0 前言

在轻型液压凿岩机的设计中, 为了减轻机重, 目前普遍采用螺旋副和棘轮棘爪的内回转转钎机构。这种内回转液压凿岩机的冲击和转钎运动是相互联系的, 活塞的往复运动将受到转钎运动的影响, 本文通过理论分析和推导, 揭示了两者间的有关规律。

1 活塞受力分析

虽然内回转液压凿岩机在回程过程中活塞的运动受到钎头阻力矩变化的影响, 但在冲程过程中, 棘爪处于顺齿状态, 其运动加速度是不受影响的。下面就活塞回程时的受力情况进行分析(前腔常压后腔回油的配油方式)。

活塞回程过程时, 前腔进压油, 后腔回油; 前腔的压油作用于活塞的前腔有效作用面积上, 产生一作用力F:

式中:P_g——系统的压力;

A₂——前腔有效作用面积。

这个力又被分为两部分:一部分用来克服活塞的惯性, 使其作匀加速运动:

式中:m——活塞质量;

a——活塞回程加速度;

A₂₁——回程时用于使活塞加速的作用面积。

另一部分作用于螺旋机构，以产生一扭矩来克服来自钎头的阻力矩。

式中:A₂₂——回程时用于产生扭矩的作用面积。

即:作用于A₂₁面积上的压油使活塞作加速运动, 而作用于A₂₂面积上的压油使其产生扭矩。

显然, 当一台凿岩机设计制造完毕后, 它的A₂和P_g是不变的。但在实际凿岩过程中, 钎头阻力矩是不断变化的, 为了克服这一变化的阻力矩的扭矩也随之变化, 即A₂₂的值是随阻力矩的变化而变化的, 这就势必引起A₂₁的变化, 即活塞回程加速度的变化。

从上面的分析可知, 阻力矩的变化势必引起活塞回程运动时的加速度的变化, 由此又引起其它参数的变化, 使得在凿岩过程中, 活塞的运动参数总是在变化着。这是内回转液压凿岩机与外回转液压凿岩机的一个最大的不同点。

2 抽象设计变量法

为了分析推导的方便, 我们采用理想线性模型, 用抽象设计变量来进行分析。

我们假定:活赛的运动是匀加速运动, 配油阀的换向在瞬间完成, 忽略冲击后的反弹及各种阻力。活塞在一个循环过程中的速度变化曲线如图 1所示, 这与实测的活塞速度变化曲线基本上是吻合的。

在上述假设条件下, 抽象变量设计法认为:在保证给定指标冲击能E(冲击末速度V_m)和频率f(循环周期T)的要求下, 一个冲击器的合理设计在于合理地分配一个循环周期内的冲程时间T₁和回程时间T₂。据此提出抽象设计变量α=T₁/T, 并导出一套完整的冲击器设计计算公式。

3 冲击器有关参数的理论探讨

图 1中粗实线表示的是设计所要求实现的活塞运动曲线, 但在凿岩过程中, 由于实际的钎头阻力矩是变化的, 当实际值与设计值不同时, 活塞的运动就将偏离这一规律。

当钎头阻力矩大于(或小于)设计值M时, 压油用于产生扭矩的作用力增大(或减小), 而使活塞作加速运动的作用力减小(或增大)。由此引起回程阶段的加速度发生变化, 从而导致凿岩机有关参数的一系列变化。

为了推导和分析的方便, 我们引入回程加速度变化比值X。令:

式中:a₂——回程加速度的设计值;

a_2x——回程加速度的变化值;

X——回程加速度变化比值。

并且我们假定:活塞在某一回程过程中, 钎头阻力矩为一恒定不变的值。

3.1 回程阶段

a.  回程加速阶段

式中:S_j——回程加速行程的设计值;

S_jx———回程加速行程的变化值;

T'₂——回程加速时间的设计值;

T'_2x——回程加速时间的变化值。

由于回程信号孔位置不变, 有:S_J=S_jx

回程加速时间为设计值的1/X^1/2倍

式中:V_mo——回程末速度的设计值;

V_mox——回程末速度的变化值。

可知:回程末速度为设计值的X^1/2倍。

b.  回程减速阶段

由于阻力矩在整个回程过程中都起作用, 此时回程减速度也将发生变化。

代入化简得:

式中:a₁——冲程加速度的设计值;

a_1x——冲程加速度的变化值;

T₂"——回程制动时间的设计值;

T_2x"——回程制动时间的变化值;

α——抽象设计变量;

V_m——冲击末速度;

T——周期。

式中:S_z——回程制动行程的设计值;

S_zx——回程制动行程的变化值。

其中:S——行程的设计值;

S_x——行程的变化值。

活塞行程的变化趋势见图 2。

3.2 冲程阶段

冲程时棘爪处于顺齿状态, 活塞运动加速度不受影响, 但因行程发生了变化, 冲程时间及冲击末速度也就发生了变化。见图 3所示。

式中:T₁——冲程时间设计值;

T_1x——冲程时间变化值

式中:V_mx——冲击末速度的变化值;

V_m——冲击末速度的设计值。

式中:E——冲击能的设计值;

E_x——冲击能的变化值。

冲击能的变化情况见图 2。

周期:T_x=T_2x'+T_2x"+T_1x

式中:T——周期的设计值;

T_x——周期的变化值。

式中:f_x——频率设计值;

f——频率变化值

周期的变化情况见图 4。

4 结论

综合以上分析可知, 内回转液压凿岩机活塞的运动是遵循一定规律随钎头阻力矩的变化而变化的。

当X > 1时, 即阻力矩小于扭矩设计值时:

S_x > S——行程增长;

T_lx: > T_l——冲程时间增长;

V_mx > V_m——冲击末速度增大, 冲击能增大。

当X < 1时, 即阻力矩大于扭矩设计值时:

S_x < S——行程缩短;

T_lx < T₁——冲程时间缩短;

V_mx < V_m——冲击末速度减小, 冲击能减小。

从图 2至图 4可看出, 活塞运动参数的变化曲线比较平缓。只是X < 0.5时, 周期(频率)曲线比较陡, 因此只要凿岩机在设计工况点附近工作, 对凿岩机的影响就不会太大。

由图 2~图 4还可看出, 随着α值的增大, 活塞运动参数受钎头阻力矩变化的影响也愈大。因此, 在内回转液压凿岩机设计时, α宜取小值。

内回转液压凿岩机的钎头阻力矩是与轴推力有关的。液压凿岩机工作时也存在一个最优轴推力。为了液压凿岩机能较好地工作, 就要求较好地控制液压凿岩机的轴推力, 使其在设计所要求的工况点附近工作。

另外, 当某一时刻钎头阻力矩为零时, 则进入前腔的压油全部用来使活塞作回程加速运动, 此时, 活塞的行程将达到最大。在内回转液压凿岩机的设计中, 需要考虑这种情况, 令其结构行程大于活塞的可能最大行程, 以免发生冲坏机器的事故。