破碎锤换向阀原理,液压破碎锤系统建模与仿真

由于其具有高破碎 效率、 低成本、 高可靠性的特点, 广泛应用于城建、 采 矿、 交通、 冶金、 水电等建设工程领域。 液压破碎 锤的研究主要包括结构设计改进、 控制方式、 计算机 仿真、 性能测试、 制造工艺和基础理论等领域。 122中国公 路学报2011 年破碎锤以流体作为传递能量的介质, 其中最关键的 部件是活塞和控制阀。

活塞和阀的运动服从流体运 动与机械运动规律, 且受多种因素影响与制约, 运动 规律十分复杂。 本文中针对某行程反馈式液压破碎 锤, 分别建立了描述活塞和控制阀运动规律的非线 性数学模型, 通过计算机进行仿真计算, 以此探讨液 压破碎锤系统的动态特性。 塞的 A 1 面上, 活塞在 液压油压力作用下克服氮气 室作用力向上运动, 并压缩氮气, 活塞上腔的油液经 O 口流回油箱。 当活塞运动至信号口与前腔高压油 相通时, 如图 1( b) 所示, 高压油由信号口经油道 e 进入阀芯环形承压面 A 5 处, 因承压面积 A 5 A 4 , 阀芯上移, 换向阀换向。 图 1( c) 所示换向完毕, 活 塞下腔与回油路相通而形成低压, 活塞在氮气室压力 作用下向下冲击做功。 当活塞冲击终止时, 换向信号 口与低压油相通, 阀芯环形面 A 5 卸压, 小阀芯由于压 力油的作用, 推动阀芯换向, 此时压力油又进入活塞 下腔。

重复上述动作, 冲击活塞即完成一个往复行 程。 液压破碎锤工作时连续供油, 以上循环动作连续 高速进行, 使液压破碎锤达到冲击做功的目的 6 10。

1液压破碎锤工作原理液压破碎锤的工作原理如图 1 所示。 在图1( a)状态时, 液压油从 P 口进入换向阀, 作用于小阀芯 的 A 4 面上, 小阀芯推动 阀芯至下端位置。 2. 2. 1 活塞和控制阀动力平衡方程 第 1 个 阶段 冲击终 止, 活塞 开始 上升 ( 回程 阶段)。

控制阀的动力平衡方程为 A 5 P o A 4 P p + G2 + G3 ( m2 + m3 ) d2 y f 2 = A 4 P p - A 5 P o + G2 + G3 - Fj dt4素进行隔离, 抽象成理论模型。

在以上假设的基础上, 建立活塞和控制 阀的运动学方程。 c123第 2 个阶段 活塞运动至上止点, 控制阀 开始 换向。 3. 1. 2 控制阀上升阶段 当活塞上升至信号口与前腔高压油相通时, 高 压油由换向信号口经 油道 e 进入阀芯 环形承压面 A 5 处, 因 A 5 A 4 , 阀芯做上升运动。

3. 1. 3 程序功能的实现 由于控制阀阀芯受力较为简单, 2 个变量 v f 与 y f 都是时间变量 t3 、 的函数, 只需用 1 个循环语句 t4 可以求解运动结果。

3. 2 活塞运动过程分析 3. 2. 1 冲击活塞上升阶段 以冲击活塞向上运动方向为正, 此时活塞下承 压面所在的位置为零点。 高压油进入活塞下腔, 作用于 A 1 面上, 克服氮 气室氮气作用于 A 3 面上的力, 冲击活塞 上升。

3. 2. 2 冲击活塞下冲阶段 当冲击活塞下腔与回油路相通而形成低压时, 活塞在氮气室压力作用下向下冲击做功。 其中, l p 为 活塞长 度; c 为应力 波传播 速 2 度; v m 为活塞 冲击 末速 度。 停 顿时间 约为 0. 6 ~ 0. 7 ms。 3液压破碎锤仿真模型建立液压破 碎锤 的仿 真模 型, 使其 能 够通 过VB 程序实现运动方程的模拟。

3. 1 控制阀运动过程分析 控制阀下降阶段 设控制阀向下运动为正。 3. 2. 3 程序功能的实现 对于冲击活塞的受力, 由于有氮气的作用, 且其 变化与冲击活塞的位移有关, 在进行编程时, 需要对 活塞位移和氮气随位移的变化 做一个逻辑的 先后 假设。 对于活塞上升阶段, 由 y = 0 可知氮气室 初始 容积和初始压力。 由于 v N 、 N 的变化影响到 k t 值, P 所以时间以 t 计算, t 越小则越精确, 对于每一个 t 值, 活塞的变化值由式( 4) 确定, 用迭代的方法将 每一个 t 对应的 y 值相加, 求得总的 y 值。 由 于 k t 的作用还受到换向信号口位置的影响, 在完成 循环判断中, 需要将 y 值与换向信号口的位置做比 较, 判断是否到达换向信号的位置 16。 对于活塞下 冲阶段, 其实现原理与上升阶段相同。 3. 3 仿真程序 活塞的运动仿真程序框图见图 2, 控制 阀的运 动仿真框图见图 3。 分析活塞上升阶段的 末速度 v m 以及速度为 0 时的位置 l z0 , 可以确定氮 气压力以及高压油压力和控制阀换向信号口油道 e 的设计是否合理。

从 v m 、z0 这 2 个数据可知, 在上 l 升阶段, 若是高压油压力过大或 者 l z0 过大, 则会导 致活塞上升末速度过大, 引起能量浪费同时对台肩 造成冲击。