液压凿岩机活塞和导向套气蚀影响因素分析

刘金丽， 郝慧斌， 李树岗， 郝小刚， 张晓峰

（1.晋中学院 机械学院，山西 晋中030600；2 .潞安集团 余吾煤业公司，山西 长治046100）

0 引 言

目前，广泛采用液压钻车进行煤矿、隧道和地下岩石开采工作。凿岩机又是钻车的重要工作部件，其内部的冲压活塞和导向套经常由于液压冲击而发生气蚀损坏，从而导致整台钻车停产。所以，了解液压凿岩机的工作原理，分析和解决凿岩机的空穴和气蚀问题对于钻车的正常使用非常重要[1-4]。

1 液压凿岩机工作原理

液压凿岩机主要由冲击和回转装置组成。如图1所示为冲击机构。压力油经液动换向阀6的阀内通道和油管到达活塞8的右腔，推动活塞向左产生冲击。冲击作用通过钎杆传递到钎头，再使钎头撞击岩石产生冲击。当活塞8的右侧凸肩移动到主油路2的油口时，压力油从主油路2通过控制油路流到换向阀6的右腔，油液推动阀芯左移，换向阀6换向。油液经液动换向阀6和油管到达冲击活塞8的左腔，使活塞向右退回。当冲击活塞8的左侧凸肩移动到主油路7的油口时，活塞左腔压力油经控制油路进入换向阀6左腔，阀芯右移换向，从而完成工作循环[5-8]。

图1 凿岩机冲击机构

凿岩机旋转装置如图2所示。压力油使得液压马达1转动，马达1输出的回转运动通过轴2，经过齿轮传动带动钎尾5转动，最终将回转运动传递给钎杆和钎头[8-10]。

图2 旋转装置

2 冲击活塞和导向套的气蚀现象

液压凿岩机在使用过程中，由于液压缸内部的油液不能及时填充，则缸内就会产生真空。当缸内压力低于空气分离压力时，原来溶于液体中的气体就会分离出来，形成大量气泡。当压力增大，气泡又会破裂，产生的高温和高压会使冲击活塞和导向套表面发生侵蚀和剥落，这就是气蚀，会降低其使用寿命。冲击活塞的制造精度高，强度和表面硬度较高，因此气蚀的程度不严重，但是其表面粗糙度值变大，将会使得活塞在往复运动中摩擦阻力和能量损失增大，而且若粗糙表面一旦延伸到密封区域，将会增加机体泄漏，此时必须更换冲击活塞。导向套一侧的气蚀现象非常严重, 所产生的杂质会进入液压系统，从而污染油液，加速液压元件发生磨损，影响液压系统的正常工作[9-11]。

3 数学模型

图3为冲击活塞结构参数图，取向右为正方向，圈出的1 为回程换向控制油口，2为液动换向阀右腔泄油孔，3为活塞泄漏回油孔，4为液动换向阀左腔泄油孔，5为冲程换向控制油口。冲击活塞的动力学方程如下：

式中：mp为活塞的质量，kg；xp为活塞的位移量，mm；Ff为摩擦力，N；Kp为黏阻力系数；A1为活塞前腔的有效作用面积，mm2；p1为活塞前腔的油液压力，MPa；A2为活塞后腔的有效作用面积，mm2；p2为活塞后腔的油液压力，MPa；ε为偏心率；μ为绝对黏度，kg/(m·s)；h1～h4是缝隙高度，mm；Lp1～Lp4为活塞不同位置与缸体产生的相对运动长度，mm；dp1～dp4为活塞不同位置的直径，mm；f为密封与活塞的摩擦因数；b为密封宽度，mm；ζ为密封圈的压缩系数。

图3 冲击活塞机构参数

蓄能器的气态方程为：

式中：PH为蓄能器压力，MPa；VH为蓄能器内气体体积，L；QH为油液流量，L/min；VH0为蓄能器的初始气体体积，L。

4 仿真分析

对液压凿岩机的冲击机构进行仿真分析，图4为冲击活塞前腔和后腔的压力变化和活塞的运动速度曲线。在活塞回程制动的开始阶段，后腔已接通了高压油液，因而出现了压力峰值，压力达到21.5 MPa。由图4可知，在回程换向阶段和回程制动的初始阶段，由于换向阀换向，冲击液压缸前腔已经接通油箱回油，但是冲击活塞在惯性力作用下还是处于回程状态，这时前腔形成负压可达-0.89 MPa，产生空穴，油液中的气泡分离出来。当分离出的气泡破裂，会产生冲击压力，从而冲击活塞和导向套产生气蚀破坏，掉落的铜屑会污染液压油，并划伤液压元件低表面，降低零件的使用寿命[10-12]。

图4 活塞前后腔压力及活塞运动速度分析

5 减小气蚀的措施研究

1）设置回油蓄能器。由上述分析可知，前腔负压和压力震荡是产生导向套和活塞发生气蚀的主要原因。图5为在液压凿岩机上设计回油蓄能器后，其冲击液压缸前腔压力仿真曲线。根据仿真结果，在系统中设置回油蓄能器之后，液压缸前腔的负压情况得到有效改善。所以，在液压凿岩机上加装回油蓄能器可以有效解决前腔负压问题，从而改善导向套和活塞的气蚀程度。

图5 增加回油蓄能器后活塞前腔压力分析

2）检查蓄能器。定期检查蓄能器是否发生破坏，以及蓄能器内的气体压力是否正常，这些因素都会导致导向套和冲击活塞发生气蚀破坏。可以通过在蓄能器上安装压力传感器来监控其压力是否正常。

3）改变导向套位置。如果冲击活塞和导向套的内部及导向面没有发生破坏，只是在其端面上发生气蚀，这样就可以不必更换零件。气蚀破坏一般只发生在导向套的一端，通过改变导向套的位置，有效避免这一端部产生更加严重的气蚀破坏，在新的表面上产生气蚀，从而延长导向套的使用寿命。

6 结 语

通过对冲击活塞前、后腔的压力变化进行仿真，得出活塞和导向套发生气蚀的主要原因是在活塞回程制动阶段，液压凿岩机的冲击活塞前腔会产生负压，从而使得冲击活塞和导向套发生气蚀。并对减小活塞和导向套气蚀的方法进行了研究，通过仿真分析可知，在液压系统上设置回油蓄能器可以改善活塞前腔负压情况。并且，定期检查蓄能器的压力是否正常，改变导向套的位置等均可以有效防止气蚀。