液压破碎锤动态特性的研究

张明松，苏志成，王 宏

（三峡大学机械与动力学院，湖北 宜昌 443002）

近年来，我国加大对基础建设的投入。 液压凿岩机在进行矿山开发、挖掘隧道、清理航道等作业中发挥着重要作用。 由于液压凿岩机具有众多优点与实用性，有必要对其进行研究。 本文采用AMESim 软件分别对液压凿岩机系统的结构参数与工作参数进行模拟仿真分析，探究其对于液压凿岩机的工作性能的影响。

1 液压破碎锤系统的结构及其工作原理

本文选取液压破碎锤的研究模型结构图如图1 所示，工作原理可以分为回程与冲程两部分来描述[1]。

1)回程阶段。 液压凿岩机的缸体有两个信号调节孔，当冲击活塞经过第一个信号孔时，液压油流入配流阀的左腔室，后腔与回油连通，高压油与活塞前腔相通，活塞在前腔压力下向右做回程运动，冲击活塞完成回程加速阶段，完成整个回程运动。

2)冲程阶段。 活塞在压力差作用下向左加速运动，开始冲程的阶段。 在冲击活塞进行冲程加速时，由于活塞的运动导致液压系统压力降低，高压蓄能器开始排油对后腔进行液压油补充。 当冲击活塞越过第二个信号孔时，阀芯开始向左进行换向运动，冲击活塞完成打击钎杆的运动，冲程阶段结束，以此循环对岩石进行破碎。

图1 液压凿岩机结构图

2 液压凿岩机的AMESim 模型与参数定义

图2 AMESim 模型结构图

依据前文的分析，将冲击活塞完成上一次打击结束的时刻为模拟仿真的初始时刻。 在AMESim 软件中建立液压凿岩机的模型结构图[2]，如图2 所示。 结合液压凿岩机的实际结构尺寸，对所建模型进行赋值。

依据对液压凿岩机的工作原理以及对液压凿岩机系统功能关系的分析与研究，液压凿岩机基本的工作参数设置如下：活塞质量5.5kg，活塞直径为45mm，前腔活塞杆直径为40mm，后腔活塞杆直径为37mm，高压蓄能器充气容积为1L，低压蓄能器充气容积450mL。随后进入仿真模式，设定仿真时间为5s，时间步长为0.01s。

3 工作参数对于性能的影响

液压油作为液压凿岩机的能量运输载体，推动着液压冲击活塞做着往复运动。 液压油的流量对液压破碎锤的运动性能具有十分重要的影响[3]。 现在保持其他参数不变，改变系统输入流量的大小。 设置输入液压油流量在一定的范围内变化。 分别取液压油的5 个流量值，运用AMESim 软件对这5 个参数进行批处理。得出在这5 个参数下活塞的速度与时间变化曲线图。 如图3 所示。

图3 不同流量下的冲击活塞速度曲线

冲击活塞的冲击速度极值、冲击频率、冲击能分别如表1 所示。

表1 输入流量仿真结果

在液压凿岩机进行冲程运动时，液压凿岩机后腔的工作压力由于液压冲击系统流量的增加而变大，冲击活塞的速度极值、冲击能与冲击频率因此得到提高。 依据液压油流体力学公式（1）可知，流体的压力损失是与流量的平方成正比。 而且过大的流量也会超过系统结构设计额定数值，导致压力泄露。 从而使得系统流量对冲击活塞速度影响降低。

式中：λ为流体的沿程压力损失系数，理论值λ = 64 / Re。

4 结构参数对工作性能的影响

液压凿岩机的结构参数对于性能的影响很大，有必要对比较重要的结构参数进行分析研究[4]。

4.1 活塞质量对液压凿岩机工作性能的影响

改变冲击活塞质量参数的设置，使用AMESim 批处理功能，得到活塞与时间的仿真曲线，如图4 所示。

图4 不同冲击活塞质量下的冲击活塞速度曲线

冲击活塞的冲击速度极值、冲击频率、冲击能分别如表2 所示。

表2 冲击活塞质量仿真结果

当液压凿岩机工作时，系统给定的流量保持不变，液压凿岩机的工作推力保持不变，冲击活塞的运动加速度随着质量增大而变小，而冲击活塞的行程不变，所以冲击活塞的速度极值变小。 此外，当冲击活塞速度变小，而活塞运动行程保持不变时，冲击活塞的运动周期变长，运动频率变小。 增加冲击活塞的质量过大，导致液压凿岩机的做功效率变低，而且冲击活塞单次冲击能增大的速率变小。

4.2 后腔活塞杆直径对液压凿岩机工作性能的影响

改变后腔活塞杆直径参数采用软件批处理功能进行仿真分析，仿真曲线如图5 所示。

图5 不同后腔杆直径下的冲击活塞速度曲线

冲击活塞的冲击速度极值、冲击频率、冲击能分别如表3 所示。

表3 冲击活塞压力作用面积仿真结果

随着后腔杆直径的增大，即后腔的有效压力作用面积变小。 液压冲击活塞后腔可容纳液压油的容积随之变小，所以液压凿岩机的冲击活塞工作压力变小，故液压凿岩机的速度极值变小。 在液压凿岩机工作的过程中，由于冲击活塞的运动行程不变，所以冲击活塞运动的周期变大，冲击活塞工作的频率变小。 可以通过减小后腔活塞杆的直径来达到提高液压凿岩机工作效率的目的，但是也会使得液压凿岩机后腔室在运动的过程中所需要流量瞬间峰值也增大。 流量瞬间峰值不仅会增大系统的能耗，还会增加后腔室流场的不稳定，从而使得系统工作不稳定。

5 结语

本文采用AMESim 软件建立了液压凿岩机的模型，分析了液压凿岩机的工作参数与结构参数对于液压凿岩机性能的影响，探索了液压凿岩机的工作动态特性，为液压凿岩机的研究与设计提供指导。