液壓挖掘機破碎錘釬桿的沖擊特性分析

連萌

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

液壓挖掘機破碎錘釬桿的沖擊特性分析

連萌

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

按照液壓破碎錘破碎作業(yè)時釬桿與工作面之間夾角的不同而設(shè)定了10個工況，利用Solidworks Simulation軟件分析了這10個工況下釬桿的沖擊特性，得到了應(yīng)力最大點應(yīng)力和速度的響應(yīng)曲線，探討了碰撞角度對應(yīng)力和變形的影響。

液壓挖掘機；破碎錘；釬桿；沖擊特性；有限元分析

0 引言

液壓挖掘機是工程建筑機械的主要機種之一，廣泛應(yīng)用于工業(yè)建設(shè)、民用建設(shè)、水利電力工程、礦山開采以及國防工程中。破碎錘是一種在中小型挖掘機上普遍采用的破碎機具。它通過高密度的沖擊動能，破壞堅實的路面、鋼筋混凝土等。由于破碎錘的工作環(huán)境十分惡劣，且長時間處于高強度工作中，故對其強度和性能有很高的要求。因此，有必要對破碎錘釬桿的沖擊特性進行分析，以指導(dǎo)其設(shè)計、制造和使用。筆者采用有限元分析軟件Solidworks Simulation對破碎錘釬桿的沖擊特性進行了分析，探討了釬桿工作角度對應(yīng)力和變形的影響。

1 破碎錘的工作原理

液壓破碎錘是通過缸體內(nèi)高速運動的活塞撞擊釬桿，把動能轉(zhuǎn)換為沖擊能，實現(xiàn)破碎物體的目的。氮氣爆發(fā)式液壓破碎錘主要由釬桿、活塞、配閥、缸體和氮氣室等組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

破碎錘工作時，液壓系統(tǒng)推動活塞完成上行。活塞下行時，氮氣室內(nèi)因壓縮而儲能的氮氣和液壓系統(tǒng)共同作用完成活塞加速運動，從而獲得較大的沖擊能。活塞以一定的沖擊速度撞擊釬桿尾部，并將能量以應(yīng)力波形式由釬柄沿著釬桿向釬頭方向傳播，用來破碎巖石和混凝土［1］。

液壓破碎錘的具體工作過程為：活塞與釬桿在完成一次沖擊后，配流閥已經(jīng)完成了換向和油路切換，液壓油經(jīng)過配流閥進入到活塞前腔，活塞后腔的出油回路接通。活塞在前腔液壓油的作用下開始作回程加速運動，同時，壓縮氮氣室內(nèi)的氮氣儲存能量。當(dāng)活塞運動到一定位置后，活塞的一個臺階面將打開沖程反饋孔，液壓油通過此反饋孔使配流閥快速換向，從而切換油路。此時，液壓油將同時進入到活塞的前腔和后腔，活塞尾部的氮氣室內(nèi)壓力升高。由于活塞的后腔壓油作用面積大于前腔的壓油作用面積，活塞在后腔油壓和氮氣壓力作用下作回程減速運動。在后腔油壓和尾部氮氣壓力作用下，活塞速度很快就下降為零。此時，活塞后腔仍然為高壓腔，且尾部還有氮氣壓力作用。在油壓和氮氣壓力的共同作用下，活塞立即快速沖向釬桿，最后打擊釬桿，將能量傳遞給釬桿。釬桿在獲得沖擊能后，便可達(dá)到將工作對象破碎的目的。在活塞沖擊階段的后期，活塞的另一個臺肩將把回程反饋孔溝通，從而保證活塞在完成沖擊后，配流閥完成換向和油路切換，使活塞順利進入下一個循環(huán)往復(fù)周期運動。

圖1 破碎錘工作原理圖Fig.1 Working principle of quartering hammer

2 破碎錘釬桿沖擊特性分析的前處理

破碎錘破碎時，應(yīng)盡量使釬桿和工作面垂直，否則容易造成釬桿的損壞。本文根據(jù)釬桿與工作面夾角設(shè)定了10個工況（工況劃分如表1所示），用于分析不同工作角度α對破碎錘釬桿動態(tài)特性的影響。

表1 破碎錘釬桿沖擊特性分析工況的劃分T ab.1 Division of shock performance analysis working condition of quartering hammer drill rod

2.1 確定材料參數(shù)［2］

釬桿的常用材料是42CrMo4鋼，它具有較高的強度和韌性，調(diào)質(zhì)處理后，有較高的疲勞極限和抗多次沖擊能力，低溫沖擊韌性也較好。在Solidworks中，釬桿模型的指定材料為42CrMo4鋼，其彈性模量E=212 G Pa，泊松比u=0.28，屈服強度σs=750 MPa。在分析過程中，以100mm厚的混凝土塊作為沖擊目標(biāo)，其所需性能參數(shù)為：彈性模量E=3×1010Pa，泊松比u=0.3，密度ρ=2 500 kg／m3。

2.2 沖擊速度的確定［3］

單次沖擊功是影響破碎性能的最主要參數(shù)。我國主要按破碎錘釬桿的直徑來評價液壓破碎錘的能量級別。有研究表明，液壓破碎錘額定單次沖擊功與釬桿直徑的平方呈線性分布，其線性回歸方程如式（1）所示。

在理想情況下，按照單次沖擊功計算的沖擊速度等同于釬桿的沖擊功。但實際上，能量在從活塞傳遞到釬桿的過程中，存在著能量損失，能量效率η的平均值為（58.1±1.2）%（可按58%計算）。因此，釬桿的動能可按式（2）進行計算，也可表示成式（3）。

式中：m為釬桿質(zhì)量，kg；ν為釬桿運行末速度，即釬桿沖擊混凝土塊的速度，m／s。

釬桿質(zhì)量可由軟件根據(jù)模型體積和材料密度而測算出來。所以，只要知道破碎錘釬桿的直徑，就可按式（1）～式（3）估算出釬桿的沖擊速度。本文沖擊速度取5.2 m／s，方向為沿釬桿軸線方向。

2.3 沖擊角度的確定

為分析釬桿的動態(tài)特性，需為各種工況的釬桿設(shè)定沖擊方向。釬桿的沖擊方向以釬桿尖部端面為參照對象來確定，即釬桿的沖擊方向為釬桿尖部端面的法線方向。工況1的釬桿軸線垂直于工作面，工況2～工況10釬桿的沖擊方向由建模時創(chuàng)建的9個基準(zhǔn)面來確定（工況2由基準(zhǔn)面1確定沖擊方向，工況3由基準(zhǔn)面2確定沖擊方向……工況10由基準(zhǔn)面9確定沖擊方向）。這9個基準(zhǔn)面都通過同一條直線，并且與工作面成一定的角度。基準(zhǔn)面1與工作面的夾角為5°，基準(zhǔn)面2與工作面的夾角為10°，基準(zhǔn)面3與工作面的夾角為15°……基準(zhǔn)面9與工作面的夾角為45°。

2.4 網(wǎng)格劃分

破碎錘工作時，釬桿尖部直接和工作面發(fā)生沖擊，且尖部尺寸較小。為保證計算精度，對釬桿尖部端面及尖部棱邊進行網(wǎng)格控制。釬桿尖部端面及尖部棱邊的網(wǎng)格單元大小為12mm，比率為1.5，其余部分網(wǎng)格大小為24mm，各部分公差均為1.2mm。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2所示。

圖2 網(wǎng)格劃分結(jié)果Fig.2 Grid division results

2.5 沖擊后的求解時間［4］

求解時間是依據(jù)碰撞產(chǎn)生的彈性波穿過模型并返回的時間來確定。碰撞時，彈性波在模型中傳遞的速度可根據(jù)式（4）進行計算。

式中：E為彈性模量，Pa；ρ為材料密度，kg／m3。

假定模型長度為L，彈性波以約2L／ν的時間到達(dá)最遠(yuǎn)端（在此處反射），并反射回原始區(qū)域。因為碰撞周期非常短（一般以微秒計時），最大響應(yīng)可能會發(fā)生在碰撞時或碰撞后物體的反彈期間，也可以指定足夠長的求解時間，以模擬多次碰撞和反彈。

3 計算結(jié)果及討論

3.1 應(yīng)力及變形分析

在Solidworks Simulation中，對各工況下釬桿的沖擊過程進行分析計算。為方便分析，在釬桿模型尖部的4個頂點上添加傳感器，用以獲取該處應(yīng)力的變化情況。沖擊的應(yīng)力及變形響應(yīng)情況如表2所示。

表2 各工況下釬桿的沖擊響應(yīng)情況T ab.2 Shock response of drill rod under various working conditions

（1）應(yīng)力分析。由表2可以看出，工況1對應(yīng)的最大應(yīng)力值最小，工況3對應(yīng)的最大應(yīng)力值最大。工況1對應(yīng)最大應(yīng)力最小是因為其釬桿的軸線垂直于工作面，沖擊接觸面是釬桿尖部的整個端面，作用面積較大。工況3～工況10由于夾角α的存在，釬桿與工作面碰撞沖擊時，作用部位由面接觸變?yōu)辄c或線接觸，故應(yīng)力很大。另外，釬桿在沖擊工作面時，沖擊力F可分解為垂直于工作面方向分量F×sin a和平行于工作面方向分量F×cos a。由于沖擊力在垂直于工作面方向的分量F×sin a隨夾角α的減小，所以，工況3～工況10所對應(yīng)的最大應(yīng)力數(shù)值則隨著夾角α的遞減而遞減。雖然工況2也存在夾角α，但由于α接近90°，而且沖擊對象并非絕對剛體，故碰撞沖擊的接觸面積介于工況1和工況3之間。因此，最大應(yīng)力也介于工況1和工況3之間。

從表2還可以看出，工況2～工況6的最大應(yīng)力均超出了材料的屈服極限，即釬桿會發(fā)生局部變形。但是，這并不意味著釬桿的失效［5～6］。因為各工況下最大應(yīng)力部位都在釬桿尖部的頂點上，實際施工中，這些部位很快會被磨成圓角，然而并不影響破碎錘的正常使用。但是，較高的應(yīng)力將加速釬桿的磨損，影響其使用壽命。

工況1和工況3的應(yīng)力云圖如圖3所示。由于工況2、工況4～工況10對應(yīng)的應(yīng)力云圖與工況3相似，故省略。由圖3可以看出，工況1～工況10應(yīng)力最大部位均集中在釬桿的尖部。這是因為釬桿尖部是沖擊碰撞的直接部位，而且尖部的幾何尺寸較小，故應(yīng)力較大。

圖3 工況1和工況3的應(yīng)力云圖Fig.3 The stress?nephogram of working condition one and working condition three

從應(yīng)力分析可知，釬桿的沖擊角度對釬桿的應(yīng)力情況有較大影響，夾角α在65°～85°時，最大應(yīng)力數(shù)值較大，將影響釬桿的使用壽命。

（2）變形分析。由表2可知，工況1對應(yīng)的最大變形量數(shù)值最小，工況10對應(yīng)的最大變形量數(shù)值最大。釬桿的變形情況由其位移云圖來反映。由于工況2與工況1位移云圖相似，工況3～工況9與工況10位移云圖相似，故圖4僅列出工況1和工況10位移云圖。

由圖4可以看出，隨著夾角α的減小，釬桿最大變形部位有向著靠近尖部1／6處移動的趨勢。工況3～工況10，釬桿最大變形部位基本穩(wěn)定在靠近尖部的1／6處。隨著夾角α的減小，最大變形量逐漸上升，但變化不大。這說明，夾角α的變化對最大變形量的影響很小，但對最大變形位置的影響較大。

3.2 沖擊響應(yīng)分析

除了分析釬桿在碰撞時最大應(yīng)力和變形的情況外，應(yīng)力隨時間的變化情況通常也需要被關(guān)注。工況1～工況10最大應(yīng)力處應(yīng)力和速度的變化情況如圖5和圖6所示。由于工況1與工況2、工況3～工況10的速度和應(yīng)力變化曲線相似，故只列出工況1和工況10的速度和應(yīng)力變化曲線。

圖4 工況1和工況10的位移云圖Fig.4 Displacement nephogram of working condition one and working condition ten

圖5 工況1的沖擊響應(yīng)情況Fig.5 Shock response of working condition one

圖5給出了釬桿與工作面垂直碰撞時最大應(yīng)力點處的速度、等效應(yīng)力隨時間變化的情況。從圖5（a）中可以看出，在整個碰撞過程中，最大應(yīng)力點的速度有多個波峰。這是因為，在整個碰撞過程中，發(fā)生了多次碰撞。碰撞使釬桿速度降低，而碰撞的彈性波沿釬桿桿身向釬桿尾部傳遞，并在釬桿尾部反射后重新傳遞到釬桿尖部，速度增大。在圖5（a）、（b）中，0～146ms對應(yīng)為釬桿的首次碰撞，最大應(yīng)力點的速度先減小后增大，應(yīng)力先增大后減??；146～290.61ms速度和應(yīng)力均出現(xiàn)一段平坦區(qū)域，此時釬桿和工作面處于分離狀態(tài)。隨后，幾個波峰與波谷間未出現(xiàn)平坦曲線。這說明，后幾次的碰撞未造成釬桿與工作面分離。波峰的峰值有降低的趨勢是因為阻尼的存在，釬桿的沖擊能量不斷衰減。所以，最大應(yīng)力在碰撞的首個波峰位置，其數(shù)值與前面應(yīng)力分析結(jié)果一致。

圖6 工況3的沖擊響應(yīng)情況Fig.6 Shock response of working condition three

圖6中，工況3的速度和應(yīng)力變化情況大體上與工況1一致，但工況1的曲線上有明顯的毛刺，工況3的曲線更平滑。通過對比其他工況發(fā)現(xiàn)，工況1與工況2相似，曲線上毛刺較多，而工況3～工況10曲線都較為平滑。這可能和碰撞時的接觸面積有關(guān)，工況1和工況2碰撞時接觸面積大，彈性波從接觸面上的每個點向后傳遞并反彈，這些彈性波在傳遞和反彈過程中相互干擾，故波動明顯；工況3～工況10因為釬桿與工作面碰撞時為線接觸，接觸點少干擾小，故曲線較平滑。這就說明，碰撞時，面接觸比線接觸應(yīng)力波的傳遞更復(fù)雜。

4 結(jié)語

本文使用Solidworks Simulation軟件模擬了10種工況下液壓破碎錘釬桿與混凝土塊碰撞的沖擊過程，對碰撞過程的應(yīng)力和沖擊響應(yīng)問題進行了分析，得出了以下結(jié)論：

（1）碰撞角度對碰撞應(yīng)力有較大影響。夾角α在65°～85°時，最大應(yīng)力數(shù)值較大，將影響釬桿的使用壽命。

（2）碰撞角度對碰撞變形量影響較小，但對最大變形位置有較大影響。

（3）釬桿與混凝土塊碰撞沖擊過程存在多次碰撞，釬桿的最大應(yīng)力一般出現(xiàn)在首次碰撞時。

（4）碰撞接觸面越大，碰撞應(yīng)力波的傳遞越復(fù)雜。

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[責(zé)任編輯 胡修池]

The Im pact Characteristics Analysis of Hydraulic Excavator Broken hammer Drill Rod

LIAN Meng
（Yellow River Conservancy Technical Institute）

It set 10 working conditions according to the different angle between drill rod and working face when hydraulic hammer working，and use d the Solidworks Simulation software analysis the impact characteristics of drill rod under the 10 working conditions，we got maximum stress and speed of the response curve，found out the influence of the angle for stress and displacement.

Drill rod；i mpact characteristics；The finite element analysis

TV535

A

10.13681／j.cnki.cn41-1282／tv.2016.04.013

2016-06-15

連萌（1982-），男，河南鄭州人，講師，碩士，主要從事高校車輛工程專業(yè)教學(xué)與研究工作。