鄭雁南，楊國平，鄒超，宋琴琴，江奎

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

高頻液壓破碎錘相比傳統(tǒng)液壓破碎錘，在工作效率、工作噪聲控制等方面優(yōu)勢明顯，對高頻液壓破碎錘建模系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化分析的研究具有重要意義[1]。高頻液壓破碎錘原理是將液壓能通過震動箱中主動軸的齒輪轉(zhuǎn)動，帶動從動軸2 個嚙合齒輪以及偏心塊轉(zhuǎn)動，通過2 個齒輪在轉(zhuǎn)軸中心垂直方向離心力的相互疊加，產(chǎn)生沖擊能[2]。其中,沖擊能的大小極大影響著高頻液壓破碎錘工作效率。優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅可以提高破碎錘的破碎能力，同時,對高頻破碎錘的推廣和使用有一定的促進作用。高頻液壓破碎錘沖擊能的大小與2 個嚙合帶有偏心塊齒輪的偏心距大小和空氣彈簧剛度參數(shù)有關(guān)，用這2 個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)來進行優(yōu)化分析，從而來達到提高目標沖擊能的目的。

1 高頻液壓破碎錘建模與仿真

本文以某型號高頻液壓破碎錘為基礎(chǔ)，采用機械設(shè)計自動化軟件SolidWorks 建立高頻液壓破碎錘三維模型[3]。該模型將主從動齒輪、連接軸、減震外殼、空氣彈簧、連接支架、震動箱、斗齒和齒根等零部件整合成一個總裝配圖，如圖1 所示。導(dǎo)入多體動力學(xué)軟件ADAMS 進行參數(shù)的仿真與優(yōu)化，并通過質(zhì)量和運動約束添加，使其形成一個整體，通過對主動軸轉(zhuǎn)動代替液壓馬達的動力，添加主動軸轉(zhuǎn)速為1 800 r/min，進行仿真測試斗齒速度與位移以及沖擊能的大小[4]。

2 選取優(yōu)化目標

為了得到高頻液壓破碎錘在活塞沖擊式運動時沖擊能的最大值，選取設(shè)計優(yōu)化的目標，并且選擇其變量。變量可以改變運動約束和零部件剛度等參數(shù)。在參數(shù)優(yōu)化前，對高頻液壓破碎錘模型的零部件參數(shù)化，在模型正常工作的狀況下，合理設(shè)立參數(shù)變化范圍。對從SolidWorks 導(dǎo)入到ADAMS 的模型進行仿真，運用后處理模塊的方法優(yōu)化參數(shù)，提高高頻液壓破碎錘的沖擊能，從高頻液壓破碎錘震動系統(tǒng)和減震系統(tǒng)出發(fā)尋找優(yōu)化目標[5]。

首先，在振動系統(tǒng)中對高頻液壓破碎錘震動箱優(yōu)化參數(shù)分析，其中兩個嚙合帶中均含有偏心塊齒輪，采用不對中設(shè)計（如圖2 所示），因此,具有一定的偏心距（偏心塊中心到旋轉(zhuǎn)中心的距離），改變偏心距的大小，從而影響偏心力矩M

式中：m——偏心塊質(zhì)量；l——偏心距。進而影響及激振力F

其次，在減震系統(tǒng)中對高頻液壓破碎錘的空氣彈簧優(yōu)化參數(shù)分析，空氣彈簧由氣囊、擋圈以及蓋板組成。由于空氣彈簧中氣壓大小會對破碎錘的沖擊能以及斗齒的速度產(chǎn)生影響，在選用型號空氣彈簧的配件參數(shù)表中，空氣彈簧充氣壓力都有與其對應(yīng)的垂直剛度，可以通過改變空氣彈簧的垂直剛度，仿真測算空氣彈簧垂直剛度對高頻液壓破碎錘結(jié)構(gòu)性能的影響[6]。

3 優(yōu)化目標的參數(shù)分析

3.1 優(yōu)化振動系統(tǒng)

由式（1）與式（2）可知，激振力的大小隨著2 塊齒輪偏心距的增加而增加，在高頻破碎錘的齒輪正常嚙合的前提下，偏心距的大小和破碎錘的型號有關(guān)，受震動箱大小的限制，選取參數(shù)變化范圍，由優(yōu)化前的偏心塊中心與旋轉(zhuǎn)中心重合，增加到這個型號的最大偏心距為50 mm，并在ADAMS 中初始的偏心塊中心位置X 方向位于-1 050 變化到-1 100，每次偏心距增加10 mm進行一次仿真，并導(dǎo)出第一次與最后一次高頻破碎錘在1 s 內(nèi)的齒根部輸出沖擊能以及斗齒的速度與位置的變化。

圖3 的橫坐標是距離初始偏心塊的位置，縱坐標是在該位置ADAMS 仿真的沖擊能數(shù)值大小，在圖中可以看出在偏心距0～50 mm 變化下，沖擊能隨著2 塊齒輪偏心距的增加而增加，并且呈線性關(guān)系。選取最大偏心距為優(yōu)化參數(shù)，以下是優(yōu)化前偏心距和優(yōu)化后偏心距沖擊能的仿真曲線。

圖3 偏心距與沖擊能的關(guān)系Fig.3 Relationship between eccentricity and impact energy

比較仿真數(shù)據(jù)圖4 和圖5 可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)增大偏心距達到0.5 m 時，沖擊能由原本的2 201 J 增加到3 554.1 J，并且沖擊能、活塞運動做的總功也明顯增加。對比圖6 和圖7，橫坐標是時間，縱坐標是齒根的位置，偏心距增加，齒根位移也隨之增加，由于在整個破碎工作中，沖擊能增加，使得破碎過程中沖擊行程增加；同時做出齒根速度變化仿真曲線，偏心塊的位置齒根接觸點處的運動速度也由原來的最大1.7 m/s 變成2.3 m/s。

圖4 優(yōu)化前齒根沖擊能變化曲線Fig.4 Impact energy curve of root before optimization

圖5 優(yōu)化后齒根沖擊能變化曲線Fig.5 Impact energy curve of root after optimization

圖6 優(yōu)化前速度與位移變化曲線Fig.6 Velocity and displacement curve before optimization

圖7 優(yōu)化后速度與位移變化曲線Fig.7 Velocity and displacement curve after optimization

改變震動箱中偏心塊齒輪偏心距會對沖擊能產(chǎn)生正向影響。圖8 是偏心距的優(yōu)化結(jié)果。得出結(jié)論：要優(yōu)化高頻破碎錘參數(shù)性能，可在不影響破碎錘正常運行的情況下，盡可能增加偏心塊齒輪偏心距，對于這個型號破碎錘，50 mm 齒輪偏心距最為合適。

圖8 偏心距優(yōu)化結(jié)果Fig.8 Eccentricity optimization results

3.2 優(yōu)化減震系統(tǒng)

激振力的大小也受到空氣彈簧的影響?？諝鈴椈蓪儆诟哳l破碎錘中的減震裝置，不同于鋼阻尼彈簧減震器，不僅體積小，減震效果極佳，但空氣彈簧的減震效果與氣囊中的空氣密度和氣壓有關(guān)。當(dāng)氣囊中氣壓低于標準大氣壓，其剛度減小，破碎錘的實際工作效率造成影響。該型號破碎錘選用空氣彈簧參數(shù)垂直剛度392 N/m，充氣壓力0.5 MPa。分別對該型號的其他幾種參數(shù)進行ADAMS 仿真。

ADAMS 仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著空氣彈簧的剛度減小，破碎錘沖擊能逐漸增大。圖10 是優(yōu)化后選用該型號最小空氣彈簧剛度200 N/m，空氣彈簧充氣壓力0.2 MPa 的齒根沖擊能變化曲線。對比圖9 發(fā)現(xiàn)，空氣彈簧剛度392 N/m 時，齒根沖擊能為2 200.1 J；當(dāng)調(diào)整空氣彈簧剛度為200 N/m，齒根沖擊能增加至2 600 J。在圖11 和圖12 中，縱坐標是齒根的位置，隨著運動仿真的進行，繪制速度與位移變化曲線，由于空氣彈簧剛度減小，破碎錘沖擊運動行程增大，齒根位移也隨之增加，齒根速度變化仿真曲線中，齒根接觸點處的運動速度也由原來的最大1.5 m/s 變成1.7 m/s，這是因為，沖擊運動行程增大，使得機械能轉(zhuǎn)化彈性勢能減少，動能增加，使得速度增大，沖擊能增加。

圖9 優(yōu)化前齒根沖擊能變化曲線Fig.9 Impact energy curve of root before optimization

圖10 優(yōu)化后齒根沖擊能變化曲線Fig.10 Impact energy curve of root after optimization

圖11 優(yōu)化前速度與位移變化曲線Fig.11 Velocity and displacement curve before optimization

圖12 優(yōu)化后速度與位移變化曲線Fig.12 Velocity and displacement curve after optimization

改變空氣彈簧垂直剛度會對沖擊能產(chǎn)生負向影響。圖13 是空氣彈簧垂直剛度優(yōu)化結(jié)果。

圖13 空氣彈簧垂直剛度優(yōu)化結(jié)果Fig.13 Optimization results of vertical stiffness of air spring

可以得出：要優(yōu)化高頻破碎錘參數(shù)性能，可選用垂直剛度較小的空氣彈簧，對于該型號空氣彈簧，選最小的垂直剛度200 N/m 為最優(yōu)。因此，為了得到更高的沖擊能，可以選取匹配型號下垂直剛度低參數(shù)的空氣彈簧。

4 結(jié)論

本文對高頻破碎錘進行建模仿真和參數(shù)優(yōu)化，用SolidWorks 軟件對高頻破碎錘進行零部件建模并裝配，導(dǎo)入ADAMS 進行虛擬樣機技術(shù)優(yōu)化，通過連接運動約束，添加主動軸動力。設(shè)置仿真條件，運用后處理模塊方法對仿真結(jié)果進行優(yōu)化，分別從振動系統(tǒng)和減震系統(tǒng)出發(fā)，對齒輪偏心塊的偏心距以及空氣彈簧的垂直剛度進行調(diào)整，偏心距調(diào)整為50 mm，空氣彈簧的垂直剛度為200 N/m 為最佳，在很大程度上增加了高頻破碎錘的沖擊能，為高頻液壓破碎錘的設(shè)計改進和使用提供方法參考。