浅析基于AMESim 的气液联合式液压破碎锤建模与仿真

吴帮普

（黔南民族职业技术学院，贵州 黔南 558022）

气液联合式液压破碎锤是一种实用的岩体破碎工具，它在工作过程中以连续的液体压力能转化为往复运动的冲击能，通过钎杆把冲击力作用在破坏对象上，形成连续捶打的状态，如凿裂岩石、破坏墙体和振捣坚硬土体等过程，破碎锤广泛应用在市政设施建设、房屋拆建、矿石开采、高铁建设、水库电站建设等基础工程施工。随着我国基建的发展，液压破碎锤在我国市场发展迅猛，品牌和型号较多，应用比较普遍，但是国内研发及制造高品质破碎锤的企业较少，在冲击功大小、工作稳定性和使用寿命方面，国产品牌与国外先进产品比较还有一定的差距。

1 气液联合式液压破碎锤的工作原理

气液联合式液压破碎锤由缸体、活塞、控制阀、钎杆等部分组成，活塞与缸体之间形成氮气室、前腔和后腔，如图1 所示。工作时破碎锤竖直向下，活塞下滑在缸体最低位置，液压油直接进入前腔，前腔压力增大使活塞加速向上运动；当活塞向上运动越过缸体信号口位置时，控制阀阀芯上移，液压油通过控制阀进入后腔，后腔压力逐渐增大，氮气室的氮气被逐渐压缩，对活塞阻力也逐渐增大，以上压力共同作用下活塞向上作减速运动并最终停滞；活塞停滞瞬间后，在前后腔压力差、氮气压力和重力作用下加速向下运动，以较高的速度撞击钎杆，完成能量传递，撞击的同时越过信号口位置，控制阀阀芯下移，液压油停止进入后腔，在前腔压力作用下活塞向上运动进入下一个循环，气液联合式液压破碎锤工作原理见图1。

图1 气液联合式液压破碎锤工作原理

活塞向上（回程）、向下（冲程）加速时动力学模型分别为式（1）和（2）：

式中，m是活塞质量；x是活塞位移；v是活塞运动速度；1A、2A、3A是活塞前后腔和氮气室有效作用面积；1P、2P、3P是活塞前后腔和氮气室压力。

2 气液联合式液压破碎锤的建模与仿真

2.1 建立气液联合式液压破碎锤模型

气液联合式液压破碎锤的控制阀阀芯直径为φ35mm，行程为30mm，质量为0.25kg，活塞直径为φ70mm，行程为130mm，质量为15kg，氮气室初始压力为0.8MPa，容积为1L。活塞各个轴肩长度是破碎锤工作特性优劣的关键参数，在该模型中通过配置各个元件的underlap 值，实现活塞轴肩的长度的设置。假设被冲击物体为岩石，质量为1×1012kg，采用LSTP00A元件作为碰撞接触模型，设置刚度系数为1×109N/m，阻尼系数为1×109N/(m/s)，间隙为0mm，穿透深度为0.001mm。采用理想的液压源作为输入，压力恒定为8MPa，流量为理想流量，具体参数见图2。

图2 气液联合式液压破碎锤仿真模型

2.2 活塞与阀芯运动分析

仿真结束后，得到活塞和阀芯的运动规律曲线，作为分析破碎锤系统的运动特性的依据，如图3 所示。

图3 活塞和阀芯的运动规律曲线

活塞回程时未撞击缸底，冲程时明显撞击钎杆，工作过程比较稳定，行程保持在70mm 左右，周期约为0.09s，冲击频率为660bpm，冲击速度为4.6m/s，通过末速度法算出系统冲击能为158.7J，当活塞撞击钎杆的瞬间，短暂停滞时间约为0.03s，撞击后活塞反弹速度较小，能量传递效果好，冲击力约为1.7×103N，如图4所示。阀芯的行程为30mm，运动到极限位置有稳定的停留，没有出现抖动现象，工作过程稳定。

图4 岩石受到的冲击力随时间变化曲线

在工作过程中，活塞前腔压力保持在8MPa 左右，活塞在不同位置时，前腔压力有轻微波动，活塞后腔压力在冲程时为8MPa，其他阶段为0MPa，氮气室受到活塞回程的影响最大压力为1.23MPa，反作用协助推动活塞向下加速运动，实现活塞冲程运动。

2.3 系统压力与稳定性分析

不同的液压系统压力对气液联合式液压破碎锤的冲击频率、冲击功、稳定性影响较大，通过优化液压系统压力，保证工作稳定性的前提下最大程度提升冲击功，发挥破碎锤最大潜能，从而提高工作效率。

如图5 所示，系统压力从6MPa 以1MPa 为步长增加到23MPa 时，活塞位移逐渐增大、频率逐渐增高。系统压力6MPa 时，几乎没有产生碰撞瞬间停滞现象；系统压力7 ～8MPa 时，明显产生了碰撞瞬间停滞现象，活塞有了冲击作用；系统压力19MPa 后，曲线幅值和周期变化不明显，基本上趋于极限，因此，分别以8MPa、19MPa、23MPa 的系统压力为条件，考查破碎锤的冲击功、冲击力和冲击频率的变化情况。

图5 不同系统压力对稳定性的影响

如图6、图7 所示，当液压系统压力为8MPa 时，最大冲击速度为4.6m/s，冲击频率约660bpm，冲击力超过1.7×103N，冲击功为158.7J 左右；当液压系统压力为19MPa 时，最大冲击速度为8.2m/s，冲击频率约1200bpm，冲击力超过7.5×103N，冲击功为504.3J 左右；当液压系统压力为23MPa 时，最大冲击速度为8.7m/s，冲击频率约1380bpm，冲击力超过9.6×103N，冲击功为567.7J 左右。

图6 8MPa、19MPa、23MPa 时活塞的速度曲线

气液联合式液压破碎锤的最小稳定工作液压系统压力在7MPa 左右，随着液压系统压力升高，冲击速度、冲击频率、冲击力和冲击功随之升高，超过19MPa 后，冲击性能提升不明显，考虑系统压力过高可能会造成能耗比过高、磨损加剧、寿命降低等因素，比较理想的液压系统压力为19MPa 左右。

3 结语

本文基于AMESim 仿真软件的HCD 液压元件设计库环境建立了气液联合式液压破碎锤模型，通过仿真结果表明了7MPa 是最小系统稳定工作压力值，19MPa 是理想系统工作压力值，为破碎锤液压系统参数配置提供理论依据。后续工作中，将对系统流量、活塞轴肩长度、阀芯结构尺寸等参数进行优化，提升气液联合式液压破碎锤工作性能。