液壓沖擊器理論及實(shí)踐研究

1、1234挖掘機(jī)裝載機(jī)鑿巖機(jī)破碎錘碎石機(jī)夯管錘沖擊鉆潛孔錘振動(dòng)沖擊錘拆缷機(jī)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(dǎo)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?dú)馐?工作原理示意圖 工作原理示意圖 81 1）建立數(shù)學(xué)模型）建立數(shù)學(xué)模型活塞回程加速段活塞回程加速段活塞制動(dòng)和沖程階段活塞制動(dòng)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(yùn)動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng).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?dú)怏w積與活塞幾何位置關(guān)系氮?dú)怏w積與活塞幾何位置關(guān)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(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析）進(jìn)行動(dòng)力學(xué)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(cè)量?jī)x，手持式測(cè)量?jī)x，a-a-氮?dú)馐?，氮?dú)馐?，b-b-后腔，后腔，c-c-前腔前腔5 5）16PS：1、如需另測(cè)氮?dú)鈮毫Γ幪?hào)前面加零。2、單次測(cè)試時(shí)間為

5、10秒。3、A通道接氮?dú)馐?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(cè)試時(shí)間為、單次測(cè)試時(shí)間為10秒。秒。 2、A通道接氮?dú)馐彝ǖ澜拥獨(dú)馐?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(cè)試結(jié)果不同系統(tǒng)壓力下的測(cè)試結(jié)果20不同系統(tǒng)流量下的測(cè)試結(jié)果不同系統(tǒng)流量下的測(cè)試結(jié)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(shè)計(jì)概念的不同，調(diào)節(jié)液目前根據(jù)控制方法和設(shè)計(jì)概念的不同，調(diào)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(diào)節(jié)方法，改變液壓沖擊器供油沖擊器行程反饋調(diào)節(jié)方法，改變液壓沖擊器供油流量的調(diào)節(jié)方法。流量的調(diào)節(jié)方法。 為了滿足不同工況破碎不同的工作對(duì)象，傳為了滿足不同工況破碎不同的工作對(duì)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(duì)液壓沖擊器的輸出特性作相應(yīng)的調(diào)節(jié)以滿足要對(duì)液壓沖擊器的輸出特性作相應(yīng)的調(diào)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(chǎn)成本，擴(kuò)大使用沖擊器的工作穩(wěn)定性和降低生產(chǎn)成本，擴(kuò)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(chǔ)油腔作用面積對(duì)沖擊器工作性能的影響高壓蓄能器初始充氣壓力儲(chǔ)油腔作用面積對(duì)沖擊器工作性能的影響 高壓蓄能器初始充氣壓力對(duì)沖擊器工作性能的影響高壓蓄能器初始充氣壓力對(duì)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(yùn)動(dòng)反彈氮?dú)馐覊毫Ψ逯祮纹瑱C(jī)比較判斷信號(hào)放大智能液壓沖擊器A/D高速開關(guān)閥錐閥動(dòng)作高速開關(guān)閥錐閥動(dòng)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(shí)，活塞反彈速不同，氮?dú)馐业姆逯祲毫Σ煌?，通過傳感器采集該峰值可以識(shí)別物體特性。再經(jīng)過單片機(jī)分析得出控制信號(hào)，控制高速開關(guān)閥和錐閥，可控制活塞行程，從而實(shí)現(xiàn)控制沖擊能和沖頻率的目的。43（1）實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括：實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備，程序調(diào)試系統(tǒng)以及實(shí)驗(yàn)信號(hào)采集系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)液壓沖擊器沖擊能的無級(jí)調(diào)節(jié)性能，液壓沖擊器沖擊頻率的無級(jí)調(diào)節(jié)性能，驗(yàn)證理論設(shè)計(jì)研究的正確性.44 實(shí)驗(yàn)是在上海東空國(guó)際貿(mào)易有限公司的液壓泵站上進(jìn)行的，該泵站供油系統(tǒng)采用變量柱塞泵，高速開關(guān)閥為二位三通高速開關(guān)閥；邏輯插裝閥根據(jù)液壓沖擊器要求而由上海船舶設(shè)備704研究所加工生產(chǎn)的二

10、通型插裝錐閥。（2）實(shí)驗(yàn)硬件設(shè)備45（3）程序調(diào)試系統(tǒng) 程序調(diào)試系統(tǒng)由單片機(jī)仿真機(jī)和調(diào)試軟件組成。單片機(jī)仿真機(jī)選用廣州致遠(yuǎn)電子公司的系列單片機(jī)仿真機(jī)；調(diào)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(yàn)證和排錯(cuò)等，在調(diào)試過程中它支持包括單步運(yùn)行、全速運(yùn)行和斷點(diǎn)運(yùn)行等。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)硬件實(shí)物圖正在運(yùn)行的軟件界面46（4）配流換向系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(fù)運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)速度和位移直接控制了活塞的運(yùn)動(dòng)頻率，因此，必須保證配流換向閥運(yùn)動(dòng)的快速性。本文引入高速開關(guān)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(guān)閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反應(yīng)速度快；邏輯插裝閥動(dòng)作速度快且通流能力大。1、進(jìn)油高速開關(guān)閥 2、進(jìn)油插裝閥圖3、回油高速開關(guān)閥 4、回油插裝閥配流換向系統(tǒng)工作原理圖47 結(jié)合功能要求，硬件主要由主控板電路、信號(hào)采集電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、人機(jī)交換電路、光電隔離傳輸電路、輸出信號(hào)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(yùn)算工作；信號(hào)采集電路按照指令采集氮?dú)馐覊毫Σ⒁阅M信號(hào)的方式傳遞給下一級(jí)電路；轉(zhuǎn)換電路將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能處理的數(shù)字信號(hào)；人機(jī)交換電路用于參數(shù)的設(shè)定、系統(tǒng)運(yùn)行情況的監(jiān)控等；光電隔離電路用于信號(hào)隔離傳輸，消除執(zhí)行機(jī)構(gòu)與硬件電路間的

12、干擾；輸出信號(hào)放大電路對(duì)輸出信號(hào)作相應(yīng)放大處理以便驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作。1）硬件設(shè)計(jì)（5）計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究482）軟件設(shè)計(jì) 對(duì)于本課題所研究的機(jī)電控制液壓沖擊器控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)，其控制目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)對(duì)沖擊能控制和沖擊頻率無級(jí)調(diào)節(jié)。 為了將本課題實(shí)現(xiàn)液壓沖擊器根據(jù)工況條件實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)輸出特性的思想簡(jiǎn)單化，本課題在控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)中分兩個(gè)階段進(jìn)行： 一、實(shí)現(xiàn)機(jī)電控制的有級(jí)調(diào)節(jié)。在純液壓控制液壓沖擊器的基礎(chǔ)上，將液壓沖擊器由純液壓控制轉(zhuǎn)變?yōu)橛?jì)算機(jī)控制，沖擊頻率、沖擊能、工作延時(shí)時(shí)間量通過操作人員手動(dòng)調(diào)擋的方式設(shè)定。 二、實(shí)現(xiàn)沖擊器自身智能化工作的無級(jí)調(diào)級(jí)。在機(jī)電一體化控制系統(tǒng)基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)機(jī)電

13、控制液壓沖擊器的自動(dòng)調(diào)能調(diào)頻工作，實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)工況最優(yōu)化工作要求。49 第一階段工作中，可以針對(duì)不同工作對(duì)象相對(duì)應(yīng)設(shè)定不同組合的回程時(shí)第一階段工作中，可以針對(duì)不同工作對(duì)象相對(duì)應(yīng)設(shè)定不同組合的回程時(shí)間和沖程時(shí)間，沖擊能可以適當(dāng)調(diào)節(jié)回程時(shí)間來控制，而沖擊頻率可以通過間和沖程時(shí)間，沖擊能可以適當(dāng)調(diào)節(jié)回程時(shí)間來控制，而沖擊頻率可以通過調(diào)節(jié)沖擊時(shí)間來提高或減小。并把各種不同組的工作時(shí)間組按照沖擊能大小調(diào)節(jié)沖擊時(shí)間來提高或減小。并把各種不同組的工作時(shí)間組按照沖擊能大小順序匯編成一個(gè)數(shù)據(jù)庫，將該數(shù)據(jù)庫植入程序中，實(shí)際工作時(shí)根據(jù)工作對(duì)象順序匯編成一個(gè)數(shù)據(jù)庫，將該數(shù)據(jù)庫植入程序中，實(shí)際工作時(shí)根據(jù)工作對(duì)象物理性質(zhì)調(diào)

14、用不同的工作時(shí)間組，去控制兩個(gè)高速開關(guān)閥的啟閉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)物理性質(zhì)調(diào)用不同的工作時(shí)間組，去控制兩個(gè)高速開關(guān)閥的啟閉時(shí)間，實(shí)現(xiàn)液壓沖擊器機(jī)電控制的有級(jí)調(diào)節(jié)，級(jí)數(shù)的多少取決于數(shù)據(jù)庫的豐富程度。液壓沖擊器機(jī)電控制的有級(jí)調(diào)節(jié)，級(jí)數(shù)的多少取決于數(shù)據(jù)庫的豐富程度。 工作時(shí)，當(dāng)控制系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化，進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，進(jìn)油插裝閥和工作時(shí)，當(dāng)控制系統(tǒng)上電后，系統(tǒng)初始化，進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)，進(jìn)油插裝閥和回油插裝閥均打開，當(dāng)確定有運(yùn)行鍵按下時(shí)，先確定調(diào)用工作時(shí)間組，然后回油插裝閥均打開，當(dāng)確定有運(yùn)行鍵按下時(shí)，先確定調(diào)用工作時(shí)間組，然后開定時(shí)器開定時(shí)器T T0 0，進(jìn)油插裝閥關(guān)閉，回油插裝閥打開，沖擊器作回程加速運(yùn)動(dòng)；，進(jìn)

15、油插裝閥關(guān)閉，回油插裝閥打開，沖擊器作回程加速運(yùn)動(dòng)；在回程加速時(shí)間結(jié)束即定時(shí)器在回程加速時(shí)間結(jié)束即定時(shí)器T T0 0中斷結(jié)束后，關(guān)閉定時(shí)器中斷結(jié)束后，關(guān)閉定時(shí)器T T0 0 ，開定時(shí)器，開定時(shí)器T T1 1 ，信號(hào)輸出引腳電壓置反，進(jìn)油插裝閥打開，回油插裝閥關(guān)閉，沖擊器開始回信號(hào)輸出引腳電壓置反，進(jìn)油插裝閥打開，回油插裝閥關(guān)閉，沖擊器開始回程減速運(yùn)動(dòng)和沖程運(yùn)動(dòng)；定時(shí)器程減速運(yùn)動(dòng)和沖程運(yùn)動(dòng)；定時(shí)器T T1 1定時(shí)中斷結(jié)束后，進(jìn)入下一個(gè)周期工作運(yùn)定時(shí)中斷結(jié)束后，進(jìn)入下一個(gè)周期工作運(yùn)動(dòng)，如果有檔位按鍵按下，調(diào)用其它工作時(shí)間組工作；如果有停止鍵按下，動(dòng)，如果有檔位按鍵按下，調(diào)用其它工作時(shí)間組工作；如果

16、有停止鍵按下，則停止工作，進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。則停止工作，進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。 50 主程序流程圖主程序流程圖 有級(jí)控制鍵盤中斷處理程序有級(jí)控制鍵盤中斷處理程序 有級(jí)控制沖擊子程序有級(jí)控制沖擊子程序51 第二階段工作中，實(shí)現(xiàn)液壓沖擊器的自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)第二階段工作中，實(shí)現(xiàn)液壓沖擊器的自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)功能，根據(jù)工況沖擊器控制系統(tǒng)自動(dòng)無級(jí)調(diào)節(jié)工作頻率功能，根據(jù)工況沖擊器控制系統(tǒng)自動(dòng)無級(jí)調(diào)節(jié)工作頻率、沖擊能?？刂葡到y(tǒng)通過傳感器采樣氮?dú)馐覊毫χ蹬c控、沖擊能?？刂葡到y(tǒng)通過傳感器采樣氮?dú)馐覊毫χ蹬c控制計(jì)算的換向壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，控制兩個(gè)二位三通制計(jì)算的換向壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，控制兩個(gè)二位三通高速開關(guān)電磁閥的啟閉時(shí)間，從而控

17、制沖擊器輸出的沖高速開關(guān)電磁閥的啟閉時(shí)間，從而控制沖擊器輸出的沖擊能和沖擊頻率。換向壓力設(shè)定值是通過采樣活塞沖擊擊能和沖擊頻率。換向壓力設(shè)定值是通過采樣活塞沖擊反彈引起氮?dú)鈿鈮鹤兓?，轉(zhuǎn)換為活塞反彈速度，取前后反彈引起氮?dú)鈿鈮鹤兓?，轉(zhuǎn)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(shí)的變化量作為輸入量，通過模糊推理計(jì)算得出。頻度時(shí)的變化量作為輸入量，通過模糊推理計(jì)算得出。頻率控制的延時(shí)量是通過與沖擊能進(jìn)行功率匹配計(jì)算而得率控制的延時(shí)量是通過與沖擊能進(jìn)行功率匹配計(jì)算而得到并自動(dòng)進(jìn)行設(shè)定的。到并自動(dòng)進(jìn)行設(shè)定的。 52 A/DA

18、/D采樣子程序采樣子程序 自適應(yīng)工作時(shí)的控制子程序流程圖自適應(yīng)工作時(shí)的控制子程序流程圖53我們分別調(diào)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(diào)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(shí)驗(yàn)。下面例出了一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。大量的實(shí)驗(yàn)。下面例出了一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果。1）泵站當(dāng)工作壓力為）泵站當(dāng)工作壓力為12MPa，工作流量為，工作流量為50l/min，氮?dú)馐页跏汲洌獨(dú)馐页跏汲錃鈮毫闅鈮毫?MPa時(shí)時(shí),液壓沖擊器沖擊磚塊時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下圖。液壓沖擊器沖擊磚塊時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下圖。2 2）泵站當(dāng)工作壓力為）泵站當(dāng)工作壓力為12MPa12MPa，工作流量為，工作流量為50l/min50l/min，氮?dú)馐页跏汲洌獨(dú)馐页跏汲錃鈮毫闅鈮毫?.1MPa1.1MPa時(shí)時(shí), ,液壓沖擊器沖擊混凝土塊時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下圖。液壓沖擊器沖擊混凝土塊時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下圖。（4）實(shí)驗(yàn)結(jié)果543 3）泵站當(dāng)工作壓力為）泵站當(dāng)工作壓力為12MPa12MPa，工作流量為，工作流量為50l/min50l/min，氮?dú)馐页跏汲錃猓獨(dú)馐页跏汲錃鈮毫閴毫?.1MPa1.1MPa時(shí)時(shí), ,液壓沖擊器沖擊石塊時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下圖。液壓沖擊器沖擊石塊時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果見下圖。4