液压冲击器系统性能的测试与分析

论文摘要

液压冲击机械是实现工程作业机械化的重要机具之一,其发展和使用水平的高低,代表了一个国家工程作业机械化发展的程度。随着世界能源的普遍紧张和对工程建设中环保要求的提高,液压冲击设备已成为施工中不可缺少的主要机械。由于其独特的性能,现已在全球范围内逐步成为一个重要的新技术产业,在我国被列为“十一五”期间重点发展领域内的重点产品。液压冲击机械的核心——液压冲击器技术上属于精密部件,其性能决定了液压冲击机械的性能。世界上许多发达国家对提高液压冲击器的性能已从多方面开展研究,然而在我国研究工作并不顺利,随着《工程机械“十一五”发展规划》的实施,进一步开展对液压冲击器性能的研究是十分必要的。本文对液压冲击器的研究现状进行了论述,总结了目前研究中存在的问题,对液压冲击器的冲击性能及影响因素进行了较系统的理论分析,对试验设备进行了改进,在理论分析的基础上进行了试验,主要研究内容和结论如下：(1)分析影响液压冲击机械性能的因素,确定衡量冲击功能优劣的指标根据液压冲击机械的基本功能,分析比较了衡量冲击功能优劣的指标以及影响液压冲击器性能的因素,确定了冲击能、冲击频率、冲击功率或冲击效率是衡量冲击功能的主要性能指标。结果表明：在冲击器中除了结构对冲击功能造成影响外,液体的工作条件和冲击参数变化也会对冲击功能产生影响。(2)利用线性和非线性方法对液压冲击器运动进行分析在线性分析的基础上,为进一步研究液压冲击机械的性能,根据活塞和控制阀在运动过程中的位置,将整个机构运动划分成14个状态。对液压冲击器的运动规律进行非线性研究。在不失精确性的前提下,考虑到流量和压力的实际变化情况、油液的可压缩性等,提出了新的假设条件,将冲击器活塞作为研究对象,对液压冲击器的动态运动规律进行建模分析,为后续工作过程仿真和机构优化提供基础。在运动模型中,考虑了冲击器进出油口流量和压力的变化、内部结构对机构内部压力和流量造成的影响、换向阀和蓄能器实际工作状况等对冲击器流量和压力的影响,可较为准确地表达液压冲击器的运动特性。与此同时,还推导出对应于液压冲击器各工作状态时各工作腔工作压力、粘性阻力、液压卡紧力、泄漏量等计算公式；考虑到油液压力变化引起进口处高压油管容积变化对液压冲击器内部流量产生的补偿作用,给出了补偿流量计算表达式,根据试验进一步确定了公式中对应机型的压力流量系数；推导出每一运动阶段各管道间的压差计算式、活塞和控制阀各腔之间的压差计算式和阀在不同开口位置所造成的附加压差计算式和阀后腔压力计算式。(3)设计计算机测控系统,改进测试系统为了在线测试液压冲击器的结构参数和蓄能器等对冲击压力与流量波动变化的影响,对试验系统进行了改进；利用模块化思想和可靠性技术设计测控系统,建立了计算机辅助测控系统,使主要参数测试精度满足试验装置的要求。(4)利用光电位移微分法对液压冲击器压力与流量动态变化规律进行试验研究试验结果表明：实际工作中冲击压力随时间呈动态波动,其波动程度可用来说明活塞上实际压力的损耗程度；根据试验结果判断,冲击器工作压力的平均值仅为进口处压力的65%～75%左右。冲击器内部流量的波动程度随冲击压力的提高而增大,冲击器的冲击流量也随工作压力的提高以线性关系增大,说明流量是建立一定压力的必要条件。试验中发现,当流量满足冲击器所需的某一压力后,继续增大流量对冲击压力的进一步提高不再起作用,反而增加系统的发热量。冲击器后腔的压力损失是导致冲击器能量利用率下降的主要因素。(5)试验研究了影响液压冲击器冲击压力和流量变化的因素通过试验分析了进油管径尺寸、活塞尺寸、控制阀、蓄能器对液压冲击器冲击压力与流量波动的影响。试验表明：①进油管径对冲击压力和流量在一定频档和冲击压力下造成的压力损失,随着管径尺寸的减小而增大,但对流量的影响则相反；当压力和管径相同时,流量的变化程度会随冲击频率的增大而变小,但此时对压力的波动影响很小,可忽略不计；在同一频档下,后腔的压力损失随着管径尺寸的减小而变大。②既满足液压冲击器密封要求,又满足流量波动要求的活塞与缸体最佳配合间隙范围为：0.06mm～0.08mm,验证了理论上提出这一最佳值的正确性。③冲击行程对流量的影响较大,频档一定时,冲击活塞流量与冲击行程之间成三次方多项式关系,与压力的大小成近似线性关系。④蓄能器不同充氮压力与不同充氮体积的试验表明,HYD200型液压冲击器蓄能器充氮压力的取值一般在工作压力的40%～50%范围较为合适,冲击压力和冲击流量的波动程度会随着充氮体积的增大而减小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 液压冲击机械与液压冲击器的发展概况
• 1.2 液压冲击器的发展趋势
• 1.2.1 产品设计自动化,更新换代周期短
• 1.2.2 产品性能向大冲击能、大功率、高频率、高精度方向发展
• 1.2.3 开发智能化冲击控制技术、产品向自动化方向发展
• 1.2.4 重视重型冲击技术和产品向大型化发展
• 1.2.5 产品向微型化发展
• 1.2.6 以市场需要为产品发展的目标,开发新品种
• 1.2.7 信息与技术成果共享,开展产品组部件的"三化"工作
• 1.2.8 进一步改进液压冲击机械的工作介质,积极发展水压冲击技术
• 1.2.9 进一步提高产品寿命和零部件可靠性
• 1.2.10 振动及噪声、粉尘的控制技术进一步发展
• 1.2.11 功能多样化,结构柔性化
• 1.3 液压冲击器性能的国内外研究概况
• 1.3.1 液压冲击器的理论和设计研究
• 1.3.1.1 液压冲击器线性模型
• 1.3.1.2 液压冲击器非线性模型
• 1.3.1.3 液压冲击器其它方面研究
• 1.3.2 液压冲击器的试验技术研究
• 1.3.3 液压冲击器的仿真技术研究
• 1.4 本课题的研究内容
• 1.4.1 课题研究的意义
• 1.4.2 本课题研究的内容
• 第二章 液压冲击器性能指标与影响因素分析
• 2.1 液压冲击器的基本功能和类型
• 2.1.1 液压冲击器基本功能
• 2.1.2 液压冲击器的类型
• 2.1.2.1 按工作方式（驱动方式）
• 2.1.2.2 按配油方式
• 2.1.2.3 按冲击方式
• 2.1.2.4 按有无其控制阀和结构
• 2.2 液压冲击器的基本工作原理
• 2.2.1 液压冲击器的组成
• 2.2.2 液压冲击器的工作原理
• 2.3 液压冲击系统特点及性能参数分析
• 2.3.1 系统特点
• 2.3.2 系统的功能与有关参数
• 2.3.3 液压冲击器的主要性能参数
• 2.3.3.1 冲击能
• 2.3.3.2 冲击频率
• 2.3.3.3 冲击效率
• 2.4 液压冲击器冲击频率与压力、流量的关系
• 2.5 本章小结
• 第三章 液压冲击器运动分析
• 3.1 液压冲击系统运动状态分析方法
• 3.1.1 线性分析方法
• 3.1.2 非线性分析
• 3.2 HYD200型凿岩机液压冲击器运动方程的建立
• 3.2.1 假设条件
• 3.2.2 HYD200型凿岩机液压冲击器结构
• 3.3 液压冲击器工作状态
• 3.4 泄漏、补偿流量、粘性摩擦阻力和液压卡紧力
• 3.4.1 泄漏
• 3.4.2 补偿流量
• 3.4.3 粘性摩擦阻力
• 3.4.4 液压卡紧阻力
• 3.5 机构内部压差及流量分析
• 3.5.1 局部阻力损失造成的压差
• 3.5.2 附加压差及后腔压力
• 3.6 本章小结
• 第四章 试验方法研究与测试系统设计
• 4.1 液压冲击器性能参数的试验方法
• 4.1.1 应力波法
• 4.1.2 末速度法
• 4.1.2.1 接触式末速度法
• 4.1.2.2 非接触式末速度法
• 4.1.3 机械测量法
• 4.1.4 示功图法
• 4.2 测试系统设计
• 4.2.1 试验装置
• 4.2.2 试验装置技术性能参数
• 4.2.3 测试方法和原理
• 4.3 计算机测控系统的设计
• 4.3.1 液压冲击性能测试系统
• 4.3.2 计算机测控系统设计
• 4.3.2.1 测控系统的硬件设计
• 4.3.2.2 测控系统的软件设计
• 4.3.3 系统参数标定及精度
• 4.4 本章小结
• 第五章 液压冲击器压力与流量动态变化规律试验研究
• 5.1 试验系统和试验步骤
• 5.1.1 试验用冲击器
• 5.1.2 主要试验条件
• 5.1.3 测试仪表标定和精度
• 5.1.4 试验步骤
• 5.2 液压冲击器冲击压力与流量变化规律
• 5.2.1 液压冲击器冲击压力波形变化规律
• 5.2.2 液压冲击器进油流量变化规律
• 5.2.3 液压冲击器冲击压力与流量的关系
• 5.3 冲击压力与流量对液压冲击器冲击性能的影响
• 5.3.1 冲击压力波动对液压冲击器冲击性能的影响
• 5.3.2 冲击流量波动对液压冲击器冲击性能的影响
• 5.4 本章小结
• 第六章 影响冲击压力与流量变化规律的因素
• 6.1 进油口管径变化对液压冲击器冲击压力和流量的影响
• 6.1.1 进油管径尺寸对工作压力和流量的影响
• 6.1.2 进油口管径尺寸对冲击活塞前腔和后腔压力的影响
• 6.2 活塞尺寸及配合间隙对冲击压力和流量的影响
• 6.2.1 冲击活塞配合间隙对流量的影响
• 6.2.2 冲击活塞尺寸变化时冲击压力和流量的影响
• 6.3 控制阀对液压冲击器冲击压力和流量的影响
• 6.3.1 控制阀的配合间隙对液压冲击器冲击压力和流量的影响
• 6.3.2 换向冲击对液压冲击器冲击压力和流量的影响
• 6.4 蓄能器充氮压力对液压冲击器冲击压力和流量的影响
• 6.5 蓄能器充氮体积对液压冲击器冲击压力和流量的影响
• 6.6 本章小结
• 第七章 全文总结
• 7.1 研究结论
• 7.2 主要创新点
• 7.3 思考与建议
• 参考文献
• 致谢
• 博士研究生期间发表的论文