【正文】 （323）式中：f——摩擦系數(shù)；L——密封圈的密封寬度，m?；钊艿囊簤和屏椋???????1022APF Ttrr?1 （324）根據(jù)以上分析可知，活塞在各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段所受的液壓推力和密封阻力均可視為常量，將二者相加后，活塞的運(yùn)動(dòng)方程可表示為： ??????321.. Fxcmpp Tttttr r?110 （325）式中： ???????fffF321本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書24考慮活塞各個(gè)運(yùn)動(dòng)階段的初始條件，求解微分方程（325）可得活塞運(yùn)動(dòng)加速度為： ?????????)(3)(. ][r rtmctmctmcpeFexex Ttttrrrr?110 （326）活塞運(yùn)動(dòng)速度為： ??????????]1[)(13 )(. 1r rtmctmctmcpeFeFxex Ttttttttr rrr?110 （327）活塞的位移為： ???????????]1[)() ][)()1()(233 )( 1rrtmcrrp tcrrrtmceFtctxxetc Tttttrrr?10（328）根據(jù)活塞運(yùn)動(dòng)各個(gè)階段的終止條件，即可由式（326）、（327）、（328）求得活塞運(yùn)動(dòng)的所有運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)。 液壓沖擊機(jī)構(gòu)的非線性模型如前所述，應(yīng)用線性模型在一定程度上可基本滿足工程設(shè)計(jì)的需要，并且有確切的代數(shù)表達(dá)式，求解方便。但它畢竟忽略了很多影響因素，需用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行修正。實(shí)際上，沖擊機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中，推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)的油液流量由于活塞運(yùn)動(dòng)速度的變化始終是變化的，而蓄能器與沖擊活塞的工作是緊密配合的，蓄能器不斷地充油或排油造成本身液腔的容積變化，從而又迫使蓄能器氣腔容積作相應(yīng)的變化，這時(shí)氣腔壓力也作相應(yīng)的變化，這樣系統(tǒng)的工作壓力就不斷地變化。因此，將活塞、配流閥和蓄能本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書25器作為一個(gè)互相制約的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)研究，是十分必要的。這就需要建立這一系統(tǒng)的非線性數(shù)學(xué)模型。為了分析與計(jì)算上的方便，同時(shí)又不失其必要的精確性，在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，作如下假設(shè)：1）液壓泵的供油量為定值；2）忽略油液的可壓縮性；3）油液的工作溫度保持不變，且忽略油液粘度隨壓力的變化；4）蓄能器氣腔工作為等熵過(guò)程；5）忽略活塞和閥芯運(yùn)動(dòng)的機(jī)械摩擦阻力；6）忽略管路系統(tǒng)的彈性?；谝陨霞僭O(shè)，根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理和液體連續(xù)性方程，以不裝回油蓄能器的液壓鑿巖機(jī)為對(duì)象，可建立基本數(shù)學(xué)模型如下：（1）活塞及配流閥的動(dòng)力平衡方程考慮到活塞運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，受粘性阻力、密封阻力和受液壓沖擊而不斷變化的有效液壓推力對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)的影響，建立活塞運(yùn)動(dòng)的基本動(dòng)力方程如下： )((),(0.. pFPxFxmfpsp ???? （329）式中： spF——活塞受到的粘性摩擦阻力，N；Δp——密封面兩端的壓力差，Pa。配流閥在換向過(guò)程中，油液流速的大小及方向不斷發(fā)生變化，閥芯不僅受到粘性阻力及液壓推力的作用，還會(huì)受到穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力和瞬態(tài)液動(dòng)力影響，這就使得閥芯的運(yùn)動(dòng)十分復(fù)雜，閥芯的動(dòng)力平衡方程可表示為： )(,()(),(,.. pFxpxFxmvvlivlsvsv ????? （330）式中： v——閥芯的質(zhì)量，kg；sF——閥芯受到的粘性摩擦阻力，N；lis,——穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)液動(dòng)力，N；v——閥芯受到的有效液壓推力，N；p?——閥口兩側(cè)壓差，Pa；本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書26vx——閥芯的位移，m；.——速度， s/；vx.——加速度， 2。（2）油液流量平衡方程活塞在一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期內(nèi)，運(yùn)動(dòng)速度是不斷變化的，因此，液壓沖擊機(jī)構(gòu)活塞運(yùn)動(dòng)所需要的高壓油流量和所排出的流量也是不斷變化的，而液壓泵所提供的流量卻可以認(rèn)為是基本不變的，這樣，蓄能器就始終處于充油或排油狀態(tài)。根據(jù)液體連續(xù)性方程可建立流量平衡方程如下：高壓油流量平衡方程為： hvlplvVpP VpxQPxQx ..,... ),()()()( ???? （331）式中： Q——系統(tǒng)供油流量， sm/3；P——活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)的耗油量， /3；V——閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)的耗油量， s；lpQ——活塞部分的油液泄漏量， m/3；lv——配流閥部分的油液泄漏量， s；hV.——蓄能器氣腔工作容積的變化量， /3。低壓油流量平衡方程為： ),()()()( ..,.....0 pxQPxQx vlplvVpP ??? （332）式中： 0Q——系統(tǒng)回油管路流量， sm/3；P.——活塞回油腔的排油量， ；V.——配流閥推閥腔的排油量， s/3；lpQ.——活塞部分排到回油管路的泄漏量， /3；lv.——配流閥部分排到回油管路的泄漏量， sm。（3）高壓蓄能器氣體狀態(tài)方程本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書27高壓腔內(nèi)油液壓力變化與蓄能器內(nèi)氣體壓力變化處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。由于活塞沖擊運(yùn)動(dòng)發(fā)生在極短的時(shí)間內(nèi)，因此近似認(rèn)為蓄能器內(nèi)氣體壓力能轉(zhuǎn)換過(guò)程為可逆，因此有如下氣體狀態(tài)方程； nhnhVP0? （333）式中： hP——蓄能器工作壓力，Pa；0——蓄能器充氣壓力，Pa；hV——蓄能器壓力為ph時(shí)的氣腔容積， 3m；0——蓄能器的最大氣腔容積， ；n——多變指數(shù)，n＝（4）閥口及管路阻力平衡方程配流閥的基本原理是靠改變閥芯相對(duì)于閥體的位置，來(lái)實(shí)現(xiàn)與閥體相連的幾個(gè)油路之間接通或斷開，即使是接通或斷開瞬間，閥芯內(nèi)部油液也必須滿足液體連續(xù)性條件，因此管路內(nèi)部流量及壓力變化與閥口處壓力、流量的變化息息相關(guān)，參考液壓傳動(dòng)對(duì)換向閥系統(tǒng)的研究 [12,13]，列寫閥口及管路阻力平衡方程如下：閥口兩側(cè)的壓力差方程為： 2)(yACQPdvkv??? （334）式中： vkQ——通過(guò)閥口的流量， sm/3；dC——閥口流量系數(shù)；)(yA——閥口過(guò)流面積， 2；?——油液密度， 3/mkg。管路兩端的壓力差方程為： 2XxgQKP?? （335）式中： gP?——管路兩端壓差，Pa；xK——與局部阻力系數(shù)及流體性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)， 6/2mpas；本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書28xQ——通過(guò)管路的流量， sm/3；以上述基本方程為基礎(chǔ)，考慮閥和活塞不同運(yùn)動(dòng)階段的漏損及阻力變化，寫出上述方程中的每一項(xiàng)表達(dá)式，就能建立沖擊機(jī)構(gòu)整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，再運(yùn)用這些數(shù)學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算機(jī)求解，就可對(duì)液壓沖擊機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)作較精確的分析和計(jì)算。第 4 章 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)液壓伺服控制系統(tǒng)是由指令裝置、檢測(cè)裝置、比較環(huán)節(jié)、伺服放大器、控制元件、執(zhí)行元件、校正環(huán)節(jié)組成。它是將輸入信號(hào)（一般為機(jī)械位移或電壓）與被控制裝置的反饋信號(hào)進(jìn)行比較，將其差值傳遞給控制裝置，以變更液壓執(zhí)行元件的輸入壓力或流量，使負(fù)載向著減小信號(hào)偏差方向動(dòng)作。液壓伺服控制系統(tǒng)的特點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)力、轉(zhuǎn)矩和功率大；易于實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的速度、位移及力控制；液壓能的儲(chǔ)存方便，從而可減少電氣設(shè)備裝機(jī)容量。由以上液壓系統(tǒng)的性質(zhì)和特點(diǎn)設(shè)計(jì)該液壓鑿巖機(jī)的液壓系統(tǒng)。 液壓沖擊機(jī)構(gòu)控制原理及設(shè)計(jì)理論分析 液壓沖擊機(jī)構(gòu)控制原理液壓控制原理簡(jiǎn)圖如圖 41 所示 [13]：圖 41 液壓控制原理簡(jiǎn)圖圖42表示液壓沖擊機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)化后的結(jié)構(gòu)模型示意圖 []。它主要由活塞、缸體、高本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書29壓蓄能器、換向閥以及連接它們的油路組成。上部是活塞，下部是換向閥。在一個(gè)工作周期內(nèi)，活塞和換向閥的各腔壓力是交替變化的。沖擊機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)包括四個(gè)部分：1）沖程加速：沖程開始閥芯位于左端，活塞位于右端，高壓油經(jīng)油路 1 進(jìn)入缸體后腔，推動(dòng)活塞向左做加速運(yùn)動(dòng)。2）沖程換向：活塞向左加速運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置，打開沖程換向信號(hào)孔 M，高壓油經(jīng)推閥油路 2 進(jìn)入配向閥左定位腔，推動(dòng)閥芯向右做沖程換向，配向閥右控制腔中的液壓油精推閥油路 3 進(jìn)入活塞中間腔，經(jīng)回油通道 4 返回油箱，為回程運(yùn)動(dòng)做準(zhǔn)備，與此同時(shí)，活塞打擊釬尾。3）回程加速：完成沖程瞬間，活塞進(jìn)入回程運(yùn)動(dòng)，高壓油經(jīng)進(jìn)油路 5 進(jìn)入缸體前腔，推動(dòng)活塞做回程加速運(yùn)動(dòng)。4)回程換向：活塞向右做回程加速運(yùn)動(dòng)到預(yù)定位置，回程換向信號(hào)孔 N 打開，高壓油精推閥油路 3 進(jìn)入配向閥右定位腔推動(dòng)閥芯回程換向，配向閥做控制腔中的液壓油經(jīng)推閥油路 活塞中間腔和回油通道 4 返回油箱，閥芯運(yùn)動(dòng)到左端，為下一循環(huán)做好準(zhǔn)備。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書30圖 42 液壓沖擊機(jī)構(gòu) 液壓沖擊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)理論分析：在上一章中作者詳細(xì)闡述了液壓沖擊機(jī)構(gòu)的理論研究模型，其中線性模型研究對(duì)液壓沖擊機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)作了必要的簡(jiǎn)化和假設(shè)，認(rèn)為活塞的一個(gè)運(yùn)動(dòng)周期可分為回程加速、回程制動(dòng)和沖程加速三個(gè)運(yùn)動(dòng)階段，在這幾個(gè)階段內(nèi)，利用活塞運(yùn)動(dòng)的二段分析和三段分析法進(jìn)行液壓沖擊機(jī)構(gòu)的研究和設(shè)計(jì)，不僅能很快得出明確的解析表達(dá)式，而且能很方便地進(jìn)行沖擊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)。液壓鑿巖機(jī)沖擊機(jī)構(gòu)的活塞結(jié)構(gòu)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)是緊密相關(guān)的，當(dāng)確定一組性能參數(shù)時(shí)，會(huì)得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù) [12]。令活塞沖程加速時(shí)間與活塞運(yùn)動(dòng)周期之比為α，即： Tts?? (41)α被稱為沖程時(shí)間比或運(yùn)動(dòng)學(xué)特征系數(shù)，因?yàn)樗菬o(wú)量綱量，故將其定義為抽象設(shè)計(jì)變本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書31量。則根據(jù)活塞運(yùn)動(dòng)的三段分析法可得到下面一系列用抽象設(shè)計(jì)變量α表示的運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)表達(dá)式。沖程時(shí)間： Tts?? (42)回程時(shí)間： tr)1(? (43)回程加速時(shí)間： Ttr)(21??? (44)回程制動(dòng)時(shí)間： tr)1(22? (45)活塞行程： TvSm?2? (46)回程加速行程： vmr21)(?? (47)回程制動(dòng)行程： TvSmr232)1(?? (48回程最大速度： mrv? (49)沖程加速度： Tams?? ()回程加速加速度： mr v3)21(?? (411)回程制動(dòng)加速度：本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書32mrvTa???2 （412）式中：β——回程制動(dòng)加速度與沖程加速度的比值。由（319 ）和（320 ）式可求得： k???1? （413）由此可見(jiàn)，給出一個(gè)α值便確定了液壓沖擊機(jī)構(gòu)的所有運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)，因此可以把α 的設(shè)計(jì)視為液壓沖擊機(jī)構(gòu)的一種設(shè)計(jì)方法。 ～。 活塞系統(tǒng)設(shè)計(jì) 活塞系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本要求活塞是液壓鑿巖機(jī)的關(guān)鍵零件，它設(shè)計(jì)的好壞直接影響機(jī)器的工作性能和壽命?；钊O(shè)計(jì)的已知參數(shù)是沖擊能E和沖擊頻率f，由用戶或生產(chǎn)需要而定。需要設(shè)定的參數(shù)是沖擊末速度 mV和供油壓力p。根據(jù)我國(guó)目前釬尾允許應(yīng)力計(jì)算， mV一般不大于10s\。供油壓力的選擇應(yīng)考慮機(jī)器的整體結(jié)構(gòu)尺寸、制造工藝水平和密封性能，一般在10～18Mpa 范圍內(nèi)。具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循以下原則 [13]：1）活塞應(yīng)為細(xì)長(zhǎng)形，并減少不必要的斷面變化，以利于提高能量傳遞效率和釬具壽命。2）活塞沖擊頭部的面積應(yīng)盡量與釬尾端部的面積相等或接近，并要有一定的錐部長(zhǎng)度，以利于沖擊波的傳遞。3）要保證活塞全行程及超行程時(shí)不致?lián)p傷兩端密封結(jié)構(gòu)。4）活塞應(yīng)具有防空打功能，以免空打時(shí)撞壞缸體。5）活塞的材質(zhì)應(yīng)具有較好的機(jī)械性能，即表面硬度高，心部韌性好，且具有較好的耐磨耐沖擊性能。6）保證活塞重量和前后腔受壓面積等于或接近已得出的結(jié)果參數(shù)。7）應(yīng)在綜合考慮能量損失、加工精度與過(guò)濾精度的基礎(chǔ)上，確定活塞與缸體間合理的配合間隙。本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書33 活塞零件的設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)實(shí)際工況或用戶要求確定沖擊機(jī)構(gòu)性能參數(shù)：沖擊能E 和沖擊頻率f ；根據(jù)我國(guó)目前釬尾允許應(yīng)力確定沖擊末速度 mV；根據(jù)液壓系統(tǒng)的承載能力確定供油壓力p；按近似釬桿直徑確定活塞沖擊端直徑d1。采用抽象設(shè)計(jì)變量理論可得如下活塞計(jì)算式：活塞質(zhì)量： 2mpvE? （414）活塞前腔受壓面積： ))(120pkaAsrp?? （415）活塞后腔受壓面積： ))(2022kmrsp? （416）活塞最大直徑： 214dA?? （417）活塞后腔直徑： 224d?? （418） 活塞臺(tái)肩部分的設(shè)計(jì)活塞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖