液压破碎锤虚拟样机技术的研究

论文摘要

液压破碎锤是一种将液压能转化为机械冲击能的破碎工具，以液体压力驱动活塞往复运动做功，对外输出能量进行工作。随着我国基础设施建设和能源交通的发展，对液压破碎锤的需求量也与日俱增。因此如何完善产品设计方法，调高产品性能，在市场竞争日益激烈的当今社会显得尤为重要。本文以某型号液压破碎锤为研究对象，在总结国内外液压破碎锤仿真技术和优化研究方案的基础上，采用计算机模拟和试验测试相结合的技术路线，对液压破碎锤进行了联合仿真分析和试验研究，在此基础上以提高液压破碎锤的冲击能为目的，对其虚拟样机模型的结构参数进行了优化。主要工作如下：（1）以多体动力学理论为参数化建模的基础，将在CATIA中建立的液压破碎锤三维装配模型导入ADAMS中，通过设定活塞和阀芯换向信号口的位置；建立反映系统运动状态的测量；创建系统的输入变量和输出变量，最终在ADAMS/View中建立了液压破碎锤的参数化模型，为后续的仿真即优化提供了匹配的样机模型。（2）在一定假设条件下，建立了活塞和阀芯运动过程的数学模型，将活塞和阀芯的运动过程划分为6个状态，并在MATLAB/Simulink环境下建立其控制系统模型，在此基础上对液压破碎锤系统进行了联合仿真。从仿真结果推算得出的性能参数与厂家提供的数据相近，说明模型的建立和控制的施加是可靠的，从而为液压破碎锤系统的性能分析提供了一个理想的平台。（3）通过试验研究，测得系统在不同氮气室初始压力、不同系统输入流量下的相关数据，分析得到冲击性能随输入参数不同的变化规律。在同样的系统输入下，将试验测得的氮气室压力和活塞速度曲线与液压破碎锤虚拟样机的仿真结果进行了对比分析，证明了液压破碎锤虚拟样机模型建立的合理性。（4）基于参数化分析方法，通过对液压破碎锤虚拟样机模型中活塞系统和换向阀芯系统结构参数的设计研究、试验研究和优化分析，获得一组最优的设计参数，减小了原样机模型中活塞前后作用面积比和阀芯前后作用面积比，改变了活塞和阀芯换向信号口的位置，最终使得液压破碎锤的冲击能得到提高。通过上述工作成功地将虚拟样机技术引入到液压破碎锤的研究与开发领域，不但具有理论意义，而且具有一定的实用价值。这将为液压破碎锤的产品开发搭建一个良好的平台，为全面研究其理论、优化其性能提供可靠的虚拟样机模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 液压破碎锤的发展与研究现状
• 1.1.1 液压破碎锤的发展过程
• 1.1.2 液压冲击器的仿真研究
• 1.1.3 液压冲击器的设计及优化研究
• 1.1.4 液压破碎锤冲击性能影响因素研究
• 1.1.5 虚拟样机技术在液压破碎锤研究领域中的应用
• 1.2 液压破碎锤结构特点及其工作原理
• 1.2.1 液压破碎锤的基本结构
• 1.2.2 液压破碎锤的工作原理
• 1.3 本课题的来源、研究重点及研究意义
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 研究重点
• 1.3.3 研究背景和意义
• 第二章 液压破碎锤系统多体动力学模型的建立
• 2.1 多体系统动力学基础理论
• 2.1.1 多体系统动力学的研究发展
• 2.1.2 多体系统动力学方程的结构形式
• 2.1.3 多体系统动力学方程的数值求解
• 2.2 ADAMS 建模基础
• 2.2.1 多刚体系统动力学模型
• 2.2.2 动力学建模与求解
• 2.3 建立 ADAMS 环境下液压破碎锤系统的动力学模型
• 2.3.1 液压破碎锤系统三维装配模型的建立
• 2.3.2 液压破碎锤系统参数化模型的建立
• 2.4 本章小结
• 第三章 液压破碎锤系统的联合仿真
• 3.1 联合仿真概述
• 3.1.1 联合仿真技术研究
• 3.1.2 联合仿真技术的实现过程及关键问题的研究
• 3.2 基于 ADAMS 和 MATLAB 的联合仿真
• 3.2.1 联合仿真通信联系的建立
• 3.2.2 建立 Simulink 环境下液压破碎锤系统的控制模型
• 3.2.3 仿真结果分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 液压破碎锤的试验研究及分析
• 4.1 液压破碎锤试验测试系统的建立
• 4.1.1 试验的主要内容
• 4.1.2 试验测试系统的建立
• 4.1.3 活塞速度测试方法的确定
• 4.2 试验测试与结果分析
• 4.2.1 不同氮气室初始压力下的试验测试
• 4.2.2 不同系统输入流量下的试验测试
• 4.3 试验结果与仿真结果的对比分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 液压破碎锤系统结构参数的优化分析
• 5.1 液压破碎锤优化目标及其设计变量选取
• 5.1.1 优化目标的选取
• 5.1.2 优化设计变量的选取
• 5.1.3 虚拟样机模型的初始化设计
• 5.1.4 参数化分析方法研究
• 5.2 结构参数的设计研究
• 5.2.1 活塞结构参数的设计研究
• 5.2.2 换向阀芯结构参数的设计研究
• 5.3 结构参数的试验研究
• 5.3.1 活塞结构参数的试验研究
• 5.3.2 换向阀芯结构参数的试验研究
• 5.4 结构参数的优化设计分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 论文创新点
• 6.3 研究展望
• 参考文献
• 附录
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢