落錘式水泥路面破碎錘提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薛雪++郁錄平++周晨龍

摘要：在分析破碎錘的基本組成和工作原理的基礎(chǔ)上，提出了一種落錘式水泥路面破碎錘提升系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、提錘過程的動(dòng)力學(xué)分析、鋼絲繩的受力計(jì)算等進(jìn)行了詳細(xì)論述，最后分析了提錘過程的機(jī)械效率及影響因素，可為路面破碎錘的設(shè)計(jì)與分析提供參考。

關(guān)鍵詞：破碎錘；提升系統(tǒng)；破碎效率；水泥路面

中圖分類號(hào)：U415.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

0引言

水泥混凝土路面強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、使用壽命長、承載能力強(qiáng)，而且其抗車轍能力、水穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性優(yōu)于瀝青混凝土路面，在高速公路、國道及城市公路中得到了廣泛應(yīng)用[13]。但水泥混凝土路面也存在一個(gè)嚴(yán)重的缺點(diǎn)，就是損壞后維修困難。目前常用的維修方法是，將破損的水泥路面進(jìn)行破碎處理，然后修復(fù)[45]。本文對(duì)常見的落錘式水泥路面破碎機(jī)的提升機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行分析。

圖1破碎錘提升機(jī)構(gòu)

1破碎錘的基本組成和工作原理

1.1破碎錘提升機(jī)構(gòu)的工作過程

圖1為破碎錘提升機(jī)構(gòu)示意圖，主要由提錘油缸、鋼絲繩、滑輪、破碎錘和緩沖彈簧組成。其中，滑輪安裝在提錘油缸活塞桿端，提錘油缸缸體固定在機(jī)架上，鋼絲繩一端固定在機(jī)架上，繞過滑輪后，另一端通過緩沖彈簧系在破碎錘上。當(dāng)活塞桿上下移動(dòng)時(shí)，通過滑輪機(jī)構(gòu)使破碎錘提起或下落，完成破碎工作。滑輪機(jī)構(gòu)能起到行程放大和增速作用，有的落錘式破碎機(jī)的滑輪機(jī)構(gòu)可以將破碎錘行程放大到活塞行程的6倍。本文僅分析圖1所示的可以將破碎行程放大到活塞行程2倍的單動(dòng)滑輪機(jī)構(gòu)，所用的分析方法具有普遍性。

1.2破碎錘液壓系統(tǒng)的工作原理

破碎錘的液壓系統(tǒng)應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)破碎錘的提升、懸停、沖擊下落和緩慢下落4個(gè)工作狀態(tài)。本文介紹的液壓系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2液壓系統(tǒng)工作原理

（1） 提升狀態(tài)。當(dāng)破碎錘需要提升時(shí)，給三位電磁換向閥下方的電磁鐵通電，閥芯上移，使來自液壓泵的液壓油推開單向節(jié)流閥的單向閥進(jìn)入到提錘油缸的下腔，活塞桿推動(dòng)滑輪上升，從而帶動(dòng)破碎錘上升。

（2） 懸停狀態(tài)。在工作過程中，只要給三位和二位電磁換向閥斷電，使三位電磁閥閥芯處于中位，二位電磁閥閥芯處于右位，提錘油缸下腔關(guān)閉，可使破碎錘處于懸停狀態(tài)。

（3） 沖擊下落狀態(tài)。當(dāng)需要破碎錘沖擊下落進(jìn)行破碎時(shí)，在電磁換向閥斷電處于中位的條件下，給二位電磁換向閥通電，使其處于左位，則液壓油會(huì)先通過三位和二位換向閥，再通過背壓閥進(jìn)入油箱，并利用背壓閥的壓力使液控單向閥打開。由于液控單向閥的通徑大、液阻小，提錘油缸下腔的液壓油可快速地流回油箱[1]，從而使破碎錘以自由落體形式快速下落。

（4） 緩慢下落狀態(tài)。當(dāng)需要破碎錘緩慢下落時(shí)，在換向閥的電磁鐵斷電的條件下，給三位換向閥上方的電磁鐵通電，此時(shí)，閥芯下移，二位換向閥斷電處于右位，則提錘油缸下腔的油在破碎錘重力的作用下，通過單向節(jié)流閥緩慢流回油箱，實(shí)現(xiàn)慢速下落，而來自液壓泵的液壓油通過二位電磁閥流回油箱。

2設(shè)計(jì)計(jì)算

破碎錘上升過程可以分為3個(gè)階段：加速階段、勻速階段、減速階段。在提速終止時(shí)的減速階段，破碎錘放出的動(dòng)能會(huì)沖擊提升系統(tǒng)，但不能進(jìn)行破碎。

2.1初步確定提錘過程液壓系統(tǒng)的參數(shù)

2.1.1油缸的作用面積AS

無論破碎錘處于加速階段還是勻速階段，均應(yīng)滿足以下條件。

PmaxAS≥2Mg（1）

式中：Pmax為液壓系統(tǒng)最大壓力，也就是圖2中溢流閥的調(diào)定壓力； M為破碎錘質(zhì)量；g為重力加速度。

由此可以求得提錘油缸的直徑DS，即

DS≥8MgπPmax（2）

由油缸產(chǎn)品的直徑系列確定實(shí)際油缸直徑DS的數(shù)值，則油缸的實(shí)際作用面積AS為

AS=πD2S4（3）

2.1.2油缸行程

在實(shí)際施工中，油缸的行程直接決定著破碎錘的提升高度，而破碎錘的提升高度則決定破碎錘落地時(shí)對(duì)路面的沖擊力，直接影響著對(duì)路面的破碎效果。如果提升高度低，不能達(dá)到理想的破碎效果；如果提升高度過高，會(huì)增加設(shè)計(jì)制造的難度及成本，消耗能量大，增加提錘時(shí)間，減小沖擊頻率，降低工作效率，且過度的破碎不利于對(duì)路面進(jìn)行碎石化維修，故工作時(shí)的提錘高度與實(shí)際工況有關(guān)，所以從設(shè)計(jì)的角度來說，提錘高度應(yīng)該設(shè)計(jì)為可以調(diào)整的。

2.2提錘過程的運(yùn)動(dòng)分析

2.2.1穩(wěn)定過程分析

（1） 穩(wěn)定提錘時(shí)液壓系統(tǒng)壓力

P=2MgAS（4）

（2） 穩(wěn)定提錘速度V。設(shè)提錘液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量為QS，則破碎錘的穩(wěn)定提升速度

V=2QSAS（5）

（3） 理論提錘時(shí)間t0。設(shè)提錘高度為H，在不計(jì)提錘起步加速過程的條件下，理論提錘時(shí)間t0可按下式計(jì)算。

t0=HV（6）

2.2.2提錘起步過程分析

（1） 提錘起步加速度a。在液壓系統(tǒng)向提錘油缸的下腔供油后，破碎錘的速度是不可能立刻達(dá)到速度V的，需要有一個(gè)加速過程。在這個(gè)加速過程中，溢流閥打開，多余的液壓油從溢流閥流回油箱，系統(tǒng)的壓力是該溢流閥的調(diào)定液力Pmax，由此得出提錘起步加速度

a=12PmaxASM-g（7）

（2） 最大加速時(shí)間t1和加速高度h1。如果提錘高度比較大，則在提錘速度達(dá)到V時(shí)加速過程結(jié)束，加速過程需要的時(shí)間

t1=Va=4MQSAS1PmaxAS-2Mg（8）

這時(shí)的提錘高度為最大加速高度h1。

h1=12at21=Vt12（9）

2.2.3提錘時(shí)間

（1） 如果提錘高度H小于h1，則整個(gè)提錘過程都在加速，提錘時(shí)間endprint

t=2Ha（10）

（2） 如果提錘高度H大于h1，則提錘過程在加速過程結(jié)束后有一段勻速過程，勻速提錘的時(shí)間

t2=H-h1V=t0-t12（11）

這時(shí)，提錘總時(shí)間

t=t1+t2=t0+t12（12）

2.2.4落錘時(shí)間

落錘時(shí)間t3可以按自由落體計(jì)算。

t3=2Hg（13）

2.2.5頻率計(jì)算

（1） 周期T。破碎錘的工作周期為提錘時(shí)間t、高位等待時(shí)間tH、落錘時(shí)間t3、落地等待時(shí)間tD之和，即

T=t+t3+tH+tD（14）

（2） 頻率

f=1T（15）

3功率計(jì)算

3.1液壓泵的功率計(jì)算

提錘起步階段提錘功率

N1=PmaxQS（16）

提錘穩(wěn)定階段提錘功率

N2=PQS（17）

很明顯，N2

3.2破碎過程的效率分析

提錘過程消耗的有用功

Wr=MgH（18）

將Mg=PAS/2帶入式（18），得

Wr=PASH2（19）

在不計(jì)液壓管路和液壓油缸損失的條件下，提錘過程做的總功

Wz=PmaxASh12+PASH-h12（20）

由此可求得提錘系統(tǒng)的效率

η=WrWz

將式（19）、（20）代入上式，整理得

η=HH+（PmaxP-1）h1（21）

4破碎過程鋼絲繩受力計(jì)算

（1） 在穩(wěn)定提升階段，鋼絲繩的受力

F1=Mg（22）

（2） 在起步加速過程，鋼絲繩的受力

F2=M（a+g）（23）

（3） 提錘停止時(shí)的沖擊現(xiàn)象。當(dāng)破碎錘提升到設(shè)定高度后，控制系統(tǒng)會(huì)立刻關(guān)閉電磁閥，但這時(shí)破碎錘不會(huì)立刻停止，而會(huì)以初速度V做上拋運(yùn)動(dòng)，然后以自由落體的形式下落，并以速度V向下沖擊鋼絲繩和液壓缸。由于破碎錘的質(zhì)量比較大，鋼絲繩的剛度也很大，在提升系統(tǒng)內(nèi)會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊力，所以有必要設(shè)計(jì)緩沖裝置。通常是在鋼絲繩與破碎錘之間布置緩沖彈簧。

由能量守恒定律得

12MV2=12kA2（24）

式中：k為緩沖的彈性系數(shù)；A為緩沖彈簧的最大變形量。

由式（24）得

A=MkV（25）

鋼絲繩和緩沖彈簧的最大受力

F3=kA=MkV（26）