氣動鑿巖機新型減振手把的設(shè)計與研究

王悅勇，劉恩國，張峰華，劉鑒

（阿特拉斯·科普柯(沈陽)建筑礦山設(shè)備有限公司技術(shù)中心，遼寧沈陽110027）

廣泛應(yīng)用于采礦、鐵路及公路建設(shè)的氣動鑿巖機，其工作環(huán)境一般是在露天、坑道或山地；其工作頻率一般在30-60Hz 的范圍內(nèi)[1]。 人在操作鑿巖機時，人的手臂(或部分身體)需要對機器施加一定的力，特別是鉆鑿水平方向的孔時，單靠氣腿已無法見成效。隨著巖石硬度與鑿孔角度的變化，人施加于鑿巖機上的力也是變化的，也就是說， 機器作用在人體上的反作用力也是變化的。 由于人體受到機器的作用力，人的身體將產(chǎn)生加速度。人的各種器官在機器振動頻率和加速度的共同干擾下，將對身體健康產(chǎn)生不良影響。

對于某一種型號的氣動鑿巖機來說，由于氣壓的變化，會出現(xiàn)頻率或高或低的情況。 而這個范圍內(nèi)的干擾頻率，將和人體很多部位的固有頻率相接近，這樣就會與人體某些部位產(chǎn)生共振現(xiàn)象。長時間工作時，將會造成操作人員手掌、胳臂發(fā)麻，眼睛發(fā)花、發(fā)脹，頭腦發(fā)暈，內(nèi)臟(包括心臟，胃等)也會產(chǎn)生不適感。 為了保證操作人員的健康，因此急需研究有效的減振降噪技術(shù)，一方面能夠更好的滿足環(huán)境法規(guī)的要求，而另一方面能夠有效提高產(chǎn)品的性能指標(biāo)，它具有很大的社會效益和經(jīng)濟效益。

1 3D 實體建模

Pro/E 軟件是美國PTC 公司開發(fā)的三維建模設(shè)計系統(tǒng)。PTC 提出的單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征、 全相關(guān)的概念己成為當(dāng)今世界機械CAD/CAM/CAE 領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)[2]。 該軟件以使用方便、參數(shù)化建模和系統(tǒng)的全相關(guān)性而聞名于全球的制造行業(yè)。

本文采用Pro/E 的自頂向下(Top-Down)的建模方法，其是一種產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，從產(chǎn)品的概念設(shè)計開始， 而后逐漸的將產(chǎn)品定位設(shè)計，最后設(shè)計成具有完整零部件的整機。自頂向下設(shè)計的核心是將產(chǎn)品的關(guān)鍵信息放在一個骨架的模型上，在設(shè)計中通過捕捉骨架模型信息傳遞到底層的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中。骨架模型更改后整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)將隨著更新。 YT28 型氣動鑿巖機自頂向下三維實體建模過程如下：

①在Layout 中定義整個鑿巖機的產(chǎn)品設(shè)計信息。 鑿巖機設(shè)計中，活塞的行程和大徑是設(shè)計重要環(huán)節(jié)。合理的尺寸可保證整機的沖擊能及扭矩。

②在Skeleton 中建立3D 形式的鑿巖機設(shè)計信息占位空間和相對位置關(guān)系。 首先設(shè)計骨架，鑿巖機的大小、主要結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)位置等都由骨架確定，然后給骨架裝配上零部件。

③用Publish Geometry 特征發(fā)布鑿巖機的設(shè)計信息， 用Copy Geometry 特征傳遞鑿巖機設(shè)計信息到單個設(shè)計組元中，根據(jù)上級發(fā)布的設(shè)計意圖及本系統(tǒng)的特點創(chuàng)建幾何模型。利用自頂向下方法建立的YT28 型氣動鑿巖機三維實體模型見圖1。

鑿巖機利用自頂向下建模便于管理，可以系統(tǒng)管理整體中的子零部件，能方便地控制零件與零件之間的裝配間隙和約束關(guān)系，子零部件可方便進(jìn)行設(shè)計而不必考慮裝配問題。

圖1 YT28 型氣動鑿巖機實體模型

2 減振工作原理

為了減少鑿巖機的振動對操作人員健康的損害，本新型結(jié)構(gòu)在鑿巖機的把手部分增加專門的減振器件，使機器的振動動能得到一定衰減[3]。新型減振手把的分解圖見圖2。

圖2 新型減振手把分解圖

本款氣動鑿巖機新型減振手把包括手柄和設(shè)于手柄兩端的把手架，把手架一端為容納手柄頂端的圓形凹腔，其中圓形凹腔內(nèi)有彈性材料制成的第一減振元件，把手架另一端與氣動鑿巖機的長螺栓相連接。 手柄兩側(cè)各有一個把手架，兩個把手架起到夾持手柄的作用；同時，把手架圓形凹腔中的第一減振元件將手柄和把手架隔離，使把手架的振動不直接傳遞到與人體接觸的手柄上，而是對其進(jìn)行部分振動能量衰減。

把手架分別與第一、第二長螺栓的連接處設(shè)有由彈性材料制成的第二減振元件，第二減振元件為環(huán)形彈性件，第一、第二長螺栓為鑿巖機機體的一部分，主要用于將減振手把與鑿巖機機身連接。環(huán)形彈性件的內(nèi)外表面分別與長螺栓和把手架的表面接觸，從而可以使長螺栓產(chǎn)生的振動得到衰減。

手柄呈中空的管狀，并且套設(shè)有由彈性材料制成的第三減振元件，第三減振元件徑向具有一定的厚度，其橫截面上設(shè)有一組通孔，并且沿手柄長度方向貫穿第三減振元件。

第一、第二、第三減振元件分別作為一個減振單元，即鑿巖機產(chǎn)生的機械振動要經(jīng)過三級減振， 每級的減振元件起到隔離和阻尼吸收的作用，使最終傳遞到操作者手上的振動已經(jīng)大大降低。同時，所有減振元件具有獨特的結(jié)構(gòu)，本身的變形能力較強，同時亦能對各個方向的振動進(jìn)行有效抑制，提升了減振手把的減振效果。

3 鑿巖現(xiàn)場振動測試

試驗設(shè)備采用丹麥B&K 公司的高速數(shù)據(jù)采集儀， 配以高靈敏度的帶內(nèi)置電荷放大的傳感器；測試過程中外部環(huán)境條件良好，無外界干擾，保證了測試的準(zhǔn)確性。測試過程中采用美國PCB三軸加速度傳感器，可同時測量三個方向，輕型鈦結(jié)構(gòu)外殼，僅重3.1 g。測量坐標(biāo)系如圖3 所示。

圖3 測量坐標(biāo)系

振動測試數(shù)據(jù)是在花崗巖上打孔得到的，每種試驗情況都進(jìn)行多次數(shù)據(jù)采集，測試內(nèi)容包括采集型號為YT29A 和YT28 氣動鑿巖機更換新型減振手把前后兩種不同工況下的振動數(shù)據(jù)，以YT28 為例，合成加速度幅值如圖4 所示。

通過振動信號時域和頻域測試分析，可以清楚發(fā)現(xiàn)新型減振手把能夠有效減小振動的傳遞。采用原始結(jié)構(gòu)手把振動的合成加速度最大值約為723g， 而采用新型減振手把振動的合成加速度最大值約為70g。振動的有效值大為減小(參見表1 所示)。 振動有效值是表征振動能量的主要參數(shù)，說明了減振機構(gòu)具有明顯的效果。

4 結(jié)語

圖4 YT28 標(biāo)準(zhǔn)手把和減振手把振動合成加速度幅值圖

表1 振動測試分析結(jié)果

氣動鑿巖機新型減振手把減振系統(tǒng)采用三級減振機構(gòu)，鑿巖機工作時產(chǎn)生的振動要通過這三級減振機構(gòu)，每級的減振元件起到隔離和阻尼吸收的作用，而最終傳到操作者手上的振動大大降低；減振元件采用獨特的設(shè)計，整體結(jié)構(gòu)創(chuàng)意新穎，設(shè)計精巧合理，其將鑿巖機手柄與機體的剛性連結(jié)改變?yōu)槿嵝赃B結(jié)，既保證了原來手柄的功能又顯著降低了振動，這樣就大大降低了對操作者的直接傷害，明顯改善了使用狀況。

[1]劉恩國.淺析氣動鑿巖機械的發(fā)展趨勢[J].鑿巖機械氣動工具，2013（4）：14-16.

[2]馬希青，教光印等.基于Pro/E 的液壓支架三維實體建模與運動仿真[J].煤礦機械，2007（1）：73-75.

[3]呂惠民， 李福德. 氣動鑿巖機減振手把 [P]： 中國，201220479963.0.2013-04-03.