液壓破碎錘破碎混凝土的動(dòng)力學(xué)分析

陳震，黃正祥，黃正華

（1.南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京210094;2.安徽驚天液壓智控股份有限公司，安徽 馬鞍山 243071）

0 前言

液壓破碎錘又稱(chēng)為液壓沖擊器、液壓碎石器，是一種將液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的沖擊工具，其主要功能為形成沖擊、振動(dòng)。由于具有良好工作適應(yīng)性、高工作性能、低噪聲、高效率等優(yōu)點(diǎn)，液壓錘廣泛應(yīng)用于冶金、礦山、道路、建筑等領(lǐng)域，對(duì)巖石、混凝土、鋼包、凍土、水泥路面、橋墩、樓房等堅(jiān)硬物進(jìn)行開(kāi)采、破碎、拆除等作業(yè)，此外還可以通過(guò)改變釬桿用于除銹、打樁等作業(yè)中。長(zhǎng)時(shí)間處于高強(qiáng)度的工作中，對(duì)于機(jī)械設(shè)備的抗疲勞性的要求隨之增高，而現(xiàn)代工程建設(shè)中對(duì)其破碎、拆除的效率和可適用性的要求也隨之增高，僅僅研究破碎錘中的單個(gè)零部件的機(jī)械性能已經(jīng)不能滿(mǎn)足要求，有必要更深入地研究其整個(gè)裝備的動(dòng)力學(xué)性能以及其對(duì)巖石、混泥土等的破碎情況［1-2］。

目前對(duì)液壓錘的研究大多僅限于在沖擊載荷作用下對(duì)單個(gè)部件（如釬桿、活塞桿、工作裝置東臂等）的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)及其應(yīng)力分析，楊紅等研究計(jì)算出液壓破碎錘動(dòng)臂的前5階固有頻率［3］;謝良喜等對(duì)液壓破碎錘的活塞桿在工作情況下進(jìn)行了研究分析［4］;柴睿等介紹了設(shè)計(jì)制造液壓破碎錘活塞桿的若干關(guān)鍵技術(shù)［5］;楊國(guó)平等對(duì)活塞桿和釬桿作了改進(jìn)并對(duì)其改進(jìn)后的模型進(jìn)行了應(yīng)力分析［6］;針對(duì)整個(gè)裝備的動(dòng)力學(xué)分析以及對(duì)混凝土破碎的研究尚未有相關(guān)文章。分析整個(gè)部件的應(yīng)力、研究混凝土破碎情況對(duì)于理清液壓破碎錘內(nèi)在的技術(shù)規(guī)律，設(shè)計(jì)出適用性強(qiáng)的液壓破碎錘具有很強(qiáng)的實(shí)用意義。本文以YYC300型行程反饋式液壓破碎錘為研究對(duì)象，利用LSDYNA仿真軟件對(duì)液壓破碎錘內(nèi)部撞擊情況及其對(duì)混凝土的侵徹進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)對(duì)比分析不同應(yīng)力集中點(diǎn)的應(yīng)力變化以及混凝土開(kāi)坑情況，利用試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)論的可靠性。

1 液壓破碎錘的工作原理

如圖1所示，在液壓錘體中，由于受缸體上腔油壓作用的面積A1大于受缸體下腔油壓作用的面積A2，且A2面總是受高壓，當(dāng)A1面從受高壓作用變?yōu)槭艿蛪鹤饔?，活塞開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，后缸體內(nèi)的高壓氮?dú)饩蜁?huì)伴隨著受壓開(kāi)始蓄能。

初始時(shí)，活塞和閥都處在它們的下端位置，缸體上腔A1受低壓作用，缸體下腔A2和閥的高壓腔A3無(wú)論何時(shí)總是受高壓作用，而與回油口連接的低壓端A4始終處于低壓狀態(tài)。低壓腔與缸體轉(zhuǎn)換腔相連接，這時(shí)與缸體轉(zhuǎn)換腔相連的A5受低壓，所以在活塞向上運(yùn)動(dòng)之前缸體轉(zhuǎn)換腔受低壓。因?yàn)槊娣eA3，A4受高壓且A3＞A4，所以在A5受高壓之前閥受向下力。高壓油進(jìn)入缸體下腔使活塞上升。當(dāng)活塞開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞轉(zhuǎn)換腔的油壓沒(méi)有改變。

圖1 液壓破碎錘工作原理示意圖

此時(shí)，高壓氮?dú)馐軌洪_(kāi)始蓄能。

當(dāng)活塞運(yùn)動(dòng)到中部時(shí)，缸體轉(zhuǎn)換腔與下腔相連，這樣缸體轉(zhuǎn)換腔就受高壓。此時(shí)，A3，A4，A5都受高壓，它們的面積關(guān)系為A4+A5＞A3，這樣閥受向上的作用力，在該作用力下，閥座向上運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，高壓氮?dú)庑钅苓_(dá)到最大。

當(dāng)活塞向下時(shí)，活塞轉(zhuǎn)換腔與閥內(nèi)高壓腔相連接，這樣缸體上腔變?yōu)槭芨邏?。上、下腔都受高壓作用，且A1＞A2，活塞受向下作用力。另一方面，高壓氮?dú)馐軌航o活塞一個(gè)向下作用力，這樣活塞迅速向下運(yùn)動(dòng)。

在這之前，活塞打擊釬桿，缸體轉(zhuǎn)化腔與低壓腔相連接，這樣A5受低壓。又A3，A4受高壓，A3＞A4，所以閥開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)。在閥向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，活塞打擊釬桿?；钊驌翕F桿后，活塞重新開(kāi)始向上運(yùn)動(dòng)。

液壓破碎錘依次重復(fù)以上沖程直至活塞撞擊其打擊對(duì)象為止就算完成一次沖擊工作。

2 液壓破碎錘動(dòng)力仿真前處理

YYC300液壓破碎錘采用SOLIDWORKS軟件進(jìn)行三維建模，應(yīng)用到軟件中零件、裝配體兩個(gè)模塊。在建模過(guò)程中，為了更準(zhǔn)確的反映液壓錘的應(yīng)力情況并減少軟件的計(jì)算量，進(jìn)行了以下簡(jiǎn)化:1）忽略外殼部件以及對(duì)整個(gè)力學(xué)性能影響較小的螺紋、倒角、圓角等要素。2）在實(shí)際模型中焊縫均按照連續(xù)處理，其材料按照與母材相同處理。將以上各個(gè)部分裝配到一起組裝成液壓破碎錘總體，如圖2所示。YYC300液壓破碎錘主要技術(shù)參數(shù)如表1所示，數(shù)值計(jì)算中材料參數(shù)值如表2。

液壓破碎錘各個(gè)零部件均采用SOLID164進(jìn)行6面體網(wǎng)格劃分，而對(duì)于混凝土的不同區(qū)域，網(wǎng)格劃分采用不同的密度，在與釬桿侵徹的過(guò)程中發(fā)生接觸的區(qū)域需要比較密的網(wǎng)格，故采用顯示體單元SOLID164對(duì)其進(jìn)行切割劃分。釬桿與混凝土之間采用面與面侵徹接觸其余零部件之間均采用面與面自動(dòng)接觸，活塞缸體和混泥土處施加全約束且混凝土域邊界設(shè)置為非反射邊界。

圖2 液壓破碎錘簡(jiǎn)化模型

表1 YYC300液壓破碎錘主要技術(shù)參數(shù)

表2 YYC300液壓破碎錘主要零部件及混凝土的材料屬性

液壓錘工作時(shí)的實(shí)際打擊力約為50 kN，工作頻率約為10 Hz，由于在實(shí)際工作狀態(tài)下，施加活塞桿的打擊力作用機(jī)制十分復(fù)雜，為了能夠在LS－DYNA中進(jìn)行處理，首先將實(shí)際打擊力的數(shù)據(jù)換算成給活塞缸一個(gè)持續(xù)時(shí)間為0.000 2 s，在0.000 1 s時(shí)載荷達(dá)到最大值的三角形的脈沖載荷，由于活塞桿施加載荷面積是直徑為45 mm的圓，據(jù)公式P=F/A，則施加載荷隨時(shí)間變化曲線(xiàn)如圖3所示。

圖3 施加的壓力載荷隨時(shí)間變化曲線(xiàn)

3 仿真及實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)重要零部件的關(guān)鍵部位進(jìn)行應(yīng)力分析、對(duì)破碎錘侵徹能力進(jìn)行分析。根據(jù)液壓錘破碎混凝土的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，分析關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力變化。

3.1 液壓破碎錘零部件的應(yīng)力分析

如圖4所示，當(dāng)活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)間為6 500 μs時(shí)，活塞桿與釬桿發(fā)生碰撞，此時(shí)釬桿撞擊面受力最大可達(dá)5.436e3 MPa;當(dāng)活塞桿運(yùn)動(dòng)時(shí)間為9 000 μs時(shí)，活塞桿與活塞缸體碰撞，此時(shí)，應(yīng)力最高可達(dá)5.189e3 MPa（圖5）?；炷恋膽?yīng)力隨著開(kāi)的坑向外圓周減小（圖6）。

圖4 活塞桿與釬桿撞擊瞬間應(yīng)力云圖

圖5 活塞桿與活塞缸體撞擊瞬間應(yīng)力云圖

圖6 混凝土破碎時(shí)的應(yīng)力云圖

選取液壓破碎錘零部件撞擊面應(yīng)力集中處的點(diǎn)為關(guān)鍵點(diǎn):A為釬桿底端與混凝土撞擊面的中心點(diǎn)，B為釬桿上端與活塞桿撞擊面的中心點(diǎn)，C為活塞桿底端與釬桿撞擊面的中心點(diǎn)，D為活塞桿斜側(cè)面與活塞缸體撞擊的點(diǎn)。繪出其應(yīng)力變化如圖7。

圖7 液壓破碎錘中關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力變化曲線(xiàn)

在液壓破碎錘一次沖擊中，A點(diǎn)在6 700 μs時(shí)受力開(kāi)始破碎混凝土，瞬時(shí)應(yīng)力可達(dá)3.4 MPa，此后保持100 MPa直至一次撞擊結(jié)束。B點(diǎn)應(yīng)力在6 500 μs時(shí)達(dá)到瞬時(shí)高峰540 MPa，此時(shí)活塞桿與釬桿發(fā)生碰撞，隨后B點(diǎn)應(yīng)力維持在270 MPa。在7 000 μs時(shí)，活塞桿底面與釬桿撞擊C點(diǎn)產(chǎn)生最大應(yīng)力值460 MPa，隨后應(yīng)力隨著時(shí)間震蕩減弱，直至平衡于150 MPa。在5 300 μs時(shí)，活塞桿側(cè)壁開(kāi)始與活塞缸體第一次碰撞，瞬時(shí)應(yīng)力達(dá)到330 MPa，隨著活塞桿與釬桿的繼續(xù)推進(jìn)直至分離，活塞桿側(cè)壁與活塞缸體完成多次碰撞，由圖可看出D點(diǎn)應(yīng)力逐步震蕩減弱，最后穩(wěn)定在170 MPa。

為了驗(yàn)證仿真結(jié)論的正確性和可靠性，進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)所用儀器為YD－15動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀、工業(yè)計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集與處理軟件、應(yīng)變片以及信號(hào)線(xiàn)。測(cè)量電路如圖8。

圖8 測(cè)量電路圖

試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比如表3。

表3 仿真值與測(cè)量值的對(duì)比

續(xù)表3

由于實(shí)驗(yàn)本身的條件限制，以及液壓錘特殊的工作方式，根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備只能做初步的試驗(yàn)測(cè)試。試驗(yàn)各測(cè)試點(diǎn)的實(shí)驗(yàn)值是根據(jù)液壓錘工作穩(wěn)定后所得的應(yīng)力曲線(xiàn)圖得出數(shù)據(jù)，將某一瞬間的極大值看成是靜態(tài)的，然后與有限元分析值進(jìn)行比較（表3），可知兩者的誤差最大為16.7%，最小為2.4%，通過(guò)比較可以看出有限元計(jì)算結(jié)果是可信的。測(cè)點(diǎn)4的力最大反映出活塞桿與活塞缸體撞擊時(shí)受力比較大，測(cè)點(diǎn)1的力最大反映出釬桿破碎混凝土撞擊力比較大，測(cè)點(diǎn)7的力較大反映出混凝土撞擊部位受到的沖擊力大，這些在有限元應(yīng)力圖中體現(xiàn)得也很明顯。通過(guò)分析比較可知，活塞桿結(jié)構(gòu)比較合理，構(gòu)件受力情況較好，承載能力較強(qiáng)，應(yīng)力分布均勻;釬桿的承受力大;活塞桿與活塞缸體的接觸處結(jié)構(gòu)不太合理，使活塞缸體所受的最大應(yīng)力值偏大，這是由于有限元分析的過(guò)程中沒(méi)有考慮到油摩問(wèn)題并且將模型簡(jiǎn)化了，在實(shí)際工程應(yīng)用中，如果妥善處理好液壓油問(wèn)題，也會(huì)減少應(yīng)力偏大情況的產(chǎn)生。

3.2 液壓破碎錘的侵徹能力分析

液壓破碎錘的侵徹能力可以通過(guò)分析釬桿的x方向位移（即混凝土開(kāi)坑的水平方向位移）、y方向位移（即混凝土開(kāi)坑的豎直方向位移）進(jìn)行分析。

液壓錘釬桿接觸地面，氮?dú)庑钅軐?duì)活塞桿施加壓力，7 000 μs時(shí)釬桿開(kāi)始破碎混凝土，10 000 μs 時(shí)混凝土坑深穩(wěn)定在4.5 cm（圖9）。在釬桿破碎混凝土途中，釬桿的水平位移只有微小震動(dòng)，基本可以忽略不計(jì)（圖 10）。

圖9 混凝土開(kāi)坑的豎直方向位移

圖10 混凝土開(kāi)坑的水平方向位移

為了驗(yàn)證仿真結(jié)論的正確性和可靠性，進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

對(duì)混凝土基準(zhǔn)面進(jìn)行三次侵徹試驗(yàn)，測(cè)得其擊穿深度分別為4.9 cm，4.8 cm，4.5 cm，開(kāi)坑直徑分別為 5.1 cm，5.0 cm，5.2 cm，取其三次試驗(yàn)的平均值得液壓破碎錘對(duì)混凝土進(jìn)行破碎時(shí)侵徹深度為4.7 cm，開(kāi)坑直徑為5.1 cm，仿真所得的侵徹深度為4.5 cm，開(kāi)坑直徑為5 cm，誤差在5%以?xún)?nèi)，與仿真結(jié)果基本一致。

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)液壓破碎錘破碎混凝土的過(guò)程進(jìn)行有限元仿真，得到了液壓破碎錘關(guān)鍵部位的應(yīng)力分布與極限值，分析了其破碎混凝土的效果，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。該研究結(jié)果對(duì)優(yōu)化液壓破碎錘的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、提高液壓破碎錘性能等有指導(dǎo)意義，也可為施工單位選擇液壓錘錘型提供依據(jù)。

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