基于ADAMS的單、雙軸顎式破碎機性能研究

張 憲，李文昊，趙章風，鐘 江

(浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，浙江杭州310014)

0 引 言

近年來，由于全球礦產貧化、能源問題日趨嚴重，對作為初碎設備的顎式破碎機提出了更高的要求。開發出效率高、物料粒度更小更均勻、運動性能更合理的破碎機很有必要［1］。目前，國內外針對新型顎式破碎機的研究很少，北京礦冶研究院總院饒綺麟［2］研制的PEWA9012O新型外動顎低矮破碎機與傳統顎式破碎機相比，它的動顎與定顎位置正好相反，生產能力比傳統顎式破碎機提高20%以上，喂料高度比傳統機型低25% ～30%，從而節省安裝空間;伊朗的A.Refahi等人［3］利用離散元的方法，用PFC 3D軟件模擬了單顆粒(球形和立方體)巖石在實驗室顎式破碎機中破碎的過程。他們以顆粒的集合體作為研究所用的巖石模型，研究了它的破碎機理。Sajjan K S等人［4］利用矩陣法對雙輥式破碎機破碎過程進行分析，建立描述破碎機破碎過程的模型，對整個破碎過程進行了優化。

本研究針對新型雙軸顎式破碎機，首先利用Pro/E軟件分別建立單、雙軸顎式破碎機的三維模型，然后導入到ADAMS軟件中，分別對單、雙軸顎式破碎機進行運動學仿真分析。通過對行程特征值［5］、最小傳動角［6］以及進料口、出料口在水平方向的速度、加速度［7］這幾個方面進行仿真分析，證實雙軸顎式破碎機的運動性能更優于普通的單軸顎式破碎機，最后通過實際的試驗驗證仿真的準確性。

1 顎式破碎機的工作原理

1.1 傳統復擺顎式破碎機的工作原理

傳統復擺顎式破碎機的組成及機構運動簡圖如圖1所示。工作時，電動機驅動偏心軸11(桿AB)做平面圓周運動，帶動動顎5(桿BC)、動顎板6(桿EF)以及推力板4(桿CD)做平面運動。

圖1 傳統復擺顎式破碎機的組成及機構運動簡圖

當桿EF上升時，桿CD與桿BC之間夾角(γ)變大，推動桿EF與桿GH(固定顎板7)接近，即兩顎板對物料擠壓、破碎;當桿EF下行時，桿CD與桿BC夾角變小，即動顎板(桿EF)與固定顎板(桿GH)間的開口增大，破碎后的料塊由底部排出［8］。

但由于推力板(CD)在整個過程中轉動的角度很小，從而使得動顎板(EF)在水平方向上的位移很小，這樣得到的物料粒度就會比較大，而且不均勻。同時推力板與動顎夾角始終為正傾角，這樣動顎板的磨損會比較厲害，現在國外都是通過將這個夾角改為負傾角［9］來減小磨損。

1.2 新型雙軸復擺顎式破碎機的工作原理

新型雙軸復擺顎式破碎機的組成及機構運動簡圖如圖2所示。跟傳統的復擺顎式破碎機相比，新型雙軸復擺顎式破碎機主要是多了一根后動顎偏心軸8、一個后動顎7、一條長肘板10和一對齒輪。工作時，電機帶動前動顎偏心軸5(桿AB)做平面圓周運動，控制前動顎4(桿BC)、動顎板3(桿EF)以及長肘板10(桿CD)做平面運動，前動顎偏心軸通過齒輪帶動后動顎偏心軸9(桿OM)反向轉動控制后動顎7(焊接件MDN)和短肘板11(桿NP)做平面運動。所以，新型雙軸顎式破碎機破碎物料的動顎板(桿EF)的運動軌跡為四桿機構ABCD和四桿機構OMNP的疊加運動的結果。

圖2 新型雙軸復擺顎式破碎機的組成及機構運動簡圖

當桿EF向下運動時，桿AB向下運動，此時桿OM帶動焊接件MDN向上運動，桿CD與桿BC夾角(γ)變小，推動桿EF與桿GH(固定顎板2)接近，兩顎板對物料擠壓、破碎物料;當桿EF向上運動時，桿AB向上運動，此時桿OM帶動焊接件MDN向下運動，桿CD與桿BC之間的夾角增大，桿EF與桿GH間的開口增大，此時破碎機排料，破碎后的料塊由底部排出。

2 顎式破碎機仿真模型的建立

2.1 幾何模型的建立

顎式破碎機主要由機架、偏心軸、飛輪、動顎、肘板、肘板墊、肘板后座、調隙螺桿、復位彈簧、固定顎板和活動顎板等組成。本研究采用的是 PEX-250×1 200型單軸復擺顎式破碎機和SPEX_2512型雙軸復擺顎式破碎機，在Pro/E軟件中建立三維模型，保存為Parasolid格式的文件，然后導入到ADAMS軟件中。

在進行運動學分析時，只考慮與運動有關的因素，而與構件的具體形狀無關［10］。因此，本研究在仿真分析中，對仿真對象做了簡化。

圖3 單軸復擺顎式破碎機仿真模型

圖4 雙軸復擺顎式破碎機仿真模型

單軸復擺顎式破碎機仿真模型如圖3所示。雙軸復擺顎式破碎機仿真模型如圖4所示。

2.2 施加運動副間的約束和驅動

在分析計算單、雙軸顎式破碎機的運動學之前必須對模型施加約束和驅動，本研究在單軸模型中使用了4個轉動副，分別為偏心軸和機架、偏心軸和動顎、動顎和肘板、肘板和機架，其中定顎、肘板基部以及偏心軸中心與大地固連，在偏心軸上施加驅動電機［11-12］。在雙軸模型中使用了8個轉動副，分別為前偏心軸和機架、前偏心軸和前動顎、后偏心軸和機架、后偏心軸和后動顎、前動顎和長肘板、長肘板和后動顎、后動顎和短肘板、短肘板和機架，其中定顎、短肘板基部以及前、后偏心軸中心與大地固連，前、后偏心軸通過齒輪副連在一起，在前偏心軸上施加驅動電機。

3 運動學仿真分析

3.1 行程特征值分析

顎式破碎機的行程特征值為垂直行程和水平行程的比值。如果從進料口到排料口破碎機的行程特征值m依次減小，那么破碎機的破碎效果就好、排料通暢，無過粉碎現象。

式中:S—水平行程，H—垂直行程。

進行仿真分析，單、雙軸顎式破碎機行程特征值m的變化趨勢圖如圖5所示。

圖5 單、雙軸破碎機m值變化趨勢

從圖5上可以看出，單軸破碎機的行程特征值m先增大后減小，且最小值大于1，根據前面的理論知識知道這樣是不利于破碎和排料的，所以單軸顎式破碎機的破碎效果比較差;對于雙軸顎式破碎機，其行程特征值m逐漸減小，而且整體都小于1，這說明破碎機動顎板的水平位移相對于其垂直位移要大得多，這有利于破碎過程，也有利于排料過程，破碎物料無過粉碎現象，破碎效果好，比較合理。

3.2 最小傳動角分析

一般情況下，為保證機構傳動良好，設計時通常應使壓力角amax≤50°，且傳動功率越大，壓力角值應越小。由于在曲柄搖桿機構中壓力角不易測量，一般以測量其余角傳動角γ來代替測量壓力角，壓力角最大即傳動角最小(即γmin≥40°)，本研究需測量最小傳動角，來校核機構的動力特性。

通過仿真分析，單、雙軸破碎機傳動角如圖6所示，由圖6可知單軸顎式破碎機的最小傳動角(見圖1∠BCD)為46°，滿足傳動要求;雙軸顎式破碎機的最小傳動角(見圖2∠BCD)為126°(負傾角)，這樣相當于最小傳動角為54°，滿足傳動要求。

圖6 單、雙軸破碎機傳動角

3.3 進料、出料口在水平方向速度、加速度分析

根據破碎理論和經驗，在破碎腔的上部一般為單顆粒破碎，在破碎腔的下部一般為多顆粒破碎，所以破碎腔上部破碎物料時，動顎板的速度和加速度理想方向應該相反，即采用擠壓的方式破碎物料;破碎腔下部破碎物料時，動顎板的速度和加速度的方向以相同為宜，即采用碰撞的方式破碎物料。通過仿真，單、雙軸顎式破碎機進料口(E點見圖3和圖4)、出料口(F點見圖3和圖4)在水平方向速度、加速度以及位移的曲線圖分別如圖7～10所示。

圖7 單軸E點水平方向位移、速度、加速度

圖8 單軸F點水平方向位移、速度、加速度

圖9 雙軸E點水平方向位移、速度、加速度

圖10 雙軸F點水平方向位移、速度、加速度

圖7～圖10中，從a點到c點分別為兩種破碎機進料口和出料口在其整個破碎周期的有效破碎階段，可以看到不論對于那種破碎機從a點到b點，速度和加速度的方向都為正;而從b點到c點，速度方向都為正，加速度方向都為負，速度和加速度方向相反。但是根據上面的破碎經驗和理論知道，在進料口處速度與加速度方向相反是有益的，而在出料口處速度與加速度方向相同是有益的。對于單軸破碎機，其進料口處的有益時間為46 ms，出料口的有益時間為48 ms;而對于雙軸破碎機，其進料口處的有益時間為40 ms，出料口處的有益時間為77 ms。

3.4 仿真結果對比與分析

將所有仿真結果和數據匯總如表1所示。由表1中可以看出，單軸顎式破碎機的行程特征值從進料口到出料口是先增大后減小的，而且總體上都大于1，這對破碎機的排料是很不利的，同時，它的垂直位移都比較大(約30 mm左右)，這樣顎板的磨損就比較厲害，而水平位移又都比較小，這對巖石的破碎是不利的，直接影響破碎機的破碎效果;而雙軸顎式破碎機的行程特征值從進料口到排料口逐漸減小，有利于排料，垂直位移保持在12 mm左右，這樣磨損就會相對較小，水平位移都比較大，特別是出料口的位置，這樣更容易得到滿足工程要求的小石子(直徑≤5 mm)。

表1 仿真結果綜合、對比

其次，單軸破碎機的最小傳動角為46°，雙軸的是54°，所以傳力性能雙軸優于單軸。

最后，在進、出料口水平方向速度、加速度的方向這一方面，根據基本的運動學知識知道，在破碎機破碎石塊的過程中，隨著動顎板位移的不斷增大，其速度必然是先從零增大到最大然后再減小到零，在該過程中，加速度的方向與速度的方向必然是先相同后相反的，所以筆者選擇從這兩個方向相同和相反的時間(有益的時間)來比較兩者，發現在進料口處單軸破碎機的有益時間多于雙軸6 ms，但是在出料口處，雙軸破碎機的有益時間多于單軸29 ms。對于任何破碎機來說，破碎腔上半部分的破碎效果對整機破碎效果的影響并不是那么明顯，反而是破碎腔下半部分的破碎效果對于最終得到的物料的大小有決定性的作用，所以在這個方面，雙軸顎式破碎機也要優于單軸顎式破碎機。

4 試驗與結果

4.1 試驗條件與方案

試驗分別在PEX-250×1 200單軸復擺顎式破碎機和SPEX_2512雙軸復擺顎式破碎機上進行。這兩種破碎機的外形如圖11、圖12所示，試驗基本參數如表2所示。

圖11 PEX-250×1 200型單軸復擺顎式破碎機

圖12 SPEX-2512型雙軸復擺顎式破碎機

表2 試驗基本參數

4.2 試驗數據與分析

試驗時，兩種破碎機均采用固定機座和常規齒板，原石喂料方式采用叉車裝料送至料口人工喂料，成品送料方式采用人工送料。試驗結果如表3所示。

表3 試驗結果

從表3中的數據可以看出，雙軸破碎機不論是在小石子占總成品的比例方面，還是在每小時的生產能力方面都要優于單軸破碎機，驗證了理論分析和仿真分析的準確性。

5 結束語

從仿真結果和試驗結果可以看出，在運動性能方面新型雙軸顎式破碎機要明顯地優于單軸顎式破碎機:①行程特征值從上到下依次減小，保證了破碎機破碎時排料通暢，物料無堵塞，無過粉碎，顎板磨損較小;②最小傳動角大，傳力性能好，破碎效果好，效率高;③出料口水平方向速度、加速度方向有益時間較長，較大程度地發揮出破碎機的破碎能力。因此，在基于虛擬樣機技術的運動仿真的基礎上，后續研究將重點對雙軸顎式破碎機的結構參數進行進一步地優化，為設計出高性能的破碎機提供理論依據。

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