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复摆颚式破碎机运动仿真及有限元分析 |
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作者：张珂 刘佳男 杨昌明 |
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前言
破碎机广泛应用于冶金、化工等行业，其中复摆 颚式破碎机因具有性能良好，生产率高等优点，所以 在中小型系列破碎机中占有较大比例，并有不断向 大型化发展的趋势。但机器振动、机重和摩擦等问 题仍较突出，能耗较高，合理选择工作参数和设计其结构参数，有利于节约能源。
从破碎机的现状来看，国内产品的机重高于国 外，而且颚式破碎机的设计目前仍偏重于经验方法。 随着计算方法与计算机技术的发展，在满足强度、刚 度以及安全性能的前提下，对动颚结构设计进行优 化，以减轻机重，是一个可行的解决方案。
图1 颚式破碎机结构简图
1 复摆颚式破碎机机构模型
复摆颚式破碎机主要由偏心轴、动颚、肘板和机 架组成，属于典型的平面四杆机构，其机构如图1所 示。以曲柄转轴为原点，Y轴垂直向下、菇轴水平向左建立平面直角坐标系。在机构简图中AB为曲柄，CD为摇杆，在破碎机中分别对应偏心轴和肘板。BD为动颚，EF为定颚。BD与EF组成破碎腔，由动颚(连杆)往复摆动实现破碎机的功能。
2运动学仿真
首先采用SolidWorks完成整机数字样机设计，对破碎机三维装配模型作合理简化，保留机器工作装置部分。在此基础上采用Cosmos Motion进行运动学仿真，基于无缝集成接口Cosmos Motion对SolidWorks三维装配模型进行自动转化，建立运动学仿真模型，如图2所示。
图2 运动学仿真模型
在Cosmos Motion应用环境中，对装配模型施加约束。肘板座和轴承座定义为固定约束，动颚与偏心轴之间及肘板与肘板衬之间设置为旋转约束，以及其他部件约束如图2所示。对机构添加驱动力，选择带轮为主动件，定义属性：带轮为第1部件，肘板座为第2部件，约束类型是旋转副，绕z轴旋转，运动类型为速度，偏心轴的转速n=275 r／min。参照国产复摆颚式破碎机性能参数，选择相应电动机型号JO3-160M，额定功率15 kW，转速l 000 r／rain。在Intelli Motion浏览器的约束页面中，对偏心轴和动颚所构成的旋转副的属性进行定义，选择偏心轴的外表面及动颚的内表面为一对承载面，同时对肘板垫和动颚之间的约束做FEA定义，作为另外一组承载面。
为与实际工况相符，对动颚上表面添加载荷(破碎力反作用力)，因而可以同时完成真实工况下运动机构所有零部件的运动学性能(位置、速度和加速度)和动力学性能(接点反作用力、惯性力和功率要求)等完整量化信息的计算。最后设定仿真参数，持续时间为1 s，帧数为50。在IntelliMotion．环境下完成运动模拟，得到了仿真结果(图略)。从动颚水平位移的仿真结果可以看出动颚的水平行程较大，这样有利于破碎物料。沿动颚运动轨迹的运动方向有促进排料作用，所以在一定的程度上可以保证破碎机的生产效率。从动颚竖直位移仿真结果中也可以看出垂直的行程较大，从而导致衬板磨损较快，降低衬板的使用寿命，故复摆颚式破碎机一般用于中小型机型。但随着耐磨材料的不断发展，衬板耐磨性的提高，这种机型也逐渐向大型化方向发展。动颚加速度X、y方向曲线表明，动颚在X、y方向上的加速度呈周期性变化。而且x、y方向的加速度不同步，X方向的加速度要比l，方向滞后180。左右，这样在整个周期内，机架都会受到较大的冲击，从而引起机器及其基础部件产生振动，使偏心轴回转不均匀，影响机构构件的强度，降低机器的可靠性，缩短机器的使用寿命。
图3 应力历程曲线
3 有限元分析
采用CosmosWorks软件，通过导入运动学仿真过程中的多个时间瞬间的运动载荷，进一步分析三维装配体中的零件在该时刻的受力状况，以便确定最坏工况点。选择装配体中的动颚为计算对象，进行多画面分析，分析每组具有关联的时间瞬间产生的运动载荷。
动颚材料为ZG35，弹性模量为2E+5 MPa，泊松比为0．3a单位设置为psi，设定结果为VON：vonMises应力。采用三维实体单元进行网格划分，同时考虑到动颚结构比较复杂，局部区域网格需进行加密处理。时间参数为1 s，设定为10组，完成计算后，结果分析如图3所示。
从图3可以看出最大应力值出现在第6组(t=0．58 s)，表明一个周期内动颚在该时刻工况最差，对该工作位置的动颚进行详细的静态分析，应力分布云图如图4所示。图4中动颚肘板座附近应力最大，与实际情况相吻合，表明计算方法有效。在应力分布云图的基础上，进一步在肘板垫与动颚连接处以及沿动颚板长方向提取计算结果，分别见图5与图6。从2个图中可以发现局部结构区域出现应力集中现象，应力峰值甚至超过许用应力，如肘板座与动颚连接处。同时，动颚A点处(见图4)也存在一定程度的应力集中，且沿板长方向靠近肘板座处应力逐渐增加。
图5 肘板垫与动颚连接处应力分布曲线
根据d Alambert原理，作用于动颚的惯性力与接点反作用力相互平衡。因此，当动颚工作位置随时间变化，对视为处于动态载荷的结构进行有限元分析，其最差工况下的计算结果往往大于静态分析结果。这种随时间变化的应力突变对结构安全的危害，需在设计中加以充分重视。所以除了对重要的零部件做静态有限元分析，还要进行动态仿真计算，以找出最差工况下的最大应力值，以及所在的位置，从而进一步在结构上进行优化设计。如可以对应力较大的地方进行结构上的再设计，保证工作中的安全系数达到许用值；在应力最低的地方，安全余量可能过大，则可以进行优化设计，以达到减小机重的目的。
图6 动颚板长方向应力分布曲线
4 结语
针对复摆颚式破碎机这一典型传统产品，综合应用SolidWorks、CosmosMotion及CosmosWorks等现代设计与分析工具，实现了机构运动学与零部件有限元分析的集成仿真计算，得到了与实际相符的计算结果。数据表明，动颚在往复摆动的周期内，应力大小随工作位置改变而变化。
通过运动学模拟，确定了动颚最大载荷发生的时刻，并对该工况点进行了详细的有限元分析计算，发现了动颚局部结构区域出现应力集中的现象，同时揭示了结构应力的分布规律，从而为产品设计与改进提供了依据，并提出了进一步优化分析的设想。(end)
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(12/27/2008) |
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