落錘式水泥路面破碎錘提升系統設計

薛雪++郁錄平++周晨龍

摘要：在分析破碎錘的基本組成和工作原理的基礎上，提出了一種落錘式水泥路面破碎錘提升系統的設計方法，并對其液壓系統設計、提錘過程的動力學分析、鋼絲繩的受力計算等進行了詳細論述，最后分析了提錘過程的機械效率及影響因素，可為路面破碎錘的設計與分析提供參考。

關鍵詞：破碎錘；提升系統；破碎效率；水泥路面

中圖分類號：U415.5文獻標志碼：B

0引言

水泥混凝土路面強度高、穩定性好、使用壽命長、承載能力強，而且其抗車轍能力、水穩定性和溫度穩定性優于瀝青混凝土路面，在高速公路、國道及城市公路中得到了廣泛應用[13]。但水泥混凝土路面也存在一個嚴重的缺點，就是損壞后維修困難。目前常用的維修方法是，將破損的水泥路面進行破碎處理，然后修復[45]。本文對常見的落錘式水泥路面破碎機的提升機構設計計算方法進行分析。

圖1破碎錘提升機構

1破碎錘的基本組成和工作原理

1.1破碎錘提升機構的工作過程

圖1為破碎錘提升機構示意圖，主要由提錘油缸、鋼絲繩、滑輪、破碎錘和緩沖彈簧組成。其中，滑輪安裝在提錘油缸活塞桿端，提錘油缸缸體固定在機架上，鋼絲繩一端固定在機架上，繞過滑輪后，另一端通過緩沖彈簧系在破碎錘上。當活塞桿上下移動時，通過滑輪機構使破碎錘提起或下落，完成破碎工作。滑輪機構能起到行程放大和增速作用，有的落錘式破碎機的滑輪機構可以將破碎錘行程放大到活塞行程的6倍。本文僅分析圖1所示的可以將破碎行程放大到活塞行程2倍的單動滑輪機構，所用的分析方法具有普遍性。

1.2破碎錘液壓系統的工作原理

破碎錘的液壓系統應該能實現破碎錘的提升、懸停、沖擊下落和緩慢下落4個工作狀態。本文介紹的液壓系統工作原理如圖2所示。

圖2液壓系統工作原理

（1） 提升狀態。當破碎錘需要提升時，給三位電磁換向閥下方的電磁鐵通電，閥芯上移，使來自液壓泵的液壓油推開單向節流閥的單向閥進入到提錘油缸的下腔，活塞桿推動滑輪上升，從而帶動破碎錘上升。

（2） 懸停狀態。在工作過程中，只要給三位和二位電磁換向閥斷電，使三位電磁閥閥芯處于中位，二位電磁閥閥芯處于右位，提錘油缸下腔關閉，可使破碎錘處于懸停狀態。

（3） 沖擊下落狀態。當需要破碎錘沖擊下落進行破碎時，在電磁換向閥斷電處于中位的條件下，給二位電磁換向閥通電，使其處于左位，則液壓油會先通過三位和二位換向閥，再通過背壓閥進入油箱，并利用背壓閥的壓力使液控單向閥打開。由于液控單向閥的通徑大、液阻小，提錘油缸下腔的液壓油可快速地流回油箱[1]，從而使破碎錘以自由落體形式快速下落。

（4） 緩慢下落狀態。當需要破碎錘緩慢下落時，在換向閥的電磁鐵斷電的條件下，給三位換向閥上方的電磁鐵通電，此時，閥芯下移，二位換向閥斷電處于右位，則提錘油缸下腔的油在破碎錘重力的作用下，通過單向節流閥緩慢流回油箱，實現慢速下落，而來自液壓泵的液壓油通過二位電磁閥流回油箱。

2設計計算

破碎錘上升過程可以分為3個階段：加速階段、勻速階段、減速階段。在提速終止時的減速階段，破碎錘放出的動能會沖擊提升系統，但不能進行破碎。

2.1初步確定提錘過程液壓系統的參數

2.1.1油缸的作用面積AS

無論破碎錘處于加速階段還是勻速階段，均應滿足以下條件。

PmaxAS≥2Mg（1）

式中：Pmax為液壓系統最大壓力，也就是圖2中溢流閥的調定壓力； M為破碎錘質量；g為重力加速度。

由此可以求得提錘油缸的直徑DS，即

DS≥8MgπPmax（2）

由油缸產品的直徑系列確定實際油缸直徑DS的數值，則油缸的實際作用面積AS為

AS=πD2S4（3）

2.1.2油缸行程

在實際施工中，油缸的行程直接決定著破碎錘的提升高度，而破碎錘的提升高度則決定破碎錘落地時對路面的沖擊力，直接影響著對路面的破碎效果。如果提升高度低，不能達到理想的破碎效果；如果提升高度過高，會增加設計制造的難度及成本，消耗能量大，增加提錘時間，減小沖擊頻率，降低工作效率，且過度的破碎不利于對路面進行碎石化維修，故工作時的提錘高度與實際工況有關，所以從設計的角度來說，提錘高度應該設計為可以調整的。

2.2提錘過程的運動分析

2.2.1穩定過程分析

（1） 穩定提錘時液壓系統壓力

P=2MgAS（4）

（2） 穩定提錘速度V。設提錘液壓系統設計流量為QS，則破碎錘的穩定提升速度

V=2QSAS（5）

（3） 理論提錘時間t0。設提錘高度為H，在不計提錘起步加速過程的條件下，理論提錘時間t0可按下式計算。

t0=HV（6）

2.2.2提錘起步過程分析

（1） 提錘起步加速度a。在液壓系統向提錘油缸的下腔供油后，破碎錘的速度是不可能立刻達到速度V的，需要有一個加速過程。在這個加速過程中，溢流閥打開，多余的液壓油從溢流閥流回油箱，系統的壓力是該溢流閥的調定液力Pmax，由此得出提錘起步加速度

a=12PmaxASM-g（7）

（2） 最大加速時間t1和加速高度h1。如果提錘高度比較大，則在提錘速度達到V時加速過程結束，加速過程需要的時間

t1=Va=4MQSAS1PmaxAS-2Mg（8）

這時的提錘高度為最大加速高度h1。

h1=12at21=Vt12（9）

2.2.3提錘時間

（1） 如果提錘高度H小于h1，則整個提錘過程都在加速，提錘時間endprint

t=2Ha（10）

（2） 如果提錘高度H大于h1，則提錘過程在加速過程結束后有一段勻速過程，勻速提錘的時間

t2=H-h1V=t0-t12（11）

這時，提錘總時間

t=t1+t2=t0+t12（12）

2.2.4落錘時間

落錘時間t3可以按自由落體計算。

t3=2Hg（13）

2.2.5頻率計算

（1） 周期T。破碎錘的工作周期為提錘時間t、高位等待時間tH、落錘時間t3、落地等待時間tD之和，即

T=t+t3+tH+tD（14）

（2） 頻率

f=1T（15）

3功率計算

3.1液壓泵的功率計算

提錘起步階段提錘功率

N1=PmaxQS（16）

提錘穩定階段提錘功率

N2=PQS（17）

很明顯，N2

3.2破碎過程的效率分析

提錘過程消耗的有用功

Wr=MgH（18）

將Mg=PAS/2帶入式（18），得

Wr=PASH2（19）

在不計液壓管路和液壓油缸損失的條件下，提錘過程做的總功

Wz=PmaxASh12+PASH-h12（20）

由此可求得提錘系統的效率

η=WrWz

將式（19）、（20）代入上式，整理得

η=HH+（PmaxP-1）h1（21）

4破碎過程鋼絲繩受力計算

（1） 在穩定提升階段，鋼絲繩的受力

F1=Mg（22）

（2） 在起步加速過程，鋼絲繩的受力

F2=M（a+g）（23）

（3） 提錘停止時的沖擊現象。當破碎錘提升到設定高度后，控制系統會立刻關閉電磁閥，但這時破碎錘不會立刻停止，而會以初速度V做上拋運動，然后以自由落體的形式下落，并以速度V向下沖擊鋼絲繩和液壓缸。由于破碎錘的質量比較大，鋼絲繩的剛度也很大，在提升系統內會產生很大的沖擊力，所以有必要設計緩沖裝置。通常是在鋼絲繩與破碎錘之間布置緩沖彈簧。

由能量守恒定律得

12MV2=12kA2（24）

式中：k為緩沖的彈性系數；A為緩沖彈簧的最大變形量。

由式（24）得

A=MkV（25）

鋼絲繩和緩沖彈簧的最大受力

F3=kA=MkV（26）