液壓破碎錘的工作原理與研究現(xiàn)狀

陳昊祥 孫健 李明博

摘 要：【目的】液壓破碎錘是挖掘機(jī)可換工作裝置之一。液壓破碎錘種類雜多且具有一定的發(fā)展歷史，在市政園林、混凝土破碎、礦石開采等工程中都發(fā)揮著重要作用。從事機(jī)械方面的工作人員了解破碎錘的工作原理，進(jìn)而能更深刻地認(rèn)識(shí)液壓破碎錘的重要性。【方法】本研究將對(duì)液壓破碎錘的工作原理及結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，簡要闡述液壓破碎錘的使用方法。【結(jié)果】大多數(shù)作業(yè)人員雖對(duì)液壓破碎錘有一定認(rèn)知，但對(duì)液壓破碎錘的原理及使用注意事項(xiàng)了解不深。【結(jié)論】液壓破碎錘在工程上進(jìn)行破碎方面的普及，加大工程上對(duì)液壓破碎錘的使用，具有一定的理論和實(shí)踐意義。

關(guān)鍵詞：液壓破碎錘；工作原理；使用方法；研究現(xiàn)狀

中圖分類號(hào)：TH69? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：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

液壓破碎錘是建筑行業(yè)中重要作業(yè)工具之一，常用于市政園林、水泥破碎、水利、電力、天然氣、礦井挖掘、冶金、船舶等工程施工中。特別是，近年來國家對(duì)炸藥的管制，使得破碎錘成為首要選擇［1］。根據(jù)調(diào)查，液壓破碎錘根據(jù)使用方式的不同，可分為兩種類型，分別為手提式破碎錘、機(jī)載式破碎錘。手提式破碎錘適用于工藝較小的工作，適用功率較小。機(jī)載式破碎錘主要應(yīng)用于大型機(jī)械上，如裝載機(jī)、挖掘機(jī)等。近年來，我國基礎(chǔ)建設(shè)比例逐漸增大，液壓破碎錘成為主要熱點(diǎn)之一。

1 液壓破碎錘的技術(shù)現(xiàn)狀

液壓破碎錘是一種將輸入的液壓能量轉(zhuǎn)換為［1］機(jī)械沖擊能量的設(shè)備，一般裝配在挖掘機(jī)、裝載機(jī)等液壓設(shè)備上，能對(duì)建筑材料進(jìn)行石料粉碎等作業(yè)，被大量應(yīng)用于土木建筑和采礦等工程中［2］。與其他傳統(tǒng)機(jī)械打碎方式相比，使用液壓破碎錘打碎巖有著以下優(yōu)勢：破巖力較高、所要求的推力較低且機(jī)動(dòng)靈活、環(huán)境適應(yīng)性較好、破巖范圍可控、準(zhǔn)確性較好、噪聲較小［3］。

液壓破碎錘破碎巖石具有簡單、經(jīng)濟(jì)、快捷的優(yōu)勢，使用范圍日益廣泛［4］。液壓破碎錘能應(yīng)用于采場、第二次粉碎、礦井剝離與開發(fā)、選別采礦、大型石材開挖及巷道挖掘、挑頂、刷幫等工程作業(yè)中。液壓破碎錘在一定場合中也可代替炸藥用于爆破。在施工中，液壓破碎錘還可用于水泥板塊的拆除、塊體及瀝青路面破碎工程、排水溝槽施工等［5］。

我國對(duì)液壓破碎錘的研究開始于20世紀(jì)70年代。自20世紀(jì)80年代開始，許多研究部門投入對(duì)液壓破碎錘的研究，如哈爾濱工程學(xué)院、中南工業(yè)大學(xué)等［3］。但受限于技術(shù)上的缺陷，導(dǎo)致產(chǎn)品銷量始終追不上國外頂尖品牌，國內(nèi)生產(chǎn)液壓破碎錘的公司大多數(shù)都停產(chǎn)［6］。現(xiàn)如今，國內(nèi)也只是驚天、擊利樂等少數(shù)幾家公司在努力研發(fā)液壓破碎錘。

2 液壓破碎錘的研究現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)，隨著城鄉(xiāng)基本建設(shè)與工程建設(shè)的發(fā)展，我國建筑機(jī)械的市場規(guī)模也有了質(zhì)的飛躍，特別是挖掘機(jī)市場規(guī)模迅速擴(kuò)大，從2017年的14.03萬臺(tái)增加到2020年的32.76萬臺(tái)。

液壓破碎錘作為液壓挖掘機(jī)的工作部件，其市場需求也隨之增加。中國國內(nèi)企業(yè)的生產(chǎn)量無法滿足液壓破碎錘的需求量和使用量，需要引進(jìn)國外的液壓破碎錘。在中國市場上，有意大利、日本、加拿大、韓國、德國、芬蘭等液壓破碎錘技術(shù)先進(jìn)國家的產(chǎn)品，其中以韓國產(chǎn)品的數(shù)量最多。中國生產(chǎn)的液壓破碎錘種類很少，市場占有率低。中國生產(chǎn)的液壓破碎錘的種類、質(zhì)量、銷量與其他技術(shù)先進(jìn)國家相比有很大的差距。

中國缺乏液壓破碎錘行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，且無法歸屬其行業(yè)，是屬于液壓機(jī)具行業(yè)，亦或是屬于挖掘機(jī)配件行業(yè)，還是屬于碎巖機(jī)械行業(yè)。目前，國內(nèi)并沒有形成較為統(tǒng)一的定論。

我國的液壓破碎錘制造最開始基本上是仿制或引進(jìn)技術(shù)，缺乏創(chuàng)新性，且引進(jìn)的技術(shù)并非國外頂尖技術(shù)，選擇被仿產(chǎn)品有時(shí)也不是很恰當(dāng)，吸收和接受能力也不強(qiáng)，缺乏繼發(fā)性創(chuàng)新。仿制效率不高，當(dāng)時(shí)引進(jìn)的新產(chǎn)品可能是國外淘汰的產(chǎn)品，而國外新一代產(chǎn)品已面市，通過引進(jìn)或仿制的落后產(chǎn)品自然無法與新一代產(chǎn)品競爭，從而在市場上逐漸消亡。

3 液壓破碎錘的工作原理與特點(diǎn)

3.1 液壓破碎錘的工作原理

液壓破碎錘工作大致分為回程加速階段、回程制動(dòng)階段、沖程加速運(yùn)動(dòng)、結(jié)束狀態(tài)四個(gè)階段。具體流程如下。

液壓破碎錘結(jié)構(gòu)如圖1所示，在該機(jī)械設(shè)備中，由于位置A受到后氣缸上腔的液壓作用遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過位置B，且一直受高壓的也有位置B。當(dāng)A位置發(fā)生由受高壓強(qiáng)效果改變?yōu)槭艿蛪盒Ч髿飧子旨磳⑾蚯斑\(yùn)動(dòng)時(shí)，氣體隨受壓位置能被后氣壓缸內(nèi)的高壓氮蓄能。一開始，兩者均在最下面位置，氣缸上腔A一直受低氣壓影響，而氣缸下腔B和閥的高壓腔C始終受壓力影響，只有和回油嘴相連的低壓端D一直保持低氣壓工作。低壓腔與氣缸轉(zhuǎn)換腔相連接，這時(shí)與氣缸轉(zhuǎn)換腔相接的E為低氣壓，所以在氣缸向上運(yùn)行時(shí)氣缸轉(zhuǎn)換腔仍為低氣壓。由于C面積大，D受壓力，且位置C壓力大于位置D壓力，故在位置E受壓力期間閥受到下壓力。高溫油流入缸體下腔，導(dǎo)致氣缸溫度上升［7］。當(dāng)氣缸進(jìn)行上升運(yùn)行時(shí)，不會(huì)發(fā)生改變的是活塞轉(zhuǎn)換腔內(nèi)的油壓。此時(shí)，高溫氮?dú)庖蚴軌憾M(jìn)行蓄能。當(dāng)活塞移動(dòng)至中段時(shí)，氣缸旋轉(zhuǎn)腔與下腔相通，這樣一來，氣缸旋轉(zhuǎn)腔就受到壓力。此時(shí)，位置C、D、E均受到壓力，其體積關(guān)系是D+E>C，因此閥受到向上的作用力，在該推動(dòng)力下，閥座向前移動(dòng)。當(dāng)氣缸停止運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)便是蓄能的峰值。當(dāng)氣缸運(yùn)動(dòng)下行時(shí)，活塞轉(zhuǎn)換腔與閥內(nèi)高壓腔相連接，這樣一來氣缸上腔便轉(zhuǎn)為受壓力。上、下腔統(tǒng)一受到高壓作用力，且其壓力關(guān)系是A>B，對(duì)活塞運(yùn)動(dòng)有向下推動(dòng)力。另一方面，存在一個(gè)向下的推力作用在高壓氮?dú)饨o活塞上，使其迅速向下移動(dòng)。在這期間，由于釬桿被活塞錘擊，缸體轉(zhuǎn)化腔和低壓室相連接，使位置E受低溫。而位置C、D受高溫，且其溫度關(guān)系是C>D，所以閥開始向下運(yùn)行。當(dāng)閥上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，用氣缸擊打釬桿。活塞運(yùn)動(dòng)擊中釬桿后，活塞運(yùn)動(dòng)又恢復(fù)前進(jìn)運(yùn)動(dòng)。而液壓破碎錘則按順序依次重復(fù)，上述的撞擊步驟直到活塞運(yùn)動(dòng)碰到其沖擊對(duì)象為止，完成一次撞擊工作。

與破碎效率有關(guān)的是沖擊能，沖擊能計(jì)算見式（1）。

式中：mp為液壓破碎錘的活塞質(zhì)量，kg；vp為液壓破碎錘活塞運(yùn)動(dòng)速度，m/s。

能量經(jīng)活塞磨損傳導(dǎo)至釬桿運(yùn)動(dòng)過程中，存在能量損失，其效率計(jì)算見式（2）。

式中：T為活塞完成一次沖擊所需的時(shí)間（周期），s；f為沖擊頻率；Qin為系統(tǒng)輸入流量，m/s；Pin為系統(tǒng)入口處平均壓力，Pa；Pin=[i=1npn]，其中n為入口壓力采樣個(gè)數(shù)。

3.2 液壓破碎錘的特點(diǎn)

液壓破碎錘較于其他類型的結(jié)構(gòu)略微復(fù)雜，具有以下優(yōu)點(diǎn)。①液壓破碎錘擁有極高強(qiáng)度的外殼，在面對(duì)惡劣工況時(shí)，各個(gè)部位基本都得到強(qiáng)化改進(jìn)，無論是耐用性還是可靠性都得到加強(qiáng)，且全部進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，便于適應(yīng)各種環(huán)境；②活塞材料為特殊熱處理的高強(qiáng)度材料，延長機(jī)械零件的使用壽命，且經(jīng)過熱處理，不僅強(qiáng)化活塞材料性能潛力，還降低產(chǎn)品重量、節(jié)省材料，提高液壓破碎錘的產(chǎn)品質(zhì)量；③工件間的結(jié)構(gòu)緊密，活塞與油缸間的間隙為0.03～0.04，配合緊密，有效規(guī)避液壓油的內(nèi)泄，保護(hù)液壓破碎錘的部件，減少其損耗；④采用蓄能器來儲(chǔ)存能量，并增強(qiáng)打擊力，吸收液壓震動(dòng)和波動(dòng)，降低油路脈沖；⑤換向閥采用精密加工技術(shù)，減少壓力脈沖，重點(diǎn)保護(hù)挖掘機(jī)液壓系統(tǒng)；⑥液壓破碎錘通過不同方法來增強(qiáng)其抗打擊力，如裝配蓄能器、液壓油壓力和氮?dú)鈮毫χg的緊密配合等。

液壓破碎錘與其他類型結(jié)構(gòu)相比有很多優(yōu)點(diǎn)，但不可避免的是，其也有一些不盡如人意的方面。①在高溫或極低溫度下不能存放液壓破碎錘，應(yīng)將氮?dú)獗M量放盡，并將進(jìn)油口與出油口統(tǒng)一封閉，避免外泄；②工作時(shí)，應(yīng)盡量使液壓破碎錘的溫度不超過90 ℃；③工作時(shí)，如果遇到水，不能將液壓破碎錘浸入水中，應(yīng)僅保留鉆頭進(jìn)入水中；④禁止在挖掘機(jī)履帶旁使用液壓破碎錘。

4 液壓破碎錘的種類與應(yīng)用

4.1 液壓破碎錘的種類

合理地運(yùn)用液壓破碎錘，能提升液壓破碎錘在不同狀況下的作業(yè)效果。

4.1.1 按照作業(yè)方法劃分。液壓破碎錘可分為手提式、車載式。通過雙手來拿起手提式液壓破碎錘，可進(jìn)行一些簡單的破碎活動(dòng)（其質(zhì)量一般在30 kg以下）。機(jī)載式液壓破碎錘多裝載在挖掘機(jī)上，由主機(jī)臂架裝備在主機(jī)上，從事破碎工作。

4.1.2 按照操作方式劃分。液壓破碎錘可分為全液壓式、液氣聯(lián)合式和氮爆式。液氣聯(lián)合式液壓破碎錘通過液壓油產(chǎn)生壓力帶動(dòng)氣缸運(yùn)行。目前絕大多數(shù)破碎裝置使用液氣聯(lián)合式液壓破碎錘。

4.1.3 按照配流閥結(jié)構(gòu)劃分。液壓破碎錘可分為內(nèi)置閥式、外置閥式。內(nèi)置閥式又可分成芯閥型、套閥型。內(nèi)置閥式閥與氣缸制成一體，整體結(jié)構(gòu)緊湊；外置閥式的配流閥與缸體分開，結(jié)構(gòu)更加簡單，便于修理與替換［8］。

4.1.4 按照液反饋方法劃分。液壓破碎錘可分為路程反饋式、壓力反饋式。路程反饋式破碎錘是指配流閥通過活塞在行程中的開關(guān)高壓油孔位置來達(dá)到換向目的［9］。路程反饋孔位置要經(jīng)過硬性設(shè)定，且受結(jié)構(gòu)條件影響，反饋孔至多設(shè)定為3個(gè)，故路程反饋式液壓錘無法做到對(duì)沖擊頻率的無級(jí)調(diào)整。壓力反饋式液壓錘則可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)整，但因壓力反饋式液壓錘依賴于安裝在腔內(nèi)的氮?dú)鈮毫鞲衅鳎ㄟ^將數(shù)據(jù)反饋給單片機(jī)，用來控制門的方向發(fā)生變化，從而自由設(shè)定換到的壓力。

除此之外還有其他類別，在此不過多贅述。

4.2 液壓破碎錘的使用

合理地運(yùn)用液壓破碎錘，能提升液壓破碎錘在不同狀況下的作業(yè)效果，大幅度延長挖掘機(jī)與液壓破碎錘的工作壽命。液壓破碎錘使用時(shí)的注意事項(xiàng)如下。①液壓錘釬桿必須與被破碎物面保持直角，在工作過程中釬桿必須緊壓著被打碎的物品面，要保證壓力平衡后再啟動(dòng)液壓破碎錘，在破碎完畢后要立刻停止液壓破碎錘工作，以免液壓破碎錘打空。②當(dāng)用液壓破碎錘打碎非常堅(jiān)固的物品時(shí)，先從邊緣開始擊打，切勿在同一個(gè)地方連續(xù)錘擊超過40 s，以避免釬桿過熱。③不能將液壓破碎錘當(dāng)作普通錘子來使用，不能用于打碎石頭。④不得使用液壓破碎錘來提拉或移動(dòng)貨物。⑤液壓缸的活塞桿如果全伸或全縮的話，禁止使用液壓破碎錘作業(yè)。⑥當(dāng)液壓水帶正在進(jìn)行比較劇烈的振動(dòng)時(shí)，應(yīng)停止液壓破碎錘正在進(jìn)行的運(yùn)作，并由專門的維修專家去測試蓄能器的壓力是否合格正常。⑦液壓破碎錘禁止在水上作業(yè)［10］。⑧液壓破碎錘不可當(dāng)作撬杠來使用，以防釬杠打碎。⑨在使用過程中，盡可能讓挖掘機(jī)和泵一直處于開啟狀態(tài)。當(dāng)油溫達(dá)到60 ℃后，挖掘機(jī)與液壓破碎錘能以最高功率進(jìn)行作業(yè)。在氣溫特別低的情況下，挖掘機(jī)需要提前加熱來確保其溫度。同時(shí)，也要確保油溫不能超過80 ℃，如果溫度過高，就需要進(jìn)行檢修。⑩不可在沒有提前加熱液壓油時(shí)就使用液壓破碎錘，否則會(huì)導(dǎo)致高壓蓄能器里的隔膜和液壓破碎錘密封件斷裂。

5 結(jié)語

隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷提高，城市基礎(chǔ)建設(shè)成為國家發(fā)展的重中之重。無論是市政園林，還是礦井挖掘，液壓破碎錘都有著重要的用途，未來液壓破碎錘發(fā)揮的作用將越來越大。

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收稿日期：2022-11-16

基金項(xiàng)目：徐州工程學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（xcx2022132）。

作者簡介：陳昊祥（2003—），男，本科生，研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化。