高頻破碎錘的系統(tǒng)建模與運動學(xué)仿真

蔡家斌　劉文　丁成波

摘 要：為了確定高頻破碎錘的振動和受力規(guī)律，找出高頻破碎錘的關(guān)鍵部件對打擊力以及打擊頻率的影響，本文首先進(jìn)行理論建模，然后基于SolidWorks對高頻破碎錘進(jìn)行運動學(xué)仿真，找出馬達(dá)轉(zhuǎn)速、空氣彈簧、自身重量等因素對高頻破碎錘打擊力與打擊頻率的影響，對以后高頻破碎錘的優(yōu)化設(shè)計有一定的參考意義。

關(guān)鍵詞：高頻破碎錘；轉(zhuǎn)速；SolidWorks；頻率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.244

0 引言

高頻破碎錘是將挖掘機(jī)的液壓能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能從而進(jìn)行高頻破碎的設(shè)備，其主要應(yīng)用于礦山巖石的破碎、工程建設(shè)特別是舊城改造、混泥土構(gòu)建的拆毀設(shè)施中[1]。高頻破碎錘具有破碎效率高、操作簡便、可靠性強(qiáng)，安全性高、噪音低等優(yōu)點。但是其破碎的巖石一般要有裂痕或是有層次，對于高硬度且無縫的巖石，破碎能力差。因此，找出高頻破碎錘的自身重量，馬達(dá)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速，空氣彈簧等對其自身打擊力和打擊頻率到底有怎樣的影響，是提高高頻破碎錘破碎高硬度巖石能力的先決條件。本文運用SolidWorks對高頻破碎錘進(jìn)行了運動學(xué)仿真，探索關(guān)鍵部件對打擊力與打擊頻率的影響，為進(jìn)一步研究和改正提供了依據(jù)。

1 高頻破碎錘的結(jié)構(gòu)和工作原理

（1）結(jié)構(gòu)。高頻破碎錘的基本組成部分由殼體、振動箱體（齒輪、偏心塊）、上拉支架、下拉支架、斗齒、空氣彈簧等組成[2]。上、下拉支架的一端連接于殼體，另一端連接于振動箱體，四部分組成一個平行四邊形的四連桿機(jī)構(gòu)，空氣彈簧連接于振動箱體和殼體之間，起減震和影響打擊力的作用。斗齒安裝于振動箱體下部分，直接和巖石接觸，為高頻破碎錘的持久打擊提供保證。

（2）工作原理。高頻破碎錘是將挖掘機(jī)的液壓能傳遞給液壓馬達(dá)，由馬達(dá)帶動主軸運轉(zhuǎn)，主軸上的齒輪和偏心塊也會跟著轉(zhuǎn)動。主軸齒輪帶動從動齒輪和偏心塊轉(zhuǎn)動，由于兩個偏心塊是反向同步轉(zhuǎn)動，在軸線連線方向上會產(chǎn)生相互抵消的離心力，在豎直方向上會產(chǎn)生相互疊加的偏心力，稱之為激振力。偏心塊產(chǎn)生的激振力由軸傳遞給箱體，最終傳遞到斗齒，使斗齒產(chǎn)生打擊巖石的破碎力[3]（如圖2）。

2 高頻破碎錘理論模型的建立

由于高頻破碎錘的傳動機(jī)構(gòu)是一個平行四邊形的四連桿結(jié)構(gòu)，運動的時候，上拉支架與下拉支架是平行的，重心繞著某一點旋轉(zhuǎn)，所以模型可以簡化為振動箱體的重心繞一個支點作旋轉(zhuǎn)運動（如圖3）。

振動箱體的質(zhì)量為M，空氣彈簧在充入氣壓以后，勁度系數(shù)曲線近似為一次函數(shù)曲線，我們將空氣彈簧勁度系數(shù)用K代替，外殼安裝在挖掘機(jī)手臂上，工作時外殼近似不運動。初始狀態(tài)時，與振動箱體連接的斗齒剛好與巖石接觸，此時，彈簧的壓縮量為X0，當(dāng)振動箱體受豎直方向的激振力時，整體箱體會往復(fù)運動，其重心軌跡為一條弧線。假設(shè)巖石的剛度系數(shù)為Kz，運動后桿的旋轉(zhuǎn)角度設(shè)為α，支架桿與箱體之間的阻尼為C。

3 高頻破碎錘實體模型的建立

運用SolidWorks軟件對高頻破碎錘進(jìn)行建模。建模既要考慮仿真的準(zhǔn)確性，又要顧及計算機(jī)的運算能力和仿真時間等因素，所以對實際機(jī)構(gòu)做了一定的簡化[4]，省去分析中對結(jié)果無影響的螺釘，軸承，端蓋等。為模擬馬達(dá)的輸入，在SolidWorks Motion仿真中輸入馬達(dá)，為模擬空氣彈簧，在振動體頂端和殼體之間加了一個彈簧，為模擬自身受到重力的作用，在模型中整體都施加了重力，為模擬高頻破碎錘打擊巖石，在斗齒下端加上了巖石模型[5]。如圖4所示。

4 實體模型運動學(xué)仿真

分析高頻破碎錘打擊能力主要從打擊頻率，打擊力，振動振幅三個輸出量來看，影響這三個輸出量的因素有馬達(dá)轉(zhuǎn)速，彈簧勁度系數(shù)，振動體整體質(zhì)量以及其他因素。為了了解高頻破碎錘的極限工作狀態(tài)，即巖石破碎不動的情況下，因此我們在仿真里面設(shè)置的接觸類型為剛性接觸。

4.1 轉(zhuǎn)速對打擊頻率、打擊力、振幅的影響

轉(zhuǎn)速對于高頻破碎錘來說非常重要，因為由前面公式（1-1）可以看出，轉(zhuǎn)速越高，偏心力就會越大，因此打擊力就會越大。

高頻破碎錘的理論轉(zhuǎn)速為1400r/min，空氣彈簧勁度系數(shù)為100N/mm，振動體機(jī)體的質(zhì)量為2200kg時，其仿真曲線為：

從圖5，圖6可以看出，經(jīng)過最初的0.5秒響應(yīng)以后，高頻破碎錘進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，其打擊力約為50KN，頻率為23.33Hz，振幅約為6mm。在改變轉(zhuǎn)速以后，其結(jié)果如下表1所示。

從表1可以看出，轉(zhuǎn)速對于高頻破碎錘的影響作用很大，隨著轉(zhuǎn)速的增加，高頻破碎錘的打擊力會逐漸增大，其振幅會逐漸減小最后趨于穩(wěn)定，而打擊頻率，會隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。

4.2 彈簧勁度系數(shù)對打擊頻率、打擊力、振幅的影響

從表2可以看出，空氣彈簧對高頻破碎錘的打擊頻率無明顯影響，對其振幅影響較大，因為彈簧沖的氣壓越足，勁度系數(shù)會越大，會變得越來越“硬”，振幅就變得越來越小。另外，隨著空氣彈簧勁度系數(shù)越來越大，打擊力會有些許增加。

4.3 振動體質(zhì)量打擊頻率、打擊力、振幅的影

從表3看出，高頻破碎錘機(jī)體質(zhì)量對其打擊頻率沒有影響，打擊力隨著質(zhì)量的增加而增加，但振幅會隨著質(zhì)量的增加減少。

5 結(jié)論

（1）通過運動學(xué)仿真，我們了解到馬達(dá)轉(zhuǎn)速、空氣彈簧勁度系數(shù)、機(jī)體自身質(zhì)量對高頻破碎錘的打擊力以及打擊頻率都有不同程度的影響，高頻破碎錘的打擊頻率只與馬達(dá)轉(zhuǎn)速有關(guān)，增加空氣彈簧系數(shù)會對打擊力有一定的提高，但會減少振動幅值，機(jī)體的本體質(zhì)量越大，打擊力會提高，同時振幅會減小。

（2）在馬達(dá)轉(zhuǎn)速、空氣彈簧勁度系數(shù)的設(shè)計上必須取一個均衡值，過大的轉(zhuǎn)速會增加馬達(dá)的負(fù)載，只會導(dǎo)致挖掘機(jī)供油不足，過大的彈簧勁度系數(shù)會降低振幅，對高頻破碎錘的打擊能力有很大影響。

（3）本次仿真只針對剛性物體，與實際情況還是有一定的差距，下一步的工作將轉(zhuǎn)為對柔性體的打擊，并且在考慮馬達(dá)負(fù)載能力的情況下，其運動將會更加復(fù)雜，這也是我們下一步必須面對的問題。

參考文獻(xiàn)：

[1]司癸卯，李曉寧.液壓破碎錘的發(fā)展現(xiàn)狀及研究[J].筑路機(jī)械與施工機(jī)械化，2008（10）：76-77，80.

[2]童小東，王亞軍等.高頻破碎器國內(nèi)外發(fā)展概況[J].鑿巖機(jī)械氣動工具，2014（03）.

[3]王開樂，楊國平等.高頻破碎錘的發(fā)展現(xiàn)狀與研究[J].礦山機(jī)械，2015（04）.

[4]孫奇涵，高淑睿，王玉廣.基于ADAMS的采掘機(jī)械工作機(jī)構(gòu)設(shè)計及性能[J]遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2011，30（04）：237-240.

[5]陳超祥，胡其登.SolidWorks Motion運動仿真教程（2012版）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2012（09）.

作者簡介：蔡家斌（1974-），男，博士研究生，研究方向：摩擦學(xué)與表面工程。