【正文】 本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書33 活塞零件的設(shè)計計算根據(jù)實際工況或用戶要求確定沖擊機構(gòu)性能參數(shù)：沖擊能E 和沖擊頻率f ；根據(jù)我國目前釬尾允許應(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。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)。4）活塞應(yīng)具有防空打功能，以免空打時撞壞缸體。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度，以利于沖擊波的傳遞。供油壓力的選擇應(yīng)考慮機器的整體結(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)。需要設(shè)定的參數(shù)是沖擊末速度 mV和供油壓力p。 活塞系統(tǒng)設(shè)計 活塞系統(tǒng)設(shè)計的基本要求活塞是液壓鑿巖機的關(guān)鍵零件，它設(shè)計的好壞直接影響機器的工作性能和壽命。由（319 ）和（320 ）式可求得： k???1? （413）由此可見，給出一個α值便確定了液壓沖擊機構(gòu)的所有運動學(xué)和動力學(xué)參數(shù)，因此可以把α 的設(shè)計視為液壓沖擊機構(gòu)的一種設(shè)計方法。則根據(jù)活塞運動的三段分析法可得到下面一系列用抽象設(shè)計變量α表示的運動學(xué)參數(shù)表達式。液壓鑿巖機沖擊機構(gòu)的活塞結(jié)構(gòu)參數(shù)和運動學(xué)、動力學(xué)參數(shù)是緊密相關(guān)的，當(dāng)確定一組性能參數(shù)時，會得到相應(yīng)的結(jié)構(gòu)參數(shù) [12]。4)回程換向：活塞向右做回程加速運動到預(yù)定位置，回程換向信號孔 N 打開，高壓油精推閥油路 3 進入配向閥右定位腔推動閥芯回程換向，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，閥芯運動到左端，為下一循環(huán)做好準備。2）沖程換向：活塞向左加速運動到預(yù)定位置，打開沖程換向信號孔 M，高壓油經(jīng)推閥油路 2 進入配向閥左定位腔，推動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 進入活塞中間腔，經(jīng)回油通道 4 返回油箱，為回程運動做準備，與此同時，活塞打擊釬尾。在一個工作周期內(nèi)，活塞和換向閥的各腔壓力是交替變化的。它主要由活塞、缸體、高本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書29壓蓄能器、換向閥以及連接它們的油路組成。由以上液壓系統(tǒng)的性質(zhì)和特點設(shè)計該液壓鑿巖機的液壓系統(tǒng)。它是將輸入信號（一般為機械位移或電壓）與被控制裝置的反饋信號進行比較，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，使負載向著減小信號偏差方向動作。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（論文）說明書28xQ——通過管路的流量， sm/3；以上述基本方程為基礎(chǔ)，考慮閥和活塞不同運動階段的漏損及阻力變化，寫出上述方程中的每一項表達式，就能建立沖擊機構(gòu)整個運動過程的數(shù)學(xué)模型，再運用這些數(shù)學(xué)模型進行計算機求解，就可對液壓沖擊機構(gòu)的工作狀態(tài)作較精確的分析和計算。（3）高壓蓄能器氣體狀態(tài)方程本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書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態(tài)平衡狀態(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——活塞運動時的耗油量， /3；V——閥芯運動時的耗油量， 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。配流閥在換向過程中，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，還會受到穩(wěn)態(tài)液動力和瞬態(tài)液動力影響，這就使得閥芯的運動十分復(fù)雜，閥芯的動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（論文）說明書26vx——閥芯的位移，m；.——速度， s/；vx.——加速度， 2。為了分析與計算上的方便，同時又不失其必要的精確性，在建立數(shù)學(xué)模型時，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程；5）忽略活塞和閥芯運動的機械摩擦阻力；6）忽略管路系統(tǒng)的彈性。因此，將活塞、配流閥和蓄能本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書25器作為一個互相制約的運動系統(tǒng)來研究，是十分必要的。但它畢竟忽略了很多影響因素，需用經(jīng)驗系數(shù)進行修正?；钊艿囊簤和屏椋???????1022APF Ttrr?1 （324）根據(jù)以上分析可知，活塞在各個運動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，活塞的運動方程可表示為： ??????321.. Fxcmpp Tttttr r?110 （325）式中： ???????fffF321本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書24考慮活塞各個運動階段的初始條件，求解微分方程（325）可得活塞運動加速度為： ?????????)(3)(. ][r rtmctmctmcpeFexex Ttttrrrr?110 （326）活塞運動速度為： ??????????]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)活塞運動各個階段的終止條件，即可由式（326）、（327）、（328）求得活塞運動的所有運動學(xué)參數(shù)。s；ε——偏心比。s/m；fF——密封 摩擦阻力，N；F——活塞所受的有效液壓推力，N。為了分析與計算上的方便，同時又不失其精確性，作如下假設(shè) [12,14,15]：1）油液是不可壓縮的，且粘性不隨溫度和壓力而變化；2）系統(tǒng)工作壓力及回油背壓無波動；3）忽略活塞沖擊釬尾后的短暫停頓和反彈速度；4）換向閥是瞬時切換的。如前所述，線性模型方法將活塞運動視為等加速過程，而事實上活塞的運動規(guī)律十分復(fù)雜，在運動過程中要受到各種阻力的影響，其運動過程是一變加速過程。這樣，當(dāng)沖擊機構(gòu)的主要性能參數(shù)（沖擊能E、沖擊頻率f、供油壓力p、沖擊速度 ）確定后，就可以根據(jù)上述兩種方法確定的解析表達式來計算確定沖擊機mV構(gòu)的結(jié)構(gòu)尺寸?；谏鲜龇治?，綜合考慮各種阻力和回油背壓對活塞運動的影響，可得活塞運動微分方程為 []：????????))(11022. APkxmp Tttttrr?11 （314）式中：k——綜合阻力系數(shù)； 0P——回油背壓，Pa。根據(jù)以上假設(shè)，可建立活塞運動方程為： ????? Ttr?10 （31）式中： pm——活塞質(zhì)量，kg；x.——活塞加速度， 2/s；p——工作壓力，Pa；AA2——活塞前后腔受壓面積， 2m；1rt——活塞回程加速時間，s；T——活塞運動周期，s。另一種方法本文將其稱為活塞運動的三段分析法，它根據(jù)活塞在回程制動與沖程加速這兩種運動狀態(tài)下的加速度數(shù)值有較大差別的實際工況，將三種狀態(tài)的加速度分為數(shù)值不同的三種，由此導(dǎo)出更完善、更符合實際工況的表達式。根據(jù)活塞在一個運動周期中的回程加速、回程制動和沖程加速等三種運動狀態(tài)，該模型有兩種描述方法。研究活塞的運動規(guī)律，建立液壓沖擊機構(gòu)的理論模型是十分有意義的，這是設(shè)計液壓鑿巖機沖擊機構(gòu)的理論基礎(chǔ)。本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書18第 3 章 液壓沖擊機構(gòu)數(shù)學(xué)模型的建立液壓沖擊機構(gòu)是以液體為工作介質(zhì)，將壓力能轉(zhuǎn)換為動能，活塞以往復(fù)運動形式通過沖擊釬尾進行能量傳遞的。4）采用獨立供油的擺線液壓馬達驅(qū)動齒輪減速器帶動釬桿轉(zhuǎn)動，回轉(zhuǎn)扭矩大。2）活塞細長，沖擊端面積與釬尾的斷面積相近，有利于能量傳遞，延長釬具壽命。綜上所述，本文確定輕型獨立回轉(zhuǎn)液壓鑿巖機的總體結(jié)構(gòu)為：雙面回油型液壓沖擊機構(gòu)＋獨立供油外回轉(zhuǎn)機構(gòu)＋中心供水方式。供水裝置是液壓鑿巖機的一個重要組成部分。而前腔常壓型液壓沖擊機構(gòu)卻存在回油阻力大及回油壓力脈動大的缺點，這也是這種液壓鑿巖機回油管易于爆裂的原因。由于這種結(jié)構(gòu)的支腿式液壓鑿巖機與相同檔次的氣動鑿巖機相比在性能上沒有明顯的優(yōu)勢，所以其推廣應(yīng)用受到了一定程度的限制。這種結(jié)構(gòu)保留了單一輸入輸出油管，結(jié)構(gòu)簡單，且利用回轉(zhuǎn)油路作為沖擊機構(gòu)的高背壓，其間以柔性相連，緩和了油路的高頻振動，降低了振幅。這種結(jié)構(gòu)的液壓鑿巖機由于分流閥設(shè)在機體內(nèi)部，所以增大了鑿巖機的結(jié)構(gòu)尺寸和能量損失，而且分流閥的調(diào)節(jié)技術(shù)比較復(fù)雜，鑿巖時工人很難根據(jù)具體的施工條件控制操作，所以尚未得到推廣應(yīng)用。目前國內(nèi)尚沒有這種結(jié)構(gòu)的輕型液壓鑿巖機問世。根據(jù)不同的油路配置又可分為三種：；；c.沖擊與回轉(zhuǎn)機構(gòu)串聯(lián)供油的外回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。由于內(nèi)回轉(zhuǎn)液壓鑿巖機在工作原理上的缺陷無法從根本上解決，所以這種結(jié)構(gòu)的支腿式液壓鑿巖機已被市場所淘汰。一般設(shè)計液壓鑿巖機時重視高壓油管的保護，都設(shè)有高壓蓄能器。特別在不勻質(zhì)巖層，內(nèi)回轉(zhuǎn)液壓鑿巖機常常無所適從，無法連續(xù)工作。若設(shè)計使施加于活塞上的力過大，或轉(zhuǎn)釬所需分力變小，則活塞回程加速度增大，導(dǎo)致沖擊能加大，鑿巖機反彈振動力加大，釬桿易斷，工作不穩(wěn)。在正常情況下，旋轉(zhuǎn)所需分力和活塞沖擊能可互相調(diào)節(jié)。但是，它存在兩方面的不穩(wěn)定性，一是卡釬，二是回油管爆裂。雙面回油型液壓沖擊機構(gòu)具有不間歇回油、排油時間長、回油壓力脈動小以及活塞形狀好等優(yōu)點，但其缸體和配油閥結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，加工工藝性較差，配油閥的耗油量稍高。前腔常壓式液壓沖擊機構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡單，沒有吸空現(xiàn)象，配流閥耗油量少，能量利用率高等優(yōu)點，可作為中重型液壓鑿巖機的首選結(jié)構(gòu)形式。相比之下，前腔常壓型和后腔常壓型的活塞直徑差要大一些，因此效果也差一些。與之對比，前腔常壓型配油閥只在活塞回程中由后腔排油，排油時間短，流量峰值大，回油阻力大，回油壓力脈動大，這是前腔常壓型的主要缺陷，一般通過安裝回油蓄能器來減小其不利影響。相應(yīng)的雙面回油型的油缸缸體結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，加工難度大。四通閥的典型結(jié)構(gòu)是三槽二臺肩，四通滑閥的典型結(jié)構(gòu)是五槽三臺肩，三通閥比四通閥少一個臺肩，因而可以做得比較短，可以減輕閥芯重量，節(jié)省閥芯運動時的耗油量。雙面回油型的前腔面積小，因而回油阻力小，而后腔常壓型的前腔面積大得多，因而回油阻力也大得多。2)活塞沖程階段的前腔油壓液流動阻力問題在沖程階段，前腔常壓型的前腔油液要被壓到后腔，因而產(chǎn)生一定的阻力，但因其前腔受壓面積較小，所以阻力也較小。本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書14 有閥型液壓鑿巖機沖擊機構(gòu)的結(jié)構(gòu)分析前腔回油后腔常壓型、后腔回油前腔常壓型和雙面回油型液壓沖擊機構(gòu)由于配油方式的不同而具有各自的特點 [12]：1)活塞回程制動階段的吸空問題在活塞回程制動階段，前腔常壓型沖擊機構(gòu)從原理上不會產(chǎn)生前腔的吸空問題，而后腔常壓型和雙面回油型沖擊機構(gòu)則必然會產(chǎn)生前腔的吸空現(xiàn)象，這對活塞、缸體及回油管都是有害的。但對鑿巖作業(yè)來說，確定沖擊頻率的條件是一次沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力波不致與前一次沖擊所產(chǎn)生的應(yīng)力波重疊并累積起來，所以過高的沖擊頻率也未必有利。由于利用油液的微量可壓縮性，所以工作腔和壓油腔容積較大，致使機器尺寸和重量均較大。同時活塞的前腔與高壓油相通，后腔與回油相通，又為活塞回程運動作好準備，如此不斷往復(fù)循環(huán)。由于活塞的慣性以及前腔高壓油的膨脹，使活塞繼續(xù)作回程運動，這時活塞后腔的油液被壓縮儲能，壓力逐漸升高，直到活塞回程使前腔與回油相通，后腔與高壓油相通，即活塞到達如圖 24c 的位置時，活塞開始向左作沖程運動。24a 表示無閥型液壓鑿巖機回程開始的情況，這時活塞前腔與高壓油相通，后腔本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書13與回油相通，于是活塞向右作回程加速運動。其特點是利用油的微量可壓縮性，以較大容積的工作腔(活塞的前腔和后腔)和壓油腔形成液體彈簧作用，在活塞往復(fù)運動時產(chǎn)生壓縮儲能和膨脹作功。活塞向右運動打開回程換向信號孔口 A 時，高壓油經(jīng)推閥油路作用在閥芯的右端面，推動閥芯回程換向(圖 23d )，閥左端腔室中的油經(jīng)推閥油路、活塞中間腔和回油通道返回油箱，閥芯運動到左端，為下一循環(huán)作好準備?；钊蜃筮\動到預(yù)定位，打開沖程換向信號孔口，高壓油經(jīng)推閥油路作用在閥芯的左推閥面，推動閥芯向右運動進行沖程本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書12換向(圖 23b)配流閥右端腔室中的油經(jīng)推閥油路進入活塞中間腔，再經(jīng)回油通道返回油箱，為回程運動作好準備，與此同時，活塞打擊釬尾。圖 22 前腔常壓后腔回油型液壓鑿巖機沖擊工作原理(a)回程加速(b)回程換向、回程制動(c)沖程加速 (d)沖程換向、沖擊釬尾1—缸體 2—活塞 3—蓄能器 4—配流閥A—回程換向信號孔位 B—沖程換向信號孔位（3）雙面回油型液壓鑿巖機沖擊工作原理 [13]此類液壓鑿巖機都為四通芯閥式結(jié)構(gòu)，采用前后腔交替