液壓劈裂機在工程中的應用

液壓劈裂機的應用前言液壓劈裂機是利用普通物理尖劈原理和液壓傳動原理，將軸向液壓推力變?yōu)闄M向劈裂力的一種裝置。我國是一個石材資源豐富的國家，開采石材往往遇上大塊荒料需要二次解體問題?，F(xiàn)行的二次解體方法主要有：手工錘擊破碎法，鉆孔加膨脹水泥脹裂法，炸藥二次爆破法，挖掘機加液壓錘的沖擊破碎法等。這些方法都存在著一定的缺點，前兩種方法效率非常低，第四種方法雖然效率較高，但是由于設備費用昂貴，中小企業(yè)難于接受。目前，比較普遍的還是采用炸藥進行二次解體。對于大塊巖石的二次爆破，危險性較大，一是經(jīng)常出現(xiàn)人身傷亡事故；二是由于每年有大量的炸藥、導火索、雷管在民間流通和使用，管理難度非常大，一旦流失，就會給人民生命財產(chǎn)安全和社會安全帶來隱患；同時還存在環(huán)境污染、資源浪費等問題。因此，有些礦山根本不允許采用炸藥進行二次爆破。探尋一種安全高效、操作簡便、成本低廉的二次解體方法一直是業(yè)內(nèi)人士所關注的熱點課題。液壓劈裂機的出現(xiàn)解決了這一難題。利用液壓劈裂機進行大塊的二次解體，具有傳統(tǒng)方法無法比擬的效率高、成本低、操作簡單、安全可靠等優(yōu)點，且使用效果良好，是一種理想的二次解體設備。本文簡要介紹液壓劈裂機的結構、工作原理、操作方法。1石材的破裂特性了解石材的破裂特性是掌握液壓劈裂機的劈裂原理和進行正確設計和使用設備的基礎。大多數(shù)巖石的應力——應變曲線，近似直線，見圖l—a，并可用F表示。式中：ε—為巖石的應力；δ—為巖石的應變；E一為巖石的楊氏模量。該直線因巖石突然斷裂破壞，而在F點終止，表現(xiàn)為典型的脆性破壞特征。用作建筑材料的巖石，其全應力一應變曲線，見圖1-b，雖有所不同，大致可分成OA，AB，BC和CD四段。在OA和AB段，應力、應變近于彈性，并伴有輕微滯變，當加載或卸載時，巖石的結構和性質無不可逆變化；在BC段，應力一應變曲線的斜率，隨應力增大而逐漸減小到零，當加載或卸載時，巖石雖將產(chǎn)生不可逆變化，即出現(xiàn)永久變形，但亦不失去抵抗外加載荷的能力，故巖石在該段處于延性狀態(tài)：在CD段，巖石抵抗載荷的能力隨變形的增加而減小，應力由C點的最大值逐漸下降，表現(xiàn)出負的應力一應變曲線斜率，但最終在D點因突然斷裂破壞而終止，仍表現(xiàn)為脆性破壞的特性。巖石單軸受壓條件下，產(chǎn)生不規(guī)則的縱向裂縫。其破裂處，一部分為剪切破裂狀態(tài)，而另一部分則是拉伸破裂。即當壓頭侵入巖石時，在接觸處產(chǎn)生剪切破裂，而在其邊緣處則引起徑向拉應力，結果使脆性巖石發(fā)生縱向劈裂。2液壓劈裂機的結構及工作原理2.1液壓劈裂機的劈裂原理如圖2為YP系列液壓劈裂機的結構組成及工作原理。該機由動力供給系統(tǒng)(泵站)、控制元件、液壓管路、液壓缸、楔塊組件等構成。工作時，泵向系統(tǒng)提供高壓油，經(jīng)控制元件、液壓管路而進入液壓缸的無桿腔，推動活塞向下運動，通過楔塊組件的放大將縱向的推力轉化為橫向的劈裂力，使礦巖分開。圖3為尖劈分裂器和尖劈及楔片受力圖。如圖3—a所示，與液壓劈裂機活塞相聯(lián)的尖劈并不直接劈裂巖石，而是在尖劈兩側還有一對楔形片，即兩楔片夾著尖劈組成一個40mm的圓柱體一分裂器。在預定的巖石分裂線上事先鉆若干ф40mm的孔，然后將分裂器分別插入這些孔內(nèi)，當液壓劈裂機通人高壓油后即可在上述孔內(nèi)同時產(chǎn)生劈裂力，致使巖石按預定的位置和方向裂開。當楔形壓頭受壓而侵入巖石時，巖石局部發(fā)生粉碎或呈塑性變形而形成袋狀或球狀核，通常稱之為密實核。壓頭在壓入巖石過程中，侵入深度不會隨載荷增加而均衡增加，只是當其達到某一臨界值時，便發(fā)生躍進式破碎現(xiàn)象。這時，密實核旁側的巖石出現(xiàn)崩碎，載荷暫時下跌，壓頭繼續(xù)侵入到一個新的深度，載荷再度上升，侵入和載荷又恢復到某種比例關系。如此循環(huán)，直至巖石破裂。整個過程的載荷——侵深曲線呈波浪形。越是脆性巖石，躍進式侵入特點越明顯，塑性材料則較緩和。載荷一侵深曲線各上升段的斜率大致相同，即增加單位載荷所增加的侵深近于常數(shù)。曲線下降部分的情況與巖石及加載機構的剛性有關。2.2尖劈斜面處摩擦系數(shù)及劈裂力的理論計算如圖3-b所示，各力在軸向y的投影∑Y=O，即P=Pn+P'f式中，P——液壓缸總液壓力，kN；Pn—斜面處正壓力，N在軸向的分力，即Pn=2Nsina/2，kN；P'f——斜面處摩擦力Pf可在軸向的分力，即P'f=2Nfcosa/2，kN。一般a=3°～5°，a/2角很小，可取cosa/2≈1。又tga/2=h/2H，而tga/2=sincd2/cosod2≈sina/2，即sinod2≈h/2H?！鄍=πd2p/4=2Nsina/2+2Nfcosa/2≈2N(h/2H+f)∴f≈πd2p/8N-h/2H(1)式中f——斜面處摩擦系數(shù)；p——工作油壓力，MPa；d——液壓缸直徑，cm。式(1)給出了幾何參數(shù)d、h、H與f的關系，也給出了變量P、N值與f的關系。當選定油壓P并測出實際劈裂力N之后，即可求得f值。嚴格地講，實際劈裂力應是楔片對巖石產(chǎn)生的垂直于巖石孔壁的合力N。如圖3b所示，由∑Y=O、∑X=O，可得：Nsina/2+Nfcosa/2=P1/2{(2)P'f/2+No+Nfsina/2=Ncosa/2式中：P1——楔片耳與缸體接觸處產(chǎn)生的壓力，kN；P1f/2——一側楔片在尖劈作用下作側向運動時的摩擦阻力，kN；No——巖石的反作用力，即實際劈裂力，KN。因為a/2角很小，取sina/2≈O，cosa/2≈1解聯(lián)立方程(2)，即得：No≈N(1-f2)(3)一般f=0.03，f2≈O，故可取No≈N，即實際劈裂力近似等于尖劈斜面處的正壓力。3劈裂機液壓系統(tǒng)與控制液壓系統(tǒng)是劈裂機的核心部分，系統(tǒng)的結構和性能劈裂機工作安全性、可靠性、生產(chǎn)力具有重要影響。YP系列液壓劈裂機液壓系統(tǒng)如前所述，該劈裂機有上、下兩個油缸。上油缸有空行程快進、劈裂工進和快退三個動作。據(jù)此，設計了雙泵液壓系統(tǒng)，見圖4。該系統(tǒng)作業(yè)過程：首先，開動低壓油泵4(此時，電磁閥6斷電，處于切斷上油缸l油路的中位，且上油缸l的活塞此前已處于其上端的極限位置)，下油缸2的無桿腔進油，其活塞桿頂起工作臺，使下刃具隱沒，以便將被加工石料置于工作臺上，并對位；按快進電鈕，開動高壓油泵5，并使電磁閥6通電左移，兩油泵同時工作，共同向上油缸l的無桿腔供油，推動上刃具快速下降；當上刃具頂住石料時，高壓泵5的油壓迅速上升室卸荷閥3的調(diào)定壓力，閥3啟動，使低壓泵4卸荷空轉，下油缸2的無桿腔回油，工作臺下沉，下刃具頂緊石料，此時僅高壓小流量泵5工作，推動上刃具緩慢工進，對石料施壓，將其劈裂；石料劈裂后，上刃觸發(fā)下行程開關(也可按快退電鈕)，使電磁閥6右移換向，高壓泵5的壓力迅速降到閥3的調(diào)定壓力之下，使其復位；停止卸荷，兩油泵又共同向油缸1的有桿腔供油，使刃具快退，直至觸動上行程開關，使閥6泵5同時斷電，上刃具停在上極限位置，而工作臺又被下油缸2頂起，將被加工好的石料卸下，完成一個工作循環(huán)，劈裂機又處于下一工作循環(huán)的開始狀態(tài)。此液壓系統(tǒng)結構簡單，僅適用于花崗巖劈裂機。對于適用范圍較廣，尤以劈裂易脆性破碎石材的劈裂機，則需據(jù)材質調(diào)整劈裂力和進刀速度，以避免碰撞損耗。為此，需另外設計液壓伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅應滿足工作需要，還能使耗功最小，其主要參數(shù)包括：伺服閥流量、油泵壓力和液壓缸活塞有效面積。首先，按前述方法計算劈裂力，進而確定油泵壓力；然后，按P—Q計算尺原理，用下式計算能使系統(tǒng)功耗最小的流量：式中，QM——為最佳流量，l/s；n——為上油缸兩腔的流量比；a——為上油缸活塞桿的截面積，m2；yM——為活塞空載時的最大速度，m/s。按式(4)算出的QM選取流量伺服閥和液壓缸活塞面積，設計液壓伺服系統(tǒng)，見圖5，其中C為機座自然剛度，場為壓力反饋系數(shù)。該系統(tǒng)在刃具快進接近石料時，位移傳感器發(fā)出信號，使刃具減速，避免碰撞損耗；在工進時，由裝在機座上的壓力傳感器發(fā)出信號，使刃具按一定速度(據(jù)被加工石質確定)進給，因而控制了劈裂力的增長速度，減少石材破碎損耗；石料被劈裂后，壓力傳感器及時發(fā)出信號，使刃具快退。4液壓劈裂機的正確操作正確使用和規(guī)范操作是提高液壓劈裂機工作效率和產(chǎn)品質量的保證。操作者液壓劈裂機必須仔細閱讀了機器使用說明書，了解機器各零部件的作用性能，嚴格按照操作規(guī)程作業(yè)。4.1大塊石材二次解體的操作方法采用液壓劈裂機對大塊進行二次解體時，首先，要檢查設備各部位是否安裝完畢，各連接部位是否牢固可靠設備各部件是否正常。然后按如下步驟操作：4.1.1用鑿巖機在巖石上鉆孔，鉆孔直徑取決于液壓劈裂機楔塊組件工作部分的外徑大小，而楔塊組件的大小取決于現(xiàn)場的巖石大小，巖石體積較大，選用大直徑楔塊組件，還可小直徑多孔，巖石體積較小，選用小直徑楔塊組件。鉆孔深度一般為300～400mm。鉆孔時注意，礦石鉆孔的方位應垂直于孔所在的表面，孔的大小應與劈裂器的直徑相適應，鉆孔的深度比楔塊組件插人長度深ll0～150mm。嚴禁打斜孔和淺孔，不應在受力不好的位置打孔。4.1.2將劈裂器插人孔中，根據(jù)需要適當調(diào)整劈裂方向。4.1.3啟動泵站。4.1.4控制換向閥，使活塞伸出，進行劈裂，待巖石裂開一個很小細紋后，換向閥換向，活塞桿及內(nèi)楔塊縮回，轉動劈裂器，使其與開始的裂紋方向轉一個角度，然后進行再次劈裂，這樣可以將一塊巖石解體為多塊。4.2多塊劈裂法液壓劈裂機用于大批量劈裂時，須配用鑿巖機打孔，以先分割大料。鑿巖機打孔時，每臺劈裂機需配二臺，以提高劈裂機的生產(chǎn)效率。在預先鉆好的孔內(nèi)放人單頭液壓劈裂器，啟動電機，當液壓缸活塞桿推動楔塊向下運動時，注意觀察，當看到石材沿孔口出現(xiàn)裂紋時(也可以從壓力表上觀察，當壓力升高到一定值時突然下降)換向閥換向，這時楔塊反向運動，當其復位后將劈裂器轉動一個角度，重復上述劈裂過程，這樣可以在一個孔內(nèi)進行多方向劈裂，將石材劈裂成多塊，減少鉆孔的工作量。5結論我國石材產(chǎn)量占世界第一位，在礦山開采中需要對大量的大塊巖石進行二次解體。石材的劈裂，向來依靠石匠手工敲鑿，不僅效率低，而且勞動強度大。液壓劈裂機用于巖石進行二次解體，成本低、再創(chuàng)造的產(chǎn)值高，很好地解決了石材二次解體難題。由于大部分巖石的抗壓強度遠遠大于其抗拉強度和抗剪強度，其比值大約為l0：l。因此，從內(nèi)部劈裂大塊巖石，是最省力的方法之一。液壓劈裂機結構簡單、操作方便、安全可靠、劈裂速度快、效率高、成本低、經(jīng)濟效益和社會效益顯著。使用證明該機完全可以取代炸藥的二次爆破，是大塊巖石二次解體的理想方法之一。液壓劈裂機工作