一种新型分体式液压冲击器研究

!""# 年第 ! 期 液压与气动 &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& & & & &&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&& & & & & ’ ’ ’ ’ 一种新型分体式液压冲击器研究 陈$ 涛，罗$ 铭 %&’() *+ , -./ 0)1. *2 31,4& 5)(4,’678 9:1,8&*4 ;5<- 0,*，=>? @7+A （安徽工业大学 机械工程学院，安徽 马鞍山$ !BC""!） 摘$ 要：在分析传统的行程反馈式液压冲击器的基础上，提出了一种新型的基于单片机控制的压力反 馈式液压冲击器，并阐述了新型液压冲击器的阀体分离的结构特点与工作原理，为液压冲击器的智能控制 研究奠定了基础。 关键词：分体式；智能型；压力反馈；液压冲击器 中图分类号：05DC#$ 文献标识码：E$ 文章编号：D"""FBGHG（!""#）"!F""DIF"C !" 冲击器现状及改进途径 液压冲击器是一种冲击式液压振动装置，以高压 油作为传动介质，用液压力驱动活塞往复运动做功，撞 击钎杆，从而输出冲击能。液压冲击器作为一种新型 液压工程设备，广泛应用于矿山岩石的二次破碎、旧城 改造、混凝土构件的拆毁、公路路基建设、冶金钢厂炉 渣拆卸等方面。由于其冲击能大、使用安全、劳动生产 率高、具有良好的工作适应性和较高的工作可靠性等 特点，越来越受到有关部门的重视，并已取得了显著的 经济效益与社会效益。 目前，国内外的液压冲击器均采用行程反馈液压 冲击器的结构形式，即通过改变活塞运动行程来达到 改变液压冲击器冲击能与冲击频率的目的。行程反馈 式液压冲击器对于工作参数的调节一般是通过增设多 个回程信号孔，控制各信号孔的开关来调节活塞行 程，以达到改变液压冲击器的单次冲击能与冲击频率。 但由于受冲击器结构的限制，一般只有二三档可调， 冲击能与冲击频率的调节范围很小，因此在很大程度 上限制了液压冲击器的使用范围与工作效率的发挥。 在实际工作中，采用人工调节方式，频繁地停机调节不 仅操作麻烦，浪费工时，而且极易造成系统的污染。 根据冲击破碎理论，对于某种确定的破碎对象，破 碎有一个最低能量要求，当冲击能低于其要求的最低 冲击能时，就无法破碎。为破碎不同块度与硬度的对 象，当行程不变，要增大冲击能时，必须提高冲击压力， 这样冲击频率也升高，冲击功率会增大很多。由于其 冲击系统的压力与流量的平方成正比，压力和流量不 能分开进行独立无极调节控制，冲击能与冲击频率同 步增减，其冲击频率无法设计得很低。因此，在有限的 冲击功率条件下，其最大冲击能也很有限，往往增加了 主机的装机容量。 $ 收稿日期：!""JF"#F"G $ 作者简介：陈涛（DI#I—），男，安徽蚌埠人，讲师，硕士研究 生，主要从事分体式液压冲击器方面的研究工作。 解决此问题的 办法 鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载鲁班奖评选办法下载企业年金办法下载企业年金办法下载 是突破系统压力与流量成正比 的关系，使冲击压力和供油流量独立无级调节控制，从 而实现冲击能、冲击频率独立无级调节。即通过调节控 制系统的工作压力来调节冲击器冲击能，系统压力高时 冲击能大，系统压力低时冲击能小。通过调节控制供油 泵的输出流量来调节冲击器的冲击功率，供油流量大时 冲击频率高，供油流量小时冲击频率低。这样可使冲击 能与冲击频率在很大范围内各自独立无级调节，从而 克服了行程反馈原理的各种缺陷。将这种工作原理结 构的液压冲击器与微电子结合，实现单片机控制，使得 液压冲击器在工作过程中，能够根据工作对象的不同物 理性质自动调节单次冲击能与冲击频率，从而保证液 压冲击器的工作性能始终处于最佳状态。 传统的液压冲击器，其配流阀装配在缸体内，这样 缸体的体积和重量大，结构复杂，加工精度要求高。另 外，多孔道的冲击器加工时，由于加工工艺的需要，缸体 ID """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" 液压与气动 !""# 年第 ! 期 上常常出现较多的工艺孔，而工艺孔在加工完毕之后要 堵塞，在液压冲击器高频振动的情况下易发生油液渗 漏，甚至发展为泄漏，影响液压冲击器的正常工作。 解决此问题的办法是采用新型液压冲击器的结构 布置，取消多个行程反馈孔道，实现阀体分离，即冲击 器缸体与配流阀分成两个部分，中间用油管相连。这 样，缸体可由无缝钢管直接进行加工，加工工艺简化， 降低了缸体加工的难度，并且使得缸体制造精度容易 保证，经济效益显著提高。同时，较高的制造精度可提 高冲击器的使用寿命。配流阀系统可以安装在挖掘机 的大臂上或者是驾驶室内。配流阀、传感器与控制器 之间以电缆相连，这种组合方式可使得操作人员可远 离环境恶劣的工作现场，实现远距离的操作，使得工作 条件得以改善。同时这种组合方式为通过网络技术的 控制室内对多台冲击器工作实施控制提供了技术可 能。 基于以上分析，本文研究设计了一种新型的基于 单片机控制的分体式压力反馈液压冲击器。 !" 新型分体式智能型冲击器的结构和工作原理 $）结构 新型液压冲击器工作原理如图 $ 所示，主要由变 量泵、缸体、智能阀体、压力变送器、高速开关阀和控制 器组成。冲击器采用前腔常压、后腔间歇进排油并在 活塞尾部设置氮气室的纯氮气做功的液压冲击器。冲 击活塞与缸体形成 % 个容腔，即前腔!、后腔"和氮气 腔#。 对于利用微机控制的液压冲击器来说，高速开关 阀具有与微机接口方便、结构简单、工艺性好、成本低、 抗污染能力强、工作稳定可靠、能耗小等优点，因此， 本文设计了一个以高速开关阀为先导阀，配合滑阀实 现大流量控制的液压冲击器活塞配流机构。 由于压力反馈式液压冲击器对活塞冲击频率的独 立无级调节是通过改变变量泵的排量来实现的，采用 伺服变量泵价格昂贵；采用恒压变量泵只能控制系统压 力而不能控制系统流量；采用液控变量泵（&’泵）通过 控制先导口油压来控制系统排量较为方便。因此，本 文设计了一个基于高速开关阀 ()* 控制液控变量泵 （&’ 泵）先导油口压力的控制机构。针对液压冲击器 的特殊工作环境（振动、干扰噪声高、粉尘、潮湿），本 文的微机控制系统选用测控功能强、可靠性高、在国内 应用较为广泛的 *+,-.$ 系列单片机，设计了一个以 /"%$+(0 为核心的单片微机控制系统。综合以上各部 分机构的分析设计，可以构成如图 $ 所示的机电一体 化的压力反馈式液压冲击器的工作原理图。 !）工作原理 （$）回程加速阶段1 如图 $2所示，首先通过键盘 设置液压冲击器的回程反馈控制、冲程反馈控制的氮 气腔#的氮气压力、变量泵先导油口的起始控制压力。 当活塞完成一次冲击时，上位 (+ 机发出控制指令，高 速开关阀通电，使其供油孔和控制孔相通，高压油向配 流阀 3腔和 4腔通高压油，2 腔与油箱相通，由于配流 阀右腔面积比左腔面积大，阀芯在高压油的作用下迅 速向左运动，处于左端位置。活塞在前腔!高压油的 推动下开始做回程加速运动，活塞后腔"通过交变腔 5通回油，氮气腔#压缩氮气储能。随着回程增加，氮 气腔#氮气压力逐渐升高，其压力变化通过压力变送 器采集到控制器，传到上位 (+机。 1 1（!）回程制动、冲程阶段（图$3）1 当氮气压力达 图 #" 新型分体式智能型冲击器工作原理图 "! """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""" !""# 年第 ! 期 液压与气动 到设定的回程反馈控制压力时，上位机发出控制信号 使高速开关阀断电。此时，高速开关阀供油孔堵住，控 制孔与回油孔相通，配流阀 $腔通油箱，阀芯在 %腔高 压油的作用下迅速向右作回程换向运动，处于右端位 置。高压油通过配流阀 % 腔和 & 腔，同时向活塞前腔 !和后腔"通油，由于活塞前后腔面积相等，高压油不 参与做功，活塞在氮气腔#氮气压力作用下作减速运 动，直至速度为零，完成整个回程动作。当活塞回程结 束时，开始进入冲程阶段，阀芯在高压油的作用下仍处 于右位，冲击活塞在氮气膨胀的作用下向左加速冲程 运动。在活塞加速冲程时，氮气腔#的氮气压力下降， 当氮气压力降至冲程反馈控制压力时，上位 ’( 机发 出控制信号使高速开关阀通电，与此同时活塞冲击钎 杆完成 ) 次工作循环。 !" 控制系统 新型液压冲击器控制系统的组成如图 ! 所示，主 要由以下 * 个部分组成：压力变送器、+,(-. 型控制 器、高速开关电磁阀、上位 ’(机。 图 #" 控制系统结构简图 分体式智能型液压冲击器采用气压控制方法，即 根据氮气腔的压力进行控制，可以进行手动控制和智 能控制，其控制流程如图 / 所示。每种控制方式都可 以分为四档控制，液压冲击器输出不同的冲击能。 在 ) 个工作循环内，通过压力传感器，(’0定时采 样变量泵先导油口的控制压力，与设定的控制压力进 行比较，根据误差大小对开关阀采取脉宽调制（’12） 控制方式控制先导口油压维持在设定油压范围内（即 保持变量泵排量为设定排量）。根据检测氮气腔的氮 气压力变送器采样得到的钎杆冲击反弹速度大小，上 位机通过控制计算改变回程反馈控制压力、冲程反馈 控制压力及变量泵先导油口控制压力。这样就使得液 压冲击器能够根据工作介质的物理特性变化，连续自 动控制活塞的冲击能与冲击频率，使两者能够达到合 理匹配。 $" 结论 根据上述结构与工作原理，设计研制了一个基于 单片机控制的压力反馈式液压冲击器的实验模型，制 图 !" 控制流程图 出样机 ,34""(型，编制了相应的控制软件，并对样机 进行了实验和研究。通过实验所采集的数据表明，阀体 分离的冲击器工作正常，运用单片机对液压冲击器进 行智能控制是完全可行的。本文所做的工作使得液压 冲击器的研究在以下几个方面取得了突破性进展： （)）在工作原理方面，改变了传统的行程反馈工 作原理而采用压力反馈工作原理，使得液压冲击器的 输出工作参数由同步有级调节发展到独立无级调节， 扩大了液压冲击器的工作使用范围，提高了工作效 率； （!）在结构方面，改变传统的阀体安装在缸体内 的情况，使两者分离，中间用软管相连，提高了缸体的 加工工艺，并降低了加工成本； （/）将高速开关阀与单片机应用于液压冲击器 上，并成功实现了液压冲击器的单片机控制。 参考文献： ［)］5 朱建新，邹湘伏，赵宏强，罗建民6一种新结构高性能液压 碎石器［7］6凿岩机械气动工具，!"")（!）：# 8 ))6 ［!］5 赵宏强6独立无极调节控制的新型液压碎石机研究［9］6 长沙：中南工业大学，)::;6 )! """""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""""