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破碎锤的发展现状与研究
2021-10-16 中国工程机械商贸网

液压破碎锤作为一种新型液压工程设备,主要应用于矿山岩石的破碎、工程建设特别是旧城改造 、混凝土构件的拆毁施工中。随着国家对噪声污染和爆破采石工法的控制,传统活塞式破碎锤已经无法满足要求,高频破碎锤凭借其载体设备的多样性、工作的灵活性及其对提高劳动生产率所发挥的功效,越来越多的厂商投入研发和生产,高频破碎锤得到了前所未有的关注与发展。

1 高频破碎锤的结构和工作原理

1.1 结构

高频破碎锤是由激振器、拉杆机构、减震机构以及刀排和斗齿组成的破碎机构,激振器设置于破碎机构上并与其静连接,破碎机构与拉杆机构动连接,减震机构安装于破碎机构安装台的上表面,如图 1 所示。破碎机构是高频破碎锤的关键部件。

图 1 高频液压破碎锤的结构
Fig. 1 Constitution of high-frequency hydraulic vibro-ripper

1.2 工作原理

高频破碎锤改变了传统的往复活塞式工作原理,它是利用高速运转产生的破坏力,并集机械、液压、力学、数字信号及数字化监控为一体的物理破碎设备。高频破碎锤是将挖掘机的液压能传递给液压马达,带动振动箱内的偏心齿轮转动,2 个偏心轮通过一对相互啮合的齿轮反向同步转动,进而使各自产生离心力,在转轴中心连线方向上的分量相互抵消(见图 2),而在转轴中心连线垂直方向的分量则相互叠加形成的冲击力 (见图 3)。而冲击力的大小与转速成正比,其垂直分量 F sin wt 为周期性变化的干扰力,使轴产生径向受迫振动的压力,称为激振力,再由激振器的箱体将振动传递给斗齿进行破碎作业,让目标物从内部自行裂开,达到破碎目的。激振力

式中:m 为偏心块的质量;e 为偏心块的偏心距;w为偏心块的转速。

图 2 水平方向上激振力方向
Fig. 2 Exciting force in horizontal direction

图 3 竖直方向上激振力方向
Fig. 3 Exciting force in vertical direction

高频破碎锤的速度与液压马达的转速有关,而转速的快慢与挖掘机提供的液压流量相关。根据液压马达的工作原理,液压流量大小决定马达转速,液压压力大小决定马达转矩的大小。在压力一定的情况下,液压流量越大,其转速越快,高频破碎锤所产生的冲击力也越大,打击的频率为 1 300 ~ 3 000 次/m in。该设备在对一个点进行打击的同时,也对目标裂隙进行高频打击扩大,周围的土石被二次破坏;因此,该设备的效率远远高于传统破碎锤。

2 高频破碎锤的优势及其应用

2.1 常见破碎岩石的莫氏硬度

破碎锤目前主要应用在矿山开采、采煤、冶金、道路建设、市政建设、建筑、破冰和破冻土。常见的开矿和道路建设都需要破碎岩石,岩石是常见的破碎对象,其莫氏硬度如表 1 所列。

表 1 莫氏硬度参考值
Tab. 1 Reference values of M ohs hardness

由表 1 可见,常见的破碎锤工况主要集中在莫氏硬度 3 ~ 8 级和 5 级以下 (抗拉度100 MPa 以下) 的岩石,高频液压破碎锤可以轻松实现快速破碎,而随着岩石硬度及抗拉强度的提高,其效率则成相对方向降低,以每次破碎深度 50 ~ 70 cm 为宜。高频破碎锤集中应用在开矿和道路建设等方面,这些场合的岩石完全在高频破碎锤的破碎范围之内。

2.2 高频破碎锤与活塞破碎锤、爆破施工效率对比

活塞式破碎锤起源于二战期间,至今已发展 50、60 年了。与传统的活塞式破碎锤相比,新型高频破碎锤的优势有:① 有效提高 3 ~ 5 倍产能;② 降低综合油耗;③ 降低产量单位排放;④ 无改装化可以实现水下破碎;⑤ 不产生黑油或损坏挖掘机主泵及大小臂;⑥ 噪声污染最低化,工作噪声仅为 55 ~ 70 dB,符合城市施工噪声标准;⑦ 较少的易损件,维护量少。

经过上海上鸣机械公司 (以下简称上鸣公司) 的试验,得出了高频破碎锤与活塞破碎锤、爆破施工的效率对比,如图 4、5 所示。

图 4 高频破碎锤与活塞破碎锤效率对比
Fig. 4 Contrast between high-frequency vibro-ripper and piston-typed breaker in eff ciency

图 5 高频破碎锤与爆破施工效率对比
Fig. 5 Contrast between appliCATion of high-frequency vibro-ripper and blasting construction

从图 4、5 可以看出,无论是与传统活塞破碎锤还是与爆破施工相比,高频破碎锤都有很大的优势。在实际工作中,高频破碎锤完全适用于大型土方作业及石厂工作,对于常见的冻土、页岩、断层岩、砂质岩和风化岩有显著效果。上鸣公司生产的高频破碎锤针对大型土方作业,最佳效率为 150 m3/h,可完全取代传统破碎锤;针对矿山作业,最佳产量为 3 800 m3/d (22 h),可完全取代爆破。

3 高频破碎锤的研究概况

1999 年,德国蒂森·克努伯公司提出基于交变应力波破碎理论,预研发一种能效达到普通破碎锤 4倍的新型破碎锤。样机测试发现:破碎软岩的效果不错,破碎硬岩却不理想。该公司对此结果并不满意,并向同行公开了图纸,先后有西班牙 Tabe、韩国大东、西班牙 Xcentric、上海奋毅机械 (原坤行机械) 以及上鸣公司等得到了此项技术并继续研发,逐渐发展成为几种不同的技术路线。

3.1 国外研发现状

(1) 西班牙 Tabe 公司 Tabe 公司其本上沿用了德国蒂森·克努伯原图的结构布局,采用了连杆+气囊+垫块的结构,但激振箱的直线往复运动轨迹与连杆的圆周约束相互冲突,导致有一部分力没有打击石头,而是打击在了轴承和连杆上。Tabe 公司将 2 块偏心块进行了角度偏转,产生类似手扬榔头式的圆周运动,改善了轴承受力,但降低了力道。产品主要用于破碎软岩。

(2) 韩国大东 韩国大东原生产液压振动锤,得到技术图纸后直接将液压振动锤变形简化成高频破碎锤。结构比较臃肿,在勾石头的情况下,容易将橡胶块压坏。二次改进采用多层叠钢橡胶块,但其容易拉裂。目前该公司将其改回连杆构造。因为该机构没有储能装置,所以力道偏小,只能破碎软岩。不过值得肯定的是,该公司的改进首次实现了空打不伤锤。

(3) 西班牙 Xcentric Xcentric 公司成立于 2009年,其产品外观优良,该公司照搬德国蒂森·克努伯的技术。为克服应力波对锤头疲劳损伤,X centric 将钢板整体加厚,产品质量增大,因而安装该破碎锤的挖掘机一般增加配重。质量的增加限制了打击幅度,产品也是针对软岩施工。另外,由于气囊外露,容易被滚落的碎石划伤,一旦漏气就无法继续工作,气囊不能承受拉力;因此,该锤不能空打。

另外,日本小松公司目前已对西班牙的一家高频破碎锤公司展开收购,可见小松公司对高频破碎锤研发方面的重视。

3.2 国内研发现状

国内高频破碎锤的研制工作约自 2000 年开始,国内各公司继承了德国蒂森·克努伯的样机图纸资料和试验数据后开始研究。近几年,高频破碎锤发展迅速,技术也趋于完善,如上鸣公司、上海奋毅机械以及赣州力剑液压机械公司等投入研发和生产,产品的质量得到缓慢提升。上鸣公司在原图纸的基础上优化机身结构,强化机体强度,整体上取得了较好的破碎效果。上海奋毅机械创造性地采用了三偏心竖排平衡惯性储能+冲击活塞的形式,三组偏心竖直排布,最下面的偏心块带连杆,连杆下装打击铁。在液压马达带动三组偏心同步运转时,打击铁也产生上下锤击。在提升打击铁的瞬间,靠液压马达的扭力和三组偏心同时产生的惯性来实现瞬间提升大型活塞。这种结构输出冲击波的同时还伴随有应力波,简单来说三偏心的作用是输出应力波+储能,而打击铁则输出冲击波,在兼顾高频锤破碎软岩的同时,在硬岩施工上也超越了传统破碎锤。

综上所述,可以说,国内高频破碎锤的研发在多方面占据领先位置。

4 高频破碎锤的关键技术问题与发展趋势

4.1 高频破碎锤的关键技术问题

(1) 高频破碎锤的主要技术参数经改造,提高产生的激振力能力和破碎效率。

(2) 就现有的高频破碎锤来讲,普遍存在壳体结构强度不够的问题。工作一段时间后,相继出现破损和撕裂情况;因此,必须对壳体进行改造以提高其强度。

(3) 实际工况中,关节轴承的磨损严重,提高关节轴承的耐磨能力也是目前亟待解决的技术难题。

(4) 斗齿的强度也是需要解决的问题。斗齿作为易损配件,在破碎工作中承担着最重要的破碎任务。现有斗齿多由耐磨材料制成,且多用于机械铲斗上面,目前还没有一种专门用于高频破碎锤的斗齿;所以,必须设计一种专门用于高频破碎锤的斗齿。有媒体报道,美国埃斯特 (ESCO) 公司正就此与国内一家高频破碎锤生产厂商进行接触。

4.2 高频破碎锤的发展趋势

(1) 激振机构多样化,激振力逐渐增大。为了提高破碎效率和适用范围,激振机构要尽可能产生大的激振力,例如叠加振动技术,这是衡量高频破碎锤的关键。

(2) 能量利用率高。

(3) 引进智能破碎技术,根据破碎目标的大小及结构调整液压马达转速,延长机体的寿命。

总之,高频破碎锤的发展趋势是结构多样化、智能化,并且拥有高稳定性、高质量和高性能。

5 结语

高频破碎锤具有高效、节能及环保等优点,特别是噪声方面。随着国家和民众对建筑施工场界环境噪声排放标准的不断提高,对爆破施工的控制,可以预见,未来高频破碎锤会逐步取代现有的活塞式破碎锤。而我国在高频破碎锤很多方面处于领先地位,但是高频破碎锤目前仍研发能力不足,希望研究制造单位加大研发能力,精心制造,不断创新,占领国内市场,争取国外市场。

(本文来自微信公众号)

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