双控式液压凿岩机冲击系统动态特征和冲击性能的研究

摘要

液压凿岩机作为旋转冲击式钻孔设备，因其经济、灵活、适应性广的特点，被广泛应用在矿山开采、隧道掘进和城市建设等工程作业中。随着作业项目不断向大型化、规模化方向发展，要求液压凿岩机具有更高频率、大功率和高效率特点。双控式液压凿岩机因双面回油、有利于能量传递等特点符合液压凿岩机的主要发展方向。 为了探索双控式液压凿岩机冲击系统冲击周期内一次振动稳定性、设计参数及内部流动对冲击性能（冲击能、冲击频率、冲击效率）影响、活塞冲击钎杆应力传递规律，本文针对双控式液压凿岩机冲击系统的冲击运动过程和冲击力传递过程，建立了冲击系统运动过程数学模型及其Simulink仿真模型、内部流动Fluent仿真模型，冲击过程数学模型及其LS-dyna仿真模型；并结合试验测试分析了双控式液压凿岩机不同系统设计参数下的动态特征和冲击性能，该研究对发展液压凿岩机冲击凿岩技术有指导意义。主要研究成果如下： （1）针对反馈双向控制式液压凿岩机冲击系统出现的冲击周期内一次或多次振动现象，建立液压凿岩机冲击系统线性模型。按照线性系统的状态空间描述理论和方法，从速度恢复系数R、加速度比KF、加速度切换时间Kt着手，确定一个冲击周期内的活塞一次振动存在范围，为设计冲击系统的活塞信号反馈口位置提供理论依据。 （2）在考虑粘性摩擦阻力、密封阻力、液压卡紧力、稳态液动力、瞬态液动力的情况下，建立了双控式液压凿岩机冲击系统非线性数学模型及其Simulink仿真模型，按照控制变量法分析了冲击系统的参数：活塞质量、输入流量、供给压力、活塞前后腔工作面积等对冲击活塞运动特性影响，揭示了系统参数变化时双控式液压凿岩机冲击系统的冲击能、冲击频率及冲击效率的变化趋势，研究发现双控式液压凿岩机系统参数设计时存在高效区域。 （3）为了明确冲击系统内部瞬变型流场对双控式液压凿岩机冲击系统中主要部件活塞、换向阀运动过程的影响，建立了冲击活塞内部泄漏和液压卡紧力、高频换向阀液动力Fluent仿真模型并进行计算分析，提出适合该型双控式液压凿岩机的活塞均压槽分布个数、高频换向阀结构优化方案，解决了活塞卡紧、换向阀高速换向可靠性问题。 （4）在双控式液压凿岩机冲击系统的冲击运动基础上，为了探索冲击凿岩时内部应力传递特性，分析并搭建了冲击系统活塞-钎杆LS-dyna冲击模型，通过改变活塞冲击速度、钎杆长度、活塞-钎杆接触面积，分析了活塞-钎杆相撞时的对配参数对应力波谱的影响，得出不同参数下活塞-钎杆冲击时钎杆中应力波传递规律和系统冲击性能的变化趋势，阐明了双控式液压凿岩机冲击系统能量传递过程。 （5）依据上述研究成果，研制了工作压力18-25MPa、工作流量60-100L/min的双控式液压凿岩机冲击系统及其两个不同长度的活塞，运用应力波法测试并分析了该液压凿岩机长、短活塞在不同冲击压力、不同行程档位下的应力波、冲击能、冲击频率、冲击功率和冲击效率，得出该凿岩机冲击系统下选用冲击活塞的实验数据，为双控式液压凿岩机的设计和试验方法提供借鉴。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 国内外液压凿岩机的发展

1.2.2 液压冲击系统的研究现状

1.2.3 国内外研究现状对本课题的启示

1.3 本文主要研究内容

第2章 双控式液压凿岩机冲击系统动态过程的线性模型研究

2.1 双控式液压凿岩机结构及工作原理

2.1.1 双控式液压凿岩机结构

2.1.2 冲击系统的工作原理

2.2 冲击系统线性状态空间描述

2.2.1 冲击系统动力模型

2.2.2 振动状态分析

2.2.3 冲击周期内一次振动的存在范围

2.3 振动稳定性实验验证

2.3.1 信号孔位置设计

2.3.2 实验验证

2.4 本章小结

第3章 双控式液压凿岩机冲击系统动态过程和冲击性能的非线性模型研究

3.1双控式液压凿岩机冲击系统数学模型

3.1.1 冲击活塞动力学模型

3.1.2 高频换向阀动力学模型

3.1.3 蓄能器流量模型

3.2 冲击系统设计参数对动态特征和冲击性能影响分析

3.2.1 冲击活塞质量的影响及验证

3.2.2 输入流量的影响

3.2.3 供给压力的影响

3.2.4 冲击活塞工作面积的影响

3.2.5β=A1/A2、P对冲击性能的综合影响

3.3 本章小结

第4章 内部流动对冲击系统动态特征和冲击性能的影响

4.1 冲击活塞内泄漏与卡紧力

4.1.1 冲击活塞内泄漏理论基础

4.1.2 冲击活塞内泄漏仿真分析

4.1.3 冲击活塞卡紧力理论基础

4.1.4 冲击活塞卡紧力仿真分析

4.2高频换向阀液动力分析

4.2.1 动量方程理论分析

4.2.2 物理模型及计算条件

4.2.3 液动力分析

4.2.4 高频换向阀结构优化

4.3 本章小结

第5章 液压凿岩机冲击系统应力波传递过程的研究

5.1 波动微分方程

5.1.1 弹性体波的传播

5.1.2 一维波动方程

5.2.1 界面处应力波的传递

5.2.2 凿入过程波动理论分析

5.3 冲击系统应力仿真分析

5.3.1 冲击机构仿真建模

5.3.2 仿真模型实验验证

5.3.3 仿真结果及分析

5.4 本章小结

第6章 双控式液压凿岩机冲击系统冲击性能实验研究

6.1 测试系统

6.1.1 冲击性能测试系统的标定

6.1.2 液压凿岩机测试系统

6.2 测试结果与分析

6.2.1 测试结果

6.2.2 数据分析

6.3 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 研究总结

7.2 工作展望

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间发表及录用的学术论文

附录B 攻读博士学位期间主持和参与的科研项目