双控式液压凿岩机冲击系统动态特征和冲击性能的研究

发布时间：2020-10-29 16:23

　　 液压凿岩机作为旋转冲击式钻孔设备,因其经济、灵活、适应性广的特点,被广泛应用在矿山开采、隧道掘进和城市建设等工程作业中。随着作业项目不断向大型化、规模化方向发展,要求液压凿岩机具有更高频率、大功率和高效率特点。双控式液压凿岩机因双面回油、有利于能量传递等特点符合液压凿岩机的主要发展方向。为了探索双控式液压凿岩机冲击系统冲击周期内一次振动稳定性、设计参数及内部流动对冲击性能(冲击能、冲击频率、冲击效率)影响、活塞冲击钎杆应力传递规律,本文针对双控式液压凿岩机冲击系统的冲击运动过程和冲击力传递过程,建立了冲击系统运动过程数学模型及其Simulink仿真模型、内部流动Fluent仿真模型,冲击过程数学模型及其LS-dyna仿真模型;并结合试验测试分析了双控式液压凿岩机不同系统设计参数下的动态特征和冲击性能,该研究对发展液压凿岩机冲击凿岩技术有指导意义。主要研究成果如下:(1)针对反馈双向控制式液压凿岩机冲击系统出现的冲击周期内一次或多次振动现象,建立液压凿岩机冲击系统线性模型。按照线性系统的状态空间描述理论和方法,从速度恢复系数R、加速度比K_F、加速度切换时间K_t着手,确定一个冲击周期内的活塞一次振动存在范围,为设计冲击系统的活塞信号反馈口位置提供理论依据。(2)在考虑粘性摩擦阻力、密封阻力、液压卡紧力、稳态液动力、瞬态液动力的情况下,建立了双控式液压凿岩机冲击系统非线性数学模型及其Simulink仿真模型,按照控制变量法分析了冲击系统的参数:活塞质量、输入流量、供给压力、活塞前后腔工作面积等对冲击活塞运动特性影响,揭示了系统参数变化时双控式液压凿岩机冲击系统的冲击能、冲击频率及冲击效率的变化趋势,研究发现双控式液压凿岩机系统参数设计时存在高效区域。(3)为了明确冲击系统内部瞬变型流场对双控式液压凿岩机冲击系统中主要部件活塞、换向阀运动过程的影响,建立了冲击活塞内部泄漏和液压卡紧力、高频换向阀液动力Fluent仿真模型并进行计算分析,提出适合该型双控式液压凿岩机的活塞均压槽分布个数、高频换向阀结构优化方案,解决了活塞卡紧、换向阀高速换向可靠性问题。(4)在双控式液压凿岩机冲击系统的冲击运动基础上,为了探索冲击凿岩时内部应力传递特性,分析并搭建了冲击系统活塞-钎杆LS-dyna冲击模型,通过改变活塞冲击速度、钎杆长度、活塞-钎杆接触面积,分析了活塞-钎杆相撞时的对配参数对应力波谱的影响,得出不同参数下活塞-钎杆冲击时钎杆中应力波传递规律和系统冲击性能的变化趋势,阐明了双控式液压凿岩机冲击系统能量传递过程。(5)依据上述研究成果,研制了工作压力18-25MPa、工作流量60-100L/min的双控式液压凿岩机冲击系统及其两个不同长度的活塞,运用应力波法测试并分析了该液压凿岩机长、短活塞在不同冲击压力、不同行程档位下的应力波、冲击能、冲击频率、冲击功率和冲击效率,得出该凿岩机冲击系统下选用冲击活塞的实验数据,为双控式液压凿岩机的设计和试验方法提供借鉴。
【学位单位】：兰州理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU631
【部分图文】：

表 1.1 液压和气动凿岩机的性能比较性能比较 液压凿岩机 气动凿岩机能量利用率 40-60% 15 %工作压力 10-25 Mpa 0.5-2.5 Mpa冲击频率 30-80 Hz 20-45 Hz冲击能 50-500 J 15-70 J凿岩效率 液压凿岩机是气动凿岩机的 2 倍左右噪声 液压凿岩机比气动凿岩机低 20 分贝左右了很多新机构，申报国内外专利不胜枚举，虽然构思形式不尽相同但解决如何控制冲击活塞实现往复运动输出冲击能[6]。一般情况下，液工作过程具备冲击、回转、冲洗、推进四种功能如图 1.1 所示[7]。除方法 (如控制阀靠外液压力或电磁力等) 实现换向外，大都是采用换

在阀控式液压凿岩机冲击系统中，一般将推动活塞做回程运动的压力腔称之为前腔而将推动活塞做冲程运动的压力腔称之为后腔。根据液压凿岩机冲击系统活塞前后腔压力的变化情况，可以将其分为两种类型，一种是活塞前腔压力恒定，后腔作为控制腔压力交替变化的单面回油冲击系统，称之为后控式液压凿岩机。如图 1.2 所示 YYG250 型液压凿岩机[31]，压力油 P 始终与活塞前腔 e 相同，在 D 面上有恒定的压力，活塞运动打开或关闭信号孔 1、2，使得换向阀 A、B 腔压力交替变化推动阀芯左右换向，从而控制压力油 P 与活塞后腔 F 的通断来控制活塞的冲、回程运动。另一种是活塞前后腔油压交替变化且相互控制的双面回油冲击系统，称之为双控式液压凿岩机[8,31]，如图 1.3 所示 YYG80 型液压凿岩机[31]，压力油 P 经过换向阀 h 腔到达活塞前腔 a 或后腔 c，活塞做回、冲程运动打开或关闭信号孔 2、3、4 控制换向阀左右运动，阀运动切换压力油通过 1、5 进入活塞前后腔，如此循环冲击钎尾。双控式液压凿岩机因双面回油、有利于能量传递等结构特点在实际应用中占据市场主导地位，符合液压凿岩机的发展方向。

在阀控式液压凿岩机冲击系统中，一般将推动活塞做回程运动的压力腔称之为前腔而将推动活塞做冲程运动的压力腔称之为后腔。根据液压凿岩机冲击系统活塞前后腔压力的变化情况，可以将其分为两种类型，一种是活塞前腔压力恒定，后腔作为控制腔压力交替变化的单面回油冲击系统，称之为后控式液压凿岩机。如图 1.2 所示 YYG250 型液压凿岩机[31]，压力油 P 始终与活塞前腔 e 相同，在 D 面上有恒定的压力，活塞运动打开或关闭信号孔 1、2，使得换向阀 A、B 腔压力交替变化推动阀芯左右换向，从而控制压力油 P 与活塞后腔 F 的通断来控制活塞的冲、回程运动。另一种是活塞前后腔油压交替变化且相互控制的双面回油冲击系统，称之为双控式液压凿岩机[8,31]，如图 1.3 所示 YYG80 型液压凿岩机[31]，压力油 P 经过换向阀 h 腔到达活塞前腔 a 或后腔 c，活塞做回、冲程运动打开或关闭信号孔 2、3、4 控制换向阀左右运动，阀运动切换压力油通过 1、5 进入活塞前后腔，如此循环冲击钎尾。双控式液压凿岩机因双面回油、有利于能量传递等结构特点在实际应用中占据市场主导地位，符合液压凿岩机的发展方向。
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本文编号：2861154