液压冲击器回油储油腔 一、技术领域
本发明涉及一种液压冲击器回油储油腔，特别是氮爆式液压冲击器回油储油腔的设计。
二、背景技术
液压冲击器问世至今，已经走过了起初的全液压式和后来的气液联合式以及近年来发展起来的氮爆式工作原理的不同发展阶段。由于氮爆式工作原理应用较晚，其设计理论和方法尚不成熟，并由于结构和原理要求必须设置回油储油腔。因此，提出一种新的回油储油腔设计是液压冲击器技术发展的迫切需要。
三、发明内容
本发明的目的是，提出一种氮爆式液压冲击器回油储油腔的优化设计，以提高其技术性能，减小冲程回油阻力，提高效率和减轻油管振动，提高胶管使用寿命。下面结合附图对本发明技术内容作一说明：
1、附图表明活塞1正处于冲程结束回程开始的位置。这时换向阀4的回油口T被关闭，高压油从P口经阀4进入活塞的前腔V2推动活塞作回程加速运动。当活塞A2面越过反馈孔K1时，高压油经K1孔至阀4推动阀芯换向，则P口被关闭，阻断高压油进入前腔地通道，而回油孔T却与V2连通为活塞冲程作好准备。活塞在回程中，其A3面压缩氮气室3中的氮气而蓄积能量。这时由于活塞失去回程的推动力而转入回程的制动阶段，直至速度为零时则回程运动结束，为冲程创造了条件。
2、活塞冲程时，氮爆式液压冲击器的一大特点是油液此时不提供能量，而是完全靠氮气蓄积的能量，膨胀作功推动活塞作加速运动，直至撞击凿杆把气体的压缩能转变为活塞运动的冲击能。
3、活塞冲程时，可令活塞前腔V2的油液实现全部或部分排入回油储油腔V1，则是氮爆式液压冲击器的又一大特点。设计时，可令活塞前腔的油液部分进入回油储油腔而其余部分则直接排入油箱。这样进入回油储油腔的油液则只能待活塞回程时再排入油箱，即活塞前腔的回油，在一个循环中分两次(冲程和回程)排回油箱。
氮爆式液压冲击器冲程时，之所以形成前腔油液全部或是部分被排入回油储油腔，还是直接排入油箱？这其中决定的是活塞前、后(储油)腔的面积，即A1/A2＝M。
当A1＝A2时，M＝1。这时前腔回油全部排入回油储油腔，活塞前腔排油阻力(背压)最小。但活塞回程时，储油腔向油箱的排油阻力也最大。当A1＝0时，M＝0，冲程时前腔回油全部排入油箱，而排入回油储油腔的油液等于零，则活塞前腔排油阻力最大，但活塞回程时，储油腔向油箱的排油阻力却等于零(无油液排回油箱)。这是两个最极端的情况，均不是最优设计，显然M的取值范围为M＝0～1之间。可以想象其间必有一个最优值(最优设计)存在，使液压冲击器的技术性能达到最优。
设计氮爆式液压冲击器时，可根据各种优化设计目标求出M的最优值—最优设计变量Mu：
1、回油管中的流量峰值最小
回油管中的流量峰值越大，油管内部所受应力幅值越大，对油管的寿命影响也越大。因此，降低回油管中的流量峰值，将极大地提高胶管寿命。
以回油管中的流量峰值最小为目标函数求得的最优设计变量Mu＝0.68。
2、回油管中的流量脉动最小
回油管中的流量脉动会引起油管振动。流量脉动的频率越高，油管的振动频率也越高，引起油管的噪声加大和疲劳失效，降低使用寿命。
以回油管中的流量脉动最小为目标函数求得的最优设计变量Mu＝0.68。
3、回油在回油管中所消耗的能量最小
活塞前腔的全部流量流回油箱所消耗的能量大小，与流回油箱的油液流动强度(速度)、流动的时间长短以及冲程和回程向油箱回油量的比例有关，即与回油的流动状态和方式与回油的运动规律有关。不同的流动状态和方式有不同的压力损失和不同的能量消耗。当然液压冲击器的效率也不同。
以回油消耗的能量最小为目标函数求得的最优设计变量Mu＝0.68。
4、冲程时活塞前腔的回油阻力(背压)最小
冲程时活塞前腔的回油必须经过阀口、弯管、直管和管径的收缩与扩张等管路返回油箱并形成背压。这个背压对活塞运动产生阻力，减小这个阻力是回油储油腔设计的优化目标。
以冲程活塞前腔回油阻力最小为目标函数求得的最优设计变量Mu＝1。
Mu＝1，即A1＝A2，表明活塞前腔回油全部排入回油储油腔，待活塞回程时再排入油箱。显然这种回油方式没有充分利用冲程和回程的全部时间进行回油，在前腔回油量一定的前提下，增加回程的排油强度和回油的能量消耗，也增加了管路流量脉动与峰值，这种回油方式不是一个好的设计。
只有按本发明给出的Mu＝0.68设计回油储油腔时，其综合指标最优。最优设计变量Mu＝0.68完全满足回油管中的流量峰值最小、脉动最小和能量消耗最小的目标要求，提高了液压冲击器的技术性能和工作效率，是一个最优化的设计。
众所周知，液压冲击器活塞的回程时间是冲程时间的6～10倍，且随冲击频率的高低有所变化。活塞前腔的回油是在冲程时间进行还是在回程时间进行？是在整个循环时间都回油还是冲程和回程都回油，且按什么样的比例回油？这些不同的回油方式使得回油液在回油管中有不同的流动特性，并影响着油液的运动规律，表现出极大的不同效果，影响着油管的工作效率，以及油管的振动和应力状态；影响着液压冲击器的技术性能。
本发明的实质是，认定回油储油腔具有控制回油方式的作用。活塞后腔面积A1与前腔面积A2之比M＝A1/A2，是回油储油腔设计的优化目标，它的每一个数值都代表了一个回油储油腔的设计。根据回油储油腔设计优化目标求得设计变量Mu，它能代表一个最优设计。
本发明找到了回油储油腔最优设计变量Mu＝0.68。
采用本发明的设计理论和优化方法设计液压冲击器(液压锤)，可提高其技术性能，减小冲程回油阻力，提高效率和减轻油管振动，提高胶管使用寿命。
四、附图说明
附图中1为活塞，2为缸体，3为氮气室，4为换向阀，5为凿杆，V1为回油储油腔，即活塞后腔，V2为活塞前腔，V3为氮气，K1、K2为回油储油腔V1的两个油孔，A1、A2分别为活塞两端的台肩面积，P为高压油口，T为换向阀4的回油口。
五、具体实施方式
氮爆式液压冲击器的回油储油腔V1，即活塞的后腔，它由活塞1的A1面、缸体2和氮气室3的左端面组成，在回油储油腔V1上开有两个油口K1和K2。其中K1用于控制阀4的换向；K2与阀4的回油口连通并连通油箱。冲击器工作时，活塞冲程，前腔V2的回油经阀4与阀的回油口T和回油储油腔V1的K2口相连通；活塞回程，前腔V2经阀4与高压油P连通。
回油储油腔工作时V1的容积在不断的变化，或扩大或缩小，或吸油或排油，由于活塞台肩两端的面积比M＝A1/A2的不同，它有效地控制着液压冲击器的回油方式和技术特性。称M为回油储油腔的设计变量，其值代表一个设计。
M值可通过不同的设计目标函数求得，回油储油腔最优设计变量Mu＝0.68时，可保证冲击器回油能量消耗最小，回油管中流量峰值最小和流量脉动最小，综合技术性能最优。若保证冲程时前腔回油阻力最小，则应选取Mu＝1。