液压破碎锤冲击能的计算方法.pdf

设计计算D E S I G N C A L C U L A T I O N液压破碎锤冲击能的计算方法杨国平1 柴睿2(1 上海工程技术大学汽车工程学院，上海2 0 0 3 3 62 上海交通大学机械与动力工程学院，上海2 0 0 3 3 5)摘要 提出了一种计算液压破碎锤冲击能的计算方法，通过对某液压破碎锤冲击能的验算，说明该算法是正确的，可供T 程技术人员在计算液压破碎锤冲击能时使用。关键词 液压破碎锤；液压冲击器；冲击能；计算方法 中图分类号 T D 4 2 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 5 5 4 X(2 0 0 9)0 1 0 0 8 8 0 3C o m p a c te n e r g yc a l c u l a t i o nm e t h o do fh y d r a u l i ch a m m e rY A N GG u o-p i n gC H A IR u i液压破碎锤与液压挖掘机配套使用，主要用于矿山岩石的破碎、工程建设，特别是旧城改造、混凝土构件的拆除施工中。冲击能是液压破碎锤的主要性能参数，也是结构设计中确定主要尺寸的依据。对于液压破碎锤的冲击能，只需计算活塞在冲程运动过程中所做的最大功即可。本文对冲击能的计算作一分析。1 活塞冲程运动方程由图1 可以看出，在冲程运动中活塞所受到的作用力，包括绝热膨胀引起的作用力(在液压冲击器中，活塞在密闭的气腔中高速往复运动，氮气中的热量来不及与外界进行热交换，这一过程可以看作是绝热过程)，作用于活塞前后腔的液压力和活塞自重等。由于活塞是在油液中运动的，故可略去摩擦阻力的影响。由此，活塞运动规律按动力学的基本方程可表示为J 2 一 口型了萼=P A 3+尸2 A 2 一P i A l+M g(1)口f 式中z 活塞冲程运动中的位移；M 一活塞质量；P 绝热膨胀后氮气压力；A，活塞上端面的面积；A。活塞前腔的有效作用面积；A：活塞后腔的有效作用面积；P，活塞前腔的油液压力；P：活塞后腔的油液压力。图1 活塞运动分析图根据液压冲击器工作原理可知，活塞在冲击时，活塞前腔与后腔经换向阀油路相连，则活塞前腔和后腔压力相等，只要流量足够，且在整个冲击过程变化不大，可认为始终等于系统压力。即 收稿日期 2 0 0 8 0 7 2 3 基金项目 上海市科委科技攻关项目(0 6 1 1 1 1 0 3 6)通讯地址 杨国平，上海市长宁区清池路1 1 0 弄2 号5 0 2室(2 0 0 3 3 5)建冤缸械2 0 0 9 0 1(上半月刊)巳童一懿砸一褪舱一斛万方数据P 1=P 2=P式中p 液压冲击器系统压力。由气体绝热状态方程可得P。砩=Pv I【=常数式中P 0 氮气室充气压力；K 原始氮气容积；V _ 一氮气绝热膨胀时的容积。根据活塞运动的几何关系可得(2)(3)V=V(，+A 3 z(4)将式(4)代入式(3)，整理可得P 咄(痞毛)式中志绝热指数，对氮气k=1 4。将式(2)、(4)和式(5)代人式(1)，整理可得M d d 2 X：=P。(矿了 拿二j：)，+p(A 2-A，)+w(6)式中W 活塞重力。式(6)描述了活塞在冲程过程中冲击速度、冲击时间、冲击行程以及系统压力之间的关系。2 液压冲击器冲击能的计算若将式(6)按做功形式改写，即在式(6)的等式两边同乘以出，可得-M d 驴2 X 一7 C o(V oV o _ 5)A 3+p(A 2-A 1)+w 卜整理可得M 貉2 P 0 毒卜舳一，+w 如将式(7)对z 进行积分fM 缸=P 0 毒A 3+p(A 2-A，)+吲出当A，=A：时，则P(A：一A，)=0，由式(8)整理后可得E=P o 燕(”A y。3 X、l-k+w X+c(9)式中X 活塞冲击到某一位置时活塞的行程。当活塞在回程制动结束、开始冲程运动的瞬间，活塞处于上止点，此时初始条件为X=0、E=0，代人式(9)整理后求得积分常数C 值，即C P。尚(1 0)将式(1 0)代入式(9)，整理后可得活塞冲击能的计算公式E=2 5 P。砜H 矗)n4 +W X(1 1)由式(1 1)可知，只要知道液压冲击器的活塞重量、活塞行程、活塞上端面的面积、氮气室初始状态的充气压力和容积，就可以计算出液压冲击器的冲击能。当A，A：时，假设液压系统的油泵流量足够大，并在液压冲击器高压回路上安装高压蓄能器，保证液压冲击器在冲击过程能实时地补油，使液压系统压力始终恒等于溢流阀的调定压力，近似为一个常数。可得E=P 0 尚(，+A 瓦3 x)卜+(施嘲+x+c(1 2)同理可推出E=2 5 P o V o 1 一(志)+(p A 2 一p A-+W)X 04T 厂(1 3)由式(1 3)可知，只要知道液压冲击器的活塞重量、活塞行程、活塞上端面的面积、活塞前建筑札拭2 0 0 9 0 1(上半月刊)万方数据，月拶f 镕。”。”。、矿设计计算，一、。D E S I G N C A L C U L A T I O Nm；，一l m7 腔有效作用面积、活塞后腔有效作用面积、液压系统压力、氮气室初始状态的充气压力和容积，就可以由式(1 3)近似计算出液压冲击器的冲击能。3实例采用该算法对某品牌的液压破碎锤的冲击能进行计算如下。已知参数为：工作油压1 0 0 1 6 0k g c m 2，活塞质量1 9 3 2 k g，氮气压力0 9 M P a，氮气室的容积1 2 4 2 4 5 8 7 5r I l l T l 3。将相关参数代人公式(1 3)，计算结果见表1。由表1 可以看出，当工作压力不同时，其冲击能会发生变化。当工作压力为1 0 1 6 M P a 时，液压冲击器的冲击能为4 6 3 5 5 4 8 7 J。而该液压锤的资料上标出的打击能量为4 9 4 J，估计其值是工作压力为1 2 5 M P a 时通过实验得出的数值。与计算的结果4 9 9 J 相比稍小，其原因是在计算中忽略了摩擦、氮气热交换、高压油压力波动和换向阀动作等因素。因此，可用本文提出的算法对液压冲击器的冲击能进行估算。表1 冲击能计算结果工作油压M P a打击速度(m s)冲击能量J1 07 1 14 6 3 51 0 57 1 74 7 0 61 17 2 24 7 7 71 1 57 2 84 8 4 81 27 3 34 9 1 91 2 57 3 84 9 9 01 37 4 35 0 6 11 3 57 4 95 1 3 21 47 5 45 2 0 31 4 57 5 95 2 7 41 57 6 45 3 4 51 5 57 6 95 4 1 61 67 7 45 4 87(上接第8 7 页)(1)从图7 和表2 中可以看到，在铲斗张开最大时(称之为挖掘起始点)，C 型挖掘力最大，较a型大1 9 6，较b 型大4 3 7。顺挖掘力特性曲线向右直到最大挖掘力出现这一段，都是C 型最大，a 型次之，b 型最小。这个特性非常重要，因为开始挖掘时，挖掘阻力最大，最需要大的挖掘力。一般最大挖掘力出现在么F Q V 1 6 0。左右较佳，这点C 型也较好。(2)再看铲斗油缸行程，C 型的最大行程为1 5 1 0 m m，a 型为1 5 6 5 m m，b 型是1 5 6 1 m m；铲斗总转角差不多；油缸最小安装尺寸分别是：C 型为2 2 7 0 m m，a 型、b 型为2 3 4 0 m m。C 型油缸行程最短，铲斗转动角度却稍大，表明它全转角挖掘最省时间，即挖掘速度最快。其余两种机构则速度近似，C 型油缸最短、最经济，机构设计时也较易布置。由此看来，C 型机构的挖掘性能具有一定优势，一些主要参数较佳。3 2 三铰点连杆挖掘机构的应用三铰点连杆机构在挖掘性能和结构设计方面有某些重要优点，可以用于大、中、小型挖掘机，尤其用于短斗杆、大斗容挖掘机上有明显优势。当今挖掘机为追求高生产率，提高斗杆挖掘力，短斗杆、大斗容设计是一种新趋势，尤显现于大、中型挖掘机上。另外，挖掘装载机行车时要求铲斗收拢后所占空间最小，有的要求铲斗总转角达1 9 0。，三铰点连杆机构很适合于铲斗大转角的设计。三铰点连杆机构在实际应用上一直存在技术或应用习惯上的障碍。它在连杆上多了一个销轴，与b 型一样，在小型挖掘机上为节约成本而不作为首选结构。最大的应用障碍是对其认识不足，它的设计计算方法特别，对于编程计算和C A D 设计功能的依赖性比较强。在此之前，国内还未见它的设计计算方法，众多生产企业不掌握它的设计技能，难以应用。本文提供了三铰点连杆机构的设计计算方法和原理，扫除了该机构设计计算方面的障碍，但要得到广泛的应用和发展，还需要挖掘机行业技术人员熟练掌握，从实践中融会贯通，更需要业内人士的广泛共识。营建冤机拭2 0 0 9 叭(上半月刊)万方数据液压破碎锤冲击能的计算方法液压破碎锤冲击能的计算方法作者：杨国平，柴睿，YANG Guo-ping，CHAI Rui作者单位：杨国平,YANG Guo-ping(上海工程技术大学,汽车工程学院,上海,200336)，柴睿,CHAIRui(上海交通大学机械与动力工程学院,上海,200335)刊名：建筑机械（上半月）英文刊名：CONSTRUCTION MACHINERY年，卷(期)：2009，(1)引用次数：0次 相似文献(4条)相似文献(4条)1.期刊论文 杨国平.柴睿.YANG Guo-ping.CHAI Rui 液压冲击器活塞损坏的主要形式及原因分析-金属热处理2008,33(5)冲击活塞是液压破碎锤中冲击做功的关键零件,也是最主要的易损件.其设计制造的好坏直接影响到液压冲击器的性能.本文介绍了冲击活塞的工作条件及失效形式,冲击活塞损坏的原因,制造冲击活塞的材料和制造冲击活塞的工艺.2.期刊论文 杨国平.YANG Guo-ping 液压破碎锤常见的故障及排除措施-建筑机械（上半月）2008(1)利用高压液体作为传动介质的液压冲击器(包括液压凿岩机、液压破碎锤、液压碎石机、液压夯管锤等)自20世纪60年代发展起来后,广泛应用于冶金矿山、铁路公路、水电涵洞、建筑等工程领域,已形成了一个重要的新技术产业,并取得了显著的社会效益和经济效益.3.期刊论文 舒林秋 液压破碎锤常见故障诊断与排除-建筑机械化2003,24(6)液压破碎锤(液压冲击器)是一种将液压能转换为机械冲击的破碎机具,它安装在挖掘机或装载机等工程机械的工作装置上,可扩大主机功能和使用范围.它广泛用于市政道路破碎、矿山、冶金、铁路、公路建设、楼房拆毁等工程,对岩石、砼、隧道、钢包、炉渣、冻土、冰块、沥青砼路面、桥墩、楼房等坚硬物进行开采、破碎、清除、挖掘、打孔、拆毁等作业,还可以通过更换钎杆,用于铆接、除锈、振捣、夯实、打桩等作业.4.学位论文 范思源 液压破碎锤计算机仿真与实验研究 2008 本文阐述了液压冲击器国内外最新研究现状和发展趋势，利用MSC.ADAMS和Matlab两种软件对上海东空公司某型号液压破碎锤进行了仿真计算，在求取现有结构参数和工作参数最优解的基础上对目前产品进行了结构优化,并基于MSC公司多体动力学分析软件ADAMS/View进行了初步的二次开发，实现通用软件与专业工业术语的衔接，可以更好地满足用户需求和个性化设计，在此基础上设计开发一套实验系统对仿真结果进行验证。本文所做的主要工作如下：1.建立液压破碎锤活塞运动的数学模型。建立了包含粘性阻力和泄露等因素在内的液压破碎锤非线性模型。在UG环境下建立日本某型号锤芯三维立体模型，得出活塞质量和活塞与中缸体上各信号口的相对位置关系，采用闭环控制，在重点突出活塞运动阶段性的基础上，运用Matlab/simulink对模型就冲击能影响最大的冲程阶段进行了仿真，得出了工作油压、缸体活塞配合间隙和冲击制动行程对冲击器冲击性能影响的一些有益的结论。2.基于ADAMS/View的多体动力学分析。在UG中建立除活塞外的三维装配体模型，以parasolid格式导入ADAMS/View，与View中参数化的活塞模型建立约束关系后对整个模型施加载荷，并创建多个测量作为传感器信号以控制活塞的运动，运行仿真得到活塞和阀芯运动曲线，对结构参数和工作参数进行了优化，为产品的设计改良和使用提供了参考。3.基于气压间接测试法对液压破碎锤性能的分析。对使用过程中液压破碎锤低压油管经常破裂与低压油路过滤器底阀爆破的现象进行了对比,在东空TNB-6M型液压破碎锤上试验，结合测试结果，对活塞和阀芯的运动情况进行了分析。结果表明，工作过程中在无蓄能器的情况下破碎锤前后腔压力均有较大的液压冲击。结尾对底阀爆破的原因进行了总结，并就解决方案给出了建议。通过上述工作成功地将虚拟样机技术和液压破碎锤的开发设计结合起来，相信随着对ADAMS软件二次开发的不断深入研究和数学模型的不断完善，多体动力学仿真将在液压破碎锤的产品设计和结构改良中发挥更大的作用。本文链接：下载时间：2010年3月17日