液壓破碎錘破碎混凝土的動力學分析

陳震，黃正祥，黃正華

（1.南京理工大學 機械工程學院，江蘇 南京210094;2.安徽驚天液壓智控股份有限公司，安徽 馬鞍山 243071）

0 前言

液壓破碎錘又稱為液壓沖擊器、液壓碎石器，是一種將液壓能轉化為機械能的沖擊工具，其主要功能為形成沖擊、振動。由于具有良好工作適應性、高工作性能、低噪聲、高效率等優點，液壓錘廣泛應用于冶金、礦山、道路、建筑等領域，對巖石、混凝土、鋼包、凍土、水泥路面、橋墩、樓房等堅硬物進行開采、破碎、拆除等作業，此外還可以通過改變釬桿用于除銹、打樁等作業中。長時間處于高強度的工作中，對于機械設備的抗疲勞性的要求隨之增高，而現代工程建設中對其破碎、拆除的效率和可適用性的要求也隨之增高，僅僅研究破碎錘中的單個零部件的機械性能已經不能滿足要求，有必要更深入地研究其整個裝備的動力學性能以及其對巖石、混泥土等的破碎情況［1-2］。

目前對液壓錘的研究大多僅限于在沖擊載荷作用下對單個部件（如釬桿、活塞桿、工作裝置東臂等）的結構動態響應及其應力分析，楊紅等研究計算出液壓破碎錘動臂的前5階固有頻率［3］;謝良喜等對液壓破碎錘的活塞桿在工作情況下進行了研究分析［4］;柴睿等介紹了設計制造液壓破碎錘活塞桿的若干關鍵技術［5］;楊國平等對活塞桿和釬桿作了改進并對其改進后的模型進行了應力分析［6］;針對整個裝備的動力學分析以及對混凝土破碎的研究尚未有相關文章。分析整個部件的應力、研究混凝土破碎情況對于理清液壓破碎錘內在的技術規律，設計出適用性強的液壓破碎錘具有很強的實用意義。本文以YYC300型行程反饋式液壓破碎錘為研究對象，利用LSDYNA仿真軟件對液壓破碎錘內部撞擊情況及其對混凝土的侵徹進行數值計算，通過對比分析不同應力集中點的應力變化以及混凝土開坑情況，利用試驗驗證了仿真結論的可靠性。

1 液壓破碎錘的工作原理

如圖1所示，在液壓錘體中，由于受缸體上腔油壓作用的面積A1大于受缸體下腔油壓作用的面積A2，且A2面總是受高壓，當A1面從受高壓作用變為受低壓作用，活塞開始向上運動時，后缸體內的高壓氮氣就會伴隨著受壓開始蓄能。

初始時，活塞和閥都處在它們的下端位置，缸體上腔A1受低壓作用，缸體下腔A2和閥的高壓腔A3無論何時總是受高壓作用，而與回油口連接的低壓端A4始終處于低壓狀態。低壓腔與缸體轉換腔相連接，這時與缸體轉換腔相連的A5受低壓，所以在活塞向上運動之前缸體轉換腔受低壓。因為面積A3，A4受高壓且A3＞A4，所以在A5受高壓之前閥受向下力。高壓油進入缸體下腔使活塞上升。當活塞開始向上運動時，活塞轉換腔的油壓沒有改變。

圖1 液壓破碎錘工作原理示意圖

此時，高壓氮氣受壓開始蓄能。

當活塞運動到中部時，缸體轉換腔與下腔相連，這樣缸體轉換腔就受高壓。此時，A3，A4，A5都受高壓，它們的面積關系為A4+A5＞A3，這樣閥受向上的作用力，在該作用力下，閥座向上運動。當活塞停止運動時，高壓氮氣蓄能達到最大。

當活塞向下時，活塞轉換腔與閥內高壓腔相連接，這樣缸體上腔變為受高壓。上、下腔都受高壓作用，且A1＞A2，活塞受向下作用力。另一方面，高壓氮氣受壓給活塞一個向下作用力，這樣活塞迅速向下運動。

在這之前，活塞打擊釬桿，缸體轉化腔與低壓腔相連接，這樣A5受低壓。又A3，A4受高壓，A3＞A4，所以閥開始向下運動。在閥向下運動時，活塞打擊釬桿。活塞打擊釬桿后，活塞重新開始向上運動。

液壓破碎錘依次重復以上沖程直至活塞撞擊其打擊對象為止就算完成一次沖擊工作。

2 液壓破碎錘動力仿真前處理

YYC300液壓破碎錘采用SOLIDWORKS軟件進行三維建模，應用到軟件中零件、裝配體兩個模塊。在建模過程中，為了更準確的反映液壓錘的應力情況并減少軟件的計算量，進行了以下簡化:1）忽略外殼部件以及對整個力學性能影響較小的螺紋、倒角、圓角等要素。2）在實際模型中焊縫均按照連續處理，其材料按照與母材相同處理。將以上各個部分裝配到一起組裝成液壓破碎錘總體，如圖2所示。YYC300液壓破碎錘主要技術參數如表1所示，數值計算中材料參數值如表2。

液壓破碎錘各個零部件均采用SOLID164進行6面體網格劃分，而對于混凝土的不同區域，網格劃分采用不同的密度，在與釬桿侵徹的過程中發生接觸的區域需要比較密的網格，故采用顯示體單元SOLID164對其進行切割劃分。釬桿與混凝土之間采用面與面侵徹接觸其余零部件之間均采用面與面自動接觸，活塞缸體和混泥土處施加全約束且混凝土域邊界設置為非反射邊界。

圖2 液壓破碎錘簡化模型

表1 YYC300液壓破碎錘主要技術參數

表2 YYC300液壓破碎錘主要零部件及混凝土的材料屬性

液壓錘工作時的實際打擊力約為50 kN，工作頻率約為10 Hz，由于在實際工作狀態下，施加活塞桿的打擊力作用機制十分復雜，為了能夠在LS－DYNA中進行處理，首先將實際打擊力的數據換算成給活塞缸一個持續時間為0.000 2 s，在0.000 1 s時載荷達到最大值的三角形的脈沖載荷，由于活塞桿施加載荷面積是直徑為45 mm的圓，據公式P=F/A，則施加載荷隨時間變化曲線如圖3所示。

圖3 施加的壓力載荷隨時間變化曲線

3 仿真及實驗結果對比分析

根據仿真結果，對重要零部件的關鍵部位進行應力分析、對破碎錘侵徹能力進行分析。根據液壓錘破碎混凝土的運動狀態，分析關鍵點的應力變化。

3.1 液壓破碎錘零部件的應力分析

如圖4所示，當活塞桿運動時間為6 500 μs時，活塞桿與釬桿發生碰撞，此時釬桿撞擊面受力最大可達5.436e3 MPa;當活塞桿運動時間為9 000 μs時，活塞桿與活塞缸體碰撞，此時，應力最高可達5.189e3 MPa（圖5）。混凝土的應力隨著開的坑向外圓周減小（圖6）。

圖4 活塞桿與釬桿撞擊瞬間應力云圖

圖5 活塞桿與活塞缸體撞擊瞬間應力云圖

圖6 混凝土破碎時的應力云圖

選取液壓破碎錘零部件撞擊面應力集中處的點為關鍵點:A為釬桿底端與混凝土撞擊面的中心點，B為釬桿上端與活塞桿撞擊面的中心點，C為活塞桿底端與釬桿撞擊面的中心點，D為活塞桿斜側面與活塞缸體撞擊的點。繪出其應力變化如圖7。

圖7 液壓破碎錘中關鍵點的應力變化曲線

在液壓破碎錘一次沖擊中，A點在6 700 μs時受力開始破碎混凝土，瞬時應力可達3.4 MPa，此后保持100 MPa直至一次撞擊結束。B點應力在6 500 μs時達到瞬時高峰540 MPa，此時活塞桿與釬桿發生碰撞，隨后B點應力維持在270 MPa。在7 000 μs時，活塞桿底面與釬桿撞擊C點產生最大應力值460 MPa，隨后應力隨著時間震蕩減弱，直至平衡于150 MPa。在5 300 μs時，活塞桿側壁開始與活塞缸體第一次碰撞，瞬時應力達到330 MPa，隨著活塞桿與釬桿的繼續推進直至分離，活塞桿側壁與活塞缸體完成多次碰撞，由圖可看出D點應力逐步震蕩減弱，最后穩定在170 MPa。

為了驗證仿真結論的正確性和可靠性，進行了試驗研究。試驗所用儀器為YD－15動態電阻應變儀、工業計算機、數據采集與處理軟件、應變片以及信號線。測量電路如圖8。

圖8 測量電路圖

試驗測量數據與仿真數據對比如表3。

表3 仿真值與測量值的對比

續表3

由于實驗本身的條件限制，以及液壓錘特殊的工作方式，根據現有的實驗設備只能做初步的試驗測試。試驗各測試點的實驗值是根據液壓錘工作穩定后所得的應力曲線圖得出數據，將某一瞬間的極大值看成是靜態的，然后與有限元分析值進行比較（表3），可知兩者的誤差最大為16.7%，最小為2.4%，通過比較可以看出有限元計算結果是可信的。測點4的力最大反映出活塞桿與活塞缸體撞擊時受力比較大，測點1的力最大反映出釬桿破碎混凝土撞擊力比較大，測點7的力較大反映出混凝土撞擊部位受到的沖擊力大，這些在有限元應力圖中體現得也很明顯。通過分析比較可知，活塞桿結構比較合理，構件受力情況較好，承載能力較強，應力分布均勻;釬桿的承受力大;活塞桿與活塞缸體的接觸處結構不太合理，使活塞缸體所受的最大應力值偏大，這是由于有限元分析的過程中沒有考慮到油摩問題并且將模型簡化了，在實際工程應用中，如果妥善處理好液壓油問題，也會減少應力偏大情況的產生。

3.2 液壓破碎錘的侵徹能力分析

液壓破碎錘的侵徹能力可以通過分析釬桿的x方向位移（即混凝土開坑的水平方向位移）、y方向位移（即混凝土開坑的豎直方向位移）進行分析。

液壓錘釬桿接觸地面，氮氣蓄能對活塞桿施加壓力，7 000 μs時釬桿開始破碎混凝土，10 000 μs 時混凝土坑深穩定在4.5 cm（圖9）。在釬桿破碎混凝土途中，釬桿的水平位移只有微小震動，基本可以忽略不計（圖 10）。

圖9 混凝土開坑的豎直方向位移

圖10 混凝土開坑的水平方向位移

為了驗證仿真結論的正確性和可靠性，進行了試驗研究。

對混凝土基準面進行三次侵徹試驗，測得其擊穿深度分別為4.9 cm，4.8 cm，4.5 cm，開坑直徑分別為 5.1 cm，5.0 cm，5.2 cm，取其三次試驗的平均值得液壓破碎錘對混凝土進行破碎時侵徹深度為4.7 cm，開坑直徑為5.1 cm，仿真所得的侵徹深度為4.5 cm，開坑直徑為5 cm，誤差在5%以內，與仿真結果基本一致。

4 結論

通過對液壓破碎錘破碎混凝土的過程進行有限元仿真，得到了液壓破碎錘關鍵部位的應力分布與極限值，分析了其破碎混凝土的效果，并通過試驗驗證了仿真結果的正確性。該研究結果對優化液壓破碎錘的結構設計、提高液壓破碎錘性能等有指導意義，也可為施工單位選擇液壓錘錘型提供依據。

［1］王雪，龔進，鄒湘伏.液壓沖擊器的研究狀況和發展趨勢［J］.鑿巖機械氣動工具，2006（3）:19-23.

［2］許同樂，夏明堂.液壓破碎錘的發展與研究狀況［J］.機械工程師，2005（6）:20-21.

［3］楊國平，柴睿.液壓破碎錘沖擊活塞設計與制造的若干關鍵技術［J］.機床與液壓，2008（6）:62-63.

［4］謝良喜，陶平.液壓錘工作狀態下活塞的力學模型與應力分析［J］.工程機械，2007（5）:44-46.

［5］楊紅，任成高，程利.液壓破碎錘動臂的模態分析［J］.機電產品開發與創新，2009（3）:124-125.

［6］楊國平，楊襄碧.用MATLAB語言對液壓破碎錘沖擊過程的仿真研究［J］.建筑機械與施工機械化2002（1）:5-7.