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1、.广东工业大学硕士学位论文广东工业大学硕士学位论文（工学硕士）行程反馈式液压凿岩机冲击机构动力学仿真及其性能检测方法的研究指导教师姓名、职称： 教授 学科(专业)或领域名称： 机 械 制 造 及 其 自 动 化 学 生 所 属 学 院： 机 电 工 程 学 院 论 文 答 辩 日 期： 2013 年 5 月 .A Dissertation Submitted to Guangdong University of Technology for the Master Degree of Engineering（Master of Engineering Science）Stroke feedbac
2、k type hydraulic rock drill impact mechanism dynamics simulation and its performance research of test methodCandidate: Liu zhiSupervisor: Prof. Li duannengMay 2013School of Electromechanical EngineeringGuangdong University of TechnologyGuangzhou, Guangdong, P. R. China, 510006.摘 要 课题在综合分析了目前国内使用非常广泛
3、的多种型号液压凿岩机主要机构工作原理之后，以冲击频率和冲击能为切入点，对其中一种行程反馈式液压凿岩机的冲击机构进行了深入的分析与研究，并对液压凿岩机的性能检测方法开展了一定的研究。液压凿岩机冲击机构各运动零部件的运动规律十分复杂，很难用精确的数学模型进行描述。本文基于一定的假设条件，建立了液压凿岩机冲击机构运动部件的非线性数学模型。以此为基础，用 Matlab/simulink 工具箱对液压凿岩机冲击机构进行了动态仿真，分析了液压凿岩机冲击机构在输入一定的工作参数的情况下，各个运动零部件结构参数对冲击性能的影响。通过对改变结构参数后冲击机构所表现出来冲击性能变化趋势的分析，获得了有关液压凿岩机
4、冲击机构运动状态的规律性认识，基于这些认识提出了一种液压凿岩机的新型缓冲结构双缓冲机构。并对这一机构做了理论分析，结果表明该缓冲机构缓冲效果明显，对提高液压凿岩机寿命有积极的作用。文中总结介绍了几种常用的液压凿岩机及气动冲击器的性能检测方法，分析了它们各自的特点。在此基础上提出一种新的液压凿岩机冲击性能检测方法液压缸受冲能量转移法。该方法不仅能检测冲击频率、冲击能，还能模拟不同岩石的工况条件下，在实验室开展冲击实验，检验出冲击机构能够正常工作的临界性能参数。根据这个方法研制了一台模拟实验台，对实验台检测软硬件系统进行设计搭建。模拟液压凿岩机的冲击性能检测要求，对检测系统进行了调试与测试，验证了
5、新检测方法的可行性、可靠性与准确性。本文通过对液压凿岩机冲击机构的理论研究，对我国目前行程反馈式液压凿岩机的设计和研制具有重要的理论价值和实际意义。同时，新型检测方法也为适应液压凿岩机冲击性能不断提高的发展趋势提供了一个新思路。关键词：关键词：液压凿岩机 冲击机构 动态仿真 缓冲装置 冲击性能.ABSTRACTAfter comprehensive analyzed working principle of various types of currently widely home used hydraulic rock drill，conducted in-depth analysis a
6、nd research to a stroke feedback hydraulic rock drill impact mechanism use impact frequency and impact energy . And carried out some research to its performance detection methods.It is very complex and difficult of the motion law of the hydraulic rock drill impact mechanism that so difficult to use
7、a precise mathematical model to describe it, This article built the nonlinear mathematical model of the moving parts of a hydraulic rock drill impact mechanism based on certain assumptions, and simulated the hydraulic rock drill impact mechanism with Matlab / Simulink toolbox. Deeply analyzed the re
8、lationship between the structural parameters of the each moving body and the performance of the hydraulic rock drill impact mechanism.Through analyzing the impact performance trend of changing the structure parameters of hydraulic rock drill impact mechanism.Gained some understanding of the motion s
9、tate laws of the hydraulic rock drill impact mechanism.Promoted a hydraulic rock drill new buffer structure-double buffering mechanism-based on these findings. Theoretical analyzed to this structure, the results show that it plays an active role o improve the life of the hydraulic rock drill. Introd
10、uced several performance detection methods on several commonly used hydraulic (2.2)112=112=联立（2.1）和（2.2）求解，得到：(2.3)221 1 11 221 1cc cc (2.4)221 1 11 221 1cc cc (2.5)221 1 11 221 1cc cc (2.6)2211 21 221 1222cc ccc上面各式中 、c 表示介质的密度与波在该种介质中的速度， 表示波的强度。现将上.面各式中和分别定义为反射系数和透射系数。下面就岩石221 1221 1cc cc 22221 1
11、2c cc 具备不同的阻抗特性时，尝试定性的分析应力波在钻杆中的状态：1、当时，可以把岩石看成刚性壁（固定端反射，即端面不产生位移）221 1cc，即无穷大，此时由上面的式子可知，。因此有：22c12；1111 ；21=2202、当时，可以把岩石看成真空（自由端反射，即不受应力的自由端221 1cc面），即此时又上面的式子可知，。因此有：220c1 0；11 11 ；2=0212通过以上假设我们可以得出如下结论：当入射波到达固定端（自由端）时，反射为强度不变，符号相同的（或相反）的反射波。因此入射的压缩波在固定端（自由端）反射为压缩波（拉伸波） ；入射的拉伸波在固定端（自由端）反射为拉伸波（压
12、缩波）34。当所钻的岩石硬度比较小时，可以将岩石与钻杆的接触面看成自由端，这时压缩波经接触面反射成为拉伸波，通过上面的分析我们知道当反射的拉伸波回到撞击面后，钻杆将朝与活塞分离的一方运动。在这种情况下钻杆与活塞均不会反弹。当所钻的岩石比较硬时，可以将岩石与钻杆的接触面看成固定端，这时压缩波经接触面反射成为压缩波。当反射的压缩波回到撞击面后，一部分将透射到活塞中，并在活塞的自由端反射，反射的拉伸波回到撞击面后使活塞产生回弹；另一部分将在撞击面（此时为自由端）反射为拉伸波，当这部分拉伸波回到接触面后，钻杆也相应出现回弹33。由于液压凿岩机的推进力和冲击能量都较大，因而钻杆反弹的反作用力峰值也较大，
13、有时高达 100200KN，这种通过钎杆传来的反作用力，虽然对液压凿岩机的性能影响不大，但是容易损坏机体内转钎机构的零部件。因而必须在转钎机构内设置承受这种反作用力的缓冲装置35。2.4.1 缓冲机构的发展历程在对液压凿岩机反弹能量吸收方面，国内外所采用的缓冲装置走过以下几个过程：一、机械式缓冲装置；二、固定压力式缓冲装置+蓄能器；三、浮动式液压缓冲装置+蓄能器。其中机械式缓冲装置在国外曾采用过弹簧做缓冲机构，用一种强力矩形弹簧.来承受并吸收来自钎杆的反弹力，如早期的 Atlas-copco 公司的 COP1038HD 型液压凿岩机缓冲机构如图 2-10。图 2-10 采用弹簧做缓冲装置的液压
14、凿岩机Fig.2-10 Using spring do buffer device of hydraulic rock drill由上图可以看出来，来自钎尾的反弹力与弹簧推动套筒的推进力相平衡。但是弹簧一方面吸收了来自钎尾的反弹力，一方面将反作用力直接作用在缓冲缸体上，使得与缓冲缸体相连接的其它缸体端面，在这种周期性的作用力下容易出现密封不严密。而且这种缓冲机构在液压凿岩机高频工作时很难适应高频且强力的反弹，容易造成疲劳破坏，也存在频率响应不了的问题。尤其是在进行深孔凿岩时这种现象更加严重，甚至不能满足正常的凿岩需求。因而，近些年来，液压凿岩机生产厂家开始使用在机体内做液压缸来承受来自钎尾的反
15、弹力的液压缓冲机构，即所谓的“液压弹簧” 。其结构如图 2-11 所示。.图 2-11 固定压力式液压缓冲装置Fig.2-11 Fixed pressure type hydraulic buffer device这种液压缓冲机构的工作原理就是将在套筒后面的弹簧改成缓冲活塞，缓冲活塞做成阶梯状，在缓冲活塞的锥面上常通来自冲击机构的高压油；这样来自钎尾的反弹力经过套筒传递给缓冲活塞，缓冲活塞将向后运动，而它锥面上的高压油将这种反弹力传给高压油路上的蓄能器，让蓄能器将这部分反弹的能量给吸收掉。为了提高缓冲效果，缓冲缸体内的缓冲油腔应尽量靠近蓄能器。虽然这种缓冲机构相对于上一种缓冲机构有了明显的改进，然而钎尾的每次反弹，都将使得缓冲油腔中的油液压力产生一次波动，而这种油压的波动会直接造成液压凿岩机冲击机构的油压波动，本来冲击机构油压就已经很高了，加上这种油压的波动将使得冲击机构的运动部件、导向部件以及密封装置承受更加严峻的考验。而且这种缓冲机构在冲击机构油压以及缓冲活塞的推阀面积定好以后只能给出一个近乎定值的推进力，也就只能承受一个近乎定值的反弹力，是属于被动的缓冲。如果在冲击凿岩过程中遇到异常坚硬的岩石的时候来自钎尾的反弹力也会变的很大，这就造成了这种缓冲机构适用的范围是受到限制的。为了解决这些现实存在的问题，本文提出一种液压凿岩
