楊襄璧

（中南大學，湖南 長沙 410083）

筆者在《鑿巖機械氣動工具》1992年第1期發(fā)表的《液壓沖擊器抽象變量設(shè)計理論》[2]中提出了一個新的概念—液壓沖擊器結(jié)構(gòu)抽象變量β。文中所述只是對結(jié)構(gòu)抽象變量的創(chuàng)新性、系統(tǒng)的合理性和可行性進行了概括的探討；對其設(shè)計的理論問題，并沒有進行較為深入的探討和研究。本文將對液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)抽象變量β，進行進一步的討論，以提高對液壓沖擊器的規(guī)律性的認識。因為前腔常壓全液壓液壓沖擊器是當今市場上占統(tǒng)治地位的液壓沖擊器，具有廣泛的代表性，因此本文就以它為原型進行理論研究。至于其他工作原理的液壓沖擊器，則都能從本理論中派生出來，不言自明。

筆者定義液壓沖擊器結(jié)構(gòu)抽象變量β為

式中F1g——活塞沖程的有效運動力，即活塞后腔的有效面積上承受的運動力，使活塞產(chǎn)生沖擊運動

F2g——活塞回程加速階段的有效運動力，即活塞回程前腔有效面積上承受的運動力，使活塞產(chǎn)生回程運動

A1'——活塞后腔的有效承壓面積（A1'＝A1－A2，因前腔常壓）

A1——活塞后腔的實際承壓面積

A2——活塞前腔的實際承壓面積，并且A2'＝A2

F1g是活塞沖程的有效運動力，即活塞后腔的有效面積上承受的運動力，使活塞產(chǎn)生沖擊運動；F2g是活塞回程加速階段的有效運動力，即活塞回程前腔有效面積上承受的運動力，使活塞產(chǎn)生回程運動。

為什么這樣定義呢？試想一個液壓沖擊器它最關(guān)鍵的部件就是活塞，活塞定了，整個液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)也就定了。這里所說的活塞結(jié)構(gòu)系指活塞的前、后腔的實際面積，這兩個面積定了，則活塞的實際結(jié)構(gòu)也就定下來了。其中活塞的面積比，雖然很抽象，但它能代表一個設(shè)計。因為每個具體的液壓沖擊器活塞都有一個一定面積的前腔和后腔面積，它們的面積比都必然存在，并且是唯一的。因此，將活塞前、后腔的有效面積比β定為活塞結(jié)構(gòu)的抽象變量，說它代表一個設(shè)計是可行的，是有理論根椐的。

可見，β是一個比值，無量綱，是活塞前、后腔有效壓力的比值?；钊啊⒑笄怀惺艿挠行У膲毫褪鞘够钊麤_程和回程的有效運動力，在這兩個力的作用下，活塞才能產(chǎn)生往復運動；因為沖程和回程的系統(tǒng)壓力相等，所以有效運動力之比就變成了活塞前、后腔的有效的面積比A1'/A2；又因為活塞沖程和回程的質(zhì)量相等，則沖程和回程的有效運動力之比就與沖程和回程的加速度之比a1/a2相等。

因為，液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)抽象變量β＝A1'/A2，它就非常形象地表示了活塞的結(jié)構(gòu)特征，也就形象地表示了液壓沖擊器的一個設(shè)計。只要將β與所設(shè)計的液壓沖擊器的沖擊能和頻率聯(lián)系起來，就能求出活塞的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即完成了活塞的設(shè)計。

因為，液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)抽象變量β＝a1/a2，它又非常形象地表示了活塞的運動特征,并決定了活塞沖程、回程的速度。也就是說，β值決定了活塞的運動特點，也就形象地表示了活塞的運動規(guī)律。

表示液壓沖擊器運動學特征的抽象變量，定義為：

式中T1——活塞的沖程時間

T——活塞的循環(huán)時間

顯然，α＝T1/T，它形象地表示了活塞的運動學特點，故也將其稱為液壓沖擊器的運動學抽象變量。

液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)抽象變量β，也稱為液壓沖擊器的動力學抽象變量?；钊倪\動規(guī)律，決定于加于其上的運動力的變化規(guī)律。也就是說，動力學是因，運動學是果。有因才有果，那么動力學與運動學之間，一定存在一種關(guān)系。這關(guān)系在《液壓沖擊器抽象變量設(shè)計理論》[2]中已經(jīng)導出：

即已知活塞的結(jié)構(gòu)抽象變量β，就可以方便地求得它的運動學抽象變量，進而求得活塞運動的所有參數(shù)（見《液壓沖擊器抽象變量設(shè)計理論[2]（4.2最優(yōu)行程及運動學參數(shù)計算）。

根據(jù)下式可方便地求解沖程的有效作用面積

式中WH——所設(shè)計液壓沖擊器的沖擊能

α——液壓沖擊器的運動學抽象變量

Vm——活塞的最大沖擊速度

T——活塞的運動周期（沖擊器的運動頻率）

PH——所設(shè)計的系統(tǒng)壓力等級（設(shè)計者選定）

S——活塞的行程

K——考慮活塞運動各種阻力的系數(shù)，K＝1.15

這些參數(shù)皆為已知，故沖程的有效作用面積A'1可求，而 A2＝A'1/β，即活塞前、后腔的面積均為可求。因此，就可以據(jù)此設(shè)計活塞了。以上所述，清楚地表明了筆者提出的液壓沖擊器抽象變量理論的思路歷程和研究方法。下面對β進行進一步的研究。

1 液壓沖擊器結(jié)構(gòu)抽象變量β與三代液壓沖擊器的關(guān)系

液壓沖擊器發(fā)展至今已經(jīng)走過了三代：

（1）全液壓式液壓沖擊器：這是出現(xiàn)最早的液壓沖擊器。該液壓沖擊器的特征在于其工作介質(zhì)只有一種—液壓油，活塞往復運動全靠液壓油來推動。這種原理的液壓沖擊器又有前腔常壓，后腔常壓和前、后腔變壓式等工作原理之分。在液壓沖擊器的發(fā)展過程中，由于效率和結(jié)構(gòu)的原因，后腔常壓和前、后腔變壓式工作原理的液壓沖擊器，已逐漸被淘汰，退出了市場?，F(xiàn)在市場上的純液壓沖擊器（包括液壓鑿巖機和液壓錘）幾乎全是全液壓式液壓沖擊器一統(tǒng)天下，這也是本理論重點研究內(nèi)容放在全液壓式液壓沖擊器上的主要原因之一。全液壓式液壓沖擊器的β＝A'1/A2。

（2）氣液式液壓沖擊器：該液壓沖擊器的特征在于其工作介質(zhì)既有液壓油又有氮氣，液壓沖擊器從理論上講，完全是全液壓式液壓沖擊器的理論延伸和發(fā)展。它主要用于液壓破碎錘、液壓打樁機和液壓鍛錘等低頻、大沖擊能的液壓沖擊設(shè)備上。實際上，氣液式液壓沖擊器就是全液壓式液壓沖擊器引入了氮氣的結(jié)果，則其結(jié)構(gòu)抽象變量應為 βc＝β＋1，見公式（8—1）

（3）氮爆式液壓沖擊器：該液壓沖擊器的特征在于其工作介質(zhì)既有液壓油又有氮氣，與氣液式不同的是，活塞回程時用液壓推動，并在氮氣腔中儲存能量；活塞沖程時則不使用液壓油，完全靠氮氣的儲能推動做功，故它沖程時不消耗液壓油，效率較高。氮爆式工作原理的液壓沖擊器，從理論上講，它也是全液壓式液壓沖擊器的理論延伸和發(fā)展。氮爆式液壓沖擊器的主要優(yōu)點是效率高，但在運行過程中液壓波動嚴重，管路損壞厲害，推廣受阻，也很少使用。氮爆式液壓沖擊器，也屬于氣液式液壓沖擊器的一種，β＝A1'/A2；βc＝ β＋1＝A1'/A2＋1＝A1'/A2＋A2/A2＝A1/A2， 故氮爆式液壓沖擊器，其結(jié)構(gòu)抽象變量與氣液式液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)抽象變量是一致的，均為βc＝A1/A2。必須指出，氮爆式液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)特征一定是活塞兩端直徑相等，即d1＝d2，這樣的活塞結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)抽象變量必然β＝0，茲證明如下：因為活塞兩端的直徑相等， 則 A1＝A2；β＝A1－A2/A2＝0；引入氮氣后，就成了氮爆式，它的活塞結(jié)構(gòu)抽象變量 βc＝β＋1，βc＝1。

液壓沖擊器發(fā)展之初，人們所能想到的就是用油推動活塞往復運動輸出沖擊能，實現(xiàn)打擊功能。隨著使用的廣泛，人們開始思考液壓沖擊器的效率問題。發(fā)現(xiàn)引入氮氣可以提高效率，于是氣液式液壓沖擊器誕生了。人們進一步研究又發(fā)現(xiàn)，隨著氮氣參與的比重增加，效率會越來越高，直至沖程時完全取消液壓油，則氮爆式液壓沖擊器就誕生了。非常遺憾，氮爆式液壓沖擊器雖然效率高、結(jié)構(gòu)簡單，但運行中液壓波動嚴重，油管振動厲害，因此，基本上退出了市場。保持氮爆式液壓沖擊器的高效率，減小其運行中的液壓波動，是液壓沖擊器研究中的一個新的課題。

2 任何全液壓式液壓沖擊器，只要引入氮氣就變成了氣液式液壓沖擊器

任何全液壓式液壓沖擊器都可以改造成氣液式液壓沖擊器，只要將其活塞的尾端加一個氮氣室，充入一定壓力的氮氣，則這個全液壓式液壓沖擊器就變成了氣液式的了。這個氣液式的液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)抽象變量βc＝β＋1，而全液壓式液壓沖擊器的結(jié)構(gòu)抽象變量β＝A1'/A2，則βc＝A1'/A2＋A2/A2＝A1/A2。

公式βc＝A1/A2表明：全液壓式液壓沖擊器引入氮氣后，相當于增加了活塞沖程的有效作用面積，這個增加的有效面積就是A2，于是，活塞的結(jié)構(gòu)抽象變量發(fā)生了變化?；钊Y(jié)構(gòu)抽象變量由β＝A1'/A2變成 βc＝A1/A2，顯然，βc＞β。 結(jié)構(gòu)抽象變量的變化，必然導致活塞運動學的變化。

新形成的氣液式液壓沖擊器系統(tǒng)中，有兩個獨立變量可調(diào)：這就是泵的流量和充入氮氣室的氮氣壓力，從而改變氣液式液壓沖擊器的輸出——沖擊能和頻率。新形成的氣液式液壓沖擊器，可提高系統(tǒng)的效率，這是不言自明的，因為沖擊能中包含了氮氣的能量。

3 在全液壓式液壓沖擊器結(jié)構(gòu)抽象變量β值的存在域上有幾個關(guān)鍵節(jié)點

全液壓式液壓沖擊器結(jié)構(gòu)抽象變量β值的存在域，β值的分布非常廣泛，從∞→5→3→2→1→0→-1。這其中，β的每一個具體數(shù)值都代表一個設(shè)汁，并具有自己的獨特結(jié)構(gòu)和特點，但β＝∞沒有實際使用價值。

全液壓式液壓沖擊器結(jié)構(gòu)抽象變量β值的存在域上，大致可分為四段：

這種β＝0的全液壓式液壓沖器因為A2＝A2'＝A1，并且是前腔常壓，則通油后由于前、后腔的承壓面積相等，活塞兩端的壓力成平衡狀態(tài)，液壓沖擊器不能工作。

這種全液壓式液壓沖擊器，只有引入氮氣后，才能建立起沖程有效作用力，活塞才能產(chǎn)生沖擊運動，活塞才能產(chǎn)生往復運動向外輸出沖擊能。很顯然，活塞的回程是用油推，氮氣腔儲存能量；沖程則全靠氮氣推動，不耗油效率較高。具有這種特點的氣液式液壓沖擊器則給它一個特殊的名字，稱為氮爆式液壓沖擊器。

（4）β＝－1的全液壓式液壓沖擊器，其結(jié)構(gòu)特征為 A1＝A1'＝0；A2＝A2'。 這種沖程有效面積等于零的活塞結(jié)構(gòu)，實際上它是柱塞油缸結(jié)構(gòu)。由于它不能建立起沖程有效運動力 F1g＝A1'×PH＝0×PH＝0，這種結(jié)構(gòu)的沖擊器，它只有回程沒有沖程，形成不了往復運動。

所以，β＝－1的全液式液壓沖擊器，沒有實際使用價值。此外，前腔常壓式原理的液壓系統(tǒng)，也不適應這種柱塞結(jié)構(gòu)的液壓沖擊器。

4 改造β＝－1的全液壓式液壓沖擊器為單管柱塞式液壓沖擊器

β＝－1的全液壓式液壓沖擊器，因為活塞為柱塞式結(jié)構(gòu)，A1＝0，通油后活塞只有回程沒有沖程，此液壓沖擊器是不能正常工作的，必須進行結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)的全面改造：

（1）引入氮氣建立沖程有效運動力：在活塞的尾端設(shè)氮氣室，充入一定壓力的氮氣。

（2）改造液壓系統(tǒng)：使前腔通油，或者回程前腔放油（前腔與回油通）活塞沖程。因沖擊器為柱塞式結(jié)構(gòu)，只有前腔沒有后腔，則要求前腔通油，活塞回程，并壓縮氮氣室的氮氣儲存能量，為沖程準備能量；當活塞前腔與回油相通時，活塞沖程。為使活塞滿足上述要求，必須對原系統(tǒng)進行改造，將原二位四通閥改變?yōu)槎蝗ㄩy，如圖1所示。

圖1 二位三通閥控制的單管液壓沖擊器液壓系統(tǒng)

（3）這個系統(tǒng)中必不可少的要安裝液壓蓄能器，其安裝位置有二：

如圖1所示，將蓄能器布置在三通閥高壓油入口處。這是很常規(guī)的布置方法，活塞回程時蓄能器儲油→放油，當三通閥換向后，高壓油的通道被關(guān)閉，則泵打出的油只能泵入蓄能器，活塞到達打擊點，三通閥換向，活塞完成一個循環(huán)又開始回程，則蓄能器又開始蓄油→排油，重復上述過程。

必須指出，該系統(tǒng)的蓄能器工作與前腔常壓式液壓沖擊器的蓄能器的工作完全不一樣。

這就是：所示的系統(tǒng)工作時，蓄能器的工作為：活塞回程→蓄能器儲油→排油→三通閥換向→活塞沖程→泵的全流量都注入蓄能器儲油→活塞沖至打擊點→三通閥換向活塞回程→蓄能器儲油→系統(tǒng)開始新的循環(huán)。這里與前腔常壓式液壓蓄能器不同的是，三通閥換向后，蓄能器就一直接受泵的全流量儲能。不像前腔常壓式有一個排油過程。這就是該系統(tǒng)設(shè)計蓄能器時，必須注意的地方。

如圖2所示，將蓄能器布置在三通閥的出口處。這樣，活塞回程時，三通閥向前腔供油，蓄能器蓄能；三通閥換向，活塞沖程時，使前腔與回油通，蓄能器放油，直至隔膜觸底無油可放，活塞沖至打擊點停止；三通閥換向后，活塞又回程，則蓄能器又開始儲能，重復上述過程。這樣，系統(tǒng)中蓄能器雖然能夠工作，但當隔膜觸底時由于頻繁地與底板沖擊接觸，使隔膜損壞嚴重，使用壽命縮短。為解決隔膜觸底的難題，筆者想了一個巧妙的辦法——控制蓄能器的充氣壓力，使其等于回油管路的回油壓力。這樣就能使得蓄能器放油時，氣腔的壓力與回油管道的壓力實現(xiàn)平衡，則隔膜就會停止在蓄能器底板之上，不與底板接觸，有效地提高了隔膜的使用壽命。

圖2 蓄能器布置在三通閥的出口處

結(jié)論

（1）前腔常壓式液壓沖擊器是液壓沖擊器的最原始形態(tài)，其他原理的液壓沖擊器都是它的發(fā)展、延伸和派生。

（3）引入氮氣后的氣液式液壓沖擊器系統(tǒng)中包含兩獨立變量：這就是泵的排量和氮氣室的充氣壓力。它們都可以獨立調(diào)節(jié)，以改變系統(tǒng)的輸出。

（4）β＝－1的前腔常壓式的液壓沖擊器，沒有使用價值，必須對其系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)進行重大的改造，才能變成理論和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的新型液壓沖擊器——單管柱塞式液壓沖擊器。