淺談液壓破碎錘在挖掘機上的應用

李亞東，孟凡建，簡立瑞，秦滿義

（徐州徐工挖掘機械有限公司，江蘇 徐州 221000）

液壓破碎錘是一種以液壓能作為動力源，在運動過程中將液壓能轉換為機械打擊動能，從而使活塞推動釬桿進行破碎作業的裝置。它作為一種新型的破碎工具，具有噪聲小，破碎性能優越，節能環保等特點。

從世界范圍內破碎錘的發展歷史來看，1963年著名的德國蒂森克虜伯公司就申請了第一個液壓振動設備的專利，1967年蒂森克虜伯公司在德國的漢諾威展會上首次亮相了HM400液壓破碎錘，這是世界上最早的車載破碎錘，這一開創性的產品亮相后得到廣泛的關注，拉開了破碎錘發展的序幕。1969年蒙特貝也推出了法國第一臺液壓破碎錘，此后英格索蘭也開始了破碎錘的研制，1973年，日本甲南公司引進蒂森克虜伯公司的技術開始研制破碎錘產品，開啟了日本研發破碎技術的進程，隨后日本古河、東空也陸續推出了自己的破碎產品。1986年韓國水山重工推出自己的第一代液壓破碎錘，韓國緊隨其后也大力發展自己的破碎錘技術。我國液壓錘的研發起始于20世紀70年代末，80年代初得以研制和大規模開發，但由于產品質量及市場等問題破碎錘技術一直發展緩慢。

液壓挖掘機是一種移動靈活應用廣泛的工程機械設備，其前端工作裝置可靈活搭載多種機具，實現一機多能。進入21世紀，我國經濟高速發展，基礎建設和礦山開采等發展迅猛，國內挖掘機保有量持續攀升。隨著挖掘機技術的發展，破碎錘和整機系統的匹配越來越好，通過系統匹配優化和主要部件的可靠性提升，破碎錘在液壓挖掘機上的應用日趨成熟，

液壓破碎錘潛在的需求越來越大。從衡量破碎錘行業發展的關鍵技術指標挖掘機配錘率來看，2006年以來我國破碎錘率僅為6.2%，到2016年發展到20%，據統計歐美發達國家挖掘機破碎錘率達到35%，日韓等國高達60%，因此我國液壓破碎錘發展空間巨大。

國家在“十三五”規劃中也明確提出綠色環保發展思路，國家相關職能部門開始加強對環保的督查力度，嚴格控制工程炸藥的使用量，挖掘機搭載破碎錘在工程建設和礦山開采中的扮演著越來越重要的作用。目前國內對破碎錘的研究尚不充分，制造廠家產品不夠成熟，應加強對破碎技術的研究與應用。

1 液壓破碎錘分類

根據操作方式，液壓破碎錘分為手持式和機載式兩大類（見圖1），手持式破碎錘破碎輸出功率較低，適合二次破碎和市政小型施工領域。機載式主要搭載在裝載機或者挖掘機等機械上用于完成破碎作業，適用范圍較廣。

圖1 液壓破碎錘分類

根據工作原理，液壓破碎錘分為全液壓式、氮爆式和液氣聯合式。目前機載式破碎錘多是采用液氣聯合式，液氣聯合式破碎錘是通過系統液壓能和破碎錘氮氣室氣體壓縮所產生的蓄能同時推動活塞作業，以氮氣蓄能為主。該破碎錘性能穩定，能效比較高。系統打擊動能主要受氮氣充入量、系統溢流壓力及系統液壓流量等因素影響。氣液錘綜合了全液壓式和氮爆式兩種液壓破碎錘的優點，氣液錘所需的下壓力比氮爆式小，而比全液錘大。回程時，它的活塞阻力比氮爆錘小，而比全液錘大。活塞回程過程中的速度比氮爆錘大，比全液錘小。所以無需專設順序閥來控制沖擊頻率。沖程時氣液錘的瞬時最大流量比全液錘小，也沒有氮爆錘的高壓油封閉無出路的現象，因此氣液錘的壓力脈動比全液錘和氮爆錘都小些，目前液氣聯合式破碎錘應用較為廣泛。

根據輸出功率，液壓破碎錘分為輕型、中型和重型3種，根據不同的破碎工況可以選擇不同的功率需求，根據不同的噸位的液壓挖掘機匹配不同功率的破碎錘，避免小馬拉大車或者大馬拉小車等粗放的匹配方式。

2 液壓破碎系統及工作原理

2.1 液壓破碎錘的結構

挖掘機用液壓破碎錘種類較多，每個品牌的結構都不完全一致，但是基本組成都大致相似。目前氣液錘應用較為廣泛，本文以氣液錘作為研究分析對象，其主要由圖2所示的幾大部分組成。

圖2 液壓破碎錘主體結構圖

液壓破碎錘通過自身所帶的換向閥實現高壓油路的切換，從而使破碎錘的活塞進行往復運動，將打擊能量傳遞給釬桿，當釬桿獲取能量后對目標對象實施破碎工作。

2.2 挖掘機破碎系統組成

圖3 挖掘機破碎系統組成

液壓挖掘機破碎系統通常主要由破碎錘、液壓管路、控制閥組、操控系統、液壓動力系統和輔助原件等組成（圖3）。為了提升破碎錘的更換效率，目前在挖掘機工作裝置前端也經常會使用快換裝置，這一裝置可以有效提升前端機具的切換效率。快換裝置在歐美等發達國家已經被大量使用，目前我國挖掘機前端配置快換裝置的比例仍較低。破碎錘在使用時有時需要頻繁更換，更換時液壓管路接頭處引起污染概率較高，再加上破碎錘在工作時磨損量較大，液壓系統受污染的程度較高，造成系統主要液壓元件損壞。因此在破碎管路上會增加回油過濾器等輔助元件，用以保護液壓系統正常運行。考慮到挖掘機系統的端口溢流壓力往往都在31MP以上，為了保護液壓破碎錘會，在破碎錘工作管路上增加安全閥，安全閥的溢流壓力可根據所選的破碎錘參數作為設定依據，從而有效地避免破碎錘長時間工作在安全壓力之上造成破碎錘的損壞。

2.3 破碎錘工作原理

氣液式破碎錘的活塞頂部設有一個氮氣室，氮氣室充氮后被用作蓄能，一般氮氣室充氣壓力氣液式比氮爆式小。大中型等重型液壓錘一般要配置高壓型蓄能器，因為他們需要的打擊能量較大，而小型氣液錘都不設置高壓蓄能器。氣液錘的活塞回程運動是靠液壓作用實現的，而沖程運動則是靠液壓力和氮氣膨脹力聯合作用實現的。

氣液式破碎錘的工作分為兩個大的過程：活塞回程和活塞打擊，工作過程如圖4所示。

圖4 破碎錘工作過程示意圖

破碎錘處于起始位置a時，活塞上腔通過控制閥與低壓油路接通，活塞上腔與高壓油路上腔，活塞在下腔高壓油的作用下往上運動，氮氣室氮氣壓力被壓縮后增大；當活塞運動到位置b時，此時活塞上腔仍為低壓油；下腔為高壓油；活塞運動到c過程時，在控制閥在低壓油的的作用下使活塞上腔與高壓油回路接通，活塞回程結束，此時活塞在氮氣和上腔高壓油的聯合作用下開始打擊沖程的運動；當活塞到達d位置時，控制閥的在低壓油路的作用開始切換，最后控制閥切換到a位置，此時破碎錘完成一個周期的運動。破碎錘通過周期性往復運動實施對釬桿的打擊，進而完成破碎工作。

3 液壓破碎錘應用技術

3.1 選型技術研究

3.1.1 品牌分析

目前液壓挖掘機多選用氣液式破碎錘，國內液壓破碎錘配品牌較多，國產品牌主要以馬鞍山驚天、煙臺艾迪、長沙山河等品牌為主。歐美破碎錘品牌具備強大的研發實力，德國阿特拉斯科普柯（Atlas Copco）、芬蘭銳猛（Rammer）、和法國蒙特貝（Montabert）三大品牌知名度較高，但產品售價較高，在國內的市場受到一定的限制。日系破碎錘制造商十分注重品牌建設，國內市場的日系品牌以古河、東空、甲南為主。日系品牌初期采用原裝進口銷售的模式，目前已經實現機芯、缸體等主要部件采購自日本，其余部件本土采購，本土組裝的市場模式，有效降低產品成本，市場占有率較為穩定。以水山、韓宇等品牌為主的韓國破碎錘進入中國市場較早，產品面向中低端，憑借地域和價格優勢，前期占據較大的市場份額，但是近年來隨著國內市場競爭加劇，國產品牌技術得到提升。輕型和中型的破碎錘如果追求性價比，國產一線品牌可以作為一個不錯的選擇，重型破碎以可靠性為主，建議選擇高端品牌像蒙特貝，古河等品牌。

3.1.2 破碎錘類別選擇

根據挖掘機噸位選擇相應的輕型、中型及重型破碎錘。每個品牌的破碎錘都有自己匹配要求，用戶可根據自己的施工需求再結合廠家的匹配參數選擇合適的破碎錘規格。

由于破碎作業的工況差別比較大，被破碎的物料結構和硬度也存在較大的差異，因此在破碎錘的釬桿選擇上也要根據不同工況選擇不同的釬桿，破碎錘釬桿類型主要包括標準圓錐形、楔形、杵形（圖5）。不同的釬桿類型適用的工況參見表1，此外還有鏟形等特殊形狀的釬桿。

圖5 釬桿類型

3.2 破碎系統匹配技術

目前國內挖掘機廠家對破碎錘匹配技術研究較少，多為粗放式匹配，匹配效果欠佳。影響破碎錘工作的幾個關鍵因子為：主泵排量、系統工作壓力、安全閥溢流壓力、充氮壓力、發動機轉速。根據不同的工況及破碎錘規格匹配不同的轉速和流量，使發動機運行在經濟區域，可以保證破碎錘在高效運行的前提下實現節能。

表1 不同釬桿類型適用的工況

一般破碎錘產品標有破碎錘允許的工作壓力范圍、系統流量要求以及打擊頻率等關鍵參數。根據上述關鍵參數，建議以打擊頻率目標值進行其他運行參數的設定，根據不同的工況需求設定不同打擊頻率，打擊頻率受系統流量Q影響，泵流量過低時可能會導致打擊無力或者打擊速度慢，流量過大時可能會損壞破碎錘。由Q=nq可知，影響系統流量的主要為發動機轉速n和主泵排量q，而主泵排量受主泵比例閥電流影響，因此在設定系統流量時應根據發動機的特性選擇工作在油耗經濟區的轉速，同時應考慮在保證目標流量時轉速應盡可能地設定低。考慮到不同的破碎工況需求，可以設定不同破碎工作點。目前常用的做法是設定破碎專用模式，在該模式下根據不同的轉速匹配不同的工作點來實現多點匹配。

徐工作為國內著名的設備制造商，在技術研究上一直處于行業領先地位。徐工近幾年開始對破碎匹配技術進行深入的研究，其技術團隊通過反復試驗研究，開發了具有自主知識產權的動態尋優匹配策略。該技術通過對圖6中相關參數的監控，以打擊頻率和發動機油耗為目標，根據破碎功率需求，結合發動機等油耗曲線圖，來實現自動匹配，這一控制策略大大提升了匹配效率和匹配的準確性。

3.3 破碎系統的使用與維護

近幾年破碎錘的應用越來越廣泛，用戶群體在迅速增長。但是目前國內操作手對破碎系統的正確使用方法及維護技能掌握的還不夠。液壓挖掘機搭載破碎錘除了按照上述要求進行合理選型以外，還應加強對機器的使用維護，破碎錘在應用時應注意以下幾點。

圖6 破碎系統運行參數

1）破碎錘更換時注意對液壓接頭的防污染保護，避免污染物進入液壓系統。

2）定時檢查或更換過濾器，降低污染對液壓系統的損害。

3）定期打黃油以實現及時潤滑的目的。

4）定期測檢查氮氣壓力并根據要求做好氮氣的補充。

5）定期檢查劈碎錘的磨損。

由于破碎錘工作時對整機工作裝置及其他結構件影響較大，容易造成結構開裂，因此需要定期檢查結構開裂情況及時進行處理。同時破碎工作對主泵的壽命影響較高，因此建議以半年為周期調整液壓破碎錘供油泵，這一舉措可以有效提升主泵的使用壽命。

4 結 語

近幾年，國內破碎錘市場需求不斷增長，目前主要以后市場安裝為主，隨著破碎錘控制技術的發展，國內各大挖掘機主機廠會加大對破碎錘應用技術的研究。從源頭上促進破碎系統應用技術發展。隨著電控技術的引入，破碎控制會向智能化，節能化的方向發展。國內破碎錘制造商也在不斷地增加對破碎錘技術的研發投入，破碎錘將在可靠性和技術先進性方面獲得較大進步。