一种旋转冲击破碎机械的设计

刘宏军

(南京工业职业技术学院 江苏省精密制造工程技术研究开发中心，江苏 南京 210032)

0 引 言

在建筑工程施工中往往需要拆除建筑物、清除水泥及混合沥青路面，在公路、铁路建设中经常需要开山打洞、过水架桥，破碎机械是一种行之有效的工程施工工具[1-2]。冲击式破碎锤是典型的破碎机械，其功能是将大块或整块坚硬物体快速变成可以移动的小块物体，小型的破碎锤可以手持操作，大、中型破碎锤要安装在工程车辆(如挖掘机)或专用工程机械上[3-4]。破碎锤机械的工作效率在于钎杆冲击物体的动能和频率，动能越大越容易破碎物体[5-6]。传统的冲击破碎机械的钎杆只能作直线冲击，物体开裂主要靠钎杆直线打击产生的冲击震动，其合力为沿钎杆轴线方向的轴向力[7-8]。如果能同时产生一个径向力，物体开裂后更容易快速分离形成小块物体。本文基于力学分析及能量守恒等原理，开发一种新型的具有旋转功能的液、气压混合冲击破碎机械，该机械的冲击钎杆具有旋转功能，冲击岩石等物体时既能产生轴向冲击力，又能产生径向离心力，破碎效率高，冲击动能更强大。

1 设计方案

传统的破碎锤机械动力驱动系统是活塞往复系统，活塞撞击钎杆使钎杆获得直线冲击物体的能量[9-10]。本设计在传统破碎机械的基础上增加能使钎杆旋转的驱动装置，其工作原理是：钎杆在高速直线和高速旋转的合成运动下完成破碎工作，2种运动的动力分别来自气压能和液压能，旋转运动的动力元件是液压马达，直线冲击运动的动力元件是液、气压缸。钎杆高速直线冲击的加速度由液压及氮气爆炸冲击能量控制，钎杆的回转动能由液压马达回转速度控制，钎杆回退位置由液压马达机构中的液压系统控制。要实现旋转式钎杆的冲击破碎功能，需要研究钎杆旋转驱动系统和高速撞击的动力驱动系统以及相关联的问题，也要研究钎杆在安装和拆卸过程中的定位及工作状态下运动导向等问题。

根据工作原理和功能要求，该破碎机械由钎杆安装机构、马达旋转机构、活塞撞击机构构成，如图1所示。

图1 设计方案示意

图1表示组成旋转冲击破碎机械的三大部件安装关系，钎杆及其安装机构安装在机械的前部，中间是马达旋转机构，后面部分是活塞往复撞击机构。3个部件的装配技术要满足如下条件。

(1)在安装中，钎杆轴线与液压马达轴线、液压马达轴线与活塞轴线2种关系都具有同轴度定位精度要求。

(2)钎杆安装依靠导向机构定位，钎杆与液压马达的输出轴通过刚性联轴器同轴联接。

(3)活塞撞击往复机构由液压腔和氮气密闭机构(气压腔)组成，设计为液、气压一体化双缸单活塞机构，撞击活塞的活塞杆向前运动，撞击与钎杆联结的马达后伸出轴，活塞向后运动可以压缩密闭氮气腔的容积使氮气的压力升高。

2 钎杆旋转机构设计

该钎杆旋转机构的核心技术是确定合理的液压马达驱动机构，选择合适的液压马达类型。重点解决如下问题：第一，液压马达在驱动钎杆旋转运动的同时，自身要随同钎杆作高频往复直线进给运动，因此要研究马达轴向运动的径向定位及轴向导向的技术方法；第二，为避免马达随钎杆往复运动在轴向与箱体发生冲击碰撞，应采取轴向行程控制及其他多重安全保护装置的技术方法；第三，由于马达后伸出轴频繁受到冲击活塞杆的高速冲击，要考虑如何选择液压马达以保证其正常工作和使用寿命[11-12]。

解决以上问题的方法是设计专用马达以满足功率大、刚性好的要求。为减小机构的径向尺寸，设计制造专用的轴向柱塞式液压马达，马达主轴采用静压支撑机构提高其耐冲击刚度。在马达随钎杆往复冲击行程中采用限位行程开关避免马达与箱体的碰撞，同时马达定位套前端采用膜片式弹性缓冲板，一旦发生碰撞可减轻箱体对马达的撞击破坏。液压马达安装的径向定位精度是通过马达外圆柱面与定位导向套内孔采用的间隙配合来保证的。在马达和定位导向套装配中，马达定位导向套内腔沿轴向被马达分割成2个密闭的液压腔，为马达随钎杆往复运动留出行程空间，同时也形成以马达体为活塞、定位导向套为缸套的双作用液压缸机构，在液压能作用下控制马达体轴向移动位置，达到控制钎杆往复行程的目的。为实现对液压马达的多重保护，在该液压马达体的轴向2个外侧安装具有吸能效果的防护层材料。马达的进油管和出油管采用弹性螺旋管，这样可以满足马达随钎杆往复直线运动的管路伸缩要求。所设计的马达旋转机构如图2所示。

图2 马达旋转机构

3 钎杆往复机构设计

钎杆轴向冲击的往复运动由液、气压活塞往复机构及安装钎杆的导向机构产生。

3.1 活塞往复机构设计

钎杆高频直线冲击运动是通过高压氮气爆炸推动撞击活塞获得高速打击能量。活塞往复机构的作用就是使活塞产生高速撞击力打击钎杆，使钎杆获得产生直线冲击运动的高加速度和动能[13-14]。该机构由液压和气压2套系统构成，即液压缸执行机构和气压缸执行机构。液压机构的功能是在液压能作用下，活塞压缩气压缸内的气体产生运动，气压缸内装满的气体在活塞液压能压缩作用下容积变小，形成高压气体，然后再释放压力，推动活塞产生反向高加速度以撞击钎杆产生直线冲击运动。2个机构需要协同工作才能保持活塞按预定的频率和速度撞击钎杆轴。为简化结构，将液压缸和气压缸设计成一体式，带有活塞杆的是液压腔，无活塞杆的是气压腔，如图3所示。液压腔可以与外部液压系统连接，气压腔密闭，里面注满氮气并通过注气阀在压力继电器控制下与高压储气罐连接，储气罐中高压气体用来补充泄露损失的气体。使用氮气的优点是氮气的化学性能稳定，可压缩性大，无污染。

图3 活塞往复机构

3.2 钎杆安装机构设计

活塞往复机构不仅结构紧凑，制作简单，定位安装方便，而且整体机构系统刚性好，运动精度高，具有良好的耐冲击能力。一体化的液、气压缸套与安装箱体内孔同轴固定联接，轴向采用箱体内孔上加工的孔台平面定位，并用端盖压紧固定。液、气压缸套及活塞大小、行程等设计尺寸根据具体工作参数及制造材料机械性能计算确定，活塞的液压运动由主油路供给液压油，采用液控电磁式两位三通换向阀控制液压腔内的进出油方向，并通过蓄能器补充推动活塞快速压缩氮气所需的较大流量。

图4 钎杆安装机构

钎杆安装机构的作用是便于安装钎杆，并保证正确轴向的往复运动。它既要方便钎杆的安装与拆卸，还要便于与马达旋转机构部件的联接与拆卸。钎杆安装机构中的钎杆与导向套的装配要保证钎杆与液压马达通过联轴器固定联接后，钎杆在液、气压爆破冲击进给和返回中始终保持其轴线与液压马达具有同轴度安装精度要求。钎杆安装机构主要由钎杆、导向套及钎杆安装箱体构成，如图4所示。导向套与钎杆的径向定位与支撑通过间隙配合实现，导向套外圆柱与安装箱体采用过盈配合固定联接，导向套表面要进行淬火处理，以提高表面硬度，增加其耐磨性。钎杆、导向套及安装箱体间的具体配合根据钎杆大小、长度及钎杆运动速度等参数综合确定，其配合精度可以取IT8～IT11。为保证最佳的离心冲击破碎效果，钎杆打击端为四棱锥形状。

4 总体装配结构设计

由钎杆安装机构、马达旋转机构和液、气压活塞冲击机构三大部件构成的新型破碎锤的总装配结构如图5所示。钎杆安装箱体、冲击活塞液气压缸套安装箱体及旋转马达安装箱体通过螺栓联接件固定联接。旋转冲击破碎机械的工作过程是钎杆在马达驱动下的高速旋转，活塞撞击液压腔进油，推动活塞向后移动，压缩气压腔内的氮气，氮气容积被压缩变小，压力急剧升高，当达到设定压力时，液压腔进油口关闭，出油口及油箱连接，此时液压腔压力迅速变成与油箱一样的“零”压力，形成气压腔压力远远高于液压腔的巨大压力差，使气压腔中被压缩的高压氮气获得向液压腔方向释放压力的膨胀空间，产生瞬间膨胀式爆炸，快速推动活塞连同活塞杆向钎杆所在方向加速运动，直到撞击马达旋转机构的后伸出轴，使钎杆获得直线加速冲击的能量，形成旋转加直线冲击的合成运动去打击被破碎的物体。直线冲击速度大小决定了钎杆射进物体的深度，旋转运动的速度决定了钎杆产生的离心力大小，也就决定被撞击物体破碎的范围。

图5 总体装配结构

旋转冲击破碎机械的液压控制系统除了增加马达旋转系统的控制机构外，与工程机械连接的方法和普通破碎锤机械相同。该机械旋转功能可以根据需要开启和关闭，只要关闭马达的液压系统，钎杆就可以停止旋转运动。

5 结 语

本文通过对传统破碎锤机械工作过程进行研究，应用岩石冲击破碎动力学分析和能量传递守恒等定律，解决了传统破碎锤机械破碎效率较低的问题。经理论计算，与同功率的普通破碎锤比较，采用专用斜盘式轴向柱塞液压马达，当转速为2 000 r·min-1时，新破碎锤的破碎效率可以提高36%以上，且效率与旋转速度成正比。虽然，旋转冲击破碎机械增加的旋转机构会导致生产成本上升，但相比其高效率产生的经济效益，是值得推广和应用的。本机械在增加位置和速度传感器及其控制装置后，通过对钎杆往返工作行程进行在线检测，可以实现钎杆的打击频率、速度和冲击行程根据打击材料的硬度自动调节。