顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

覃宗偉

（南寧廣發(fā)重工集團(tuán)有限公司，南寧 530001）

顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)

覃宗偉

（南寧廣發(fā)重工集團(tuán)有限公司，南寧 530001）

在各種礦山、化工及基建的物料加工中都廣泛應(yīng)用顎式破碎機(jī)，顎式破碎機(jī)是物料進(jìn)行初級(jí)破碎的主要設(shè)備。但就目前來看，我國(guó)大多顎式破碎機(jī)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)落后，工作性能較差，嚴(yán)重影響生產(chǎn)效率?；诖?，本文簡(jiǎn)要分析顎式破碎機(jī)的工作原理，從機(jī)構(gòu)仿真優(yōu)化模塊、破碎過程仿真分析模塊、動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析模塊及零部件常規(guī)分析模塊四個(gè)方面研究顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在優(yōu)化顎式破碎機(jī)設(shè)計(jì)，滿足當(dāng)前物料生產(chǎn)加工需要。

顎式破碎機(jī) 機(jī)構(gòu)仿真 優(yōu)化設(shè)計(jì)

我國(guó)顎式破碎機(jī)存在設(shè)計(jì)落后、產(chǎn)品笨重、工作性能差、襯板磨損嚴(yán)重等問題，相較于發(fā)達(dá)國(guó)家還存在一定差距。顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)研發(fā)出低重量、產(chǎn)品粒型好、含量高的新型顎式破碎機(jī)具有重要意義?；诖?，本文主要研究了顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)，旨在縮短我國(guó)顎式破碎機(jī)與發(fā)達(dá)國(guó)家的差距。

1 顎式破碎機(jī)的工作原理

1.1 顎式破碎機(jī)的主要構(gòu)件

1.1.1 機(jī)架

顎式破碎機(jī)所使用的上下開口的四壁剛性框架即為機(jī)架，機(jī)架的主要作用是承受破碎物體的反作用力及支撐偏心軸，因此，對(duì)機(jī)架的剛性及強(qiáng)度有較高要求。機(jī)架的鑄造材料為鑄鋼，小型顎式破碎機(jī)也可采用優(yōu)質(zhì)鑄鐵，大型顎式破碎機(jī)機(jī)架鑄造工藝較為復(fù)雜，需要分段鑄成后用螺栓固定在一起[1]。

1.1.2 顎板和側(cè)護(hù)板

顎床和顎板組成定顎和動(dòng)顎，其中，顎板是工作部分，要用螺栓及楔鐵將其固定在顎床之上，顎床的主要作用是承受破碎反力，因此，對(duì)其強(qiáng)度和剛度有較高要求，一般為鑄鋼材料和鑄鐵材料。定顎的顎床即為機(jī)架前壁，動(dòng)顎的顎床懸掛在周上。

1.1.3 偏心軸

顎式破碎機(jī)的主軸是偏心軸，偏心軸要承受巨大的彎曲扭力，因此，其一般采用高碳鋼制造，其中，偏心的部分要經(jīng)過嚴(yán)格的精加工、熱處理，其軸承襯瓦要用巴氏合金澆注。帶輪和飛輪裝在偏心軸兩端，主要起到曲柄作用，用以支撐動(dòng)顎。

1.2 顎式破碎機(jī)的工作原理

如圖1所示，顎式破碎機(jī)通過電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)帶動(dòng)皮帶和皮帶輪，通過偏心軸L1帶動(dòng)動(dòng)顎上下運(yùn)動(dòng)，動(dòng)顎L3隨之上升，此時(shí)，動(dòng)顎與肘板之間夾角變大，動(dòng)顎板向定顎板靠近，以粉碎、壓碎物料，實(shí)現(xiàn)破碎功能；反之，當(dāng)動(dòng)顎下降時(shí)，肘板與動(dòng)顎之間的夾角變小，在彈簧和拉桿作用下，動(dòng)顎離開定顎板，這時(shí)，已經(jīng)粉碎完畢的物料會(huì)從破碎腔的下口排出。電動(dòng)機(jī)不斷工作轉(zhuǎn)動(dòng)，顎式破碎機(jī)會(huì)周期性地進(jìn)行壓碎和排出物料的循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)。

圖1 顎式破碎機(jī)的工作原理圖

2 顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)仿真模型建立

2.1 機(jī)構(gòu)仿真優(yōu)化模塊

機(jī)構(gòu)仿真優(yōu)化模塊是對(duì)顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的好壞直接影響顎式破碎機(jī)的性能，其主要任務(wù)是優(yōu)化動(dòng)顎上各點(diǎn)的工作性能參數(shù)，從而提升顎式破碎機(jī)的工作性能。機(jī)構(gòu)方針優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)部分：①設(shè)計(jì)變量：設(shè)計(jì)變量主要包括偏心距、連桿長(zhǎng)度、連桿傾角、懸掛高度、肘板長(zhǎng)度、動(dòng)顎厚度等；②約束變量：動(dòng)顎齒板長(zhǎng)度變化范圍約束、進(jìn)料口尺寸變化范圍約束、傳動(dòng)角變化范圍約束、破碎腔嚙角變化范圍約束及其他各設(shè)計(jì)變量范圍約束，約束變量的主要作用是尋找效率高、功耗小、磨損小的顎式破碎機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)[2]；③目標(biāo)函數(shù)：多目標(biāo)函數(shù)采用加權(quán)因子方式，但加權(quán)因子存在一定的困難性，故而常使用單目標(biāo)函數(shù)，顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)仿真優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)主要有襯板磨損小、破碎機(jī)重量績(jī)效、功耗低、生產(chǎn)率極大等。

具體來說，設(shè)計(jì)變量x=（I2、I3、h…），從而通過給定的各個(gè)斷電坐標(biāo)值變化約束范圍來實(shí)現(xiàn)。通過目標(biāo)函數(shù)值的計(jì)算使之極大或極小，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化目的。以ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)為例，目標(biāo)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)主要依賴其中的測(cè)量功能，通過對(duì)機(jī)構(gòu)中動(dòng)顎上、下端點(diǎn)行程變化及行程特性系數(shù)的測(cè)量定義監(jiān)控動(dòng)顎上、下端行程特性系數(shù)，在約束允許范圍內(nèi)按照離散規(guī)律對(duì)優(yōu)化變量進(jìn)行取值，在目標(biāo)函數(shù)達(dá)到極大或極小時(shí)，整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)束。通過ADAMS虛擬樣機(jī)技術(shù)提供的變量變化范圍及傳感器的功能來確定具體約束條件，當(dāng)取值超出變化范圍，則取消此次的仿真迭代，進(jìn)入下一輪仿真迭代，之后再進(jìn)行相關(guān)計(jì)算。

一般采用“固定容積”進(jìn)行機(jī)構(gòu)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，即對(duì)物料進(jìn)入破碎層進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，本文將破碎層分為5層進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即Mn=常量（n=1,2,3,4,5）。其中，Mn指的是第n層破碎層中物料的質(zhì)量?？梢岳闷叫袛D壓原理和曲面腔原理來進(jìn)行設(shè)計(jì)，平行擠壓指的是排料口處設(shè)計(jì)平行擠壓區(qū)域，物料在排除前會(huì)受到定顎與動(dòng)顎的平行擠壓，實(shí)現(xiàn)層壓破碎的目的，從而提升產(chǎn)量，提高產(chǎn)品粒度；曲面腔原理指的是破碎腔內(nèi)的一部分設(shè)計(jì)成曲面形式，有效增加物料與腔的接觸面積，減小對(duì)腔的磨損，從而實(shí)現(xiàn)層壓破碎的目的。

2.2 破碎過程的仿真分析模塊

物料在顎式破碎機(jī)破碎腔內(nèi)受到擠壓力呈現(xiàn)粉碎的過程稱為破碎過程，即上文中提到的層壓破碎的過程，破碎過程的仿真分析能明確層壓破碎的原因，推導(dǎo)破碎過程與顎式破碎機(jī)各項(xiàng)設(shè)計(jì)參數(shù)間的關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，提升顎式破碎機(jī)工作性能。

可以采用仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方法來研究分析破碎過程的仿真，利用實(shí)驗(yàn)結(jié)論能修正破碎過程仿真模型，從而提升模型的準(zhǔn)確性和可靠性，并且可以推導(dǎo)建立出層壓破碎過程與機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的理論模型[3]。

對(duì)破碎過程的仿真需要借助相關(guān)有限元軟件對(duì)物料破碎過程進(jìn)行模擬，建立有限元的三維坐標(biāo)系，建立三維實(shí)體模型與有限元，例如，可以采用Solidw orks公司的GeoStar有限元軟件。

2.3 動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析模塊

運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊和動(dòng)力學(xué)仿真模塊是顎式破碎機(jī)仿真分析中的關(guān)鍵部分。建立顎式破碎機(jī)動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析模塊圖2所示。

圖2 動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析模塊

①運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析模塊：運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真模塊分析主要分析的是顎式破碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)性能，這直接關(guān)系到動(dòng)顎上各點(diǎn)的行程特性參數(shù)、水平行程及垂直行程，這些對(duì)顎式破碎機(jī)襯板的磨損、破碎產(chǎn)品的粒形分布及生產(chǎn)效率等都有重要影響[4]；②動(dòng)力學(xué)仿真分析模塊：動(dòng)力學(xué)仿真分析模塊主要是對(duì)顎式破碎機(jī)的動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行分析，例如，偏心部件的平衡分析等，其主要任務(wù)是對(duì)各項(xiàng)顎式破碎機(jī)工作參數(shù)的計(jì)算和優(yōu)化，包括給排料口垂直行程、水平行程的參數(shù)計(jì)算優(yōu)化及給排料行程特性系數(shù)的計(jì)算等。

2.4 零部件的常規(guī)分析模塊

機(jī)架部件分析模塊、偏心軸部件分析模塊及顎部部件部分模塊是零部件常規(guī)分析模塊的三個(gè)組成部分，各個(gè)模塊分析的主要參數(shù)有有限元強(qiáng)度分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析[5]。

例如，可以在三維有限元分析軟件中建立三維實(shí)體模型和有限元分析模型，如在GEOSTAR軟件中建立相應(yīng)的三維實(shí)體模型，并建立命令代碼、載荷施加命令代碼、約束添加命令代碼、結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析設(shè)計(jì)變量及有限元邊界條件確定命令代碼等，根據(jù)相應(yīng)的命令代碼就能在三維有限元分析軟件中自動(dòng)進(jìn)行仿真分析。

3 結(jié)論

本文簡(jiǎn)要分析了顎式破碎機(jī)的主要構(gòu)造和工作原理，并對(duì)顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)仿真及優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，主要研究了機(jī)構(gòu)仿真優(yōu)化模塊、破碎過程仿真分析模塊、動(dòng)力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析模塊及零部件常規(guī)分析模塊，其中涉及到國(guó)際上比較先進(jìn)的固定容積原理、平行擠壓原理及曲面腔原理等先進(jìn)理念。本文旨在加快顎式破碎機(jī)的開發(fā)，為促進(jìn)顎式破碎機(jī)的發(fā)展做貢獻(xiàn)，以期對(duì)顎式破碎機(jī)的創(chuàng)新研發(fā)提供幫助。

[1]竇照亮.顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化和破碎力仿真分析[D].昆明：昆明理工大學(xué)，2010.

[2]陳紅江，吳陸恒，鄒莉娟，等.ADAMS在顎式破碎機(jī)優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2005，（11）：44-47.

[3]陳紅江，鄒莉娟，黃冬明.顎式破碎機(jī)計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)研制[J].礦山機(jī)械，2006，（1）：62-64.

[4]楊元鳳，馮穎，楊明珍.復(fù)擺型細(xì)碎顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)尺寸參數(shù)及其優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].沈陽大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，（4）：19-22.

[5]羅中華.復(fù)擺顎式破碎機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].礦山機(jī)械，2012，（1）：58-61.

Mechanism Simulation and Optimum Design of Jaw Crusher

TAN Zongwei
(Nanning development heavy industry group Co., Ltd., Nanning 530001)

Jaw crus her is widely us ed in all kinds of materials processing, chemical engineering and infras tructure. But for now, most of the products of jaw crusher a re desi gned, and the working performance is poor, which seriously affects the production efficiency. Based on this, this article briefly analyz es the working principle of jaw crusher, from the mechanism simulation optimization module, the broken process simulation analysis module, dynamics and kinematics simulation analysis module and the general analysis module of the four aspects of jaw crusher mechanism simulation and optimization design.

jaw crusher, mechanism simulation, optimization design