液压破碎锤破碎混凝土的动力学分析.pdf

机械制造 陈震， 等 液压破碎锤破碎混凝土的动力学分析 液压破碎锤破碎混凝土 的动力学分析 陈震 ， 黄正祥 ， 黄正华 1 ． 南京理工大学 机械工程学院， 江苏 南京 2 1 0 0 9 4 ； 2 ． 安徽惊天液压智控股份有限公司， 安徽 马鞍山 2 4 3 0 7 1 摘要 液压破碎锤工作环境十分恶劣， 其中活塞杆、 钎杆、 活塞缸体是其最易失效的零件。针对 Y Y C 3 0 0型行程反馈式液压破碎锤 ， 利用 S 0 UD WO R K S进行 实体 建模 ， 在 I _ S D Y N A 中对活塞杆撞 击钎杆、 钎杆受力侵彻混凝土的过程进行了刚柔体运动、 非线性接触碰撞动力学仿真 ， 获得 了液压破 碎锤主要零部件一冲击缸体、 钎杆、 活塞杆的应力云图以及液压破碎锤的应力集中点在撞击过程中 的应力变化 曲线及混凝土破碎情况。依据对混凝土破碎结果 的分析 ， 可为选择液压锤型提供依据 ， 通过对液压锤关键部位应力变化的试验研究 ， 验证 了仿真结论的正确性。 关键词 液压破碎锤； 动力学仿真； 混凝土破碎 中图分 类号 T H1 1 3 文献标 志码 A 文章编号 1 6 7 1 5 2 7 6 2 0 1 3 0 6 - 0 0 4 9 - 0 4 Dyn a mi c Ana l y s i s o f Hy d r a I I l i c Ha mme r 。 C HE N Z h e n ． HUANG Z h e n g x i a n g ． HUANG Z h e n g h u a 1 ． N a n j i n g U n iv e r s it y o f S c ie n c e a n d T e c h n o l o g y ， N a n j i n g 2 1 0 0 9 4 ， C h i n a ； 2 。 Gi a n t H y d r a u l ic T e c h ， Ma a n s h a n 2 4 3 0 7 1 ． Ch in a Ab s t r a c t H y d r a u lic h a mme r s wo r k i n g e n v i r o n me n t is v e ry a b o mi n a b l e ． I t s p is t o n r o d ，d r i l l r o d a n d p is t o n c y li n d e r a r e t h e mo s t v u l _ n erab le p a nS ．Ac c or d i n g t o YYC3 0 0 t y p e s t r o k e f ee d b ac k h y d rau l ic b r e a k i n g ha mme r ，t his p ap e r ma k e s a s o l id mo d el wit h SOL I D’ W ORKS． s imu l a t e s t he dy n a mic s o f t he r i g i d a n d f l e x i b l e mo v e me n t ，n o nli n e ar c o l li s ion on t h e p is t on rod i mp a c t d r i lI rod a n d t h e dr i lI rod b r ea k c on c r e t e u n de r t h e a c t i o n of f o r c e i n L SDYNA a n d ob t a i n s t h e s t r e s s n e ph o gram o f h y dr a u l ic h ammer ma i n pa r t s i mp ac t c y l i n d er ， dr i ll rod， p i s t o n rod an d t h e s t r e s s c h an g e c u r v es o f t h e h y d rau l ic h a mme rs s t r e s s c o nc en t r a t ion p o i n t s i n t h e i mp ac t p roc e s s a n d t h e b r e a k i n g c o n d i t i o n o f c o n c r e t e ． T h iS r e s u l t s c a n p rov i d e t h e b a s is f o r t h e c h o i c e o f h y d rau li c h a mme r t y p e． T h rou g h t h e t e s t f o r t h e c h an g e of h y dr au l ic h ammer k e y Io ca I s t r e s s ．t h e c o r r e c t n es s o f t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s iS v e r if ie d． Ke y wo r d s h y d rau li c h a mme r d y n a mi c s s i mu latio n ； b r o k e n c o n c r e t e 0 前言 液压破碎锤又称为液压冲击器、 液压碎石器 ， 是一种 将液压能转化为机械能的冲击工具， 其主要功能为形成冲 击、 振动。由于具有 良好工作适应性、 高工作性能、 低噪 声、 高效率等优点 ， 液压锤广泛应用于冶金、 矿山、 道路、 建 筑等领域， 对岩石、 混凝土、 钢包 、 冻土、 水泥路面、 桥墩、 楼 房等坚硬物进行开采、 破碎 、 拆除等作业， 此外还可以通过 改变钎杆用于除锈、 打桩等作业中。长时间处于高强度的 工作中， 对于机械设备的抗疲劳性的要求随之增高， 而现 代工程建设中对其破碎、 拆除的效率和可适用性的要求也 随之增高， 仅仅研究破碎锤中的单个零部件的机械性能已 经不能满足要求， 有必要更深入地研究其整个装备的动力 学性能以及其对岩石、 混泥土等的破碎情况 。 J 。 目前对液压锤的研究大多仅限于在冲击载荷作用下 对单个部件 如钎杆、 活塞杆、 工作装置东臂等 的结构动 态响应及其应力分析 ， 杨红等研究计算出液压破碎锤动臂 的前 5阶 固有 频率 ； 谢 良喜 等对 液压 破碎 锤 的活 塞杆 在工作情况下进行 了研究分析 ； 柴睿等介绍了设计制 造液压破碎锤活塞杆的若干关键技术 ； 杨国平等对活 塞杆和钎杆作了改进并对其改进后的模型进行了应力分 析 ； 针对整个装备的动力学分析以及对混凝土破碎的 研究尚未有相关文章。分析整个部件的应力、 研究混凝土 破碎情况对于理清液压破碎锤内在的技术规律， 设计出适 用性 强 的 液 压 破 碎 锤 具 有 很 强 的 实 用 意 义 。本 文 以 Y Y C 3 0 0型行程反馈式液压破碎锤为研究对象 ， 利用 L S - D Y N A仿真软件对液压破碎锤 内部撞击情况及其对混凝 土的侵彻进行数值计算， 通过对比分析不同应力集中点的 应力变化以及混凝土开坑情况 ， 利用试验验证了仿真结论 的可靠性 。 1 液压破碎锤的工作原 理 如图 1 所示， 在液压锤体中， 由于受缸体上腔油压作 用 的面积 A 1 大 于受缸 体下 腔 油压作 用 的面积 A 2 ， 且 A 2 面总是受高压， 当 l 面从受高压作用变为受低压作用， 活 塞开始向上运动时， 后缸体内的高压氮气就会伴随着受压 开始蓄 能。 初始时， 活塞和阀都处在它们的下端位置， 缸体上腔 A 1 受低压作用 ， 缸体 下腔 A 2和 阀的高压 腔 A 3无论何 时 总是受高压作用， 而与回油 口连接的低压端 A 4始终处于 低压状态。低压腔与缸体转换腔相连接， 这时与缸体转换 腔相连的A 5受低压 ， 所以在活塞向上运动之前缸体转换 作者简介 陈震 1 9 8 7 - ， 男 ， 江苏 宿迁人 ， 硕士研究生 ， 研究方 向 机械设计。 V [ a c h i n e B u i ld i n g 8 A u t o m a t i o n ， J u ．2 0 1 3 ， 4 2 6 4 9 ～ 4 9 机械制造 陈震， 等 液压破碎锤破碎混凝土的动力学分析 1 一氮气室 ； 2 一 中缸体上腔 ； 3 ～中缸体低压腔 ； 4 一 中缸体转换腔 ； 5 一 中缸体下腔 ； 6 一蓄能器； 7 一 阀高压腔 ； 8 一 活塞转换腔 ； 9 一阀转换腔 ； l 0 一 阀 图 1 液压 破碎 锤工作原 理示意图 腔受低压 。因为面积 3 ， A 4 受高压且 A 3 A 4 ， 所以在 A 5 受高 压之前阀受 向下力。高压油进入缸体下腔使活塞上升。当 活塞开始向上运动时， 活塞转换腔的油压没有改变 。 此时， 高压氮气受压开始蓄能。 当活塞运动 到中部时 ， 缸 体转换 腔与 下腔相 连 ， 这 样 缸体转换腔就受高压。此时， A 3 ， A 4 ， A 5都受高压 ， 它们的 面积关系为A 4 A 5 A 3 ， 这样阀受向上的作用力， 在该作用 力下， 阀座向上运动。当活塞停止运动时， 高压氮气蓄能 达 到最 大。 当活塞 向下 时 ， 活塞转换 腔与 阀内高压 腔相 连接 ， 这 样缸体上腔变为受高压。上、 下腔都受高压作用， 且 A I A 2 ， 活塞受向下作用力。另一方面， 高压氮气受压给活塞 一 个 向下作 用力 ， 这样活塞迅速 向下运动 。 在这之前， 活塞打击钎杆， 缸体转化腔与低压腔相连 接， 这样 A 5受低压。又 A 3 ， 4受高压， A 3 A 4 ， 所以阀开 始 向下运动 。在阀向下运动时 ， 活塞打击钎杆 。活塞打击 钎杆后， 活塞重新开始向上运动。 液压破碎锤依次重复以上冲程直至活塞撞击其打击 对象为止就算完成一次冲击工作。 2 液压破碎锤 动力仿真前处理 Y Y C 3 0 0液压破碎锤采用 S O L I D WO R K S软件进行三 维建模 ， 应用 到软件 中零件 、 装 配体两个模 块 。在 建模过 程 中， 为了更 准确 的反 映液 压锤 的应力情况并减少软件 的 计算量， 进行了以下简化 1 忽略外壳部件以及对整个力 学性能影响较小的螺纹、 倒角、 圆角等要素。2 在实际模 型 中焊缝均按 照连续 处理 ， 其材 料按 照与母 材相 同处理 。 将以上各个部分装配到一起组装成液压破碎锤总体， 如图 2所示。Y Y C 3 0 0液压破碎锤主要技术参数如表 1所示， 数值计算中材料参数值如表2 。 液压破碎锤 各个 零部 件均 采用 S O L I D1 6 4进行 6面体 网格划 分 ， 而对于混凝 土的不 同区域 ， 网格划分 采用不 同 的密度 ， 在与钎杆侵彻 的过程 中发生接触 的区域需要 比较 5 0 密的 网格 ， 故采用显示体 单元 S O L I D1 6 4对其进行切割 划 分。钎杆与混凝土之间采用面与面侵彻接触其余零部件 之间均采用面与面自动接触 ， 活塞缸体和混泥土处施加全 约束且混凝土域边界设置为非反射边界。 3 4 2 1 一钎杆 ； 2 一 活塞杆 ； 3 一活塞缸体 ； 4 一混凝土 图 2 液压破碎锤简化模型 表 1 Y Y C 3 0 0液压破碎 锤主要技术参数 型 号 鲁 冲 击 频 工 作 压 工 作 流 量 鬈 ／ ra直m ／ m in ／ M P a ／ L ／ rain 质 量 ／ k g 击 能 ／ J 径 ‘ YYC3 0 0 3 0 0 6 0 0～1 0 0 0 1 21 6 1 5 ～3 0 5 0 9 51 0 5 表 2 Y Y C 3 0 0液压破碎锤主要零部件及混凝土的材料属性 液压锤工作时的实际打击力约为 5 0 k N， 工作频率约 为 1 0 H z ， 由于在实际工作状态下 ， 施加活塞杆的打击力作 用机制十分复杂 ， 为 了能 够在 L S D Y N A 中进 行处 理 ， 首 先将实际打击力的数据换 算成 给活塞缸一个 持续 时间为 0 ． 0 0 0 2 S ， 在 0 ． 0 0 0 1 S 时载荷达 到最 大值 的三角形的脉冲 载荷 ， 由于活塞杆施加载荷 面积是直径 为 4 5 m m的 圆 ， 据 公式 尸 F ／ A， 则施加载荷随时间变化 曲线如图 3所示 。 图 3 施加 的压力载荷随时间变化 曲线 h t t p ∥Z Z H D． c h i n a j o u r n a 1 ． n e t ． c n E - ma i l Z Z HD c h a i n a j o u ma 1 ． n e t ． c n 机械 制造与 自动化 苫 机械制造 陈震， 等 液压破碎锤破碎混凝土的动力学分析 续表 3 由于实验本身的条件限制， 以及液压锤特殊的工作方 式， 根据现有的实验设备只能做初步的试验测试。试验各 测试点的实验值是根据液压锤工作稳定后所得的应力曲 线图得出数据， 将某一瞬间的极大值看成是静态的， 然后 与有限元分析值进行比较 表 3 ， 可知两者的误差最大为 1 6 ． 7 ％， 最小为 2 ． 4 ％， 通过比较可以看出有限元计算结果 是可信的。测点 4的力最大反映出活塞杆与活塞缸体撞 击时受力比较大， 测点 1的力最大反映出钎杆破碎混凝土 撞击 力 比较大 ， 测点 7的力较大反映出混凝土撞击部位受 到的冲击力大， 这些在有限元应力图中体现得也很明显。 通过分析比较可知， 活塞杆结构比较合理， 构件受力情况 较好， 承载能力较强， 应力分布均匀 ； 钎杆的承受力大； 活 塞杆与活塞缸体的接触处结构不太合理， 使活塞缸体所受 的最大应力值偏大， 这是由于有限元分析的过程中没有考 虑到油摩问题并且将模型简化了， 在实际工程应用中， 如 果妥善处 理 好 液 压 油 问题 ， 也会 减 少应 力偏 大 情 况 的 产生。 3 ． 2 液压破碎锤 的侵彻能力分析 液压破碎锤的侵彻能力可以通过分析钎杆 的 方向 位移 即混凝土开坑的水平方向位移 、 Y方向位移 即混 凝土开坑的竖直方 向位移 进行分 析。 液 压锤钎 杆 接 触 地 面 ， 氮 气 蓄 能 对 活 塞 杆 施 加 压 力 ， 7 0 0 0 s 时钎杆开始破碎混凝土， 1 0 0 0 0 s时混凝 土 坑深 稳定 在 4 ． 5 c m 图 9 。在 钎 杆 破 碎 混 凝 土 途 中， 钎杆的水平位移只有微小震动， 基本可以忽略不计 图 1 0 。 M ￡ t e r i a l No A． 。 | I | } 、 一 ／一 J 】 0 5 mi n 4．5 4 0 9 ma x 0 ． 0 4 7 2 2 2 52 1 O l 5 2 0 2 5 3 0 t E 3 图 9 混凝土开坑的竖直方 向位移 0 _岂 0 善0 0 ．0 ． 0 [ ． 6 1 2 厂 l I l 八 ／ ＼／ 、 V ＼ J V L V 、 『J t i me E 3 图 1 0 混凝土开坑 的水 平方 向位移 为了验证仿真结论的正确性和可靠性， 进行 了试验 研究 。 对混凝土基准面进行三次侵彻试验， 测得其击穿深度 分别为 4 ． 9 a m， 4 ． 8 c m， 4 ． 5 a m， 开 坑直 径分别 为 5 ． 1 c m， 5 ． 0 c m， 5 ． 2 c m， 取其三次试验的平均值得液压破碎锤对混 凝土进行破碎时侵彻深度为 4 ． 7 c m， 开坑 直径 为 5 ． 1 c m， 仿真所得的侵彻深度为 4 ． 5 v i i i ， 开坑直径为 5 c m， 误差在 5 ％以内， 与仿真结果基本一致。 4 结论 通过对液压破碎锤破碎 混凝 土的过程进 行有 限元仿 真 ， 得到了液压破 碎锤关键 部位的应力 分布 与极 限值 ， 分 析了其破碎混凝土的效果， 并通过试验验证了仿真结果的 正确性。该研究结果对优化液压破碎锤的结构设计、 提高 液压破碎锤性能等有指导意义， 也可为施工单位选择液压 锤锤型提供依据。 参考文献 [ 1 ]王雪 ， 龚进 ， 邹湘伏． 液压 冲击 器的研究状 况和发展趋 势 [ J ] ． 凿岩机械气动工具 ， 2 0 0 6 3 1 9 2 3 ． [ 2 ]许 同乐 ， 夏明堂． 液压破碎锤的发展 与研究状况 [ J ] ． 机械工 程 师 ， 2 0 0 5 6 2 0 - 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