液壓破碎錘換向閥空蝕問題解析

畢曉鋒

摘要：本文為了更好解決液壓破碎錘的換向閥出現了空蝕的問題，利用有效的軟件構建其仿真的模型，通過研究分析，了解并掌握好換向閥的運動軌道、活塞腔壓力變化曲線等問題，對空蝕的問題解決提供參考。

關鍵詞：液壓破碎錘;換向閥空蝕;問題

中圖分類號：TH137.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0062-02

0? 引言

液壓破碎錘通過高壓液壓油進行工作，在性質方面屬于液壓振動類的機械之一。其作用原理是通過閥控、體活塞系統兩者的配合、信息轉動，在缸體內實現活塞反復、快速的運動，將液壓能有效轉換成為機械能，實現打擊釬桿以及對外做功的效果。在實際過程過程中，為了可以讓液壓破碎錘在穩定的工作狀態下工作，保持其性能，達到有效的工作效果，需要確保換向閥以及活塞之間的配合是有效、高效且良好的。

1? 換向閥存在的空蝕情況

當液壓元件發生損壞之后，最常見的一種現象便是空蝕。液壓破碎錘有著非常大的流量，在不斷反復沖擊過程中，會進一步突出存在的空蝕現象。換向閥若已發生損壞，可能出現麻坑、穿透的情況。而由于元件空心腐蝕，產生機械的星屑，這些粉末狀的屑末會和油液混合，之后隨著油液的軌跡不斷涌入至活塞腔的內部，并在運行過程可能對活塞和缸體產生損壞，如粉末狀的屑末可能劃傷設備內部[1]。

2? 液體破碎錘的發展狀況

液體破碎錘又被稱之為碎石器，其發展基礎為風動錘，動力源為液壓泵，工作介質為液壓油。液壓能可有效轉換成為機械能，形成沖擊的作用，借用壓力進行反復式的活塞運動，產生一定的驅動性。外輸能量以此達到完成工作的目的。當前在冶金、礦山開采、國防施工、鐵路以及公路建設、建筑等當中，對其使用非常廣泛，在1950年代末，便產生了液壓破碎錘，在施工工程當中首先應用，例如：對混凝土進行振搗，在之后的發展中逐步進入了采礦工業，主要的內容為針對礦石實施二次破碎。和傳統爆炸法相比，該項機械破碎法可有效提高社會、經濟效益。由于優勢突出，發展快速，在這五十幾年的發展過程中，液壓破碎錘從一開始只有簡單功能的設備，變成了結構復雜、功能多樣的設備，并且在不斷發展中出現了各種形式的產品。目前的液壓破碎錘有著繁多的種類[2]。例如：日本AWA公司生產了14種液壓破碎錘，并且商家可以結合用戶提出的需求，開展有針對性的設計。

當前對國外的系列液壓破碎錘優勢開展研究分析，發現性能發展包括以下幾方面：

①有較大的沖擊能。沖擊器要保持量，其關鍵在于沖擊器對沖擊能最大限度的提升，這樣可有效提高破碎的效率。②有比較高的能量利用率。③容易更換部件和對其維修。④調節活塞，有效改變沖擊頻率和能力。這樣操作是通過參數調節實現，設定最有效的沖擊參數，適應需破碎巖石硬度。⑤使用智能型的破碎沖擊器技術。結合之前打擊所產生的阻力來決定本次的輸出，連續控制沖擊能量，減少沖擊波共振及發熱的情況，有效減少哭聲，并拓展了釬具使用年限。

3? 工作原理分析：氣液聯合式液壓破碎錘

具體的工作結構圖，如圖1所示。前腔常高壓、后腔變壓氣液聯合自配流式。其中，液壓破碎錘的構成，主要包括沖擊活塞、缸體、換向閥、油管以及相應的管路等。

活塞回程運動，高壓油從油口1進入活塞的前腔，而設備中后腔和油箱是相互連通在一起的，此時借用高壓油的作用力回程運動受活塞的作用，不斷加速，壓縮后氮氣室氮氣存儲量，做好蓄能器儲油的工作。在控制油口出現活塞回程運動之后，高壓油會在信號孔油道中進入，這時閥芯的兩端都會連通高壓油。有效推閥門面積的閥芯a端>b端，以高壓油的作用力，產生向下作用力，閥芯的活塞會在此時提升至回程的頂點。在閥芯轉向方向之后，在活塞后腔會有高壓油進入。

在設計方面中，有效作用面積后腔>前腔，閥芯的加速沖程會以最大速度完成主要作用的是合力作用，這一合力來源于高壓油、后氮氣室產生的，對釬桿打擊，將沖技能輸出。當活塞超越打擊點，由油口2、回油口導通控制，接通了油箱并通過閥門a排出，再次利用b端油壓作用，更加閥芯方向的改變，這樣活塞便會第一時間恢復到最初的回程狀態，步入到之后的打擊循環中，依次反復。

4? 采用AMESim針對液壓破碎錘液壓系統實時建模以及仿真

AMESim為客戶提供出的仿真建模環境非常理想，為時域建模環境，所以可以對圖形的平臺直接觀察，并在整個環境當中，顯示仿真過程。為了直觀、系統、方便構建系統，軟件為用戶提供了HCD液壓元件設計的數據庫，模型完成可對參數反復調適、修改，仿真運行起來也會十分快速、方便。

4.1 仿真模型建立

以系統為基礎假設，與液壓破碎錘的工作原理有機結合，可以達到系統優化的目的。氣體、液體變化與模型有關，因此，模型建立時同時有對液體元件、氣動元件的數據庫，可以更好完成建立。并且需要注意，在模型建立時，充分考慮質量較大的活塞，其重力也是重要的影響因素之一。

4.2 仿真結果與分析

在模型中，做好如下參數設置：機械轉速=1500r/min、定量泵排量=0.2L/r、信號孔內？準=10mm、仿真步長=0.001s、訪問時間=2s，模型運動后，可以得到相關的數據信息內容，如圖2、圖3所示。

根據圖2研究、分析之后可以看出，壓力變化規律和后腔變壓式液壓破碎錘高低壓循環變換相關，放大低壓點局部可看出后腔出現了短時間的負壓（技術時間為5.3ms，負壓峰值-25kPa）。結果圖3可看出，當換向閥關閉后，活塞未對釬桿打擊，而事實上，這個過程活塞實際已進入打擊點（這意味著閥超出中位值），造成高壓油、活塞后腔一起在同個階段被關閉。打擊點活塞速度少量下降，由9.32m/s降低了0.11m/s，通過綜合考量可以得知，換向閥有提前轉向的情況，但提前換下，如果并不嚴重，換向閥并不能提供合理的開口量。

開口量較小情況下，活塞后腔需要有大量流量作為供應使用。這樣就說明開口量較小時有大量流量通過的情況下，閥口流速會不斷增加，導致閥口壓力降低，氣穴產生。假設這個時候，存在嚴重提前換向的情況，換向閥直接進入活塞后腔，切斷高壓油。此時，后腔油液填充由于無法及時進行，吸空產生造成氣穴。換向閥內部氣穴壓潰后，填充過程中壓力沖擊極大，無論哪種情況出現，在時間逐步增加之后，都會對閥壁表面造成破壞，進而產生空蝕問題。

5? 改善問題的有效措施分析

換向閥換氣被提前則造成氣穴，產生空蝕。優化修改仿真模型的參數，可以將沖程反饋口內徑有效減少，進而將換向閥存在的提前換向問題進行消除。借助AMESim軟件，對功能分次處理，把原有10mm信號孔內徑添加1mm補償，有效遞減，五次后即完成處理。結果如表1。

根據表1可看出，縮減信號孔內徑換向閥開口量緩慢提高，從負變成為正開口，有效將后腔負壓值減少，同時保持的時間也有了明顯的縮短，活塞的速度也變成了最大速度。當信號孔內徑達到了7mm之后，我們發現活塞后腔內的壓力是正數，且不再出現負壓。當開口量=8mm時，開口量變為正值，但是依然存在活塞后腔負壓情況，便是典型的提前換向并不嚴重問題。此時，信號孔內徑達到9mm以及10mm后，活塞提前換向問題反而會不斷加重，這一點需要引起注意。

減小信號孔內徑雖然可有效解決換向閥、活塞后腔負壓以及氣穴的問題。但由于信號孔內徑太小傳遞壓力的信號時間可能有所延長，造成換向閥的換向明顯落后，破碎錘打擊頻率過亂，并且明顯減少。為了使信號孔內徑數值最為合理，需要結合仿真，先對參數進行設定，本文設定的信號孔內徑=6.5mm后進行仿真實驗，腔壓力曲線、活塞速度對應換向閥開口曲線一步一步優化[3]。

通過優化并對曲線圖進行分析，再也未見出現活塞后腔負壓問題，最低壓力=0.75bar。分析活塞速度對應換向閥開口量曲線后，未打擊活塞前，速度持續增加，提高到打擊點換向閥開口量大概是2.64mm。其中，產生的最大沖擊速率為9.43，對于改善之前，活塞打擊率的提升為5%。最后一步是進行破碎錘的實際測試，在正常狀態的工作情況，再未見空蝕問題。

6? 結語

總之。其一，有效借用AMESim軟件可以說是比較精確的，對液壓破碎錘系統進行模擬仿真，設置科學的步長以及時間，可以充分、準確顯示設備運動的特點;其二，在活塞工程當中，造成氣穴控制的主要原因便是換向閥有氣穴空蝕;其三，對換向閥提前換向現象進行改善的主要措施便是將信號孔內直徑減小;其四，當液壓破碎錘活塞到達極點時，換向閥需要對合適的開口給予保障。

參考文獻：

[1]張立強，白云飛，周廣星，等.液壓破碎錘換向閥空蝕問題分析[J].液壓氣動與密封，2019，039（003）：40-43.

[2]許同樂，夏明堂.液壓破碎錘的發展與研究狀況[J].機械工程師，2005（06）：20-21.

[3]孔德飛.新型重力式液壓破碎錘的建模、仿真及優化設計[D].2015.