独立无级调节控制的新型液压冲击器

1 液压冲击器的现状及改进途径

目前世界上很多厂家生产的液压冲击器斗具有调节冲击能的功能，以适应不同块度与硬度岩石 的破碎要求。与一般液压机械不同，液压冲击器的负载是活塞运动的惯性力。因此，改变提供给 液压冲击器的流量，就能改变液压冲击器的工作压力和冲击能量。但由于冲击功率与流量的立方 成正比，与活塞行程成反比，为保证液压系统电动机的正常工作，在改变流量的同时，一般都通 过改变活塞运动行程来达到改变液压冲击器冲击能与冲击频率的目的，把改变液压冲击器活塞行 程的方案称为换挡方案

国内外现有各种液压冲击器的行程调节都是有级的。一般只有二至三挡，而且调节行程很不方 便。所以， 在液压冲击器工作时，行程都保持不变，除非遇到大量大块岩石需改变冲击能时才进 行调整。必须指出的是，由于结构尺寸的限制，冲击器行程不可能很大，液压冲击器的冲击频率 不可能设计得很低。

根据岩石破碎学理论，岩石破碎有一个最低能量要求，当冲击能低于其要求的最低冲击能时， 就无法破碎岩石。为破碎不同块度与硬度的岩石，当行程不变，要增大冲击能时，必须提高冲击 压力，这样冲击频率也升高，冲击功率会增大很多。由于目前采用行程反馈原理的液压冲击器冲 击能和冲击功率在调节过程中是连锁同步变化的，当冲击能增大时，冲击功率也增大，这就要求 增大装机容量。

解决此问题的办法是打破压力与流量成正比的关系，使冲击压力和供油流量独立无级调节控 制，从而使冲击能和冲击频率独立无级调节控制。即通过调节控制冲击系统的工作压力来调节控 制冲击器的冲击能，冲击压力高时冲击能很大；冲击压力低时冲击能小。通过调节控制供油泵的 输出流量来调节控制液压冲击器的冲击频率，供油流量大时冲击频率很高；供油流量小时冲击频 率低。这样， 可把冲击能调节到很大，而冲击频率可降到很低，使冲击功率不至增大很多。根据 破碎现象来选择冲击能和合适的冲击频率，可提高效率，减小液压碎石机配套底盘的型号，降低 造价，有利于液压碎石冲击器的推广与应用。

2 新型冲击器的结构与工作原理

新型液压碎石冲击器采用压力反馈控制原理的工作方式，突破液压冲击器传统的行程反馈控制 原理和供油流量的独立无级调节控制液压碎石机冲击器工作性能参数的目的。其结构和工作原理 可有多种型式，下面分析研究一种主要的结构型式及其工作原理。

（1）结构

如图 1 所示，冲击器采用前腔常压，后腔压力高、低交替变化的后腔控制式。冲击活塞 1 与 缸体 2 行成四个容腔，即开有油孔 I 的常常压前腔 a，能连通冲程反馈信号孔 II 和油孔III 的常 低压腔 b，开有 IV 的可变压力后腔 c 及密闭氮气室 3。缸体前部常高压腔 a 经 I 及油路与配油 阀的常高压腔 e 和供油泵输出的高压油源 P 相通，油源通道上设有高压蓄能器 5。油孔 II 由油 路与配油阀的常低压腔 g 和回油 O 相通，并在回油通道上设有回油蓄能器 6。冲程末了，活塞 端面 B 越过油孔 II，油腔 b 把孔 II 和孔 III 相通。缸体后部的后腔 c 经油孔 IV 及油路与配油 阀的变压腔 f 相通。

配油阀采用锥阀形式和优化的不等阀开口量技术，回程时阀的开口量小；冲程时阀开口量大。 推阀腔 d 经油路与压力控制锥阀 7 相通，控制高压油源 P 的通断。锥阀 7 的开启压力由控制油 压 Px 确定。阀芯 8 的左右椎柱台肩分别交替控制配油阀常高压腔 e 与变压腔 f 和配油阀常低压 腔 g 与变压腔 f 的通断，当腔 e 与腔 f 连通时，腔 g 与腔 f 阻断，当腔 e 与腔 f 阻断时，腔 g  与腔 f 连通。阀芯d 腔有作用面积大于 h 腔有效作用面积，推椎阀 h 经油路与高压油源 p 连通。

图 1 新型液压冲击器结构与工作原理图

（a）回程开始状态 （b）冲程开始状态

1 冲击活塞 2 缸体 3 氮气室 4 镐钎 5 蓄能器 6 回油蓄能器 7 锥阀 8 阀芯 9 阀体

（2）工作原理

a 回程

图 1a 所示为活塞已完成了一次冲击，且阀已换向，整个系统处于回程开始状态。此时配油阀 的推阀腔 d 通过油孔 II 和 III 已与回油 O 相通，而推阀经油路和阀芯中心的孔道始终与高压油 源 P 相通，阀芯 8h 腔高压油作用下处于图示左端位置。高压油 P 经阀体高压腔 e、油孔 I 与活 塞前腔 a 相通，而后腔 c 则通过油孔 IV 经阀体的变压腔 f、低压腔 g 与回油连通；故活塞 1 在 前腔压力油作用下向右开始回程，同时压缩氮气室 3，高压蓄能器 5 充油，随着回程增加，氮气 室 3 压缩量增大，其压力升高，系统压力也升高；当压力升高到压力控制锥阀 7 的开启压力时， 锥阀 7 打开，高压油进入推阀腔 d 中，因 d 腔作用面积大于 h 腔作用面积，阀芯在压力差作用 下迅速向右作回程换向运动，阀体的控制变压腔 f 与高压腔 e 连通。这样活塞前、后腔均与高压 油相通，形成差动连接，活塞回程加速阶段结束。尽管活塞的后腔作用面积大于前腔作用面积以 及氮气压力作用，此时活塞因惯性作用将继续向右运动，只不过作减速运动，直至速度为零，完 成整个回程动作。从以上叙述可知，活塞回程实际包括回程加速和回程减速两个阶段。

b 冲程

活塞回程结束，为冲程作好了准备，冲程开始时整个油路状态如图 1b 所示，它与回程减速阶 段一样，阀芯 8 在油液压力差作用下仍处于右位，活塞前、后腔均与高压油相通，保持差动连 接。冲击活塞 1 在压力油压差及氮气膨胀作用下向左加速运动，开始冲程。冲程加速后期，速 度很高，需要油液流量大，系统压力降低，高压蓄能器排出大量油补充到后腔中。当活塞端面 B 越过冲程换向反馈信号孔 II 时，推阀腔 d 经油孔 II、III 与回油沟通，失去高压，同时压力控 制锥阀 7 关闭，阀芯在 h 腔高压油作用下迅速向左作冲程换向运动，随即活塞 1 冲击镐钎 4， 冲程结束。冲程结束。冲击器又恢复到回程初始状态，重新开始下一个循环回程运动。

由上述工作原理可看出，压力控制锥阀可控制系统冲击压力 p，当液压冲击器其它参数确定后， 无级调节控制油压 Px，锥阀控制压力即可无级变化，从而液压冲击器的冲击能也可能无级变化， 压力高时冲击能大，压力低时冲击能效。通过无级调节控制供油泵供给冲击系统的流量，可以无 级调节控制液压冲击器的冲击频率，流量大时冲击频率高，流量小时冲击频率低。其重要特点是 两者的调节控制可以是同步或分别独立进行，这样冲击频率可以调节得很低而冲击能可以调节到 很大，充分利用装机容量，以适应各种工况的需要。

另外，如果当 Px 调节得过大，系统压力在回程时升高却不能打开压力控制锥阀 7 时，活塞仍 回程。当继续回程到活塞端面 A 越过信号孔 II 时，压力油就会经前腔 a 及油孔 I、II 进入推阀 腔 d 中，从而使阀芯向右作回程换向运动。这样就可限制系统冲击压力过高，冲击行程过长， 冲击能过大而使机器损坏。

冲击器采用一种新型配油阀，该阀阀口采用锥阀口形式，密封采用锥面和柱面密封相结合。阀 芯运动到位静止时，阀口由锥面密封和柱面密封相结合，阀芯换向运动时由柱面密封，而阀芯静 止时间长，锥面密封油液泄露量几乎为零，阀芯运动时间短，所以整个工作过程中，阀口油液泄 露量极少。又锥阀阀口流量系数大，油液流经阀口时压力损失少。另外新型配油阀还采用优化的 不等阀开口量技术，即液压冲击器冲程时所需流量大，阀芯处于右位时使其开口量大，液压冲击 器回程时所需流量小阀芯处于左位时使其开口量小，充分利用阀芯的运动行程，使阀芯运动行程 减小，减少换向运动的能量损耗，这样就会使配油阀的能量损失大大降低。回程换向时阀一旦开 启，阀芯推阀面积迅速增大，阀芯快速运动到位，并且有液压油垫缓冲，防止阀芯运动碰撞损坏。

这样控制原理使冲击系统压力越高时活塞行程越长，冲击系统压力越低时活塞行程越短，它与 恒功率多挡液压凿岩机冲击器的行程长时冲击系统压力低，行程短时冲击系统压力高的控制原理 完全不同。