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交变液压驱动凿岩机械多场协同分析

唐昌滔  
【摘要】:交变液压驱动凿岩机械具有能量利用率高、使用范围广等优点,已经广泛应用于冶金、矿山、高铁隧道建设等相关行业领域。目前,国内外对交变液压驱动凿岩机械的系统性研究还不够充分,有关交变液压驱动凿岩机械冲击活塞回弹特性及其冲击机构的瞬态冲击响应方面的研究还相当少。针对这一现状,本论文综合运用了数值分析法、有限元法以及试验法对交变液压驱动凿岩机械的动态特性以及瞬态冲击响应进行较为系统的研究。论文首先根据牛顿第二定律以及连续性原理,建立交变液压驱动凿岩机械冲击系统及配油系统的动力学模型,获得了冲击系统非线性微分方程;其次,基于AMESim建立其数值仿真模型并进行动力特性分析,得到了工作过程中的压力、流量参数以及不同工作参数和工作条件下系统的动态特性;利用获得的流量、压力参数在Fluent软件模拟分析了配油阀四个关键状态下的流场分布规律。研究结果表明:AMESim数值模型引入撞击弹簧刚度和工作介质等效模型能反映交变液压驱动凿岩机械的实际工况,数值模型求解的冲击活塞运动曲线与解析模型求解的运动曲线吻合,证明了数值模型的正确性;工作中,在一定供油范围内,增加供油流量可以增加冲击能,供油流量超过一定值时,系统能量损失增加,能量利用率降低;冲击活塞的回弹使系统排油量增加,导致下一次冲击末速度减小。配流阀在换向过程中内部油液流动不稳定,在多处直角弯道存在能量损失,并针对出现的问题提出了改进意见。基于一维弹性杆波动理论,对交变液压驱动凿岩机械二元冲击机构瞬态响应进行了理论分析,利用显示动力分析软件LS-DYNA对冲击机构瞬态响应进行了有限元仿真计算,重点分析了工作介质、冲击活塞撞击速度对瞬态冲击响应的影响,揭示了不同属性工作介质的动态凿入过程,并通过试验方法验证了有限元仿真模型的正确性。研究发现:钎尾与钎杆之间因发生应力波透反射而存在微小撞击,存在能量损失,实际工作中如不需要经常更换钎杆长度时应选用螺纹连接钎杆;冲击活塞初次撞击的接触时间取决于冲击活塞长度,对于大冲击能的液压凿岩机械,冲击活塞在设计上应增加其长度。上述研究结论,为进一步优化交变液压驱动凿岩机械的结构设计提供了一定的理论依据。


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