无蓄能器型液压冲击机构流量匹配关系研究

论文摘要

液压冲击机械是一种靠液压驱动使活塞获得动能，通过撞击将岩石破碎的工程机械。随着国家基础设施建设规模的扩大，液压破碎锤、凿岩机等冲击机械的应用越来越广泛。而液压冲击机构是这些高速大功率冲击机械的共同且核心的部分。面对世界范围的石油紧缺，工程机械必将朝着节能环保的方向发展。目前，液压冲击机械多数装配在挖掘机上，由本来给铲斗油缸供油的泵给冲击机构供油。这种方式并未考虑到冲击机构活塞速度变化十分剧烈的工作特点，因此不是最节能高效的匹配方式。对于带蓄能器的液压冲击机构，蓄能器在冲击机构工作过程中起到适时吸收或释放油液的作用。相关文献表明，即使不配置蓄能器，冲击机构的冲击能与带蓄能器时相比只有微小降低。再加上蓄能器价格昂贵、寿命低等因素，取消蓄能器成为冲击机械的发展趋势。因此，本文以无蓄能器型液压冲击机构为研究对象，以输出的冲击能最大为主要目标，探讨液压泵与冲击机构的最佳匹配方式。本文将无蓄能器型液压冲击机构的工作过程分为5个阶段，在深入分析工作原理的基础上，建立了冲击机构活塞、氮气室、换向阀芯等元件的动力学方程及液压油路的油液平衡方程。在Matlab中对简化的模型进行了求解，得出了活塞速度变化趋势及所需流量变化趋势。在冲击机构非线性数学模型的基础上，应用AMESim软件结合功率键合图思想建立了冲击机构的活塞-缸体、氮气室、换向阀、变量泵的仿真模型，按照实际物理结构组合成完整模型。将实测图纸得到的参数代入仿真模型进行仿真，得到了不同流量大小和恒流、恒压、恒功率三种供油方式下的冲击性能曲线。通过仿真曲线的对比分析，得出了“恒压泵为冲击机构的最佳供油方式，供油量越大冲击能越大”的结论。为获得反映冲击机构性能的冲击能、冲击频率等数据，本文设计了基于虚拟仪器的测试系统。测试系统软件由LabVIEW语言编写，硬件由传感器、NI公司的数据采集卡等组成。应用设计的测试系统对冲击机构进行了不同流量大小下的性能测试，获取了液压系统压力、流量、活塞速度、冲击能、冲击频率等数据的变化曲线，证明了仿真得出的结论。本文的研究成果对现有冲击机构的选型、节能高效冲击机构的开发有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 液压冲击机械的发展
• 1.2 液压冲击机构的研究现状
• 1.2.1 冲击机构建模与仿真研究
• 1.2.2 冲击机构控制系统研究
• 1.2.3 冲击性能测试方法研究
• 1.2.4 钎杆碰撞动力学研究
• 1.2.5 蓄能器和管道的研究
• 1.2.6 润滑与密封的研究
• 1.3 液压冲击机构的研究方法
• 1.3.1 建模与仿真的方法
• 1.3.2 实验研究的方法
• 1.4 本文研究内容和研究意义
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究目的和意义
• 第二章 冲击机构的工作原理及数学模型
• 2.1 液压冲击机构的工作特点
• 2.2 液压冲击机构的类型
• 2.3 供油系统的类型
• 2.3.1 定量泵
• 2.3.2 恒压变量泵
• 2.3.3 恒功率变量泵
• 2.4 冲击机构的组成
• 2.5 冲击机构工作原理
• 2.5.1 工作过程
• 2.5.2 油液流动规律
• 2.6 冲击机构的数学模型
• 2.6.1 建立模型的假设条件
• 2.6.2 阶段a的数学模型
• 2.6.3 阶段b的数学模型
• 2.6.4 阶段c的数学模型
• 2.6.5 阶段d的数学模型
• 2.6.6 阶段e的数学模型
• 2.7 活塞运动规律分析
• 2.8 系统流量与其他量的关系
• 2.8.1 活塞运动各阶段所需流量变化趋势
• 2.8.2 流量与供油压力、速度、冲击能、冲击频率的关系
• 2.9 本章小结
• 第三章 建立冲击机构仿真模型
• 3.1 液压系统仿真技术
• 3.2 AMESim软件简介
• 3.2.1 AMESim的特点
• 3.2.2 AMESim建模步骤
• 3.3 功率键合图理论
• 3.3.1 键合图基本概念
• 3.3.2 键合图在液压-机械系统中的应用
• 3.4 冲击机构仿真模型
• 3.4.1 活塞-缸体与氮气室模型
• 3.4.2 换向阀模型
• 3.4.3 液压泵模型
• 3.4.4 变量泵双弹簧刚度的计算
• 3.4.5 完整模型
• 3.5 仿真过程
• 3.5.1 元件参数与仿真参数
• 3.5.2 仿真结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 冲击性能测试系统设计
• 4.1 液压系统测试技术
• 4.2 数据采集理论
• 4.2.1 采样定理
• 4.2.2 信号调理
• 4.3 虚拟仪器技术简介
• 4.3.1 虚拟仪器技术的特点
• 4.3.2 虚拟仪器技术开发平台
• 4.3.3 LabVIEW测试程序开发步骤
• 4.4 冲击机构性能测试系统原理
• 4.4.1 总体方案
• 4.4.2 冲击能和冲击频率计算依据
• 4.5 测试系统软件设计
• 4.5.1 软件流程图
• 4.5.2 测试系统功能模块设计
• 4.5.3 程序的打包和发布
• 4.6 测试系统硬件设计
• 4.7 测试系统的安装
• 4.8 本章小结
• 第五章 冲击性能测试实验
• 5.1 实验目的
• 5.2 实验设备
• 5.3 实验中的抗干扰措施
• 5.3.1 硬件抗干扰
• 5.3.2 软件滤波设置
• 5.4 实验步骤及数据
• 5.4.1 实验步骤
• 5.4.2 实验结果及分析
• 5.4.3 实验中出现的问题及探讨
• 5.5 实验结论
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 研究总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及取得的相关科研成果
• 致谢