重型液压凿岩机冲击系统与双缓冲系统耦合研究

发布时间：2017-09-17 20:42

  本文关键词：重型液压凿岩机冲击系统与双缓冲系统耦合研究

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【摘要】：液压凿岩机以液压油为工作介质,是一种冲击、旋转结合的钻孔设备,目前广泛应用于矿山、隧道、建筑等行业。面对矿山开采的规模化以及隧道掘进的大型化,大功率、高频率是液压凿岩机的重要发展方向。为了提高采掘工作效率,降低劳动强度,重型液压凿岩机的配备已成为主要趋势。为了解决冲击系统与双缓冲系统之间的耦合问题,本文以重型液压凿岩机为研究对象。建立了重型液压凿岩机动力学模型、系统响应模型、应力波传递模型等。主要对冲击、双缓冲系统耦合和系统优化等问题进行深入的研究,通过实验测试验证模型的正确性。将重型液压凿岩机动力学模型分解为冲击系统与双缓冲系统两个部分。分别探讨了两个系统各自的动态特性及系统优化,同时对两个系统之间存在动态特性关系以及能量转化关系分别进行了研究探讨。针对目前国内换向阀为正开口的现象,提出了换向点提前量概念。依据液压凿岩机前、后腔和左、右阀腔压力特性曲线的变化规律,以及缓冲活塞浮动特点对换向点提前量的影响,设计了换向阀负开口大小,计算了冲击活塞的最佳撞击区间,通过冲击运动与高压蓄能器耦合优化了冲击系统的动态特性。针对重型液压凿岩机大功率、高频率导致的钻杆回弹现象。基于工程控制理论,建立了双缓冲系统的状态空间模型,状态空间以缓冲活塞回弹速度为输入信号,一、二级缓冲腔压力为输出信号,分析了环形间隙、蓄能器初始充氮压力以及缓冲进油压力对双缓冲系统动态特性的影响。提炼了双缓冲系统的性能参数,运用傅里叶级数建立了持续变化的入射应力波模型。采用应变片实验法测试了入射应力波波形,依据实验结果对入射应力波模型进行了修正。分析了缓冲活塞运动规律以及一、二级缓冲腔压力变化规律。采用多目标优化方法对双缓冲系统的性能参数进行了优化。设计了重型液压凿岩机机理性能测试实验,分析了撞击点的判断问题,通过对压力曲线积分,获得了冲击活塞的速度、位移曲线,以及冲击活塞的撞击末速度。将实验数据与仿真数据进行了对比,验证了所建立模型的正确性。通过计算能量转换过程,分析了冲击系统与双缓冲系统之间的能量转换规律,同时对吸收、释放过程的能量平衡进行了探讨,证明该系统设计具有良好的能量转换特性。
【关键词】：液压凿岩机 冲击系统 双缓冲系统 状态空间 动态特性
【学位授予单位】：北京科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TD421.2
【目录】：

• 致谢4-5
• 摘要5-7
• Abstract7-13
• 1 绪论13-34
• 1.1 课题来源13
• 1.2 课题研究背景及意义13-20
• 1.2.1 液压凿岩机的发展13-14
• 1.2.2 液压凿岩机冲击系统的发展14-17
• 1.2.3 液压凿岩机缓冲系统的发展17-19
• 1.2.4 液压凿岩机冲击与双缓冲耦合研究的意义19-20
• 1.3 液压凿岩机冲击系统与缓冲系统研究现状20-30
• 1.3.1 国外研究现状20-23
• 1.3.2 国内研究现状23-30
• 1.4 液压凿岩机冲击系统与缓冲系统研究存在的不足30-31
• 1.5 本文研究技术路线31-32
• 1.6 本文研究内容32-34
• 2 液压凿岩机动力学模型34-59
• 2.1 冲击系统动力学模型34-52
• 2.1.1 冲击系统结构原理34-35
• 2.1.2 冲击系统运动过程35-42
• 2.1.3 冲击、换向机构动力学模型42-49
• 2.1.4 高压蓄能器模型49-52
• 2.2 缓冲系统动力学模型52-58
• 2.2.1 缓冲系统结构原理52-53
• 2.2.2 缓冲活塞平衡位置53-55
• 2.2.3 缓冲蓄能器模型55-56
• 2.2.4 双缓冲机构模型56-58
• 2.3 本章小结58-59
• 3 冲击系统动态特性59-75
• 3.1 撞击运动规律59-68
• 3.1.1 冲击活塞运动参数选择59-60
• 3.1.2 换向点提前量60-61
• 3.1.3 换向阀负开口范围61-64
• 3.1.4 冲击运动的最佳撞击区间64-68
• 3.2 冲击运动与高压蓄能器耦合68-74
• 3.2.1 高压蓄能器容积变化量68-69
• 3.2.2 高压蓄能器与冲击活塞运动的耦合69-74
• 3.3 本章小结74-75
• 4 双缓冲系统动态特性75-87
• 4.1 缓冲活塞回弹模型75-76
• 4.2 双缓冲系统状态空间模型76-78
• 4.2.1 线性化处理76-77
• 4.2.2 状态空间表达式77-78
• 4.3 双缓冲系统动态特性78-82
• 4.3.1 环形间隙的影响79-80
• 4.3.2 蓄能器初始充氮压力的影响80-81
• 4.3.3 缓冲进油压力的影响81-82
• 4.4 间隙行程系数对双缓冲系统动态特性的影响82-86
• 4.4.1 不同环形间隙下的缓冲活塞位移、压力曲线82-85
• 4.4.2 间隙行程系数85-86
• 4.5 本章小结86-87
• 5 双缓冲系统性能参数优化设计87-96
• 5.1 修正应力波模型87-90
• 5.1.1 理论模型87-88
• 5.1.2 实验修正模型88-90
• 5.2 性能参数优化90-95
• 5.2.1 缓冲活塞位移、速度曲线90-91
• 5.2.2 一级、二级缓冲腔压力曲线91-92
• 5.2.3 优化设计92-95
• 5.3 本章小结95-96
• 6 实验96-113
• 6.1 实验目的96
• 6.2 测试项目96-97
• 6.3 实验方案97-105
• 6.3.1 测试系统97
• 6.3.2 主要实验仪器97-98
• 6.3.3 传感器安装位置98-99
• 6.3.4 传感器标定99-101
• 6.3.5 仪器设备连接101-103
• 6.3.6 实验测试103-104
• 6.3.7 数据记录104-105
• 6.4 测试结果分析105-110
• 6.4.1 碰撞点判断105-107
• 6.4.2 冲击活塞末速度计算107-110
• 6.5 实验、仿真数据对比110-112
• 6.6 本章小结112-113
• 7 冲击系统与双缓冲系统的能量转换113-120
• 7.1 反射能量113-115
• 7.1.1 冲击能量113
• 7.1.2 回弹能量113-115
• 7.2 缓冲系统提供能量115-118
• 7.2.1 复位能量115-116
• 7.2.2 缓冲进油提供能量116-117
• 7.2.3 缓冲蓄能器需提供能量117-118
• 7.3 吸收、释放能量118-119
• 7.3.1 实际吸收能量118
• 7.3.2 可释放能量118-119
• 7.4 本章小结119-120
• 8 总结、创新点及展望120-123
• 8.1 总结120-121
• 8.2 创新点121-122
• 8.3 展望122-123
• 参考文献123-131
• 附录A 重型液压凿岩机总图131-132
• 附录B MATLAB部分程序132-134
• 附录C 测试系统元件清单134-135
• 附录D 液压泵站元件清单135-137
• 作者简历及在学研究成果137-140
• 学位论文数据集140

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前2条

1 甘海仁;赵统武;;冲击锤的工作应力和能量传递分析[J];凿岩机械气动工具;2007年01期

2 李大诒;有阀型液压凿岩机有关问题的探索[J];冶金设备;1980年06期

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本文编号：871232