液壓沖擊器理論及實踐研究

1、1234挖掘機裝載機鑿巖機破碎錘碎石機夯管錘沖擊鉆潛孔錘振動沖擊錘拆缷機器人作功能作業(yè)車地下碎石車地下撬毛車核心部件液壓沖擊器 冶金礦山鐵路工程公路工程水電涵洞市政工程建筑工程軍事工程56釬桿，-導向套，-釬桿保持器襯套，-閥蓋，-閥芯，-閥箱，-活塞環(huán)，-活塞，-前體，-前腔，-液壓缸，-后腔，-氮氣室7工作原理示意圖 工作原理示意圖 81 1）建立數(shù)學模型）建立數(shù)學模型活塞回程加速段活塞回程加速段活塞制動和沖程階段活塞制動和沖程階段21 12232Nd xmmgp Ap Ap Adtdxvdt100()tHvdtQVA110()kkHHHpp VVV020()tLAv dtQV000()k

2、kLLLpp VVV0 0kkNp VpV211232()Nd xmmg p A Ap Adtdxvdt12101()tHHTvvdtQVVAA110()kkHHHpp VVV101tLLTdtQVV000()kkLLLpp VVV0 0kkNp VpV9活塞運動活塞運動.14.2112231(sgn()sgn()sgn(1)2( 1)ipipppppppppNppi pipiipipipid lSSpm SS m gp Ap ASp Al換向閥芯方程換向閥芯方程.324.111sgn()(,)vvvvvvipviivviF SS Sm SSm gp Ap Ap10理想氣體狀態(tài)方程理想氣體狀態(tài)

3、方程00kkNp Vp V氮氣體積與活塞幾何位置關系氮氣體積與活塞幾何位置關系303(110)*10pVVAS回程段高壓油流量平衡方程回程段高壓油流量平衡方程.12pplppQA SASQ34.2133322(1 1.5)( 1)122(1 1.5)12pipiippipipiipipiviviviiivilvdpdSll cQcdp 沖程段高壓油流量平衡方程沖程段高壓油流量平衡方程.121ppplpvvQA SASA SQ34.21132.211(1 1.5)( 1)122(1 1.5)( 1)122pipiippipipiipipiivivivivivivivilvidpdSl cQdpd

4、Sl c 112 2）建立三維模型）建立三維模型123 3）建立）建立ADAMSADAMS仿真模型仿真模型13ADAMSADAMS和和MATLABMATLAB聯(lián)合仿真聯(lián)合仿真144 4）進行動力學仿真分析）進行動力學仿真分析閥芯閥芯活塞活塞151-1-截止閥，截止閥，2-2-溢流閥，溢流閥，3-3-過濾器，過濾器，4-4-液壓泵，液壓泵，5-5-壓力表，壓力表，6-6-活塞，活塞，7-7-中缸體，中缸體，8-8-液控閥，液控閥，9-9-手持式測量儀，手持式測量儀，a-a-氮氣室，氮氣室，b-b-后腔，后腔，c-c-前腔前腔5 5）16PS：1、如需另測氮氣壓力，編號前面加零。2、單次測試時間為

5、10秒。3、A通道接氮氣室 B通道接上腔（回油腔） C通道接下腔（常壓腔）4、表中壓力為精確值，流量為非精確值PS：1 1、單次測試時間為、單次測試時間為10秒。秒。 2、A通道接氮氣室通道接氮氣室 B通道接上腔（回油腔）通道接上腔（回油腔） C通道接下腔（常壓腔）通道接下腔（常壓腔） 3、表中壓力為精確值，流量為非精確值、表中壓力為精確值，流量為非精確值171819系統(tǒng)系統(tǒng)溢流溢流壓力壓力（MPa）前腔前腔平均平均壓力壓力（MPa）活塞活塞沖擊沖擊速度速度(m/s)破碎錘打擊破碎錘打擊能量能量(J)破碎錘沖擊破碎錘沖擊頻率頻率(HZ)109.3083.02786.074.771412.987

6、3.62489.994.061614.3473.18195.074.93不同系統(tǒng)壓力下的測試結果不同系統(tǒng)壓力下的測試結果20不同系統(tǒng)流量下的測試結果不同系統(tǒng)流量下的測試結果流量流量（L/min） 活塞沖擊速度活塞沖擊速度(m/s)破碎錘打擊能量破碎錘打擊能量(J)破碎錘沖擊頻率破碎錘沖擊頻率(HZ)303.02786.074.77403.17194.046.56503.24999.237.56603.352105.447.80212223 目前根據(jù)控制方法和設計概念的不同，調節(jié)液目前根據(jù)控制方法和設計概念的不同，調節(jié)液壓沖擊器輸出工作參數(shù)的常用方法主要有：液壓壓沖擊器輸出工作參數(shù)的常用方法主要

7、有：液壓沖擊器行程反饋調節(jié)方法，改變液壓沖擊器供油沖擊器行程反饋調節(jié)方法，改變液壓沖擊器供油流量的調節(jié)方法。流量的調節(jié)方法。 為了滿足不同工況破碎不同的工作對象，傳為了滿足不同工況破碎不同的工作對象，傳統(tǒng)的輸出特性單一的沖擊器已不能滿足要求，需統(tǒng)的輸出特性單一的沖擊器已不能滿足要求，需要對液壓沖擊器的輸出特性作相應的調節(jié)以滿足要對液壓沖擊器的輸出特性作相應的調節(jié)以滿足各種工況下最優(yōu)的工作狀態(tài)；而且還要提高液壓各種工況下最優(yōu)的工作狀態(tài)；而且還要提高液壓沖擊器的工作穩(wěn)定性和降低生產成本，擴大使用沖擊器的工作穩(wěn)定性和降低生產成本，擴大使用范圍。范圍。 242526（a a） P P* *=9MPa=

8、9MPa（b b） P P* *=15MPa=15MPa272829高壓蓄能器初始充氣壓力儲油腔作用面積對沖擊器工作性能的影響高壓蓄能器初始充氣壓力儲油腔作用面積對沖擊器工作性能的影響 高壓蓄能器初始充氣壓力對沖擊器工作性能的影響高壓蓄能器初始充氣壓力對沖擊器工作性能的影響 30313233343536基于AMESim建立的液壓沖擊器仿真模型 3738394041在某工況下新型液壓沖擊器各曲線圖 在某工況下新型液壓沖擊器各曲線圖在某工況下新型液壓沖擊器各曲線圖 42傳感器活塞運動反彈氮氣室壓力峰值單片機比較判斷信號放大智能液壓沖擊器A/D高速開關閥錐閥動作高速開關閥錐閥動作D /A控制策略選擇

9、算法前腔油路后腔油路 沖擊器沖擊不同物體時，活塞反彈速不同，氮氣室的峰值壓力不同，通過傳感器采集該峰值可以識別物體特性。再經過單片機分析得出控制信號，控制高速開關閥和錐閥，可控制活塞行程，從而實現(xiàn)控制沖擊能和沖頻率的目的。43（1）實驗系統(tǒng)設計 實驗系統(tǒng)包括：實驗硬件設備，程序調試系統(tǒng)以及實驗信號采集系統(tǒng)，通過實驗實現(xiàn)液壓沖擊器沖擊能的無級調節(jié)性能，液壓沖擊器沖擊頻率的無級調節(jié)性能，驗證理論設計研究的正確性.44 實驗是在上海東空國際貿易有限公司的液壓泵站上進行的，該泵站供油系統(tǒng)采用變量柱塞泵，高速開關閥為二位三通高速開關閥；邏輯插裝閥根據(jù)液壓沖擊器要求而由上海船舶設備704研究所加工生產的二

10、通型插裝錐閥。（2）實驗硬件設備45（3）程序調試系統(tǒng) 程序調試系統(tǒng)由單片機仿真機和調試軟件組成。單片機仿真機選用廣州致遠電子公司的系列單片機仿真機；調試軟件為軟件，它可以完成源程序的編寫、程序編譯和連接、軟件仿真的驗證和排錯等，在調試過程中它支持包括單步運行、全速運行和斷點運行等。計算機控制系統(tǒng)硬件實物圖正在運行的軟件界面46（4）配流換向系統(tǒng)設計研究 配流換向系統(tǒng)一方面必須滿足控制液壓沖擊器活塞作往復運動的工作要求，起到換向的目的；另一方面，配流換向系統(tǒng)中閥閥芯的運動速度和位移直接控制了活塞的運動頻率，因此，必須保證配流換向閥運動的快速性。本文引入高速開關閥、二通邏輯插裝閥共同組成液壓沖擊

11、器的配流換向系統(tǒng)，高速開關閥結構簡單、反應速度快；邏輯插裝閥動作速度快且通流能力大。1、進油高速開關閥 2、進油插裝閥圖3、回油高速開關閥 4、回油插裝閥配流換向系統(tǒng)工作原理圖47 結合功能要求，硬件主要由主控板電路、信號采集電路、A/D轉換電路、人機交換電路、光電隔離傳輸電路、輸出信號放大電路組成。系統(tǒng)控制電路與液壓沖擊器分離開來操作，主控板電路完成系統(tǒng)的控制、運算工作；信號采集電路按照指令采集氮氣室壓力并以模擬信號的方式傳遞給下一級電路；轉換電路將模擬信號轉換成計算機能處理的數(shù)字信號；人機交換電路用于參數(shù)的設定、系統(tǒng)運行情況的監(jiān)控等；光電隔離電路用于信號隔離傳輸，消除執(zhí)行機構與硬件電路間的

12、干擾；輸出信號放大電路對輸出信號作相應放大處理以便驅動執(zhí)行機構工作。1）硬件設計（5）計算機控制系統(tǒng)設計研究482）軟件設計 對于本課題所研究的機電控制液壓沖擊器控制系統(tǒng)的軟件設計，其控制目標是實現(xiàn)對沖擊能控制和沖擊頻率無級調節(jié)。 為了將本課題實現(xiàn)液壓沖擊器根據(jù)工況條件實現(xiàn)自適應調節(jié)輸出特性的思想簡單化，本課題在控制系統(tǒng)軟件設計中分兩個階段進行： 一、實現(xiàn)機電控制的有級調節(jié)。在純液壓控制液壓沖擊器的基礎上，將液壓沖擊器由純液壓控制轉變?yōu)橛嬎銠C控制，沖擊頻率、沖擊能、工作延時時間量通過操作人員手動調擋的方式設定。 二、實現(xiàn)沖擊器自身智能化工作的無級調級。在機電一體化控制系統(tǒng)基礎上，進一步實現(xiàn)機電

13、控制液壓沖擊器的自動調能調頻工作，實現(xiàn)自適應工況最優(yōu)化工作要求。49 第一階段工作中，可以針對不同工作對象相對應設定不同組合的回程時第一階段工作中，可以針對不同工作對象相對應設定不同組合的回程時間和沖程時間，沖擊能可以適當調節(jié)回程時間來控制，而沖擊頻率可以通過間和沖程時間，沖擊能可以適當調節(jié)回程時間來控制，而沖擊頻率可以通過調節(jié)沖擊時間來提高或減小。并把各種不同組的工作時間組按照沖擊能大小調節(jié)沖擊時間來提高或減小。并把各種不同組的工作時間組按照沖擊能大小順序匯編成一個數(shù)據(jù)庫，將該數(shù)據(jù)庫植入程序中，實際工作時根據(jù)工作對象順序匯編成一個數(shù)據(jù)庫，將該數(shù)據(jù)庫植入程序中，實際工作時根據(jù)工作對象物理性質調

14、用不同的工作時間組，去控制兩個高速開關閥的啟閉時間，實現(xiàn)物理性質調用不同的工作時間組，去控制兩個高速開關閥的啟閉時間，實現(xiàn)液壓沖擊器機電控制的有級調節(jié)，級數(shù)的多少取決于數(shù)據(jù)庫的豐富程度。液壓沖擊器機電控制的有級調節(jié)，級數(shù)的多少取決于數(shù)據(jù)庫的豐富程度。 工作時，當控制系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化，進入監(jiān)控狀態(tài)，進油插裝閥和工作時，當控制系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化，進入監(jiān)控狀態(tài)，進油插裝閥和回油插裝閥均打開，當確定有運行鍵按下時，先確定調用工作時間組，然后回油插裝閥均打開，當確定有運行鍵按下時，先確定調用工作時間組，然后開定時器開定時器T T0 0，進油插裝閥關閉，回油插裝閥打開，沖擊器作回程加速運動；，進

15、油插裝閥關閉，回油插裝閥打開，沖擊器作回程加速運動；在回程加速時間結束即定時器在回程加速時間結束即定時器T T0 0中斷結束后，關閉定時器中斷結束后，關閉定時器T T0 0 ，開定時器，開定時器T T1 1 ，信號輸出引腳電壓置反，進油插裝閥打開，回油插裝閥關閉，沖擊器開始回信號輸出引腳電壓置反，進油插裝閥打開，回油插裝閥關閉，沖擊器開始回程減速運動和沖程運動；定時器程減速運動和沖程運動；定時器T T1 1定時中斷結束后，進入下一個周期工作運定時中斷結束后，進入下一個周期工作運動，如果有檔位按鍵按下，調用其它工作時間組工作；如果有停止鍵按下，動，如果有檔位按鍵按下，調用其它工作時間組工作；如果

16、有停止鍵按下，則停止工作，進入監(jiān)控狀態(tài)。則停止工作，進入監(jiān)控狀態(tài)。 50 主程序流程圖主程序流程圖 有級控制鍵盤中斷處理程序有級控制鍵盤中斷處理程序 有級控制沖擊子程序有級控制沖擊子程序51 第二階段工作中，實現(xiàn)液壓沖擊器的自動調節(jié)參數(shù)第二階段工作中，實現(xiàn)液壓沖擊器的自動調節(jié)參數(shù)功能，根據(jù)工況沖擊器控制系統(tǒng)自動無級調節(jié)工作頻率功能，根據(jù)工況沖擊器控制系統(tǒng)自動無級調節(jié)工作頻率、沖擊能?？刂葡到y(tǒng)通過傳感器采樣氮氣室壓力值與控、沖擊能。控制系統(tǒng)通過傳感器采樣氮氣室壓力值與控制計算的換向壓力設定值進行比較，控制兩個二位三通制計算的換向壓力設定值進行比較，控制兩個二位三通高速開關電磁閥的啟閉時間，從而控

17、制沖擊器輸出的沖高速開關電磁閥的啟閉時間，從而控制沖擊器輸出的沖擊能和沖擊頻率。換向壓力設定值是通過采樣活塞沖擊擊能和沖擊頻率。換向壓力設定值是通過采樣活塞沖擊反彈引起氮氣氣壓變化，轉換為活塞反彈速度，取前后反彈引起氮氣氣壓變化，轉換為活塞反彈速度，取前后兩次最大反彈速度的變化量和速度變化率在最大反彈速兩次最大反彈速度的變化量和速度變化率在最大反彈速度時的變化量作為輸入量，通過模糊推理計算得出。頻度時的變化量作為輸入量，通過模糊推理計算得出。頻率控制的延時量是通過與沖擊能進行功率匹配計算而得率控制的延時量是通過與沖擊能進行功率匹配計算而得到并自動進行設定的。到并自動進行設定的。 52 A/DA

18、/D采樣子程序采樣子程序 自適應工作時的控制子程序流程圖自適應工作時的控制子程序流程圖53我們分別調節(jié)泵站的輸出壓力和輸出流量以及更換被沖擊物，做了我們分別調節(jié)泵站的輸出壓力和輸出流量以及更換被沖擊物，做了大量的實驗。下面例出了一組實驗結果。大量的實驗。下面例出了一組實驗結果。1）泵站當工作壓力為）泵站當工作壓力為12MPa，工作流量為，工作流量為50l/min，氮氣室初始充，氮氣室初始充氣壓力為氣壓力為1MPa時時,液壓沖擊器沖擊磚塊時的實驗結果見下圖。液壓沖擊器沖擊磚塊時的實驗結果見下圖。2 2）泵站當工作壓力為）泵站當工作壓力為12MPa12MPa，工作流量為，工作流量為50l/min50l/min，氮氣室初始充，氮氣室初始充氣壓力為氣壓力為1.1MPa1.1MPa時時, ,液壓沖擊器沖擊混凝土塊時的實驗結果見下圖。液壓沖擊器沖擊混凝土塊時的實驗結果見下圖。（4）實驗結果543 3）泵站當工作壓力為）泵站當工作壓力為12MPa12MPa，工作流量為，工作流量為50l/min50l/min，氮氣室初始充氣，氮氣室初始充氣壓力為壓力為1.1MPa1.1MPa時時, ,液壓沖擊器沖擊石塊時的實驗結果見下圖。液壓沖擊器沖擊石塊時的實驗結果見下圖。4