高頻破碎錘的系統建模與運動學仿真

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律，找出高頻破碎錘的關鍵部件對打擊力以及打擊頻率的影響，本文首先進行理論建模，然后基于SolidWorks對高頻破碎錘進行運動學仿真，找出馬達轉速、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化設計有一定的參考意義。

關鍵詞：高頻破碎錘；轉速；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的液壓能轉化為機械能從而進行高頻破碎的設備，其主要應用于礦山巖石的破碎、工程建設特別是舊城改造、混泥土構建的拆毀設施中[1]。高頻破碎錘具有破碎效率高、操作簡便、可靠性強，安全性高、噪音低等優點。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，馬達旋轉轉速，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對高頻破碎錘進行了運動學仿真，探索關鍵部件對打擊力與打擊頻率的影響，為進一步研究和改正提供了依據。

1 高頻破碎錘的結構和工作原理

（1）結構。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構，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的液壓能傳遞給液壓馬達，由馬達帶動主軸運轉，主軸上的齒輪和偏心塊也會跟著轉動。主軸齒輪帶動從動齒輪和偏心塊轉動，由于兩個偏心塊是反向同步轉動，在軸線連線方向上會產生相互抵消的離心力，在豎直方向上會產生相互疊加的偏心力，稱之為激振力。偏心塊產生的激振力由軸傳遞給箱體，最終傳遞到斗齒，使斗齒產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構是一個平行四邊形的四連桿結構，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，所以模型可以簡化為振動箱體的重心繞一個支點作旋轉運動（如圖3）。

振動箱體的質量為M，空氣彈簧在充入氣壓以后，勁度系數曲線近似為一次函數曲線，我們將空氣彈簧勁度系數用K代替，外殼安裝在挖掘機手臂上，工作時外殼近似不運動。初始狀態時，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，當振動箱體受豎直方向的激振力時，整體箱體會往復運動，其重心軌跡為一條弧線。假設巖石的剛度系數為Kz，運動后桿的旋轉角度設為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行建模。建模既要考慮仿真的準確性，又要顧及計算機的運算能力和仿真時間等因素，所以對實際機構做了一定的簡化[4]，省去分析中對結果無影響的螺釘，軸承，端蓋等。為模擬馬達的輸入，在SolidWorks Motion仿真中輸入馬達，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轉速，彈簧勁度系數，振動體整體質量以及其他因素。為了了解高頻破碎錘的極限工作狀態，即巖石破碎不動的情況下，因此我們在仿真里面設置的接觸類型為剛性接觸。

4.1 轉速對打擊頻率、打擊力、振幅的影響

轉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速為1400r/min，空氣彈簧勁度系數為100N/mm，振動體機體的質量為2200kg時，其仿真曲線為：

從圖5，圖6可以看出，經過最初的0.5秒響應以后，高頻破碎錘進入穩定狀態，其打擊力約為50KN，頻率為23.33Hz，振幅約為6mm。在改變轉速以后，其結果如下表1所示。

從表1可以看出，轉速對于高頻破碎錘的影響作用很大，隨著轉速的增加，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定，而打擊頻率，會隨著轉速的增加而增大。

4.2 彈簧勁度系數對打擊頻率、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越來越大，打擊力會有些許增加。

4.3 振動體質量打擊頻率、打擊力、振幅的影

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

5 結論

（1）通過運動學仿真，我們了解到馬達轉速、空氣彈簧勁度系數、機體自身質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轉速有關，增加空氣彈簧系數會對打擊力有一定的提高，但會減少振動幅值，機體的本體質量越大，打擊力會提高，同時振幅會減小。

（2）在馬達轉速、空氣彈簧勁度系數的設計上必須取一個均衡值，過大的轉速會增加馬達的負載，只會導致挖掘機供油不足，過大的彈簧勁度系數會降低振幅，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，下一步的工作將轉為對柔性體的打擊，并且在考慮馬達負載能力的情況下，其運動將會更加復雜，這也是我們下一步必須面對的問題。

參考文獻：

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

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

[3]王開樂，楊國平等.高頻破碎錘的發展現狀與研究[J].礦山機械，2015（04）.

[4]孫奇涵，高淑睿，王玉廣.基于ADAMS的采掘機械工作機構設計及性能[J]遼寧工程技術大學學報：自然科學版，2011，30（04）：237-240.

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

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