液压破碎锤的工作原理与研究现状

陈昊祥 孙健 李明博

摘 要：【目的】液压破碎锤是挖掘机可换工作装置之一。液压破碎锤种类杂多且具有一定的发展历史，在市政园林、混凝土破碎、矿石开采等工程中都发挥着重要作用。从事机械方面的工作人员了解破碎锤的工作原理，进而能更深刻地认识液压破碎锤的重要性。【方法】本研究将对液压破碎锤的工作原理及结构进行分析，简要阐述液压破碎锤的使用方法。【结果】大多数作业人员虽对液压破碎锤有一定认知，但对液压破碎锤的原理及使用注意事项了解不深。【结论】液压破碎锤在工程上进行破碎方面的普及，加大工程上对液压破碎锤的使用，具有一定的理论和实践意义。

关键词：液压破碎锤；工作原理；使用方法；研究现状

中图分类号：TH69      文献标识码：A           文章编号：1003-5168（2023）10-0036-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.010.007

Abstract：[Purposes] Hydraulic breaker is one of the interchangeable working devices of excavators. Hydraulic breaker， with certain development history， has many types and plays an important role in municipal garden， concrete crushing ， ore mining， etc.The working principle of the breaker should be understood to a certain extent， in order to make more personnel engaged in mechanical work understand the importance of the hydraulic breaker.[Methods] This article will analyze the working principle and structure of hydraulic breaker， and briefly explain the use of hydraulic breaker.[Findings] Although most operators have a certain understanding of hydraulic breakers， they do not have a deep understanding of the principles and precautions of hydraulic breakers. [Conclusions] The popularization of hydraulic breaker in engineering crushing has increased the use of hydraulic breaker in engineering， which has certain theoretical and practical significance.

Keywords： hydraulic breaker; working principle; precautions; research status

0 引言

液壓破碎锤是建筑行业中重要作业工具之一，常用于市政园林、水泥破碎、水利、电力、天然气、矿井挖掘、冶金、船舶等工程施工中。特别是，近年来国家对炸药的管制，使得破碎锤成为首要选择［1］。根据调查，液压破碎锤根据使用方式的不同，可分为两种类型，分别为手提式破碎锤、机载式破碎锤。手提式破碎锤适用于工艺较小的工作，适用功率较小。机载式破碎锤主要应用于大型机械上，如装载机、挖掘机等。近年来，我国基础建设比例逐渐增大，液压破碎锤成为主要热点之一。

1 液压破碎锤的技术现状

液压破碎锤是一种将输入的液压能量转换为［1］机械冲击能量的设备，一般装配在挖掘机、装载机等液压设备上，能对建筑材料进行石料粉碎等作业，被大量应用于土木建筑和采矿等工程中［2］。与其他传统机械打碎方式相比，使用液压破碎锤打碎岩有着以下优势：破岩力较高、所要求的推力较低且机动灵活、环境适应性较好、破岩范围可控、准确性较好、噪声较小［3］。

液压破碎锤破碎岩石具有简单、经济、快捷的优势，使用范围日益广泛［4］。液压破碎锤能应用于采场、第二次粉碎、矿井剥离与开发、选别采矿、大型石材开挖及巷道挖掘、挑顶、刷帮等工程作业中。液压破碎锤在一定场合中也可代替炸药用于爆破。在施工中，液压破碎锤还可用于水泥板块的拆除、块体及沥青路面破碎工程、排水沟槽施工等［5］。

我国对液压破碎锤的研究开始于20世纪70年代。自20世纪80年代开始，许多研究部门投入对液压破碎锤的研究，如哈尔滨工程学院、中南工业大学等［3］。但受限于技术上的缺陷，导致产品销量始终追不上国外顶尖品牌，国内生产液压破碎锤的公司大多数都停产［6］。现如今，国内也只是惊天、击利乐等少数几家公司在努力研发液压破碎锤。

2 液压破碎锤的研究现状

进入21世纪，随着城乡基本建设与工程建设的发展，我国建筑机械的市场规模也有了质的飞跃，特别是挖掘机市场规模迅速扩大，从2017年的14.03万台增加到2020年的32.76万台。

液压破碎锤作为液压挖掘机的工作部件，其市场需求也随之增加。中国国内企业的生产量无法满足液压破碎锤的需求量和使用量，需要引进国外的液压破碎锤。在中国市场上，有意大利、日本、加拿大、韩国、德国、芬兰等液压破碎锤技术先进国家的产品，其中以韩国产品的数量最多。中国生产的液压破碎锤种类很少，市场占有率低。中国生产的液压破碎锤的种类、质量、销量与其他技术先进国家相比有很大的差距。

中国缺乏液压破碎锤行业数据统计，且无法归属其行业，是属于液压机具行业，亦或是属于挖掘机配件行业，还是属于碎岩机械行业。目前，国内并没有形成较为统一的定论。

我国的液压破碎锤制造最开始基本上是仿制或引进技术，缺乏创新性，且引进的技术并非国外顶尖技术，选择被仿产品有时也不是很恰当，吸收和接受能力也不强，缺乏继发性创新。仿制效率不高，当时引进的新产品可能是国外淘汰的产品，而国外新一代产品已面市，通过引进或仿制的落后产品自然无法与新一代产品竞争，从而在市场上逐渐消亡。

3 液压破碎锤的工作原理与特点

3.1 液压破碎锤的工作原理

液压破碎锤工作大致分为回程加速阶段、回程制动阶段、冲程加速运动、结束状态四个阶段。具体流程如下。

液压破碎锤结构如图1所示，在该机械设备中，由于位置A受到后气缸上腔的液壓作用远远超过位置B，且一直受高压的也有位置B。当A位置发生由受高压强效果改变为受低压效果，后气缸又即将向前运动时，气体随受压位置能被后气压缸内的高压氮蓄能。一开始，两者均在最下面位置，气缸上腔A一直受低气压影响，而气缸下腔B和阀的高压腔C始终受压力影响，只有和回油嘴相连的低压端D一直保持低气压工作。低压腔与气缸转换腔相连接，这时与气缸转换腔相接的E为低气压，所以在气缸向上运行时气缸转换腔仍为低气压。由于C面积大，D受压力，且位置C压力大于位置D压力，故在位置E受压力期间阀受到下压力。高温油流入缸体下腔，导致气缸温度上升［7］。当气缸进行上升运行时，不会发生改变的是活塞转换腔内的油压。此时，高温氮气因受压而进行蓄能。当活塞移动至中段时，气缸旋转腔与下腔相通，这样一来，气缸旋转腔就受到压力。此时，位置C、D、E均受到压力，其体积关系是D+E>C，因此阀受到向上的作用力，在该推动力下，阀座向前移动。当气缸停止运动时，此时便是蓄能的峰值。当气缸运动下行时，活塞转换腔与阀内高压腔相连接，这样一来气缸上腔便转为受压力。上、下腔统一受到高压作用力，且其压力关系是A>B，对活塞运动有向下推动力。另一方面，存在一个向下的推力作用在高压氮气给活塞上，使其迅速向下移动。在这期间，由于钎杆被活塞锤击，缸体转化腔和低压室相连接，使位置E受低温。而位置C、D受高温，且其温度关系是C>D，所以阀开始向下运行。当阀上下运动时，用气缸击打钎杆。活塞运动击中钎杆后，活塞运动又恢复前进运动。而液压破碎锤则按顺序依次重复，上述的撞击步骤直到活塞运动碰到其冲击对象为止，完成一次撞击工作。

与破碎效率有关的是冲击能，冲击能计算见式（1）。

式中：mp为液压破碎锤的活塞质量，kg；vp为液压破碎锤活塞运动速度，m/s。

能量经活塞磨损传导至钎杆运动过程中，存在能量损失，其效率计算见式（2）。

式中：T为活塞完成一次冲击所需的时间（周期），s；f为冲击频率；Qin为系统输入流量，m/s；Pin为系统入口处平均压力，Pa；Pin=[i=1npn]，其中n为入口压力采样个数。

3.2 液压破碎锤的特点

液压破碎锤较于其他类型的结构略微复杂，具有以下优点。①液压破碎锤拥有极高强度的外壳，在面对恶劣工况时，各个部位基本都得到强化改进，无论是耐用性还是可靠性都得到加强，且全部进行拉伸试验，便于适应各种环境；②活塞材料为特殊热处理的高强度材料，延长机械零件的使用寿命，且经过热处理，不仅强化活塞材料性能潜力，还降低产品重量、节省材料，提高液压破碎锤的产品质量；③工件间的结构紧密，活塞与油缸间的间隙为0.03～0.04，配合紧密，有效规避液压油的内泄，保护液压破碎锤的部件，减少其损耗；④采用蓄能器来储存能量，并增强打击力，吸收液压震动和波动，降低油路脉冲；⑤换向阀采用精密加工技术，减少压力脉冲，重点保护挖掘机液压系统；⑥液压破碎锤通过不同方法来增强其抗打击力，如装配蓄能器、液压油压力和氮气压力之间的紧密配合等。

液压破碎锤与其他类型结构相比有很多优点，但不可避免的是，其也有一些不尽如人意的方面。①在高温或极低温度下不能存放液压破碎锤，应将氮气尽量放尽，并将进油口与出油口统一封闭，避免外泄；②工作时，应尽量使液压破碎锤的温度不超过90 ℃；③工作时，如果遇到水，不能将液压破碎锤浸入水中，应仅保留钻头进入水中；④禁止在挖掘机履带旁使用液压破碎锤。

4 液压破碎锤的种类与应用

4.1 液压破碎锤的种类

合理地运用液压破碎锤，能提升液压破碎锤在不同状况下的作业效果。

4.1.1 按照作业方法划分。液压破碎锤可分为手提式、车载式。通过双手来拿起手提式液压破碎锤，可进行一些简单的破碎活动（其质量一般在30 kg以下）。机载式液压破碎锤多装载在挖掘机上，由主机臂架装备在主机上，从事破碎工作。

4.1.2 按照操作方式划分。液压破碎锤可分为全液压式、液气联合式和氮爆式。液气联合式液压破碎锤通过液压油产生压力带动气缸运行。目前绝大多数破碎装置使用液气联合式液压破碎锤。

4.1.3 按照配流阀结构划分。液压破碎锤可分为内置阀式、外置阀式。内置阀式又可分成芯阀型、套阀型。内置阀式阀与气缸制成一体，整体结构紧凑；外置阀式的配流阀与缸体分开，结构更加简单，便于修理与替换［8］。

4.1.4 按照液反馈方法划分。液压破碎锤可分为路程反馈式、压力反馈式。路程反馈式破碎锤是指配流阀通过活塞在行程中的开关高压油孔位置来达到换向目的［9］。路程反馈孔位置要经过硬性设定，且受结构条件影响，反馈孔至多设定为3个，故路程反馈式液压锤无法做到对冲击频率的无级调整。压力反馈式液压锤则可实现无级调整，但因压力反馈式液压锤依赖于安装在腔内的氮气压力传感器，通过将数据反馈给单片机，用来控制门的方向发生变化，从而自由设定换到的压力。

除此之外还有其他类别，在此不过多赘述。

4.2 液压破碎锤的使用

合理地运用液压破碎锤，能提升液压破碎锤在不同状况下的作业效果，大幅度延长挖掘机与液压破碎锤的工作寿命。液压破碎锤使用时的注意事项如下。①液压锤钎杆必须与被破碎物面保持直角，在工作过程中钎杆必须紧压着被打碎的物品面，要保证压力平衡后再启动液压破碎锤，在破碎完毕后要立刻停止液压破碎锤工作，以免液压破碎锤打空。②当用液压破碎锤打碎非常坚固的物品時，先从边缘开始击打，切勿在同一个地方连续锤击超过40 s，以避免钎杆过热。③不能将液压破碎锤当作普通锤子来使用，不能用于打碎石头。④不得使用液压破碎锤来提拉或移动货物。⑤液压缸的活塞杆如果全伸或全缩的话，禁止使用液压破碎锤作业。⑥当液压水带正在进行比较剧烈的振动时，应停止液压破碎锤正在进行的运作，并由专门的维修专家去测试蓄能器的压力是否合格正常。⑦液压破碎锤禁止在水上作业［10］。⑧液压破碎锤不可当作撬杠来使用，以防钎杠打碎。⑨在使用过程中，尽可能让挖掘机和泵一直处于开启状态。当油温达到60 ℃后，挖掘机与液压破碎锤能以最高功率进行作业。在气温特别低的情况下，挖掘机需要提前加热来确保其温度。同时，也要确保油温不能超过80 ℃，如果温度过高，就需要进行检修。⑩不可在没有提前加热液压油时就使用液压破碎锤，否则会导致高压蓄能器里的隔膜和液压破碎锤密封件断裂。

5 结语

随着国民经济的不断提高，城市基础建设成为国家发展的重中之重。无论是市政园林，还是矿井挖掘，液压破碎锤都有着重要的用途，未来液压破碎锤发挥的作用将越来越大。

参考文献：

［1］许剑，严世榕.液压破碎锤的发展与应用［J］.机电技术，2009（S1）：32-35.

［2］张亮亮，陈金华.改进型液压破碎锤在小断面隧洞开挖中的应用［J］.四川水利，2020（S1）：9-12.

［3］杨国平，曹国俊，陈浩，等.液压破碎锤关键技术及产业化［D］.上海：上海工程技术大学，2013.

［4］周志鸿，马飞.中国液压破碎锤行业的进步与不足［J］.工程机械，2010（1）：49-54，9.

［5］李亚东，孟凡建，简立瑞，等.浅谈液压破碎锤在挖掘机上的应用［J］.建筑机械化，2018（12）：40-43.

［6］司癸卯，李晓宁.液压破碎锤的发展现状及研究［J］.筑路机械与施工机械化，2009（7）：76-77，80.

［7］周志鸿，许同乐，高丽稳，等.液压破碎锤工作原理与结构类型分析［J］.矿山机械，2005（10）：39-40.

［8］卜必明.液压破碎锤的泄漏原因和排除措施［J］.科学中国人，2014（24）：1.

［9］胡凯俊，杨国平，曹国俊，等.高频破碎锤故障处理及注意事项［J］.机床与液压，2015（16）：188-190.

［10］陈国勇.破碎锤的安装使用与维护保养［J］.神华科技，2013（2）：11-13.

收稿日期：2022-11-16

基金项目：徐州工程学院大学生创新创业训练计划项目（xcx2022132）。

作者简介：陈昊祥（2003—），男，本科生，研究领域：机械设计制造及其自动化。