液压冲击器理论与实践研究

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主程序流程图
有级控制键盘中断处理程序
有级控制冲击子程序
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第二阶段工作中，实现液压冲击器的自动调节参数 功能，根据工况冲击器控制系统自动无级调节工作频率 、冲击能。控制系统通过传感器采样氮气室压力值与控 制计算的换向压力设定值进行比较，控制两个二位三通 高速开关电磁阀的启闭时间，从而控制冲击器输出的冲 击能和冲击频率。换向压力设定值是通过采样活塞冲击 反弹引起氮气气压变化，转换为活塞反弹速度，取前后 两次最大反弹速度的变化量和速度变化率在最大反弹速 度时的变化量作为输入量，通过模糊推理计算得出。频 率控制的延时量是通过与冲击能进行功率匹配计算而得 到并自动进行设定的。
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（3）程序调试系统 程序调试系统由单片机仿真机和调试软件组成。单 片机仿真机选用广州致远电子公司的系列单片机仿真机； 调试软件为软件，它可以完成源程序的编写、程序编译 和连接、软件仿真的验证和排错等，在调试过程中它支 持包括单步运行、全速运行和断点运行等。
正在运行的软件界面
计算机控制系统硬件实物图
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2、液压冲击器的工作原理
工作原理示意图
液压冲击器的工作原理
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3、液压冲击器的计算机仿真
1）建立数学模型 活塞回程加速段
d 2x m 2 mg p1 A1 p2 A2 pN A3 dt dx v dt
活塞制动和冲程阶段
d 2x m 2 mg p1 ( A1 A2 ) pN A3 dt dx v dt
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2）软件设计
对于本课题所研究的机电控制液压冲击器控制系统的软件设计，其控制 目标是实现对冲击能控制和冲击频率无级调节。 为了将本课题实现液压冲击器根据工况条件实现自适应调节输出特性的 思想简单化，本课题在控制系统软件设计中分两个阶段进行： 一、实现机电控制的有级调节。在纯液压控制液压冲击器的基础上，将 液压冲击器由纯液压控制转变为计算机控制，冲击频率、冲击能、工作延时 时间量通过操作人员手动调挡的方式设定。 二、实现冲击器自身智能化工作的无级调级。在机电一体化控制系统基 础上，进一步实现机电控制液压冲击器的自动调能调频工作，实现自适应工 况最优化工作要求。
. . .
pNV k p0V0k
氮气体积与活塞几何位置关系
V V0 Ap3 (110 S )*103
回程段高压油流量平衡方程
Q Ql Ap1 S p Ap 2 S p
. .
3 . d pi pi p 2 i 1 Ql ( (1 1.5 pi ) (1) d pi pi S p ) 2 i 3 12 l pi c pi 4 3 dvi vi p (1 1.5 vi 2 ) i 2 12 lvi cvi 3
单
智 能 液 压 冲 击 器
高速开关阀 锥阀动作 后腔油路 高速开关阀 锥阀动作
片
冲击器冲 击不同物体 时，活塞反 弹速不同， 氮气室的峰 值压力不同， 通过传感器 采集该峰值 可以识别物 体特性。再 经过单片机 分析得出控 制信号，控 制高速开关 阀和锥阀， 可控制活塞 行程，从而 实现控制冲 击能和冲频 率的目的。
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三、新型液压冲击器的研究
1、先导式液压冲击器的研究
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（a） P*=9MPa
（b） P*=15MPa
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高压蓄能器初始充气压力对冲击器工作性能的影响
高压蓄能器初始充气压力储油腔作用面积对冲击器工作性能的影响
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2、基于螺纹插装阀的新型液压冲击器
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液压冲击器理论与实践研究
二0一三年九月
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提纲
一、液压冲击器概述 二、现有液压冲击器的研究 三、新型液压冲击器的研究
三、液压冲击器的实验方法研究
2
一、液压冲击器概述
液压冲击器是挖掘机、装载机、凿岩机、破碎锤、碎石机、夯管锤、 冲击钻、潜孔锤、振动冲击锤、拆缷机器人、作功能作业车、地下 碎石车、地下撬毛车等的破碎工作装置。主要用于破碎物体。应用 于市政、建筑、公路、铁路、冶金、煤碳等部门。具有明显的社会 效益与经济效益。
一液压冲击器概述一液压冲击器概述挖掘机装载机凿岩机破碎锤碎石机振动冲击锤拆缷机器人作功能作业车地下碎石车地下撬毛车核心部件液压冲击器冶金矿山铁路工程公路工程水电涵洞市政工程建筑工程军事工程11液压冲击器的基本结构液压冲击器的基本结构钎杆导向套钎杆保持器衬套阀盖阀芯阀箱活塞环活塞前体前腔液压缸后腔氮气室二现有液压冲击器的研究二现有液压冲击器的研究22液压冲击器的工作原理液压冲击器的工作原理工作原理示意图工作原理示意图液压冲击器的工作原理液压冲击器的工作原理1建立数学模型活塞回程加速段活塞制动和冲程阶段33液压冲击器的计算机仿真液压冲击器的计算机仿真pipipipipipi10理想气体状态方程1101012pipipipipipipivivivipipipipipipipivivivivivi112建立三维模型123建立adams仿真模型13adams和matlab联合仿真144进行动力学仿真分析活塞151截止阀2溢流阀3过滤器4液压泵5压力表6活塞7中缸体8液控阀9手持式测量仪a氮气室b后腔c前腔5液压冲击器测试实验液压冲击器测试实验16测试方案测试方案ps
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第一阶段工作中，可以针对不同工作对象相对应设定不同组合的回程时 间和冲程时间，冲击能可以适当调节回程时间来控制，而冲击频率可以通过 调节冲击时间来提高或减小。并把各种不同组的工作时间组按照冲击能大小 顺序汇编成一个数据库，将该数据库植入程序中，实际工作时根据工作对象 物理性质调用不同的工作时间组，去控制两个高速开关阀的启闭时间，实现 液压冲击器机电控制的有级调节，级数的多少取决于数据库的丰富程度。 工作时，当控制系统上电后，系统初始化，进入监控状态，进油插装阀和 回油插装阀均打开，当确定有运行键按下时，先确定调用工作时间组，然后 开定时器T0，进油插装阀关闭，回油插装阀打开，冲击器作回程加速运动； 在回程加速时间结束即定时器T0中断结束后，关闭定时器T0 ，开定时器T1 ， 信号输出引脚电压置反，进油插装阀打开，回油插装阀关闭，冲击器开始回 程减速运动和冲程运动；定时器T1定时中断结束后，进入下一个周期工作运 动，如果有档位按键按下，调用其它工作时间组工作；如果有停止键按下， 则停止工作，进入监控状态。
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A/D采样子程序
自适应工作时的控制子程序流程图
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（4）实验结果
我们分别调节泵站的输出压力和输出流量以及更换被冲击物，做了 大量的实验。下面例出了一组实验结果。 1）泵站当工作压力为12MPa，工作流量为50l/min，氮气室初始充 气压力为1MPa时,液压冲击器冲击砖块时的实验结果见下图。
3、无阀自配流型液压冲击器
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仿真模型的建立
基于AMESim建立的液压冲击器仿真模型
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4、电控液压冲击器的研究
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在某工况下新型液压冲击器各曲线图
在某工况下新型液压冲击器各曲线图
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5、智能液压冲击器的研究
活塞运动反弹 传感器 氮气室压力峰值 A/D 比较 判断 信号放大 D /A 选择 算法 控制 策略
V H ( A1v Q 0)dt 0
k p1(V H V H ) p10VH k
t
V H ( A1v A2v Q0)dt V H 1 T1
t
V L (Q 0 A2v)dt 0
t
p1(V H V H )k p10VHk
V L Q0 dt V L1 T1
机
前腔油路
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（1）实验系统设计
实验系统包括：实验硬件设备，程序调试系统以及 实验信号采集系统，通过实验实现液压冲击器冲击能 的无级调节性能，液压冲击器冲击频率的无级调节性 能，验证理论设计研究的正确性.
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（2）实验硬件设备
实验是在上海东空国际贸易有限公司的液压泵站上进行的，该泵 站供油系统采用变量柱塞泵，高速开关阀为二位三通高速开关阀；逻 辑插装阀根据液压冲击器要求而由上海船舶设备704研究所加工生产 的二通型插装锥阀。
t
p0(V L V L) p00VLk
k
pNV k p0V0k
p0(V L V L)k p00VLk
pNV k p0V0k
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活塞运动
m p S p sgn(S p )m p g d pi l pi (
i 1
..
.
4
pi 1 pi
2
S p (1)
.
i 1
pi sgn( S p ) p pi ) 2l pi
.
p1 Ap1 p2 Ap 2 sgn(S p ) pN Ap 3
换向阀芯方程
mv Sv sgn(S v )mv g Fi ( S p , Sv , S v , vi , pi ) p1 Av1 p3 Av 2
3.181
95.07
4.93
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不同系统流量下的测试结果
流量 （L/min）
活塞冲击速度 (m/s)
破碎锤打击能量 (J)
破碎锤冲击频率 (HZ)
30 40 50 60
3.027 3.171 3.249 3.352
86.07 94.04 99.23 105.44
4.77 6.56 7.56 7.80
3
液压冲击器
挖掘机 装载机 凿岩机 破碎锤 碎石机 夯管锤 冲击钻 潜孔锤 振动冲击锤 拆缷机器人 作功能作业车 地下碎石车 地下撬毛车
核心部件
冶金矿山 铁路工程 公路工程 水电涵洞 市政工程 建筑工程 军事工程
4
5
二、现有液压冲击器的研究
1、液压冲击器的基本结构
①— 钎杆，② -- 导向套，③ -- 钎杆保持器衬套，④ -阀盖，⑤ -- 阀芯，⑥ -- 阀箱，⑦ -- 活塞环，⑧ -- 活塞， ⑨ -- 前体，⑩ -- 前腔， ⑪ -- 液压缸， ⑫ -- 后腔， ⑬ -氮气室
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测试部分结果
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测试部分结果
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不同系统压力下的测试结果
系统 溢流 压力 （MPa） 10 前腔 平均 压力 （MPa） 9.308 活塞 冲击 速度 (m/s) 3.027
破碎锤打击 能量(J)
破碎锤冲击 频率(HZ)
86.07
4.77
14
12.987
3.624
89.99
4.06
16
14.347
i 1 .. . 4 .
.
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理想气体状态方程
冲程段高压油流量平衡方程
Q Ql Ap1 S p Ap 2 S p Av1 Sv
3 . d pi pi p 2 i 1 Ql ( (1 1.5 pi ) (1) d pi pi S p ) 2 i 1 12 l pi c pi 4 3 . dvi vi p 2 i 1 ( (1 1.5 vi ) (1) d vi vi Sv ) 2 i 1 12 lvi cvi 2
1、进油高速开关阀 2、进油插装阀图3、回油高速开关阀 4、回油插装阀
配流换向系统工作原理图
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（5）计算机控制系统设计研究
1）硬件设计 结合功能要求，硬件主要由主控板电路、信号采集电路、A/D转换电路、 人机交换电路、光电隔离传输电路、输出信号放大电路组成。系统控制电 路与液压冲击器分离开来操作，主控板电路完成系统的控制、运算工作； 信号采集电路按照指令采集氮气室压力并以模拟信号的方式传递给下一级 电路；转换电路将模拟信号转换成计算机能处理的数字信号；人机交换电 路用于参数的设定、系统运行情况的监控等；光电隔离电路用于信号隔离 传输，消除执行机构与硬件电路间的干扰；输出信号放大电路对输出信号 作相应放大处理以便驱动执行机构工作。
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2）建立三维模型
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3）建立ADAMS仿真模型
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ADAMS和MATLAB联合仿真
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4）进行动力学仿真分析
活塞
阀芯
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5）液压冲击器测试实验
1-截止阀，2-溢流阀，3-过滤器，4-液压泵， 5-压力表，6-活塞，7-中缸体，8-液控阀，9手持式测量仪，a-氮气室，b-后腔，c-前腔
1545ຫໍສະໝຸດ （4）配流换向系统设计研究
配流换向系统一方面必须满足控制液压冲击器活塞作往复运动的 工作要求，起到换向的目的；另一方面，配流换向系统中阀阀芯的运动 速度和位移直接控制了活塞的运动频率，因此，必须保证配流换向阀运 动的快速性。本文引入高速开关阀、二通逻辑插装阀共同组成液压冲击 器的配流换向系统，高速开关阀结构简单、反应速度快；逻辑插装阀动 作速度快且通流能力大。
测试方案
PS：1、如需另测氮气压力，编号前面加零。 2、单次测试时间为10秒。 3、A通道接氮气室 B通道接上腔（回油腔） C通道接下腔（常压腔） 4、表中压力为精确值，流量为非精确值
PS：1、单次测试时间为10秒。
2、A通道接氮气室
B通道接上腔（回油腔） C通道接下腔（常压腔） 3、表中压力为精确值，流量为非精确值
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打击不同物体时氮气室压力变化情况
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打击不同物体时前腔压力变化情况
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6、液压冲击器存在的问题
为了满足不同工况破碎不同的工作对象，传 统的输出特性单一的冲击器已不能满足要求，需 要对液压冲击器的输出特性作相应的调节以满足 各种工况下最优的工作状态；而且还要提高液压 冲击器的工作稳定性和降低生产成本，扩大使用 范围。 目前根据控制方法和设计概念的不同，调节液 压冲击器输出工作参数的常用方法主要有：液压 冲击器行程反馈调节方法，改变液压冲击器供油 流量的调节方法。