摘要：本文主要通过材料力学知识来分析液压碎石机大臂在各种工况下的受力情况，并着重于冲击载荷下大臂的形变与应力的比较，从而提出造成大臂产生裂纹的原因，并作出相应的解决方法。
关键词：液压碎石机大臂碎石器冲击载荷应力裂纹变形剪力图弯矩图
从生产方面来看，液压碎石机所承担的任务是：所有的原矿都是经过它这道关才能往下一道工序运送。因此，液压碎石机成为我矿山的一大繁忙设备，这已经是众所周知了。但是，在引进日本住友SH200CT碎石机以及韩国高力碎石器后，碎石机大臂裂纹仍不断发生，频繁的维修量成为一项持久的工作，而这也成为工程技术人员的攻坚项目。
一、液压碎石机的大臂受力分析
如下图1所示：
图1工作机构示意图.gif
大臂上所受的外力作用在B、C、D点上，把这三个点上的力分别沿水平方向与垂直方向分解，即有：Fb1、Fb2、Fc1、Fc2、Fd1、Fd2。对于这些力的方向，在这里作点解释：C点、D点上的力是碎石器工作时通过小臂及小臂油缸而传给大臂的，因此，有如图示方向的分力；B点力的方向是由于碎石机在工作时大臂油缸依靠收缩活塞杆而使碎石器紧压作业面，从而使大臂在B点受向下的拉力，分力如图示。
现在，根据大臂在实际工作中所发生的裂纹情况作以下分析：
1.BC段大臂将以B点为中心，受C点、D点上的力矩的作用，根据力矩平衡条件，即有Fc1*Lc1+Fc2*Lc2+Fd1*Ld1+Fd2*Ld2=0
在BC段，随着碎石器作用点的不断变化，C点的位置也在变化，但是，仅存在两种工况：一种是C点在水平位置上高于B点，另一种是低于B点。这对于BC段的大臂来说，就存在两种不同的剪力与弯矩图。
（1）当C点高于B点，这时BC段的大臂简化图以及BC段的大臂剪力图与弯矩图如图2所示：
其中，Mc2=Fc2*Lc2，Md2=Fd2*Ld2
图2BC段的大臂简化受力图.gif
（2）当C点低于B点，这时BC段的大臂简化图以及BC段的大臂剪力图与弯矩图如图3所示：
图3BC段的大臂简化受力图.gif
比较（1）、（2）两次所作的剪力图与弯矩图，可以看出：两种工况的剪力图不变，但是，弯矩图却有着较大的变化。从这点看来，工况②BC段的大臂所受外力比工况①小得多，而且最大弯矩也比工况①小2Mc2。结合本矿山一期与二期的原矿仓格筛相对地面的高度相比较：一期比较浅，产生工况①的机会较多；而二期的较深，容易产生工况②。虽然二期的生产才刚刚开始几个月，通过上述比较，可以推测二期的碎石机大臂在BC段将比一期的寿命长。由此可见，特定的工作条件是大臂产生裂纹的必要条件。
2.AC段
B、C、D点上的力对A点产生力矩的作用而达到平衡，这时仅有Fb1与Fd1的力矩方向相同，那么AC段的大臂简化图以及剪力图、弯矩图如图4所示：
图4BC段的大臂简化受力图.gif
其中，Mb2=Fb2*Lb2，Mc2=Fc2*Lc2，Md2=Fd2*Ld2
从AC段的大臂受力分析看来，大臂油缸活塞杆端的长销轴座B点上，大臂所受的弯矩最大，这时大臂所受的剪力也突然从负值变为正值，产生了很大的应力集中，因此，B点及其附近应该是最容易受破坏的部位。事实上，大臂发生裂纹的部位也确实如此，这也是大臂裂纹产生的内在因素之一。
二、冲击载荷对液压碎石机大臂的影响
液压碎石机在工作中，主要受到碎石器打击矿石时的反冲力，这种力对碎石机大臂产生较大的振动，因此，液压碎石机的操作规程里就限制连续打击时间不能超过3分钟，从而减少了大臂的疲劳程度，相应的保护了大臂。但是，更大的冲击力不是来自碎石器，而是来自不规范的操作行为，除了连续打击时间超长外，更严重的是工作机构及碎石器凿杆直接冲击矿石或格筛，这将使大臂受到严重的损坏。下面分析这种工况的破坏性。
大臂受力如下图5所示：
图5大臂受力简图.gif
为了简化大臂的受力分析，由于Fd的方向与Q的作用方向相同，把Fd的力先忽略不计以方便分析。这时大臂在油缸的作用下，相当于大臂在B点受到重物Q在高度为h处，快速冲击矿石，利用：冲击时应力σ和变形△的计算。比较Q在h=0时的应力与变形，有
公式一.gif
这里，Kd是冲击动荷系数，△d为大臂动变形，△j为大臂静变形根据虎克定律及动能变化，可以推导出下面的关系
△d=Kd△j
Pd=KdQ
σd=Kdσj
式中，Pd为冲击载荷力，σd动应力，σj为静应力。从冲击动荷系数Kd的表达式，可以看出，△j由于与h相比，差距很大，也就是说Kd的值相当大。因此，在这种情况下，大臂受到极大的冲击力作用，这时的应力与变形都相当大，Kd的值可能达到10倍、100倍，甚至更高（当考虑Fd的作用时）。这说明工作机构及碎石器凿杆直接冲击矿石或格筛，是大臂产生裂纹的根本原因。这是人为的因素，是可以，也是完全可以避免的。矿仓的格筛安装位置低些，也能避免操作者无意中对矿石或格筛的冲击。
三、结论
从以上的分析看来，造成液压碎石机大臂产生裂纹的原因是：
1.打击矿石的位置不同以及大臂本身固有的受力条件的制约，是大臂裂纹产生的必要条件；
2.利用工作机构及碎石器凿杆直接冲击矿石，是大臂产生裂纹的根本原因。
液压碎石机大臂产生的裂纹，看来是无法避免的。但是，只有了解产生裂纹的原因，就可以采取适当的措施加以防范。因此，为了延长大臂的寿命，必须做到：
1.精心维护设备，减少打击矿石时销轴及套之间产生过大的冲击力；
2.不断提高操作水平，减少对矿石或格筛的冲击；
3.认真总结，设计出更能适合液压碎石机工作的平台。