一種旋轉(zhuǎn)沖擊破碎機(jī)械的設(shè)計(jì)

劉宏軍

(南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 江蘇省精密制造工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 南京 210032)

0 引 言

在建筑工程施工中往往需要拆除建筑物、清除水泥及混合瀝青路面，在公路、鐵路建設(shè)中經(jīng)常需要開山打洞、過(guò)水架橋，破碎機(jī)械是一種行之有效的工程施工工具[1-2]。沖擊式破碎錘是典型的破碎機(jī)械，其功能是將大塊或整塊堅(jiān)硬物體快速變成可以移動(dòng)的小塊物體，小型的破碎錘可以手持操作，大、中型破碎錘要安裝在工程車輛(如挖掘機(jī))或?qū)Ｓ霉こ虣C(jī)械上[3-4]。破碎錘機(jī)械的工作效率在于釬桿沖擊物體的動(dòng)能和頻率，動(dòng)能越大越容易破碎物體[5-6]。傳統(tǒng)的沖擊破碎機(jī)械的釬桿只能作直線沖擊，物體開裂主要靠釬桿直線打擊產(chǎn)生的沖擊震動(dòng)，其合力為沿釬桿軸線方向的軸向力[7-8]。如果能同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)徑向力，物體開裂后更容易快速分離形成小塊物體。本文基于力學(xué)分析及能量守恒等原理，開發(fā)一種新型的具有旋轉(zhuǎn)功能的液、氣壓混合沖擊破碎機(jī)械，該機(jī)械的沖擊釬桿具有旋轉(zhuǎn)功能，沖擊巖石等物體時(shí)既能產(chǎn)生軸向沖擊力，又能產(chǎn)生徑向離心力，破碎效率高，沖擊動(dòng)能更強(qiáng)大。

1 設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)的破碎錘機(jī)械動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是活塞往復(fù)系統(tǒng)，活塞撞擊釬桿使釬桿獲得直線沖擊物體的能量[9-10]。本設(shè)計(jì)在傳統(tǒng)破碎機(jī)械的基礎(chǔ)上增加能使釬桿旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動(dòng)裝置，其工作原理是：釬桿在高速直線和高速旋轉(zhuǎn)的合成運(yùn)動(dòng)下完成破碎工作，2種運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力分別來(lái)自氣壓能和液壓能，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力元件是液壓馬達(dá)，直線沖擊運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力元件是液、氣壓缸。釬桿高速直線沖擊的加速度由液壓及氮?dú)獗_擊能量控制，釬桿的回轉(zhuǎn)動(dòng)能由液壓馬達(dá)回轉(zhuǎn)速度控制，釬桿回退位置由液壓馬達(dá)機(jī)構(gòu)中的液壓系統(tǒng)控制。要實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式釬桿的沖擊破碎功能，需要研究釬桿旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和高速撞擊的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及相關(guān)聯(lián)的問(wèn)題，也要研究釬桿在安裝和拆卸過(guò)程中的定位及工作狀態(tài)下運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向等問(wèn)題。

根據(jù)工作原理和功能要求，該破碎機(jī)械由釬桿安裝機(jī)構(gòu)、馬達(dá)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、活塞撞擊機(jī)構(gòu)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 設(shè)計(jì)方案示意

圖1表示組成旋轉(zhuǎn)沖擊破碎機(jī)械的三大部件安裝關(guān)系，釬桿及其安裝機(jī)構(gòu)安裝在機(jī)械的前部，中間是馬達(dá)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，后面部分是活塞往復(fù)撞擊機(jī)構(gòu)。3個(gè)部件的裝配技術(shù)要滿足如下條件。

(1)在安裝中，釬桿軸線與液壓馬達(dá)軸線、液壓馬達(dá)軸線與活塞軸線2種關(guān)系都具有同軸度定位精度要求。

(2)釬桿安裝依靠導(dǎo)向機(jī)構(gòu)定位，釬桿與液壓馬達(dá)的輸出軸通過(guò)剛性聯(lián)軸器同軸聯(lián)接。

(3)活塞撞擊往復(fù)機(jī)構(gòu)由液壓腔和氮?dú)饷荛]機(jī)構(gòu)(氣壓腔)組成，設(shè)計(jì)為液、氣壓一體化雙缸單活塞機(jī)構(gòu)，撞擊活塞的活塞桿向前運(yùn)動(dòng)，撞擊與釬桿聯(lián)結(jié)的馬達(dá)后伸出軸，活塞向后運(yùn)動(dòng)可以壓縮密閉氮?dú)馇坏娜莘e使氮?dú)獾膲毫ι摺?/p>

2 釬桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該釬桿旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的核心技術(shù)是確定合理的液壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，選擇合適的液壓馬達(dá)類型。重點(diǎn)解決如下問(wèn)題：第一，液壓馬達(dá)在驅(qū)動(dòng)釬桿旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，自身要隨同釬桿作高頻往復(fù)直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，因此要研究馬達(dá)軸向運(yùn)動(dòng)的徑向定位及軸向?qū)虻募夹g(shù)方法；第二，為避免馬達(dá)隨釬桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)在軸向與箱體發(fā)生沖擊碰撞，應(yīng)采取軸向行程控制及其他多重安全保護(hù)裝置的技術(shù)方法；第三，由于馬達(dá)后伸出軸頻繁受到?jīng)_擊活塞桿的高速?zèng)_擊，要考慮如何選擇液壓馬達(dá)以保證其正常工作和使用壽命[11-12]。

解決以上問(wèn)題的方法是設(shè)計(jì)專用馬達(dá)以滿足功率大、剛性好的要求。為減小機(jī)構(gòu)的徑向尺寸，設(shè)計(jì)制造專用的軸向柱塞式液壓馬達(dá)，馬達(dá)主軸采用靜壓支撐機(jī)構(gòu)提高其耐沖擊剛度。在馬達(dá)隨釬桿往復(fù)沖擊行程中采用限位行程開關(guān)避免馬達(dá)與箱體的碰撞，同時(shí)馬達(dá)定位套前端采用膜片式彈性緩沖板，一旦發(fā)生碰撞可減輕箱體對(duì)馬達(dá)的撞擊破壞。液壓馬達(dá)安裝的徑向定位精度是通過(guò)馬達(dá)外圓柱面與定位導(dǎo)向套內(nèi)孔采用的間隙配合來(lái)保證的。在馬達(dá)和定位導(dǎo)向套裝配中，馬達(dá)定位導(dǎo)向套內(nèi)腔沿軸向被馬達(dá)分割成2個(gè)密閉的液壓腔，為馬達(dá)隨釬桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)留出行程空間，同時(shí)也形成以馬達(dá)體為活塞、定位導(dǎo)向套為缸套的雙作用液壓缸機(jī)構(gòu)，在液壓能作用下控制馬達(dá)體軸向移動(dòng)位置，達(dá)到控制釬桿往復(fù)行程的目的。為實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓馬達(dá)的多重保護(hù)，在該液壓馬達(dá)體的軸向2個(gè)外側(cè)安裝具有吸能效果的防護(hù)層材料。馬達(dá)的進(jìn)油管和出油管采用彈性螺旋管，這樣可以滿足馬達(dá)隨釬桿往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的管路伸縮要求。所設(shè)計(jì)的馬達(dá)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)如圖2所示。

圖2 馬達(dá)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)

3 釬桿往復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

釬桿軸向沖擊的往復(fù)運(yùn)動(dòng)由液、氣壓活塞往復(fù)機(jī)構(gòu)及安裝釬桿的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)產(chǎn)生。

3.1 活塞往復(fù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

釬桿高頻直線沖擊運(yùn)動(dòng)是通過(guò)高壓氮?dú)獗ㄍ苿?dòng)撞擊活塞獲得高速打擊能量?；钊鶑?fù)機(jī)構(gòu)的作用就是使活塞產(chǎn)生高速撞擊力打擊釬桿，使釬桿獲得產(chǎn)生直線沖擊運(yùn)動(dòng)的高加速度和動(dòng)能[13-14]。該機(jī)構(gòu)由液壓和氣壓2套系統(tǒng)構(gòu)成，即液壓缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)和氣壓缸執(zhí)行機(jī)構(gòu)。液壓機(jī)構(gòu)的功能是在液壓能作用下，活塞壓縮氣壓缸內(nèi)的氣體產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，氣壓缸內(nèi)裝滿的氣體在活塞液壓能壓縮作用下容積變小，形成高壓氣體，然后再釋放壓力，推動(dòng)活塞產(chǎn)生反向高加速度以撞擊釬桿產(chǎn)生直線沖擊運(yùn)動(dòng)。2個(gè)機(jī)構(gòu)需要協(xié)同工作才能保持活塞按預(yù)定的頻率和速度撞擊釬桿軸。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，將液壓缸和氣壓缸設(shè)計(jì)成一體式，帶有活塞桿的是液壓腔，無(wú)活塞桿的是氣壓腔，如圖3所示。液壓腔可以與外部液壓系統(tǒng)連接，氣壓腔密閉，里面注滿氮?dú)獠⑼ㄟ^(guò)注氣閥在壓力繼電器控制下與高壓儲(chǔ)氣罐連接，儲(chǔ)氣罐中高壓氣體用來(lái)補(bǔ)充泄露損失的氣體。使用氮?dú)獾膬?yōu)點(diǎn)是氮?dú)獾幕瘜W(xué)性能穩(wěn)定，可壓縮性大，無(wú)污染。

圖3 活塞往復(fù)機(jī)構(gòu)

3.2 釬桿安裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

活塞往復(fù)機(jī)構(gòu)不僅結(jié)構(gòu)緊湊，制作簡(jiǎn)單，定位安裝方便，而且整體機(jī)構(gòu)系統(tǒng)剛性好，運(yùn)動(dòng)精度高，具有良好的耐沖擊能力。一體化的液、氣壓缸套與安裝箱體內(nèi)孔同軸固定聯(lián)接，軸向采用箱體內(nèi)孔上加工的孔臺(tái)平面定位，并用端蓋壓緊固定。液、氣壓缸套及活塞大小、行程等設(shè)計(jì)尺寸根據(jù)具體工作參數(shù)及制造材料機(jī)械性能計(jì)算確定，活塞的液壓運(yùn)動(dòng)由主油路供給液壓油，采用液控電磁式兩位三通換向閥控制液壓腔內(nèi)的進(jìn)出油方向，并通過(guò)蓄能器補(bǔ)充推動(dòng)活塞快速壓縮氮?dú)馑璧妮^大流量。

圖4 釬桿安裝機(jī)構(gòu)

釬桿安裝機(jī)構(gòu)的作用是便于安裝釬桿，并保證正確軸向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。它既要方便釬桿的安裝與拆卸，還要便于與馬達(dá)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)部件的聯(lián)接與拆卸。釬桿安裝機(jī)構(gòu)中的釬桿與導(dǎo)向套的裝配要保證釬桿與液壓馬達(dá)通過(guò)聯(lián)軸器固定聯(lián)接后，釬桿在液、氣壓爆破沖擊進(jìn)給和返回中始終保持其軸線與液壓馬達(dá)具有同軸度安裝精度要求。釬桿安裝機(jī)構(gòu)主要由釬桿、導(dǎo)向套及釬桿安裝箱體構(gòu)成，如圖4所示。導(dǎo)向套與釬桿的徑向定位與支撐通過(guò)間隙配合實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)向套外圓柱與安裝箱體采用過(guò)盈配合固定聯(lián)接，導(dǎo)向套表面要進(jìn)行淬火處理，以提高表面硬度，增加其耐磨性。釬桿、導(dǎo)向套及安裝箱體間的具體配合根據(jù)釬桿大小、長(zhǎng)度及釬桿運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)綜合確定，其配合精度可以取IT8～I(xiàn)T11。為保證最佳的離心沖擊破碎效果，釬桿打擊端為四棱錐形狀。

4 總體裝配結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由釬桿安裝機(jī)構(gòu)、馬達(dá)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和液、氣壓活塞沖擊機(jī)構(gòu)三大部件構(gòu)成的新型破碎錘的總裝配結(jié)構(gòu)如圖5所示。釬桿安裝箱體、沖擊活塞液氣壓缸套安裝箱體及旋轉(zhuǎn)馬達(dá)安裝箱體通過(guò)螺栓聯(lián)接件固定聯(lián)接。旋轉(zhuǎn)沖擊破碎機(jī)械的工作過(guò)程是釬桿在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)下的高速旋轉(zhuǎn)，活塞撞擊液壓腔進(jìn)油，推動(dòng)活塞向后移動(dòng)，壓縮氣壓腔內(nèi)的氮?dú)猓獨(dú)馊莘e被壓縮變小，壓力急劇升高，當(dāng)達(dá)到設(shè)定壓力時(shí)，液壓腔進(jìn)油口關(guān)閉，出油口及油箱連接，此時(shí)液壓腔壓力迅速變成與油箱一樣的“零”壓力，形成氣壓腔壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液壓腔的巨大壓力差，使氣壓腔中被壓縮的高壓氮?dú)猥@得向液壓腔方向釋放壓力的膨脹空間，產(chǎn)生瞬間膨脹式爆炸，快速推動(dòng)活塞連同活塞桿向釬桿所在方向加速運(yùn)動(dòng)，直到撞擊馬達(dá)旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的后伸出軸，使釬桿獲得直線加速?zèng)_擊的能量，形成旋轉(zhuǎn)加直線沖擊的合成運(yùn)動(dòng)去打擊被破碎的物體。直線沖擊速度大小決定了釬桿射進(jìn)物體的深度，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速度決定了釬桿產(chǎn)生的離心力大小，也就決定被撞擊物體破碎的范圍。

圖5 總體裝配結(jié)構(gòu)

旋轉(zhuǎn)沖擊破碎機(jī)械的液壓控制系統(tǒng)除了增加馬達(dá)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的控制機(jī)構(gòu)外，與工程機(jī)械連接的方法和普通破碎錘機(jī)械相同。該機(jī)械旋轉(zhuǎn)功能可以根據(jù)需要開啟和關(guān)閉，只要關(guān)閉馬達(dá)的液壓系統(tǒng)，釬桿就可以停止旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)破碎錘機(jī)械工作過(guò)程進(jìn)行研究，應(yīng)用巖石沖擊破碎動(dòng)力學(xué)分析和能量傳遞守恒等定律，解決了傳統(tǒng)破碎錘機(jī)械破碎效率較低的問(wèn)題。經(jīng)理論計(jì)算，與同功率的普通破碎錘比較，采用專用斜盤式軸向柱塞液壓馬達(dá)，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 000 r·min-1時(shí)，新破碎錘的破碎效率可以提高36%以上，且效率與旋轉(zhuǎn)速度成正比。雖然，旋轉(zhuǎn)沖擊破碎機(jī)械增加的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致生產(chǎn)成本上升，但相比其高效率產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益，是值得推廣和應(yīng)用的。本機(jī)械在增加位置和速度傳感器及其控制裝置后，通過(guò)對(duì)釬桿往返工作行程進(jìn)行在線檢測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)釬桿的打擊頻率、速度和沖擊行程根據(jù)打擊材料的硬度自動(dòng)調(diào)節(jié)。