高频破碎锤的系统建模与运动学仿真

蔡家斌　刘文　丁成波

摘 要：为了确定高频破碎锤的振动和受力规律，找出高频破碎锤的关键部件对打击力以及打击频率的影响，本文首先进行理论建模，然后基于SolidWorks对高频破碎锤进行运动学仿真，找出马达转速、空气弹簧、自身重量等因素对高频破碎锤打击力与打击频率的影响，对以后高频破碎锤的优化设计有一定的参考意义。

关键词：高频破碎锤；转速；SolidWorks；频率

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.08.244

0 引言

高频破碎锤是将挖掘机的液压能转化为机械能从而进行高频破碎的设备，其主要应用于矿山岩石的破碎、工程建设特别是旧城改造、混泥土构建的拆毁设施中[1]。高频破碎锤具有破碎效率高、操作简便、可靠性强，安全性高、噪音低等优点。但是其破碎的岩石一般要有裂痕或是有层次，对于高硬度且无缝的岩石，破碎能力差。因此，找出高频破碎锤的自身重量，马达旋转转速，空气弹簧等对其自身打击力和打击频率到底有怎样的影响，是提高高频破碎锤破碎高硬度岩石能力的先决条件。本文运用SolidWorks对高频破碎锤进行了运动学仿真，探索关键部件对打击力与打击频率的影响，为进一步研究和改正提供了依据。

1 高频破碎锤的结构和工作原理

（1）结构。高频破碎锤的基本组成部分由壳体、振动箱体（齿轮、偏心块）、上拉支架、下拉支架、斗齿、空气弹簧等组成[2]。上、下拉支架的一端连接于壳体，另一端连接于振动箱体，四部分组成一个平行四边形的四连杆机构，空气弹簧連接于振动箱体和壳体之间，起减震和影响打击力的作用。斗齿安装于振动箱体下部分，直接和岩石接触，为高频破碎锤的持久打击提供保证。

（2）工作原理。高频破碎锤是将挖掘机的液压能传递给液压马达，由马达带动主轴运转，主轴上的齿轮和偏心块也会跟着转动。主轴齿轮带动从动齿轮和偏心块转动，由于两个偏心块是反向同步转动，在轴线连线方向上会产生相互抵消的离心力，在竖直方向上会产生相互叠加的偏心力，称之为激振力。偏心块产生的激振力由轴传递给箱体，最终传递到斗齿，使斗齿产生打击岩石的破碎力[3]（如图2）。

2 高频破碎锤理论模型的建立

由于高频破碎锤的传动机构是一个平行四边形的四连杆结构，运动的时候，上拉支架与下拉支架是平行的，重心绕着某一点旋转，所以模型可以简化为振动箱体的重心绕一个支点作旋转运动（如图3）。

振动箱体的质量为M，空气弹簧在充入气压以后，劲度系数曲线近似为一次函数曲线，我们将空气弹簧劲度系数用K代替，外壳安装在挖掘机手臂上，工作时外壳近似不运动。初始状态时，与振动箱体连接的斗齿刚好与岩石接触，此时，弹簧的压缩量为X0，当振动箱体受竖直方向的激振力时，整体箱体会往复运动，其重心轨迹为一条弧线。假设岩石的刚度系数为Kz，运动后杆的旋转角度设为α，支架杆与箱体之间的阻尼为C。

3 高频破碎锤实体模型的建立

运用SolidWorks软件对高频破碎锤进行建模。建模既要考虑仿真的准确性，又要顾及计算机的运算能力和仿真时间等因素，所以对实际机构做了一定的简化[4]，省去分析中对结果无影响的螺钉，轴承，端盖等。为模拟马达的输入，在SolidWorks Motion仿真中输入马达，为模拟空气弹簧，在振动体顶端和壳体之间加了一个弹簧，为模拟自身受到重力的作用，在模型中整体都施加了重力，为模拟高频破碎锤打击岩石，在斗齿下端加上了岩石模型[5]。如图4所示。

4 实体模型运动学仿真

分析高频破碎锤打击能力主要从打击频率，打击力，振动振幅三个输出量来看，影响这三个输出量的因素有马达转速，弹簧劲度系数，振动体整体质量以及其他因素。为了了解高频破碎锤的极限工作状态，即岩石破碎不动的情况下，因此我们在仿真里面设置的接触类型为刚性接触。

4.1 转速对打击频率、打击力、振幅的影响

转速对于高频破碎锤来说非常重要，因为由前面公式（1-1）可以看出，转速越高，偏心力就会越大，因此打击力就会越大。

高频破碎锤的理论转速为1400r/min，空气弹簧劲度系数为100N/mm，振动体机体的质量为2200kg时，其仿真曲线为：

从图5，图6可以看出，经过最初的0.5秒响应以后，高频破碎锤进入稳定状态，其打击力约为50KN，频率为23.33Hz，振幅约为6mm。在改变转速以后，其结果如下表1所示。

从表1可以看出，转速对于高频破碎锤的影响作用很大，随着转速的增加，高频破碎锤的打击力会逐渐增大，其振幅会逐渐减小最后趋于稳定，而打击频率，会随着转速的增加而增大。

4.2 弹簧劲度系数对打击频率、打击力、振幅的影响

从表2可以看出，空气弹簧对高频破碎锤的打击频率无明显影响，对其振幅影响较大，因为弹簧冲的气压越足，劲度系数会越大，会变得越来越“硬”，振幅就变得越来越小。另外，随着空气弹簧劲度系数越来越大，打击力会有些许增加。

4.3 振动体质量打击频率、打击力、振幅的影

从表3看出，高频破碎锤机体质量对其打击频率没有影响，打击力随着质量的增加而增加，但振幅会随着质量的增加减少。

5 结论

（1）通过运动学仿真，我们了解到马达转速、空气弹簧劲度系数、机体自身质量对高频破碎锤的打击力以及打击频率都有不同程度的影响，高频破碎锤的打击频率只与马达转速有关，增加空气弹簧系数会对打击力有一定的提高，但会减少振动幅值，机体的本体质量越大，打击力会提高，同时振幅会减小。

（2）在马达转速、空气弹簧劲度系数的设计上必须取一个均衡值，过大的转速会增加马达的负载，只会导致挖掘机供油不足，过大的弹簧劲度系数会降低振幅，对高频破碎锤的打击能力有很大影响。

（3）本次仿真只针对刚性物体，与实际情况还是有一定的差距，下一步的工作将转为对柔性体的打击，并且在考虑马达负载能力的情况下，其运动将会更加复杂，这也是我们下一步必须面对的问题。

参考文献：

[1]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，2008（10）：76-77，80.

[2]童小东，王亚军等.高频破碎器国内外发展概况[J].凿岩机械气动工具，2014（03）.

[3]王开乐，杨国平等.高频破碎锤的发展现状与研究[J].矿山机械，2015（04）.

[4]孙奇涵，高淑睿，王玉广.基于ADAMS的采掘机械工作机构设计及性能[J]辽宁工程技术大学学报：自然科学版，2011，30（04）：237-240.

[5]陈超祥，胡其登.SolidWorks Motion运动仿真教程（2012版）[M].机械工业出版社，2012（09）.

作者简介：蔡家斌（1974-），男，博士研究生，研究方向：摩擦学与表面工程。