·1186 工程科学学报，第37卷，第9期 量完全由双缓冲系统吸收 x2(s)A。 Pu (s)k (13) 2.1蓄能器模型 蓄能器工作过程分为两个阶段：(1)当应力波经 多次透射、反射到达缓冲活塞时缓冲活塞回程运动，将 式中，s为复频率，s=B+j0当B=0时（⊙ Pn与 油液压至蓄能器压力腔，导致蓄能器内部气体压缩，吸 2(s) 收并储存部分能量：(2)当缓冲活塞回弹至极限位置， P)的比值为 需冲程推动钎具项紧岩石时，蓄能器内部压缩气体释 Pu(jo) (14) 放能量，补充缓冲活塞复位所需流量P-@ Pa (jo)= 2 1- 251ω +i 蓄能器主要零部件为充气阀、检测阀、壳体、隔膜 W 等.将蓄能器主体结构归划分为管道、颈部和压力腔 式中，ω为蓄能器油液振动频率，Hz;w。为蓄能器固有 三个部分.模型如图6所示 频率，Hz:为蓄能器模型阻尼系数.其中， CeWn 0n= ,5=2k。 √m 对比三组不同工作压力下蓄能器固有频率ω。与 P/P(初始充气压力/工作压力)的关系，如图7所 示 P=10 MPa -P=8 MPa &n P.=6 MPa 图6蓄能器简化模型 兰70 Fig.6 Simplified model of the accumulator 蓄能器管道和压力腔内质量等效于颈部的当量质 60 量时，等效质量的动力平衡方程为 A P=m+c+kx (7) 50 式中，A。为颈部受压面积，m2:P4为蓄能器工作压力， P;m。为蓄能器等效质量，kg;x2为蓄能器等效质量的 0.3 0.4 05 0.6 0.7 0.8 位移，m;c.为蓄能器等效黏性系数；k.为蓄能器等效 PJP 刚度，Nm 图7固有频率与蓄能器初始充气压力和工作压力关系 Fig.7 Relationships of natural frequency with inflation pressure and (8) working pressure +()+() 图7中曲线变化规律显示：当工作压力恒定时，初 (9) 始充气压力越大，固有频率越低，初始充气压力越小， 固有频率越高：当初始充气压力恒定时，工作压力越 (10) 大，固有频率越高，工作压力越小，固有频率越低。 式中，p为油液密度，kg·m3:L。为管道长度，m;A.为 考虑缓冲蓄能器吸收应力波能量，避免应力波在 管道受压面积，m2;L,为颈部长度，m;L.为压力腔长度 钎具中来回传播耗损钎具寿命，其固有频率应不同于 的一半，m;A,为压力腔受压面积，m2;m。为隔膜质量， 冲击频率61.71Hz(实验测试)，根据以上分析有两种 kgc。为颈部黏性摩擦系数：cm为管道黏性摩擦系数： 方式： c,为压力腔黏性摩擦系数：k为等熵系数；P为初始 (1)当固有频率高于冲击频率且工作压力恒定 充气压力，Pa;V为压力腔初始体积，m3. 时，应选择初始充气压力较低.由k。可知此时蓄能器 蓄能器模型A,截面的边界平衡条件为 刚性较小，阻尼效果明显，初始充气压力过低会影响蓄 PuA =kx (11) 能器响应速度 由式(7)和式(11)拉氏变换可得 (2)当固有频率低于冲击频率且工作压力恒定 2(s) 时，应选择初始充气压力较高.由k。可知此时蓄能器 P,(可Fm+c5+k (12) 刚性较大，吸能效果减弱工程科学学报，第 37 卷，第 9 期 量完全由双缓冲系统吸收． 2. 1 蓄能器模型 蓄能器工作过程分为两个阶段: ( 1) 当应力波经 多次透射、反射到达缓冲活塞时缓冲活塞回程运动，将 油液压至蓄能器压力腔，导致蓄能器内部气体压缩，吸 收并储存部分能量; ( 2) 当缓冲活塞回弹至极限位置， 需冲程推动钎具顶紧岩石时，蓄能器内部压缩气体释 放能量，补充缓冲活塞复位所需流量［9 － 10］． 蓄能器主要零部件为充气阀、检测阀、壳体、隔膜 等． 将蓄能器主体结构归划分为管道、颈部和压力腔 三个部分． 模型如图 6 所示． 图 6 蓄能器简化模型 Fig． 6 Simplified model of the accumulator 蓄能器管道和压力腔内质量等效于颈部的当量质 量时，等效质量的动力平衡方程为 AnPd = me x ·· 2 + ce x · 2 + ke x2 ． ( 7) 式中，An 为颈部受压面积，m2 ; Pd 为蓄能器工作压力， Pa; me 为蓄能器等效质量，kg; x2为蓄能器等效质量的 位移，m; ce 为蓄能器等效黏性系数; ke 为蓄能器等效 刚度，N·m － 1 ． me = ρLm A2 n Am + ρLnAn ( + 2 3 ρLa + mg A ) a A2 n Aa ， ( 8) ce = cn ( + An A ) m 2 cm ( + An A ) a 2 ca， ( 9) ke = k Pd V ( H Pd P ) H 1 k A2 n ． ( 10) 式中，ρ 为油液密度，kg·m － 3 ; Lm 为管道长度，m; Am 为 管道受压面积，m2 ; Ln 为颈部长度，m; La 为压力腔长度 的一半，m; Aa 为压力腔受压面积，m2 ; mg 为隔膜质量， kg; cn 为颈部黏性摩擦系数; cm 为管道黏性摩擦系数; ca 为压力腔黏性摩擦系数; k 为等熵系数; PH 为初始 充气压力，Pa; VH 为压力腔初始体积，m3 ． 蓄能器模型 An 截面的边界平衡条件为 PH An = ke x2 ． ( 11) 由式( 7) 和式( 11) 拉氏变换可得 x2 ( s) Pd ( s) = An me s 2 + ce s + ke ， ( 12) x2 ( s) PH ( s) = An ke ． ( 13) 式中，s 为 复 频 率，s = β + jω． 当 β = 0 时 x2 ( s) PH ( s) 与 x2 ( s) Pd ( s) 的比值为 PH ( jω) Pd ( jω) = 1 ( 1 － ω ω ) n 2 + j 2ξ1ω ωn ． ( 14) 式中，ω 为蓄能器油液振动频率，Hz; ωn 为蓄能器固有 频率，Hz; ξ1为蓄能器模型阻尼系数． 其中， ωn = ke 槡me ，ξ1 = ceωn 2ke ． 对比三组不同工作压力下蓄能器固有频率 ωn 与 PH /Pd ( 初始充气压力/工作压力) 的关系，如图 7 所 示． 图 7 固有频率与蓄能器初始充气压力和工作压力关系 Fig． 7 Ｒelationships of natural frequency with inflation pressure and working pressure 图 7 中曲线变化规律显示: 当工作压力恒定时，初 始充气压力越大，固有频率越低，初始充气压力越小， 固有频率越高; 当初始充气压力恒定时，工作压力越 大，固有频率越高，工作压力越小，固有频率越低． 考虑缓冲蓄能器吸收应力波能量，避免应力波在 钎具中来回传播耗损钎具寿命，其固有频率应不同于 冲击频率 61. 71 Hz( 实验测试) ，根据以上分析有两种 方式: ( 1) 当固有频率高于冲击频率且工作压力恒定 时，应选择初始充气压力较低． 由 ke 可知此时蓄能器 刚性较小，阻尼效果明显，初始充气压力过低会影响蓄 能器响应速度． ( 2) 当固有频率低于冲击频率且工作压力恒定 时，应选择初始充气压力较高． 由 ke 可知此时蓄能器 刚性较大，吸能效果减弱． ·1186·