高速冲击缸的研究综述

孙自强，朱小明，杨丽红

（1.上海理工大学 机械工程学院，上海 200093；2.上海豪高机电科技有限公司，上海 201614）

随着世界形势的发展，在相对稳定的国际局势下，一些不安定的因素日益凸显，如世界各地频发的汽车炸弹、人体炸弹等恐怖袭击事件以及局部战争的爆发。这些事件对民用建筑、军事防护及居民安全造成了极大威胁。在此背景下，研究相应的加固措施和防护性能设计标准来提高结构的抗爆和抗冲击性能越来越重要[1]。加固措施及设计标准的制定通常需要经过大量的实验和数值验证，对于实验和数值模型的验证，现场爆炸试验是最可靠、最准确的方法，但成本高、数据获取困难。并且，爆炸产生的火球阻碍了高速摄像对结构动态响应过程的捕捉，很难观测爆炸过程中结构的响应[2]。因此，迫切需要开发一种简单、经济、安全、高效的实验室加载技术模拟爆炸冲击波对结构的动态加载，研究结构在爆炸载荷下的响应。

液压缸是液压系统中的执行元件，作为能量的转换装置它将系统供给的压力能转换为驱动工作设备做往复运动或者旋转运动的机械能[3]。普通结构的液压缸其应用领域已经相当广泛了，而且相当一部分已经有了自己标准化、系列化的定型产品。然而特殊结构的液压缸由于其使用范围的特殊性其应用就没有那么普遍了，即使这样，但随着人们对于新事物的不断开发和探索，使得特殊结构的液压缸在液压传动系统中所占据的地位不断得到提升。在某些特殊的工况中要实现特殊的工作目的，必须采用特殊结构的液压缸才能完成工作的进程。在模拟爆炸，实现可重复性的冲击实验，设计一款高速冲击缸是理想的替代产品。

1 冲击缸的国内发展及研究现状

国内对于冲击缸的研究始于20 世纪70 年代，起步晚于国外。我国的一些科研院校如中南工业大学、长沙矿冶研究院、北京钢铁学院等，作为国内先驱对于液压式冲击缸进行了大量的研究工作，但在那时我国的制造工艺水平有限，加上国外的技术封锁，冲击缸的研究大多止步于理论研究，一直未能收获较为满意的产品。我国开展高速冲击缸是在1976 年，当时长沙建筑机械研究所和武汉桥梁机械厂合作研制利用氮气缓冲的2 吨级液压缸，1979 年完成样机，最终未形成商品生产[4]。

到了80 年代后，随着我国对于基础设施建设的需求不断增大，冲击缸的研发制造迎来了黄金时代。1980年，长沙矿冶研究院和株洲东方工具厂的科研学者们在学习国外技术的基础上，结合国内实际情况，设计出了第一台具有自己特色的冲击缸设备YYG80 型液压凿岩机[5]；随后，长沙矿山研究院研制的SYD-400 型液垫式高能液压碎石器的问世，解决了矿岩大块二次破碎的技术难题，代替了原有采用敷炮、抡大锤等传统方式，有效提高了工作效率和安全性[6]；YSJ-1 型移动式液压碎石机在SYD-400 的基础上对液压、控制和冷却系统进行了改装，增加了冲击缸的灵活性，弥补了我国在移动式碎石冲击缸上的空白；在此之后，SYD-2000、YS-5000 型液压碎石器孕育而生，相继通过了我国技术部门的鉴定。20 世纪90 年代后，中南工业大学的学者对氮爆式冲击缸进行了研究，在冲击缸的压力反馈控制和无级调节深入探索，并且成功研制出样机，后续用于投入实际生产，为氮爆式冲击缸的国产化做出巨大贡献。进入21 世纪后，我国有能力生产制造液压冲击器的企业达到数百家，其中不乏一些知名企业如：上海建筑厂、长治液压厂、江苏击利乐机械股份有限公司、安徽惊天液压智控股份有限公司等，其中惊天液压产品的销售量已经排名世界前列[7]。

在理论研究领域中，大连理工大学的田树军采用了状态分析法和键合图的动态建模技术对冲击缸进行了研究，为我国研究者们奠定了深远的基础[8]。在线性研究中，北京科技大学李大诒教授发现想要充分利用冲击缸的内部能量，蓄能器的容积变化需达到最小，此时瞬时流量达到最小值，在此基础上，他提出了最优行程的计算方法；同校的陈定远教授将计算行程与最大行程之比定为设计变量C，在大量的对比实验后发现当C 在0.75～0.85 之间为最佳效率区；中南大学综合了冲击缸各种影响因素，在原有基础上增加了冲减加速比和回冲加速比两个变量，利用该“三段法”对液压冲击缸建立全面的线性模型。在非线性研究中何清华教授又将冲击运动分为13 个部分，采用“准匀加速计算法”，对各个部分之间的转换进行了修正，更好地达到实际预期；邹湘伏采用气压间接测试法，对于液压控制阀和冲击活塞之间的运动关系进行研究[9]。

虽然冲击缸在我国已经取得了十足的进步，产品相比国外价格更为亲民，售后保障也更为便捷，但总体上与国外依旧存在一定差距，关键性零部件还需要大量依赖进口，国内设备的可靠性、稳定性和系列化产品的齐全性都是国内学者们需要不断去努力改善的方向。

2 冲击缸的国外发展及研究现状

冲击缸作为液压凿岩机和破碎锤的核心，国外对于它的研究可以追溯到20 世纪20 年代的英国，学者多曼所设计出的第一台凿岩机的雏形就有采用到冲击缸，就此拉开了冲击缸发展的帷幕。但受限于当时工业制造水平的不对等，该创新未能投入实际制造。

直至20 世纪20 世纪50 年代后，国外工业得到飞速发展，1963 年德国Krupp 公司研发出了世界第一台载有冲击缸的破碎锤，4 年后便对外展出了首台HM400 型液压破碎锤并进行线下操作。在1970 年，法国Montabert 公司研制出的液压凿岩机可进行大量的生产制造，极大程度地降低了当时的人力成本，订单一时供不应求。至此，世界各国都开始纷纷效仿，投入大量科研成本对该类冲击缸进行研制。其中，日本甲南公司设计制造出了MKB 型液压破碎锤。Krupp公司在1985 年制造的Marathon 系类破碎锤在减震静音方面做出了十足的改进[10]。1986 年后，意大利的Indeco 公司创下了智能型液压冲击缸设备的先河，所设计的冲击缸可以根据被撞物件的硬度条件而调节自身的撞击频率和撞击速度。近年来，国外智能型冲击缸的设备系类主要归类为日系、韩系和欧系，市场占有率较高的品牌有韩国水山公司、日本古河公司、芬兰Rammer 公司、德国Krupp 公司等。

除了破碎锤和凿岩机领域，冲击缸的应用领域还涉及液压打桩锤等领域，其发展也是经历了从单作用逐渐向双作用的方向进行演变。单作用冲击锤类似于落锤式试验机，主要依靠有杆腔的液压力对将冲击缸锤提升到一定高度后，再将上下两腔相通，蓄能器对上腔进行补油，让锤体部分依靠自身重力加速度向下击打，典型的产品有芬兰永腾公司所设计的HHK、HHK-A 系类和英国BSP 公司的HH357-9。但该类冲击式设备若想要达到高速度获取较大能量的话，只能增加其冲击行程，其设备高度需设计得非常高，成本也较大。而双作用冲击缸锤则在下落环节时，上腔与泵和高压蓄能器相连，加快下落，使下落时的加速度大于重力加速度。因此，双作用的液压冲击缸锤在相同行程下，比单作用具有更快的速度和冲击能量，这也是国外主流的形式，典型产品有日本车辆公司所设计的NH 和荷兰IHC 公司的SC 系类产品[11]。随着对冲击缸研究的越来越成熟化，冲击缸的种类繁多，根据其冲程过程中动力源的不同，可以将现有的冲击缸分为三类：①全液压式；②气液联合式；③氮爆式[12]。全液压式采用液体作为工作介质，驱动活塞使得冲击缸进行往复工作；气液联合式的主要工作介质为液体和气体两种，高压气体和液压油共同驱动冲击活塞进行冲程工作；氮爆式在冲程过程中则依赖高压氮气腔室的瞬间压力释放，从而获取高速运动，该方案所实现的冲击运动更为可靠，速度快且有利于控制，是冲击式机械设备研究的一大热门。

在大型高速冲击式模拟样机方面，2005 年美国加州大学圣地亚哥分校和MTS 公司合作研制的一套名为UCSD 的冲击模拟设备，由一台或多台爆炸发生器组成，利用高速液压驱动装置以速度和时间可精确控制的方式推动撞击模块撞击试件，把撞击模块的动能传递到试件上，产生冲击作用于试件。该装置在钢筋混凝土柱、砌体墙以及其他复杂撞击非平面结构方面进行了大量的空气冲击波毁伤效应、防护技术研究等方面的工作[13,14,15]。后来，欧盟基于美国UCSD 装置同样的实验目的，于2006 年开始研制世界上第2 台大型高速冲击模拟器，其组成示意图如图1.1 所示[16,17,18]。

图1 欧盟大型高速冲击模拟器

在对于冲击缸的研究过程中，前苏联研究员О.Д.Алимов 和С.Абасов 在基于油压为一定值的假说上对其进行了线性模型的研究，最后得出在确保冲击缸的末端速度为给定值时，冲程压力与回程压力都相等可以达到最理想的控制。然而液压冲击缸想要得到理想状态下的恒压，需满足配流阀开口量变化过程的时间s 接近0，蓄能器充气容积V 接近＋∞，这在现实中无法实现。日本研究员正槌口正雄在综合分析了冲击缸运动过程中活塞、蓄能器、配流阀等影响因素后，提出了一种非线性数学模型，通过仿真与实验数据的对比研究，将所建立的数学模型进行了修正。2000 年，Krzysztof krauze[19]所设计出的冲击缸的测试系统，采用了现代化的测试技术，为冲击缸的智能化能量采取提供了新的可能。2018 年，Song Changheon[20]把冲击缸与岩石物体进行撞击过程中传播的应力和卸荷常数纳入考量范围内，在进行运动学仿真模拟后得出了最佳尺寸参数。英国Arrowhead 公司最新推出的“S”型冲击器，利用其研发出的新型材料橡胶垫代替原有冲击器上的金属紧固件，在降噪和使用寿命的延长方面又有了新的突破。

3 总结

在大型精密冲击试验平台领域，主要有落锤系统与气动/液压系统两种，两者都是利用高速撞击产生冲击。但是落锤系统受导轨长度、摩擦力和空气阻力等限制，在重力作用下最高撞击速度一般不超过20m/s；虽然小型落锤可采用简单的弹性元件提高撞击速度，但是大型落锤系统由于加载装置推力作用线不可能与落锤中心线完全重合，因此易被导轨卡死而无法自由下落，所以目前未见采用加速装置驱动大型落锤的设备。而全球现有的气动/液压系统最高撞击速度可达32～66m/s，加载速率远远大于落锤系统。加强研究大型高速冲击缸设备对于提升现有装备的冲击效应评估具有重要的指导意义，解决国防领域“卡脖子”工程。

目前，国外高速冲击缸的种类繁多，迭代更新较快，国外学者们对于冲击式机构的研究已经相当深入，虽然研究水平依然领先于我国，但这也为我国提供了很好的借鉴榜样。对于短板问题，应该正视问题，虚心学习，相信在不远的将来中国定能在工业制造业领域成为世界一流的现代化强国。