设计理念论文：液压器设计理念透析

作者：杨襄璧 罗铭 单位：中南大学液压机械工程研究所 安徽惊天液压智控有限公司

前者表明液压冲击器的工作能力，而后者则表明其工作效率的高低，两者的乘积就是其功率输出，即N=W×f。因此，在液压冲击器设计时，必须协调冲击能W与频率f之间的合理配置关系，求得在装机容量最小的前提下，机器的工作效率最高。例如对液压破碎锤而言，要求大的冲击能W，并适当降低冲击频率f，以满足增大冲击力和提高破碎效果的要求；对液压凿岩机而言，虽然同为液压冲击器，它则要求小冲击能W，并尽量提高冲击频率f，以满足高速钻孔的要求。液压冲击器的工作参数主要包括活塞的最大冲击末速度速υm，工作流量Q，工作压力P以及最优轴推力FT等。活塞的最大冲击速度υm—这是活塞打击钎尾瞬间的接触速度，它的大小反映活塞的动能传递给被击物上的冲击能W大小，而冲击能W又与υ2m成正比。显然提高υm对提高冲击能W是有利的。但υm的提高却受到两方面的限制：其一，受活塞和钎杆材料性能的限制，因为冲击速度υm与接触应力σ有关，其值越高则σ越大，影响活塞和钎杆的使用寿命。目前在材料的许用接触应力σ限制下，一般选υm=9~12m/s是可行的。但随着材料科学的进步，υm值的进一步提高是可能的；其二，还受冲击机构的频率限制，其原因在于活塞的结构行程有限，在有限的行程上把活塞加速到要求的υm的时间将很短，υm越高则这时间将越短，无法满足低频的要求。因为低频意味着活塞的循环时间和冲程时间都较长，而高υm必然导致冲程时间和循环时间的缩短，即冲击机构的频率高，无法满足低频的设计要求。当然也可以采用加大活塞运动力和降低υm的技术路线，提高冲击能和降低频率。但会加大机构的结构尺寸，也不理想。

总之，设计时必须根据使用条件综合考虑，工作流量Q—这是液压冲击器工作时泵输给它的入口流量，属独立变量。液压冲击器工作时，表现出的一切行为和性能，都随它的变化而变化，而不是相反！）工作压力P—这是液压冲击器工作时系统要求的工作压力，即保证实现其性能参数必须的系统压力。工作压力P是因变量，随输入流量Q和结构参数的变化而变化。也就是说系统工作时，当其他参数不变，你是无法改变压力值P的大小的。这也验证了液压技术的一条最基本的原理：系统的压力决定于外负荷。所谓液压冲击器设计，就是用所设计的结构参数和输入的工作流量来保证系统额定工作压力PH的实现。轴推力FT—液压冲击器工作时，由于活塞的冲程加速，会使机体产生后坐现象，致使钎杆脱离与被冲击体的接触，影响冲击工作不能正常进行。为了克服液压冲击器的后坐现象，液压冲击器工作时在机体的轴线上必须施加一个推力以保证钎杆与被冲体紧密接触。这推力，行业上称之为轴推力。轴推力的大小应当适当，太大太小都不好，这就提出了一个最优轴推力的概念。施加给液压冲击器的最优轴推力，与选择承载机的吨位紧密相连，吨位小了下压的轴推力不够，吨位太大虽然满足了轴推力的要求，却使承载机的投资成本增高，也不理想。因此在液压冲击器设计中，寻求大冲击能与小轴推力，一直是优化设计的一个追求目标。这样就可以使大冲击能的液压冲击器与较小吨位的承载机相匹配，形成高效的作业组合，降低作业成本。

液压冲击器的结构参数主要包括活塞的三个直径d1、d2和d3，活塞的工作质量m，以及活塞的工作行程S。液压冲击器的结构参数决定其性能参数。因此也可以说，所谓液压冲击器的设计，实质上就是确定（求得）保证可以实现其性能参数的结构参数，即求得d1，d2，d3，m和S。必须指出，在液压冲击器结构参数一定的情况下，其性能参数和工作参数都将随输入流量Q的变化而变化。那种在上述前提下，企图通过其他措施调节系统压力的想法都是不可行的。由上述可知，系统油压P是一个变量，是一个因变量，工作中它自身无法主动改变自己，只能随流入油腔的流量变化而变化。由于液压冲击器工作时，输入油腔的油液每时每刻都在变化，所以油压P也每时每刻都在变化，没有一个常值。产品样本上给出的油压，笔者认为叫额定油压较为合适，用PH表示，以示区别。它是用压力表在液压冲击器输油管入口处可量得的压力。在此压力下，液压冲击器的性能参数达到额定值。实际上PH是一个虚拟参数，并不存在，但它在液压冲击器的设计和使用中却非常有用。设计时以它（PH）为依据，进行性能参数、工作参数和结构参数的计算，并对液压系统和元件进行选择。在使用现场，则成为操作者了解系统工作正常与否的重要依据。至于为什么PH能担当起如此重任，后面的章节有详细的论述。液压冲击器工作原理简析市场上液压冲击器产品林立、品种繁多，它们的结构原理也各不相同，看起来让人眼花缭乱。笔者将其工作原理（非结构原理），最本质、最关键的东西进行抽象、总结，梳理出三种工作原理：纯液压式、氮爆式和气液式工作原理，基本概括了液压冲击器工作原理的全部。现分别予以简析，利于以后的理论研究和分析。纯液压式工作原理纯液压式工作原理有三种实现形式：前腔常压后腔变压工作原理（简称前腔常压原理）、后腔常压前腔变压工作原理（简称后腔常压原理）和前、后腔变压工作原理（简称前、后腔变压原理）。前腔常压工作原理这是液压冲击器发展过程中最原始，最古老的一种工作原理，以后的技术进步都是在它的基础上发展起来的。温故而知新，下面我们对它进行分析与说明。图1为前腔常压纯液压冲击器的工作原理简图。从图中可以清楚地看到，该系统由缸体、活塞、换向阀和油液通道组成。其中缸体和活塞组成冲击体，而活塞在缸体内则由于油液的推动而往复运动，向外输出冲击能，对被击物体施加强大的冲击力，形成锤击作用。换向阀的作用是通过阀芯的换向运动，形成对推动活塞运动的油液的换向，实现活塞周期性的往复循环运动。