新型氣液聯(lián)合液壓錘沖擊器動力學(xué)建模與仿真

0新型控制系統(tǒng)的研究自20世紀70年代中期開始，液壓機開始開發(fā)，并隨著世界各國對節(jié)能和環(huán)保的高度重視而開發(fā)。與臺式電腦相比，能量傳輸效率高，噪聲低，無油煙污染，打擊能量大。整個脈沖器完全關(guān)閉，沖擊噪音的傳播完全關(guān)閉，整個沖動裝置可以在水下工作。由于液壓機運動受油控制，它可以打傾斜樁?，F(xiàn)在，全世界的工業(yè)化國家已經(jīng)廣泛使用和形成了一系列。然而，我國對液壓機的研究起步較晚，進展緩慢。中國僅對一些國外的電氣管的建模進行了模擬研究。目前，中國還沒有真正意義上的液體錘產(chǎn)品，因此對新型高效錘控制系統(tǒng)的研究具有重要意義。1錘擊機構(gòu)液壓系統(tǒng)壓壓缸圖1是新型氣液聯(lián)合液壓錘沖擊器系統(tǒng)原理圖,新型氣液聯(lián)合液壓錘沖擊器與國外液壓單作用和液壓雙作用沖擊器相比較,最大的特點在于該沖擊器也屬于雙作用,但上腔為氮氣,依靠壓縮氮氣的爆炸能和錘體的重力勢能共同作用實現(xiàn)打樁,其沖擊器的一個工作周期分為4個階段:增壓階段、回程階段、沖程階段和保壓沉樁階段.在起始階段,由于系統(tǒng)壓力為零,所以當系統(tǒng)啟動后,首先要建立工作壓力才能打樁,插裝閥11打開,插裝閥15關(guān)閉,主泵1泵出的液壓油經(jīng)氣液聯(lián)合主控閥20分別流入沖擊器下腔和高壓蓄能器17,沖擊器下腔壓力從零上升到可以平衡錘體重力,此階段為增壓階段;隨著系統(tǒng)壓力繼續(xù)增加,沖擊器進入回程階段,錘體開始加速上升;當上升到一定高度,沖擊器上腔氮氣壓力大于設(shè)定的控制壓力時,氣液聯(lián)合主控閥向左運動,此時插裝閥11關(guān)閉,插裝閥15打開,此時進入沖程階段,沖擊器下腔的液壓油進入低壓蓄能器16和回油箱,主泵1泵出的液壓油進入高壓蓄能器17,錘體在自身重力和沖擊器上腔的壓縮氮氣爆炸能共同作用下,開始加速下打;從錘體接觸到樁帽開始進入保壓沉樁階段,持續(xù)到與樁帽脫離,即打擊力為零的時候,錘體上升,進入下一個工作循環(huán)周期,不斷完成打樁過程與其它液壓打樁錘沖擊器系統(tǒng)相比較,該系統(tǒng)還具有以下功能.(1)具有防空打功能即脫樁保護功能.在施工過程中出現(xiàn)斷樁和脫樁的情況,控制系統(tǒng)中閥9上位工作,從而使閥12左位工作和閥13右位工作,從而使沖擊缸下腔的回油經(jīng)過閥12和閥13進入插裝閥11和15的上腔,鎖死插裝閥,實現(xiàn)沖擊器錘頭制動,避免空打?qū)σ簤簶跺N的損害;(2)可以實現(xiàn)打擊能和打擊頻率在一定范圍內(nèi)無級可調(diào).通過調(diào)整控制系統(tǒng)中閥3和4的溢流壓力,實現(xiàn)控制氣液聯(lián)合控制閥20所需要換向的氮氣壓力,即控制了沖擊缸活塞壓縮氮氣的行程,實現(xiàn)調(diào)節(jié)打擊能和打擊頻率.2沖擊裝置系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的構(gòu)建2.1在系統(tǒng)減壓階段的數(shù)學(xué)描述中假定臨界壓力為p2.2振動跟蹤階段的數(shù)學(xué)描述沖擊缸上腔為氮氣,初始氮氣體積為V式中:v為沖擊缸活塞的瞬時速度;p沖擊缸上腔氮氣壓力式中:V2.3脈沖沖程階的數(shù)學(xué)描述同理可得出沖程階段的數(shù)學(xué)描述為式中:p2.4錘擊機構(gòu)動力學(xué)建模由于地基的原因,沖擊器打樁過程是一個復(fù)雜的受力過程,打樁過程中的沖擊器、樁、土構(gòu)成一個相當復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng).結(jié)合ZCY07液壓樁錘沖擊器沖擊系統(tǒng)的具體主體結(jié)構(gòu),提出一種沖擊器系統(tǒng)模型,該模型充分考慮錘擊系統(tǒng)中各部分對打樁性能的影響.描述沖擊系統(tǒng)動力學(xué)模型,如圖2所示.用質(zhì)量塊分別表示樁錘、樁帽和機架裝置,用彈簧表示樁墊,用一并聯(lián)的彈簧和阻尼器表示錘墊的黏彈性.由于本模型不僅考慮錘墊、樁墊和機架的共同作用,而且還考慮了錘墊的黏彈性,其適用性更強、更廣泛圖中m根據(jù)圖2建立動力學(xué)方程,其中由于錘墊墊層的黏滯阻力對系統(tǒng)影響較小,可以忽略不計,因此系統(tǒng)的動力學(xué)方程可表示為初始條件為3沖擊器系統(tǒng)仿真分析針對ZCY07氣液聯(lián)合液壓錘沖擊器系統(tǒng)參數(shù),利用Matlab軟件中的Simulink工具箱對以上建立起來的沖擊器系統(tǒng)分別對各階段的數(shù)學(xué)模型進行仿真求解,從而計算并記錄了沖擊過程中各組成部分的位移、速度、加速度和所有沖擊力變量隨時間變化的過程,其變化過程如圖3~8所示.由圖3可知,沖擊器系統(tǒng)在高壓蓄能器和控制系統(tǒng)壓力工作作用下,沖擊器錘體上升的加速度加大,在0.26s的時候達到最大,此時沖擊器系統(tǒng)所受的內(nèi)力最大;由圖4可知沖擊器錘體在自身重力和上腔氮氣爆炸壓力共同作用下,以大于一個重力加速度加速下打,最大值達到20.23m/s4沖擊器系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化通過建立液壓錘沖擊器的打樁過程的各階段數(shù)學(xué)模型,并對其動態(tài)運動過程進行分析,