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[液压破碎锤]液压破碎锤液压系统的设计与研究_液压破碎锤
摘要液压破碎锤是工程机械的辅助机械,我国整个社会工业化进程尚未完成,大量的铁路、公路、水利基本建设正在和将要进行。未来工程方面对各类现代化机械设备的需求将会越来越大,给液压破碎锤等提供了大量的市场机会。因此要求对液压破碎锤性能上进行改进,提升产品的品质,能够提高工作效率,使其更有效的应用于工程建设。本文分析了当今液压破碎锤的国内外现状及未来发展趋势,描述了液压破碎锤的研究现状和设计理论。综合氮爆锤、液压作用锤、气液作用液压锤的工作原理分析得出了选用气液作用液压锤的优越性。并以惊天液压公司的GT50型液压锤为例,完成了着重两方面研究:第一,对液压破碎锤的非线性运动状态进行合理的假设和分析。对液压系统的合理分析与研究,并综合考虑关键元件使用寿命等因素进行合理的计算与选型。第二,利用AMESim仿真软件对液压破碎锤液压系统进行建模和仿真,调节参数并分析其工作参数对液压锤性能的影响,在此基础上得到最优参数使得工作效率得以提高。分析仿真结果,为以后液压系统的工程应用提供了理论参考。本论文工作注重理论研究,研究过程中取得的结果与实际中相吻合,为液压破碎锤的深入研究打下了良好的基础。关键词:液压破碎锤、运动状态、液压系统、AMESIM仿真、冲击能AbstractThehydraulicbreakinghammerisassistedofConstructionwholehasnotyetcompletedtheprocessofindustrializationandMachinery,ourconutryaasalargenumberofrailway,highway,waterconservancyconstructionwillbecarriedout.Futureprojectsofalltypesofmodemmachineryandequipmentwillbeincreasingondemandingforconstructionmachinery,suchashydraulichammertobeprovidedalargenumberofmarketopportunities.theTherefore,ahydraulichammerwillbeimprovedqualityoftheirproducts,improveworkengineeringconstruction.Inthisthesis,itperformance.ThemakerwillenhanceandmoreeffectiveSOefficiencythatitappliestoanalyzesthehydraulicbreakinghammerofthecurrentstatusdescribestheandfuturedevelopmentofdomesticandinternational订ends,andsituationanddesignstudyofhydraulicbreakinghammerofthecurrenthammerofGiantHydraulictheory.Inthispaper,theGT50hydraulicCo.LtdasBreakerManufacturinganexample,thepaperhighlightsmovementtwoaspectsofresearch:First,hydraulicbreakinghammerofthestateofnon―linearonaandanalysisofreasonableassumptions.Hydraulicsystemconsidersuchfactorsasthekeycomponentsforuseareasonableanalysisandresearch,andreasonableservicelifeofthecalculationandselection.Secondly,theofsimulationsoftwareAMESimtohydraulicbreakinghammerofthehydraulicsystemmodelingonandsimulation,analysisofitsparameterstheperformanceofthehydraulichammer,onthebasisofmakingtheefficiencyofoptimizationparametersCanbeimproved.Analysisofsimulationresultsforthehydraulicsystemaftertheprojectwillprovideatheoryreference.Inresultsthispaper,itfocusontheworkoftheoreticalresearch,andthecourseofthestudyawouldcoincide、析ththeactualHydraulicBreakerforthein―depthstudyhaslaidgoodfoud―ation.Keyword:Hydraulicbreakinghammer;Movement;HydraulicofAMESim;ImpactEnergySystem;TheSimulationⅡ论文独创性声明本人声明:本人所呈交的学位论文是在导师的指导下,独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外,对论文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。论文作者签名:杏甓守矽口夕年岁月刁日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品,知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时,署名单位仍然为长安大学。(保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名:孝哓3z口哆年5月7日导师签名:穆易飞汐。罗年岁月27日K安大学硕±学位☆立第一章绪论1.1前言液压破碎锤是一种新型的破碎工具,它在工作过程种必须以动力源、工作介质及能量转换为基础才能运动工作的。这里动力源是液压泵,而工作介质就是虽常用的液压油。运动过程中把液压能转换为机械冲击能,即以液体压力驱动液压缸种的活塞往复运动对外作功,并对外输出能量束进行工作。工业水平的日趋提高使得部分发达国家制造出了不同类型的液压破碎锤,并先后被广泛应用于各项Z*lq,t”】。液压破碎锤可分为单人操作手持式和与大型机械配套的大型机载式。而在当今,由于大量的工程建设等,就需要大型的机械来运转,所以液压破碎锤更多被作为一种辅助设备,如图11是惊天液压公司的拆除破碎机器人,其中拆除工具就是液压破碎锤:图lI拆除机器人液压破碎锤因为它的优点已经取代了以往的那些破碎锤,成为了具有工作效率高、省力省财、生产效率高且噪声低、无公害的新一代的破碎工具。如图l2为马按山市惊天液压机械制造有限公司生产的GT80型液压破碎锤:1.1.1液压破碎锤的功能特点液压破碎锤是一种非常重要的高效作业工具,主要用来完成以下工作‘3』,5,61:l液压破碎锤主要应用于一般各项破碎作业,比如:混凝土破碎.岩石的剥离:各种建筑m一自FF物的拆除与破碎;聚石场的采石作业或者岩石的破碎;隧道的岩石破碎等。2现在国家要求绿色环保,所以有些液压破碎锤成为典型的环保型产品r具有噪声和粉尘控制功能。图l2G'I"80灌压锤3有些液压破碎锤除了破碎功能外,还具备了一些以往破碎锤不能具备的功能t比如:自动润滑的功能,陆上和水下作业功能等。4对于大型的液压破碎锤由于它外壳可安装,咀便利片j他安装外壳来进行简单的搬移工作。1.1.2液压破碎锤的应用及举倒:液压破碎锤的破碎范围比较广,可用于建筑拆除、水F拆除、岩石破碎、隧道开挖等。下面介绍两个应用实例介绍㈣。(1)拆除公路、铁路桥拆除巴登附近5号公路上的一座长56m、宽6m、用掉450m3钢筋砼的桥,承包商科恩公司采用两台液压破碎锤。一台E68安装在LHR932Litronic挖掘机上,另l台G80CITYPRO装在R942Litronic挖掘机上,拆除作业在11小时内完成。(2)高速公路施工我国铁五局机电设各工业总公司在EX420挖掘机上配备了液压破碎锤,用于京沈高速公路宝山(宝坻一山海关)12标段的土石方施工,在钻机不能到达的施工地段和临时需要破碎之处,液压破碎锤都起到了很大的作用且效果较好。除此以外还有更多的应用实例来表明了液压破碎锤在现代工程建设和社会建设中长安大学硕士学位论文所起到的重要性,它已经进入到了我们生活中。在我们平日生活中常常可以看见液压破碎锤的应用,它是极其重要的一种辅助机械。1.2国内外液压破碎锤技术现状与差距1.2.1国内外液压破碎锤的发展现状液压破碎锤是从最原始的破碎锤经过层层改进而来的,而且因为其良好的经济及社会效益而发展迅速。液压破碎锤发展到今天按其冲击能量的来源分为:由液压油提供,气压提供,液压、气压混合提供,一般气压与液压之比为3:l。但都是由液体压力驱动活塞回到原位的。现在的液压破碎锤大多数采用的液压冲击机构的形式都行程反馈控制。这种控制形式的液压锤的为了达到改变液压破碎锤的冲击能和冲击频率的目的,都是增设多个回程反馈信号孔控制各信号孔的开关或者改变系统的输入流量和压力,来调节活塞行程。1.国外现状国外液压破碎锤形成了当今的产品多样化、系列化的形式。液压破碎锤在欧美和日韩得到大量生产和飞速发展。其中有我们比较熟悉的韩国GR液压锤、Sonsan液压锤、KOMAC液压锤为主要代表;美国的GAT液压锤、STANLEY液压锤;德国克虏伯液压锤;日本古河液压锤、小松液压锤;芬兰的RAMMER液压锤等。2.国内现状与国外液压破碎锤相比,我国液压破碎锤的总的发展现状是:起步不晚,但发展缓慢。20世纪70年代启动开发研制液压破碎锤,80年代初得以研制开发且规模变大。而今天,大多数厂家由于质量和销售等问题,已经不再生产这些产品。只有长治液压件厂一直坚持生产液压锤,马鞍山惊天公司、湖南山河在21世纪初开始生产自己商标的液压破碎锤,但规模仍然较小【4,8,9,101。1.2.2液压破碎锤的发展趋势综合来看,液压破碎锤发展到今天,国外生产的仍优越于国内生产的,他们的主要优势在其性能的发展主要有以下几个趋势:(1)冲击能大。为了提高它的工作效率,液压破碎锤应保证其稳定因素等情况下尽可能提高冲击能,当然目前这也是衡量冲击器性能的主要指标。(2)冲击能量利用率相对较高。第一章绪论(3)各个部件的破损能及时得到维修和更换。(4)活塞行程可调,为了能适应于不同的工况并稳定工作,从而使得以冲击能和冲击频率得以改变。(5)引进了“智能液压破碎锤技术”。为了能连续控制冲击能量,都是由前次打击的阻力来决定输出的。使冲击过程中的震动及发热等都相应降低,从而使钎杆的寿命得以延长,噪声下降。液压破碎锤的发展综合来看,有以下几个趋势:(1)产品系列化:根据的物块形状和硬度决定选用冲击能的大小。产品的系列化使得用户根据工作对象来对液压锤的型号、零部件进行选择,来达到有效破碎的目的。(2)智能化:在各种技术应用发展的基础上,希望能实现自动调频调能来应对于不同工况。比如压力反馈式控制的液压锤。(3)破碎锤的结构形式多样化:按冲击能源的分类、装配的分类、及冲击能分类等。(4)功能多样化、结构柔性化:为了适用现代施工要求,功能的多层化和多种附加功能使液压破碎锤在功能上也具有了很大的柔性【1,4,10,11,12】。1.2.3国内外液压破碎锤的差距我国的液压破碎锤较之国外的在研制和生产上有较大的差距。除了在性能指标、能量利用率、使用寿命,制造成本高等方面,还有以下几方面:(1)液压破碎锤作为工程机械中的辅助机械,我国对液压破碎锤的理论研究较多,但是缺乏真正的生产投入。(2)对于活塞加工过程中的热处理问题存在差异。我国对活塞热处理时间要求不够准确,而国外则控制的比较准确。(3)材料的选择满足不了实际要求。(4)我国液压破碎锤的生产未形成系列化、规模化。(5)没有形成自己的产品特色,在结构形式上基本是沿用国外的结构㈨31。1.2.4液压破碎锤存在的问题现在液压破碎锤在质量和性能方面存在的主要问题:(1)钎杆强度、韧性问题钎杆是被控制对象(即负载),它受活塞驱动,所以打击过程中钎杆受力变化较大。4长安大学硕士学位论文为了保证韧性和强度,钎杆的材料精度和加工处理工艺等要求就比较高。(2)衬套和钎杆的摩擦力问题衬套是连接和卡住钎杆和活塞的工具,适当的摩擦力才能保证钎杆的使用寿命,所以解决摩擦力的问题就是靠润滑,发展方向是采用自动润滑系统。(3)气蚀问题打击作业过程中由于打击压力非常大易造成衬套磨损活塞弯曲和被卡住,从而易产生气蚀。若设计时未充分考虑这点,最终会产生气蚀,活塞损坏。(4)联结架问题要提高破碎锤的打击的稳定性且为了减少振动,破碎锤与联结架要采用弹性连接,且要使破碎锤与载体连接紧密‘141。1.3液压破碎锤的研究现状及设计理论研究1.研究现状:现在对液压破碎锤的研究,根据采用不同的数学模型,可以分为线性模型和非线性模型两种方法。而实际上液压破碎锤的数学模型是一个非线性模型。(1)线性模型:很直观的显示液压破碎锤的运动规律。建立线性模型:以假设“液压油压力恒定不变"为基本前提;抓住运动的主要因素;简化活塞和阀芯受力。比如中南大学杨襄璧教授提出了抽象设计变量理论,推导出了液压破碎出结构与性能参数的整套设计公式,得出了不同优化目标的q值。以冲程时间比:铲冲程时间(T1)/周期时间(T)作为设计变量。(2)非线性模型:能较精确地揭示液压锤的物理现象。考虑的影响因素较多,而且分析了它的受力状态比较全面。通过分析和研究最终描述其运功的规律,且是高阶非线性微分方程组。这种模型得到的方程很难求解,只能通过计算机求得数值解。现今,中南大学何清华老师将液压锤运动过程分为11个工作状态,认为活塞和换向阀是一个互相控制运动的过程,建立了一种数学模型并进行了仿真。采用“准匀加速计算法",能对对各种运动状态进行转换,并对仿真结果进行了验证和修正,从而以减少积累误差,且提高了仿真计算的精度‘15。20】。2.设计理论研究本文以何清华老师对液压破碎锤运动状态的分析为参考,在研究液压破碎锤的运动5第一章绪论过程是对其进行了非线性研究与分析,描述了各个运动状态。由于液压破碎锤运动的复杂性,非线性模型也都建立在一些假设的基础上,所以也只能是近似地描述破碎锤的运动规律。并对液压破碎锤整个运动过程进行了计算机的建模与仿真,以便用户能清楚了解到液压破碎锤在打击破碎物体时的运动变化。1.4论文研究的背景及意义我国整个社会工业化进程尚未完成,大量的铁路、公路、水利基本建设正在和将要进行。给液压锤等工程机械辅件提供了大量的市场机会。由于市场需求的强劲,国内己有很多厂商陆续开发了多种液压破碎锤并推出了自己品牌的液压破碎锤。虽然大多数厂家的产品都引进的国外先进技术,但同国外的液压破碎锤相比,液压破碎锤质量和性能等方面依然存在很多问题。因此,对液压破碎锤整体的设计与研究,缩短与国外的技术差距,提高产品的技术含量,提升产品的品质具有积极的意义。经过前期调研,为了提高当前液压破碎锤的工作效率和性能,本文以惊天液压公司的GT系列液压锤为例,对其液压系统进行分析研究,分析其工作参数对液压锤性能的影响,在此基础上优化参数使得工作效率得以提高。1.5本论文研究的内容研究的课题是围绕惊天液压有限公司的GT50型液压破碎锤,论文前期对国内外先进技术及设备进行了调研,广泛搜集和整理与论文相关的资料。并对液压破碎出工作运行过程的分析,利用高级建模软件AMEsim对液压系统进行建模与仿真。本文完成的主要内容如下:(1)对液压破碎锤国内外技术现状及研究现状进行了分析;(2)对液压破碎锤液压系统的工作原理进行详细的阐述;(3)对液压破碎锤运动过程和运动状态详细分析;(4)完成了液压破碎锤液压系统液压元件选型计算;(5)基于AMESim的液压系统建模与仿真,并对仿真结果进行深入分析。6*立大学顺f’#&☆立第二章液压破碎锤结构及功能分析2.1液压破碎锤的结构形式2.1.1液压破碎锤的基本组成液压破碎锤的基本组成:液压破碎锤本体、托架等零郁件。液压破碎锤本体是液压破碎锤芙键部件。如图21所示。;鹱7^“~j1-液压缸,2一活塞.3一边杆螺栓,4一后蔬.5一换向阔.6莆能器.7前盖:8一钎杆衬套:9钎杆图21液压破碎锤主体结构圈般的液压破碎锤自身都会带一个换向阀。液压破碎锤是将换向阀、液压缸、蓄能器等元件集j―一身的一种破碎工具。换向阀与液压缸干日瓦反馈控制,自动完成活塞的往复运动,并以能量转换形式最终把液压能转化为活塞的冲击能,将能量传递给钎杆,钎杆在获得冲击能后便可达到将1.作对象破碎的目的。2.1.2液压破碎锤各部件的作用1、液压缸液压缸是执行元件,此处使用的液压缸是双杆单作用式的,活塞只在冲程叫对外做功。液压缸内部有前后两个工作腔,组成活塞往复运动的空间。液开{缸是液压破碎锤的最主要的部件。2、活塞活塞与钎杆由衬套连接组成一体的,活塞上下运动来打击钎杆。液压破碎锤依靠活第二章液压破碎锤结构及功能分析塞的运动能量实现打击,获得的打击能量破碎岩石。所以活塞的寿命就很重要,这就对活塞的材料性能要求很高。常采用具有高品质的特殊的合金钢。活塞的重要指标是活塞的硬度、材料的韧性、表面精度和同心度。3、换向阀控制液压缸后腔接通或断开高压油,实现活塞往复运动。换向阀换向的次数就是活塞往复运动的次数,即液压破碎锤的频率。4、蓄能器蓄能器在这里主要起到两个作用:一是作为辅助动力源,在短时间里提供一定数量的压力油,满足系统对速度、压力的要求;二是起到缓冲、吸收液压冲击的作用。5、钎杆钎杆以能量转换形式来接受冲击能对外界工作对象进行打击,所以钎杆材料要求精度高。采用优质特殊钢材,经热处理后坚韧、耐磨、不易断裂。为了适应各种不同工况,而采用不同的钎杆规格。6、氮气室内充氮气,储存动力。其作用主要有:一是冲程时为活塞提供部分动力,氮爆式锤打击力则完全靠氮气提供,提高打击破碎效率。二是减小油路中不规则的液压力,同时减少对加载机械比如液压挖掘机和操作者的反冲力【19,2¨。2.2液压破碎锤的工作原理当今市场上的液压破碎锤的活塞在冲程运动时有三种来源类型:氮爆锤、全液锤与气液锤。下面将会分别叙述这三种类型液压破碎锤的工作原理及优缺点。他们共同点是回程运动都是液压作用力完成的。1.氮气爆发式液压破碎锤氮气爆发式液压锤简称氮爆锤,氮爆锤的结构与工作原理见图2.2。如图2.2所示,现在液压破碎锤处于回程开始阶段。在回程开始时,活塞上腔通回油,下腔通高压油。下腔的高压油推动活塞并使得活塞克服自重和氮气室的压力而上移。此时活塞顶部压缩氮气,氮气的压力升高,使得活塞减速,最终完成回程。活塞开始冲程,下腔由换向阀切换油路,使得上腔通高压油,下腔通回油。冲程时,上腔油压作用及氮气压力作用使得活塞下移并快速冲程对外做功。8 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