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      氣動鑿巖機新型減振手把的設(shè)計與研究

      2015-07-11 05:54:46王悅勇劉恩國張峰華劉鑒
      鑿巖機械氣動工具 2015年2期
      關(guān)鍵詞:手把鑿巖機手柄

      王悅勇,劉恩國,張峰華,劉鑒

      (阿特拉斯·科普柯(沈陽)建筑礦山設(shè)備有限公司技術(shù)中心,遼寧沈陽110027)

      廣泛應(yīng)用于采礦、鐵路及公路建設(shè)的氣動鑿巖機,其工作環(huán)境一般是在露天、坑道或山地;其工作頻率一般在30-60Hz 的范圍內(nèi)[1]。 人在操作鑿巖機時,人的手臂(或部分身體)需要對機器施加一定的力,特別是鉆鑿水平方向的孔時,單靠氣腿已無法見成效。隨著巖石硬度與鑿孔角度的變化,人施加于鑿巖機上的力也是變化的,也就是說, 機器作用在人體上的反作用力也是變化的。 由于人體受到機器的作用力,人的身體將產(chǎn)生加速度。人的各種器官在機器振動頻率和加速度的共同干擾下,將對身體健康產(chǎn)生不良影響。

      對于某一種型號的氣動鑿巖機來說,由于氣壓的變化,會出現(xiàn)頻率或高或低的情況。 而這個范圍內(nèi)的干擾頻率,將和人體很多部位的固有頻率相接近,這樣就會與人體某些部位產(chǎn)生共振現(xiàn)象。長時間工作時,將會造成操作人員手掌、胳臂發(fā)麻,眼睛發(fā)花、發(fā)脹,頭腦發(fā)暈,內(nèi)臟(包括心臟,胃等)也會產(chǎn)生不適感。 為了保證操作人員的健康,因此急需研究有效的減振降噪技術(shù),一方面能夠更好的滿足環(huán)境法規(guī)的要求,而另一方面能夠有效提高產(chǎn)品的性能指標(biāo),它具有很大的社會效益和經(jīng)濟效益。

      1 3D 實體建模

      Pro/E 軟件是美國PTC 公司開發(fā)的三維建模設(shè)計系統(tǒng)。PTC 提出的單一數(shù)據(jù)庫、參數(shù)化、基于特征、 全相關(guān)的概念己成為當(dāng)今世界機械CAD/CAM/CAE 領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)[2]。 該軟件以使用方便、參數(shù)化建模和系統(tǒng)的全相關(guān)性而聞名于全球的制造行業(yè)。

      本文采用Pro/E 的自頂向下(Top-Down)的建模方法,其是一種產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程,從產(chǎn)品的概念設(shè)計開始, 而后逐漸的將產(chǎn)品定位設(shè)計,最后設(shè)計成具有完整零部件的整機。自頂向下設(shè)計的核心是將產(chǎn)品的關(guān)鍵信息放在一個骨架的模型上,在設(shè)計中通過捕捉骨架模型信息傳遞到底層的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中。骨架模型更改后整個產(chǎn)品結(jié)構(gòu)將隨著更新。 YT28 型氣動鑿巖機自頂向下三維實體建模過程如下:

      ①在Layout 中定義整個鑿巖機的產(chǎn)品設(shè)計信息。 鑿巖機設(shè)計中,活塞的行程和大徑是設(shè)計重要環(huán)節(jié)。合理的尺寸可保證整機的沖擊能及扭矩。

      ②在Skeleton 中建立3D 形式的鑿巖機設(shè)計信息占位空間和相對位置關(guān)系。 首先設(shè)計骨架,鑿巖機的大小、主要結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)位置等都由骨架確定,然后給骨架裝配上零部件。

      ③用Publish Geometry 特征發(fā)布鑿巖機的設(shè)計信息, 用Copy Geometry 特征傳遞鑿巖機設(shè)計信息到單個設(shè)計組元中,根據(jù)上級發(fā)布的設(shè)計意圖及本系統(tǒng)的特點創(chuàng)建幾何模型。利用自頂向下方法建立的YT28 型氣動鑿巖機三維實體模型見圖1。

      鑿巖機利用自頂向下建模便于管理,可以系統(tǒng)管理整體中的子零部件,能方便地控制零件與零件之間的裝配間隙和約束關(guān)系,子零部件可方便進(jìn)行設(shè)計而不必考慮裝配問題。

      圖1 YT28 型氣動鑿巖機實體模型

      2 減振工作原理

      為了減少鑿巖機的振動對操作人員健康的損害,本新型結(jié)構(gòu)在鑿巖機的把手部分增加專門的減振器件,使機器的振動動能得到一定衰減[3]。新型減振手把的分解圖見圖2。

      圖2 新型減振手把分解圖

      本款氣動鑿巖機新型減振手把包括手柄和設(shè)于手柄兩端的把手架,把手架一端為容納手柄頂端的圓形凹腔,其中圓形凹腔內(nèi)有彈性材料制成的第一減振元件,把手架另一端與氣動鑿巖機的長螺栓相連接。 手柄兩側(cè)各有一個把手架,兩個把手架起到夾持手柄的作用;同時,把手架圓形凹腔中的第一減振元件將手柄和把手架隔離,使把手架的振動不直接傳遞到與人體接觸的手柄上,而是對其進(jìn)行部分振動能量衰減。

      把手架分別與第一、第二長螺栓的連接處設(shè)有由彈性材料制成的第二減振元件,第二減振元件為環(huán)形彈性件,第一、第二長螺栓為鑿巖機機體的一部分,主要用于將減振手把與鑿巖機機身連接。環(huán)形彈性件的內(nèi)外表面分別與長螺栓和把手架的表面接觸,從而可以使長螺栓產(chǎn)生的振動得到衰減。

      手柄呈中空的管狀,并且套設(shè)有由彈性材料制成的第三減振元件,第三減振元件徑向具有一定的厚度,其橫截面上設(shè)有一組通孔,并且沿手柄長度方向貫穿第三減振元件。

      第一、第二、第三減振元件分別作為一個減振單元,即鑿巖機產(chǎn)生的機械振動要經(jīng)過三級減振, 每級的減振元件起到隔離和阻尼吸收的作用,使最終傳遞到操作者手上的振動已經(jīng)大大降低。同時,所有減振元件具有獨特的結(jié)構(gòu),本身的變形能力較強,同時亦能對各個方向的振動進(jìn)行有效抑制,提升了減振手把的減振效果。

      3 鑿巖現(xiàn)場振動測試

      試驗設(shè)備采用丹麥B&K 公司的高速數(shù)據(jù)采集儀, 配以高靈敏度的帶內(nèi)置電荷放大的傳感器;測試過程中外部環(huán)境條件良好,無外界干擾,保證了測試的準(zhǔn)確性。測試過程中采用美國PCB三軸加速度傳感器,可同時測量三個方向,輕型鈦結(jié)構(gòu)外殼,僅重3.1 g。測量坐標(biāo)系如圖3 所示。

      圖3 測量坐標(biāo)系

      振動測試數(shù)據(jù)是在花崗巖上打孔得到的,每種試驗情況都進(jìn)行多次數(shù)據(jù)采集,測試內(nèi)容包括采集型號為YT29A 和YT28 氣動鑿巖機更換新型減振手把前后兩種不同工況下的振動數(shù)據(jù),以YT28 為例,合成加速度幅值如圖4 所示。

      通過振動信號時域和頻域測試分析,可以清楚發(fā)現(xiàn)新型減振手把能夠有效減小振動的傳遞。采用原始結(jié)構(gòu)手把振動的合成加速度最大值約為723g, 而采用新型減振手把振動的合成加速度最大值約為70g。振動的有效值大為減小(參見表1 所示)。 振動有效值是表征振動能量的主要參數(shù),說明了減振機構(gòu)具有明顯的效果。

      4 結(jié)語

      圖4 YT28 標(biāo)準(zhǔn)手把和減振手把振動合成加速度幅值圖

      表1 振動測試分析結(jié)果

      氣動鑿巖機新型減振手把減振系統(tǒng)采用三級減振機構(gòu),鑿巖機工作時產(chǎn)生的振動要通過這三級減振機構(gòu),每級的減振元件起到隔離和阻尼吸收的作用,而最終傳到操作者手上的振動大大降低;減振元件采用獨特的設(shè)計,整體結(jié)構(gòu)創(chuàng)意新穎,設(shè)計精巧合理,其將鑿巖機手柄與機體的剛性連結(jié)改變?yōu)槿嵝赃B結(jié),既保證了原來手柄的功能又顯著降低了振動,這樣就大大降低了對操作者的直接傷害,明顯改善了使用狀況。

      [1]劉恩國.淺析氣動鑿巖機械的發(fā)展趨勢[J].鑿巖機械氣動工具,2013(4):14-16.

      [2]馬希青,教光印等.基于Pro/E 的液壓支架三維實體建模與運動仿真[J].煤礦機械,2007(1):73-75.

      [3]呂惠民, 李福德. 氣動鑿巖機減振手把 [P]: 中國,201220479963.0.2013-04-03.

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