气动凿岩机新型减振手把的设计与研究

王悦勇，刘恩国，张峰华，刘鉴

（阿特拉斯·科普柯(沈阳)建筑矿山设备有限公司技术中心，辽宁沈阳110027）

广泛应用于采矿、铁路及公路建设的气动凿岩机，其工作环境一般是在露天、坑道或山地；其工作频率一般在30-60Hz 的范围内[1]。 人在操作凿岩机时，人的手臂(或部分身体)需要对机器施加一定的力，特别是钻凿水平方向的孔时，单靠气腿已无法见成效。随着岩石硬度与凿孔角度的变化，人施加于凿岩机上的力也是变化的，也就是说， 机器作用在人体上的反作用力也是变化的。 由于人体受到机器的作用力，人的身体将产生加速度。人的各种器官在机器振动频率和加速度的共同干扰下，将对身体健康产生不良影响。

对于某一种型号的气动凿岩机来说，由于气压的变化，会出现频率或高或低的情况。 而这个范围内的干扰频率，将和人体很多部位的固有频率相接近，这样就会与人体某些部位产生共振现象。长时间工作时，将会造成操作人员手掌、胳臂发麻，眼睛发花、发胀，头脑发晕，内脏(包括心脏，胃等)也会产生不适感。 为了保证操作人员的健康，因此急需研究有效的减振降噪技术，一方面能够更好的满足环境法规的要求，而另一方面能够有效提高产品的性能指标，它具有很大的社会效益和经济效益。

1 3D 实体建模

Pro/E 软件是美国PTC 公司开发的三维建模设计系统。PTC 提出的单一数据库、参数化、基于特征、 全相关的概念己成为当今世界机械CAD/CAM/CAE 领域的新标准[2]。 该软件以使用方便、参数化建模和系统的全相关性而闻名于全球的制造行业。

本文采用Pro/E 的自顶向下(Top-Down)的建模方法，其是一种产品的设计开发过程，从产品的概念设计开始， 而后逐渐的将产品定位设计，最后设计成具有完整零部件的整机。自顶向下设计的核心是将产品的关键信息放在一个骨架的模型上，在设计中通过捕捉骨架模型信息传递到底层的产品结构中。骨架模型更改后整个产品结构将随着更新。 YT28 型气动凿岩机自顶向下三维实体建模过程如下：

①在Layout 中定义整个凿岩机的产品设计信息。 凿岩机设计中，活塞的行程和大径是设计重要环节。合理的尺寸可保证整机的冲击能及扭矩。

②在Skeleton 中建立3D 形式的凿岩机设计信息占位空间和相对位置关系。 首先设计骨架，凿岩机的大小、主要结构、结构位置等都由骨架确定，然后给骨架装配上零部件。

③用Publish Geometry 特征发布凿岩机的设计信息， 用Copy Geometry 特征传递凿岩机设计信息到单个设计组元中，根据上级发布的设计意图及本系统的特点创建几何模型。利用自顶向下方法建立的YT28 型气动凿岩机三维实体模型见图1。

凿岩机利用自顶向下建模便于管理，可以系统管理整体中的子零部件，能方便地控制零件与零件之间的装配间隙和约束关系，子零部件可方便进行设计而不必考虑装配问题。

图1 YT28 型气动凿岩机实体模型

2 减振工作原理

为了减少凿岩机的振动对操作人员健康的损害，本新型结构在凿岩机的把手部分增加专门的减振器件，使机器的振动动能得到一定衰减[3]。新型减振手把的分解图见图2。

图2 新型减振手把分解图

本款气动凿岩机新型减振手把包括手柄和设于手柄两端的把手架，把手架一端为容纳手柄顶端的圆形凹腔，其中圆形凹腔内有弹性材料制成的第一减振元件，把手架另一端与气动凿岩机的长螺栓相连接。 手柄两侧各有一个把手架，两个把手架起到夹持手柄的作用；同时，把手架圆形凹腔中的第一减振元件将手柄和把手架隔离，使把手架的振动不直接传递到与人体接触的手柄上，而是对其进行部分振动能量衰减。

把手架分别与第一、第二长螺栓的连接处设有由弹性材料制成的第二减振元件，第二减振元件为环形弹性件，第一、第二长螺栓为凿岩机机体的一部分，主要用于将减振手把与凿岩机机身连接。环形弹性件的内外表面分别与长螺栓和把手架的表面接触，从而可以使长螺栓产生的振动得到衰减。

手柄呈中空的管状，并且套设有由弹性材料制成的第三减振元件，第三减振元件径向具有一定的厚度，其横截面上设有一组通孔，并且沿手柄长度方向贯穿第三减振元件。

第一、第二、第三减振元件分别作为一个减振单元，即凿岩机产生的机械振动要经过三级减振， 每级的减振元件起到隔离和阻尼吸收的作用，使最终传递到操作者手上的振动已经大大降低。同时，所有减振元件具有独特的结构，本身的变形能力较强，同时亦能对各个方向的振动进行有效抑制，提升了减振手把的减振效果。

3 凿岩现场振动测试

试验设备采用丹麦B&K 公司的高速数据采集仪， 配以高灵敏度的带内置电荷放大的传感器；测试过程中外部环境条件良好，无外界干扰，保证了测试的准确性。测试过程中采用美国PCB三轴加速度传感器，可同时测量三个方向，轻型钛结构外壳，仅重3.1 g。测量坐标系如图3 所示。

图3 测量坐标系

振动测试数据是在花岗岩上打孔得到的，每种试验情况都进行多次数据采集，测试内容包括采集型号为YT29A 和YT28 气动凿岩机更换新型减振手把前后两种不同工况下的振动数据，以YT28 为例，合成加速度幅值如图4 所示。

通过振动信号时域和频域测试分析，可以清楚发现新型减振手把能够有效减小振动的传递。采用原始结构手把振动的合成加速度最大值约为723g， 而采用新型减振手把振动的合成加速度最大值约为70g。振动的有效值大为减小(参见表1 所示)。 振动有效值是表征振动能量的主要参数，说明了减振机构具有明显的效果。

4 结语

图4 YT28 标准手把和减振手把振动合成加速度幅值图

表1 振动测试分析结果

气动凿岩机新型减振手把减振系统采用三级减振机构，凿岩机工作时产生的振动要通过这三级减振机构，每级的减振元件起到隔离和阻尼吸收的作用，而最终传到操作者手上的振动大大降低；减振元件采用独特的设计，整体结构创意新颖，设计精巧合理，其将凿岩机手柄与机体的刚性连结改变为柔性连结，既保证了原来手柄的功能又显著降低了振动，这样就大大降低了对操作者的直接伤害，明显改善了使用状况。

[1]刘恩国.浅析气动凿岩机械的发展趋势[J].凿岩机械气动工具，2013（4）：14-16.

[2]马希青，教光印等.基于Pro/E 的液压支架三维实体建模与运动仿真[J].煤矿机械，2007（1）：73-75.

[3]吕惠民， 李福德. 气动凿岩机减振手把 [P]： 中国，201220479963.0.2013-04-03.