道的压力实现平衡，则隔膜就会停止在蓄能器底板之上，不与底板接触，有效地提高了隔膜的使用寿命。

图2 蓄能器布置在三通阀的出口处

结论

（1）前腔常压式液压冲击器是液压冲击器的最原始形态，其他原理的液压冲击器都是它的发展、延伸和派生。

（3）引入氮气后的气液式液压冲击器系统中包含两独立变量：这就是泵的排量和氮气室的充气压力。它们都可以独立调节，以改变系统的输出。

（4）β＝－1的前腔常压式的液压冲击器，没有使用价值，必须对其系统和结构进行重大的改造，才能变成理论和结构创新的新型液压冲击器——单管柱塞式液压冲击器。