CN107989107B - 具有液体静压支撑活塞功能的液压冲击破碎锤 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有液体静压支撑活塞功能的液压冲击破碎锤，包括中缸，中缸内安装有往复运动的活塞，活塞由液体支撑机构支撑与中缸间隙配合安装，本发明通过设置液压支撑机构，使活塞与缸体之间由原来的只依靠油封支撑又增加了液体静压支撑，避免了因为油封老化或者油封质量差引起的活塞与缸体之间的拉伤，又对油封的使用寿命增加了3倍左右，节约了油封在短时间的更换油封以及附加的维修保养费用、操作者的维修停工时间。

Description

具有液体静压支撑活塞功能的液压冲击破碎锤

技术领域

本发明涉及液压破碎锤技术领域，具体的讲涉及一种具有液体静压支撑活塞功能的液压冲击破碎锤。

背景技术

随从活塞的角度来看，冲击机构的工作过程分回程加速、回程减速、冲程加速和打击停顿四个阶段，这四个阶段组成一个工作周期。回程为冲程储存能量，是冲程的准备阶段。冲程实现活塞的加速运动，是油液或气体对活塞做功的过程。打击停顿是活塞将动能以应力波的形式通过钎杆传递到岩石等物体的碰撞过程。

活塞与换向阀形成闭环反馈控制回路。换向阀受活塞位移或各腔室油压的控制，其换向动作靠冲击活塞移动时启闭阀的液流通道来完成，反过来阀的换向又切换了进入缸体的液流通道，完成活塞冲程与回程之间的转换，这样周而复始，靠位置反馈自动实现周期性的冲击运动。以单面回油的配油方式为例，因活塞与阀芯运动配合的不同，可以将冲击机构的运动分为5个阶段。

破碎锤(回程)工作原理如图1所示，a.活塞回程加速阶段，阀芯不动，如图1(a)所示，活塞与钎杆在完成上一次冲击后，有一个瞬时停顿状态。定义此状态为一个工作周期的初始状态。换向阀阀芯在端面A₅处高压油P的作用下处于下极限位置。

高压油经缸体内孔道进入活塞前腔，活塞后腔经换向阀阀芯中心孔道与回油相连。此时氮气室内作用有一定压力的氮气P₃，给活塞向下的作用力，但氮气作用力小于前腔油液作用力。因此活塞向上加速运动，同时压缩氮气储存能量。

b.活塞继续回程加速，阀芯换向如图1(b)所示，当活塞的端面A₁越过液控孔a时，前腔的高压油P₁被引入到换向阀芯的下端面A₄。因A₄＞A₅，阀芯受向上作用力而运动到上极限位置。

破碎锤(冲程)工作原理图如图2所示：

c.活塞回程减速，阀芯不动如图2(c)所示，高压油P经阀芯内部孔道进入到活塞后腔。此时活塞前、后腔同时通高压油而构成差动连接。但A₂＞A₁，活塞所受油液作用力向下。活塞同时受到向下的氮气作用力。因此，活塞以回程加速末速度为初速度，做减速运动，直至速度为0。

d.活塞冲程加速，阀芯不动如图2(d)所示，活塞已减速为0而处于回程最大位移位置。与回程减速阶段相比，这阶段氮气和油液的作用力方向没有改变，因此活塞在零初速度下做加速运动。

e.活塞打击停顿阶段，阀芯换向如图3(e)所示，活塞运动到下极限位置时撞击钎杆。在碰撞打击的同时，活塞端面B₁向下越过液控孔a，使得阀芯下端面A₄脱离高压油而与回油相通，这样换向阀受到向下的力又回到下极限位置。冲击机构进入下一个工作周期，即处于状态a。

上述结构的破碎锤，倾斜破碎时，大规格活塞自重不可忽略，活塞难以依靠斯特封的支撑，造成活塞表面与中缸体内孔擦伤、拉伤，拉伤后的表面在冲击载荷作用下其疲劳寿命极低，并漏油漏气。

图4：传统破碎锤中缸与活塞配合图

1活塞与6中缸为间隙配合，2防尘封、3主油封和4缓冲封安装在6中缸体槽口内分别起着防尘、防漏油和支撑的作用。8活塞环与6中缸之间为间隙配合，8活塞环主要起着固定活塞的作用，7O型圈、9斯特封和10气封分别安装在8活塞环内圆槽口内，分别起着支撑和封气的作用。

传统缸体1活塞结构拉伤失效方式及原因：1活塞的摩擦力是与6中缸体配合面，由于1活塞的支撑力不足及操作者偏打引起6中缸与活塞之间直接接触拉伤。

活塞摩擦裂纹产生的部位：从图4传统破碎锤6中缸与1活塞配合图中得知主要是1活塞中间油槽及打击端的两圆面与缸体配合，因此，1活塞于缸体的摩擦拉伤主要是由这两个圆处。

裂纹产生的条件：冲击+摩擦，摩擦是造成零件失效和材料消耗的主要原因，60-80％机械零件的失效是由磨损引起的，世界工业发达国家能源约30％以不同形式的磨损消耗。因此监测机械设备的摩擦磨损状态，识别设备早期磨损故障对于机器的节能减耗、合理运行及安全生产均具有重要的意义。

摩擦力的计算：

冲击频率决定了每冲程所需时间，也即时间已知，行程s已知，由式末速度V_t＝V₀+at,式中：t由冲击频率算出，V₀＝0,将末速度带入上式可求出

，已知冲击频率f，则周期T＝1/f，每半冲程耗时t＝T′＝1/2f然后求压缩氮气对活塞的推动力，当这个力求出后，摩擦力占推动力的比值有一定的范围；

物体工作表面由于相对运动而不断损失的现象叫做磨损。两接触表面作滚动或滚动滑动复合摩擦时，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生物质损失的现象叫做表面疲劳磨损；

粘着磨损：由于摩擦副两对偶表面间实际接触面积很小，接触点应力很高，接触点温度有时高达1000℃，甚至更高，而基体温度一般较低，因此一旦脱离接触，其接触点温度便迅速下降(一般情况下接触点高温持续时间只有几ms)

磨损的影响因素

表面平均压力，即法向载荷除以名义接触面积。当表面平均压力低于σs时，磨损度稳定不变；当表面平均压力超过σs时，磨损度急剧增大，由缓慢磨损转变为剧烈磨损，严重时发生咬死现象。这是因为表面平均压力低于σs时，相互接触的微峰下的塑性变形区绝大多数是相互独立的，这时实际接触面积与法向载荷成正比，而接触应力不会因法向载荷的增大而增大；

当表面平均压力超过σs时，相互接触的微峰下的塑性变形区相互作用，整个表层都呈塑性流动状态，这时实际接触面积不再随法向载荷的增加而增大，极易出现胶合磨损现象。

摩擦力：接触表面的摩擦力对抗疲劳磨损有着重要的影响。通常，纯滚动的摩擦力只有法向载荷的1％～2％，而引入滑动以后，摩擦力可增加到法向载荷的10％甚至更大。

摩擦力促进接触疲劳过程的原因是：摩擦力作用使最大切应力位置趋于表面，增加了裂纹产生的可能性。此外，摩擦力所引起的拉应力会促使裂纹扩展加速。

应力循环速度也影响接触疲劳，由于摩擦表面在每次接触中都产生热量，应力循环速度越大，表面积聚热量和温度就越高，使金属软化而降低机械性能，因此加速表面疲劳磨损。

表面萌生的疲劳磨损主要发生在以滑动为主的摩擦副中，裂纹发生在摩擦表面上的应力集中源，例如切削痕、碰伤、腐蚀或其它磨损的痕迹等。此时，裂纹由表面出发以与滑动方向成20度～40度角向表层内部扩展。

无论是退火钢或调质钢、纯滚动或滚动兼滑动的摩擦副，点蚀疲劳裂纹起源于表面，再顺滚动方向向表层内扩展，并形成扇形的疲劳坑。

解决方法：采用液压支撑，降低磨损，破坏裂纹形成条件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种具有液体静压支撑活塞功能的液压冲击破碎锤，主要是对活塞增加支撑解决由于油封老化，偏打等因素引起的中缸体与活塞之间的拉伤问题。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案：

一种具有液体静压支撑活塞功能的液压冲击破碎锤，包括中缸，中缸内安装有往复运动的活塞，活塞由液体支撑机构支撑与中缸间隙配合安装。

以下是本发明对上述方案的进一步优化：

所述中缸内靠近一端的位置安装有油封前三道组合，中缸内靠近另一端的位置同轴安装有活塞环，活塞环内靠近一端的位置同轴装配有油封后三道组合。

进一步优化：所述液体支撑机构包括在活塞环内靠近油封后三道组合一侧的位置同轴装配的后静压轴承。

进一步优化：所述中缸上靠近油封前三道组合一侧的位置开设有与中缸上的回油道相通的第一回油槽，中缸上靠近第一回油槽一侧的位置同轴装配有前静压轴承。

进一步优化：所述中缸上与油封后三道组合相对应的位置开设有第二回油槽。

进一步优化：所述前静压轴承和后静压轴承上分别环形阵列有至少四个进油口。

进一步优化：所述前静压轴承或后静压轴承的内壁上与每个进油口相对应的位置分别开设有弧形结构的油腔，每个油腔分别与相应的进油口连通。

进一步优化：所述任两相邻的油腔之间沿该静压轴承的轴向分别开设有第三回油槽。

进一步优化：所述每个第三回油槽分别延伸至相应的前静压轴承或后静压轴承的两端。

本发明通过设置液压支撑机构，使活塞与缸体之间由原来的只依靠油封支撑又增加了液体静压支撑，避免了因为油封老化或者油封质量差引起的活塞与缸体之间的拉伤，又对油封的使用寿命增加了3倍左右，节约了油封在短时间的更换油封以及附加的维修保养费用、操作者的维修停工时间。

本发明适用于按动力源分类的全液压式、氮气爆发式、气液联合式液压破碎锤；适用于按机架形式分类的三角型、四方型(塔型)、箱型(静音型)液压破碎锤；不限于液压破碎锤的大小规格；不限于单面回油、双面回油液压破碎锤；不限于有阀型、无阀型液压破碎锤；不限于控制阀内置式、外置式液压破碎锤；不限于控制阀行程反馈式、压力反馈式液压破碎锤。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

附图说明

附图1为本发明在背景技术中破碎锤(回程)工作原理图；

附图2为本发明在背景技术中破碎锤(冲程)工作原理图；

附图3为本发明在背景技术中破碎锤(停顿)工作原理图；

附图4为本发明在背景技术中传统破碎锤中缸与活塞配合图；

附图5为本发明在实施例中液压冲击破碎锤的结构示意图；

附图6为本发明在实施例中薄膜反馈与静压轴承的工作原理图；

附图7为本发明在实施例中节流器与前静压轴承的连接关系示意图；

附图8为本发明在实施例中节流器与后静压轴承的连接关系示意图。

图中：1-活塞；2-防尘封；3-主油封；4-缓冲封；5-中缸；6-O型圈；7-活塞环；8-斯特封；9-气封；10-钎杆；11-下缸；12-扁销；13-前静压轴承；14-中缸；15-后静压轴承；16-上缸；17-油封前三道组合；18-油封后三道组合；19-节流器；20-第一回油槽；21-进油口；22-第二回油槽；23-油腔；24-上腔；25-下腔；26-第三回油槽；27-周向封油面；Ps-进油压力；T-活塞周期；t-活塞每半冲程耗时；s-活塞行程；f-活塞冲击频率；V-活塞速度；a-活塞冲程；V₀-活塞初始速度；V_i-活塞末速度。

具体实施方式

实施例，如图5至图8所示，一种具有液体静压支撑活塞功能的液压冲击破碎锤，包括中缸14，中缸14内安装有往复运动的活塞1，活塞1由液体支撑机构支撑与中缸14间隙配合安装。

所述中缸14内靠近一端的位置同轴安装有油封前三道组合17，中缸14内靠近另一端的位置同轴安装有活塞环7。

所述活塞环7内靠近一端的位置同轴装配有油封后三道组合18。

所述液体支撑机构包括在活塞环7内靠近油封后三道组合18的位置同轴装配的后静压轴承15。

所述中缸14上靠近油封前三道组合17的位置开设有与中缸14上的回油道相通的第一回油槽20。

所述第一回油槽20为环形结构，且其横截面为梯形。

所述中缸14上靠近第一回油槽20一侧的位置同轴装配有前静压轴承13。

所述中缸14上与油封后三道组合18相对应的位置开设有第二回油槽22，该第二回油槽22的一端与中缸14上的回油道相通，另一端与活塞环7和活塞1之间的间隙相通，这样设计可以将后静压轴承15的液压油输送至中缸14上的回油道内。

所述前静压轴承13和后静压轴承15上分别环形阵列有至少四个进油口21。

所述每两个对称设置的进油口21分别连接有一个节流器19，每个节流器19分别固定安装在中缸14外靠近相应的静压轴承的位置。

所述前静压轴承13或后静压轴承15的内壁上与每个进油口21相对应的位置分别开设有弧形结构的油腔23，油腔23的深度为Z₁，Z₁＝30-60h₀，h₀是活塞与后(前)静压轴承配合的间隙。

所述每个油腔23分别与相应的进油口21连通，进油口21与缸体的进油道相通且始终为高压油，高压油进入油腔23，高压油进入缸体后与活塞1环绕，多方位的高压油支撑着活塞悬浮在缸体中，不易于直接与缸体接触。

所述任两相邻的油腔23之间沿该静压轴承的轴向分别开设有第三回油槽26，第三回油槽26的深度为Z₂，Z₂的数值在0.6-1.3mm之间选取，这样设计是为了保证静压轴承的承载能力和油路的畅通。

所述每个第三回油槽26的中心线与相邻的进油口21之间的夹角为π/4。

所述每个第三回油槽26分别延伸至相应的前静压轴承13或后静压轴承15的两端，这样设计主要是为了使前静压轴承13或后静压轴承15内的油均匀的汇集到中缸14油道的回油系统中。

所述相邻的第三回油槽26和油腔23之间分别形成周向封油面27，每个周向封油面27的宽度为b₁，b₁＝0.1静压轴承孔径，这样设计是为了使油腔建立起所需要的压力。

所述节流器19有两种进油方式，如图7、图8所示的方式是由进油口21供油，进入油腔23内，经第三回油槽26分别由第一回油槽20和第二回油槽22流出；也可以反过来，分别通过第一回油槽20和第二回油槽22向第三回油槽26供油，液压油进入油腔23内并由进油口21流出。

所述每个节流器19的中部设置有薄膜，该薄膜的上端面与该节流器19的内壁之间为上腔24，该薄膜的下端面与该节流器19的内壁之间为下腔25。

所述中缸14上靠近活塞环7的一端通过螺栓固定连接有上缸16。

所述中缸14上靠近油封前三道组合17的一端通过螺栓固定连接有下缸11，下缸11内设置有往复运动的钎杆10，钎杆10由扁销12固定控制其往复运动行程。

如图6所示，薄膜反馈与静压轴承的工作原理：

hg：压力差为0时，节流器19的薄膜处于持平状态，h_g1＝h_g3。

液压支撑工作原理：

以薄膜节流器为例说明，薄膜节流器直接利用压力反馈节流原理，当轴承空载时，活塞与轴承处于同心状态，上下油腔压力相同，因而薄膜两侧的压力相等，薄膜处于平直状态；

当活塞受到向下的载荷时，活塞轴心试图下移，设偏心距为e时，上下两油腔的出油间隙变化，引起流量改变，依节流器的调压作用使上油腔油压变小而下油腔油压变大，其压力差抵抗外载；

同时，压力差还迫使节流器的薄膜向上凸起，使上下节流间隙相应改变：上腔节流器间隙由h_g减少到h_g1，即调节上油腔的节流液阻变大，促使上腔压力更为降低；同样，下腔节流间隙由h_g增大到h_g3，即调节节流下腔液阻变小，促使P_s升高。这样，抵抗外载的压力差就进一步增大，使活塞的位置有所回升，经过很短时间，在较少的轴心偏移下达到新的平衡。

使用时，活塞1由液压支撑机构支撑往复运动打击钎杆10，并通过钎杆10传递打击力破碎物体，同时第一回油槽20和第二回油槽22与液压支撑机构构成回路，将液压支撑机构喷出的油输送至回油系统。

本发明通过设置液压支撑机构，使活塞与缸体之间由原来的只依靠油封支撑又增加了液体静压支撑，避免了因为油封老化或者油封质量差引起的活塞与缸体之间的拉伤，又对油封的使用寿命增加了3倍左右，节约了油封在短时间的更换油封以及附加的维修保养费用、操作者的维修停工时间，本发明适用于按动力源分类的全液压式、氮气爆发式、气液联合式液压破碎锤；适用于按机架形式分类的三角型、四方型(塔型)、箱型(静音型)液压破碎锤；不限于液压破碎锤的大小规格；不限于单面回油、双面回油液压破碎锤；不限于有阀型、无阀型液压破碎锤；不限于控制阀内置式、外置式液压破碎锤；不限于控制阀行程反馈式、压力反馈式液压破碎锤。

Claims (1)

1.一种具有液体静压支撑活塞功能的液压冲击破碎锤，包括中缸（14），中缸（14）内安装有往复运动的活塞（1），其特征在于：活塞（1）由液体支撑机构支撑与中缸（14）间隙配合安装；

所述中缸（14）内靠近一端的位置安装有油封前三道组合（17），中缸（14）内靠近另一端的位置同轴安装有活塞环（7），活塞环（7）内靠近一端的位置同轴装配有油封后三道组合（18）；

所述液体支撑机构包括在活塞环（7）内靠近油封后三道组合（18）一侧的位置同轴装配的后静压轴承（15）；

所述中缸（14）上靠近油封前三道组合（17）一侧的位置开设有与中缸（14）上的回油道相通的第一回油槽（20），中缸（14）上靠近第一回油槽（20）一侧的位置同轴装配有前静压轴承（13）；

所述中缸（14）上与油封后三道组合（18）相对应的位置开设有第二回油槽（22）；第二回油槽（22）的一端与中缸（14）上的回油道相通，另一端与活塞环（7）和活塞（1）之间的间隙相通；

所述前静压轴承（13）和后静压轴承（15）上分别环形阵列有至少四个进油口（21）；

每两个对称设置的进油口（21）分别连接有一个节流器（19），每个节流器（19）分别固定安装在中缸（14）外靠近相应的静压轴承的位置；

所述前静压轴承（13）或后静压轴承（15）的内壁上与每个进油口（21）相对应的位置分别开设有弧形结构的油腔（23），每个油腔（23）分别与相应的进油口（21）连通；

任两相邻的油腔（23）之间沿该静压轴承的轴向分别开设有第三回油槽（26）；

每个第三回油槽（26）的中心线与相邻的进油口（21）之间的夹角为π/4；

所述每个第三回油槽（26）分别延伸至相应的前静压轴承（13）或后静压轴承（15）的两端；

相邻的第三回油槽（26）和油腔（23）之间分别形成周向封油面（27）；

每个节流器（19）的中部设置有薄膜，该薄膜的上端面与该节流器（19）的内壁之间为上腔（24），该薄膜的下端面与该节流器（19）的内壁之间为下腔（25）；

中缸（14）上靠近活塞环7的一端通过螺栓固定连接有上缸（16）；

中缸（14）上靠近油封前三道组合（17）的一端通过螺栓固定连接有下缸（11），下缸（11）内设置有往复运动的钎杆（10），钎杆（10）由扁销（12）固定控制其往复运动行程。