顎式破碎機機架的有限元分析及拓撲優化

劉光浩，婁玉印，莫文鋒

（1.柳州職業技術學院，廣西柳州545005；2.廣西科技大學鹿山學院，廣西柳州545005）

顎式破碎機機架的有限元分析及拓撲優化

劉光浩1，婁玉印2，莫文鋒1

（1.柳州職業技術學院，廣西柳州545005；2.廣西科技大學鹿山學院，廣西柳州545005）

基于鄂式破碎機機架重量較大，結構不合理的現狀，運用有限元分析軟件hyperworks建立顎式破碎機機架的有限元模型；根據顎式破碎機的力學分析對其進行有限元靜強度分析；根據有限元分析結果，以顎式破碎機機架的重量最小為目標，顎式破碎機機架的最大應力為約束條件，對其進行拓撲優化設計，得出顎式破碎機機架更加合理的模型，對后續顎式破碎機機架的減重優化和對企業生產有一定的指導意義。

APDL；顎式破碎機機架；拓撲優化

國內顎式破碎機機架是顎式破碎機的重要組成部分，是鄂式破碎機其它零件安裝的基礎。它在工作中承受很大的沖擊載荷，是破碎機的關鍵部件[1-2]。但目前顎式破碎機機架的設計大多都是通過類比，按經驗確定各個部件的形狀和尺寸。是依據傳統的經驗結論而不是科學的計算方法進行的，采用這種傳統的設計方法，具有一定的盲目性，很難設計出既經濟又滿足強度和剛度要求的顎式破碎機機架[1]。

本文采用現代設計方法有限元分析方法——首先對顎式破碎機機架進行有限元靜強度分析，其次以顎式破碎機機架重量最小為目標，以最大應力為約束條件，得出顎式破碎機機架的拓撲模型，該分析為顎式破碎機企業對破碎機的研究起到一定的指導作用，對降低顎式破碎機的研發周期，降低顎式破碎機的制造成本、延長顎式破碎機的使用壽命起到一定的積極作用。

1　結構介紹

如圖1所示是PFE-600×900顎式破碎機的結構示意圖，定顎固定在機架的前壁上，動顎通過軸承直接懸掛在偏心軸上，偏心軸由皮帶輪帶動旋轉，動顎下端通過肘板和固定在機架的支座相連。當電機轉動時帶動皮帶輪轉動，同時偏心軸帶動動顎轉動；動顎一方面對定顎作往復擺動，同時還順著定顎有很大程度的上下運動[2-3]。

圖1　顎式破碎機的結構示意圖

2　力學分析

顎式破碎機受力如圖2所示。

圖2　破碎機在最大破碎力時的機構受力示意圖

列平衡方程：

∑FX＝0，即

∑FY＝0，即

∑MA（F）＝0，即

由上式得：FAX=-138.21 kN，FAY=2 587.38 kN，F=4 224.38 kN

且FA與X軸正向的夾角是93.06°.

所以由作用力反作用力的性質知肘板對機架的作用力F'=4 224.38 kN，方向與X軸正方向的夾角為-14.23°.

2　有限元分析

鄂式破碎機機架是顎式破碎機的重要部件，對破碎機破碎性能起到重要的作用。為此運用有限元分析軟件hyperworks建立顎式破碎機機架的有限元模型，對其進行有限元靜強度分析。

（1）模型的建立。首先利用UG三維設計軟件按照實際圖紙尺寸建立破碎機機架的實體模型，再導入到hypermesh有限元分析軟件，采用hypermesh中的智能劃分網格方法。經智能網格劃分破碎機機架的有限元模型如圖3所示，節點的數目為197 893，單元數目為77 716.

圖3　破碎機機架的有限元模型

（2）設定材料特性：根據結構參數，破碎機機架的材料為45號鋼。該材料的彈性模量E=2.02×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ＝7.85×10-6kg/mm3，屈服極限為σs=355 MPa.

（3）單元選擇。基于破碎機架結構復雜，本文選用三維實體SOLID92.SOLID92單元由十個點定義，每個節點有三個自由度：節點x、y和z方向位移[4]。

（4）添加載荷、約束求解。根據前面的力學分析，加載肘板對機架的作用力F'=4 224.38 kN，方向與X軸正方向的夾角為-14.23°.將顎式破碎機機架底部設為全約束。

（5）經有限元分析后計算得破碎機機架的應力云圖，如圖4所示。可知，破碎機機架的應力大部分集中為53 MPa，遠小于許用應力；最大應力為480 MPa，發生在機架安裝肘板應力集中處，滿足強度條件。破碎機機架的變形云圖，如圖5所示，坑機機架的最大變形為0.43 mm，發生在安裝軸承處，滿足剛度條件。

圖4　破碎機機架的受力云圖

圖5　破碎機機架的變形云圖

3　顎式破碎機機架的拓撲優化

為了得到更合理的機架結構，對此結構進行了拓撲優化。將顎式破碎機機架（如圖6所示）設為不變區，其余部分設為拓撲區域[5-6]，將機架體積最小設為優化目標[7]，設最大應力小于53 MPa，基于此利用HyperMesh進行拓撲優化。得到的結果如圖7所示。

圖6　破碎機機架的拓撲模型

圖7　顎式破碎機機架有限元分析拓撲結果

如圖7所示，破碎機機架左右兩側和左側應力較小，為后續設計優化的主要區域，對企業顎式破碎機機架的設計有一定的幫助作用。

4　顎式破碎機機架再設計

（1）根據上面破碎機機架的拓撲優化結果，對破碎機的左右和前后機構進行再設計，運行三維建模軟件UG再次建模如圖8所示。

圖8　顎式破碎機機架二次設計

（2）有限元分析

經有限元分析后計算得破碎機機架二次設計的應力云圖，如圖9所示。可知，破碎機機架的應力大部分集中為53 MPa，遠小于許用應力；最大應力為2 419 MPa，發生在機架安裝固定位置，該位置為應力集中位置，可不考慮。破碎機機架的二次設計的變形云圖，如圖10所示，破碎機機架的最大變形為1.9 mm，發生在安裝軸承處，滿足剛度條件。

圖9　破碎機機架二次設計的受力云圖

圖10　破碎機機架的二次設計變形云圖

經再次設計后破碎機機架強度和剛度都能得到很好的滿足，重量由原來0.77 t變為0.70 t，重量減少了10%，起到了減重優化的結果。

5　結束語

（1）通過有限元分析可知再次設計后的顎式破碎機機架滿足強度和剛度要求，且重量有所減輕，起到了減重優化的結果。

（2）通過結構拓撲優化，得到顎式破碎機機架的拓撲模型，對后續企業破碎機的生產有一定的指導意義。

（3）在破碎機機架設計過程中，引入拓撲優化設計方法，能極大地提高顎式破碎機的精度和質量，保證材料的最大利用率，從而降低生產成本，并且提高產品的性能。

[1]任紅英，張岐生.顎式破碎機優化設計與實踐[J].萍鄉高等專科學校學報，2001，12（4）：28-32

[2]黃冬明.擠壓類破碎機工作機理和工作性能優化研究[D].上海：上海交通大學，2009

[3]盧利新.顎式破碎機的優化[J].天津冶金，2009，6（3）：21-23.

[4]S.Nikolove.Modelling and Simulation of Particle Breakage in Impact crushers[J].International Journal Mineral Process， 2004，（74）：219-225.

[5]A.Thomas.L.O.Filippoy.Fractals and Breakage Energy of Mineral Particles[J].International Journal Mineral Process，1999，（57）：285-301.

[6]王鈺棟，金磊，洪清泉.HyperMesh&HyperView應用技巧與高級實例[M].北京：機械工業出版社，2012：150-151.

[7]于開平，周傳月，譚惠豐.HyperMesh從入門到精通[M].北京：科學出版社，2005：250-251.

Finite Element Analysis and Topology Optimization of the Frame of Jaw Crusher

LIU Guang-hao1，LOU Yu-yin2，MO Wen-feng1
（1.Liuzhou Vocational&Technical College，Liuzhou Guangxi 545005，China；2.Lushan College of Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou Guangxi 545005，China）

Based on the large weight of the frame of the jaw crusher，the structure is not reasonable.Firstly，the finite element model of the jaw crusher frame was established by hypermesh，and then the finite element analysis was carried out according to the mechanical analysis of the jaw crusher.With a jaw type crushing machine frame of the minimum weight as the goal，jaw broken machine frame of the maximum stress as constraint conditions，the topology optimization design，draw the jaw crusher machine more reasonable model，on subsequent jaw type crushing machine weight optimization of the and of the production enterprises have certain guiding significance.

APDL；jaw crusher frame；topology optimization

TD451

A

1672-545X（2016）10-0018-03

2016-07-03

項目編號：桂教科研2011（14）201106LX753

劉光浩（1976-），男，湖南邵陽人，碩士，副教授，研究方向：可靠性優化設計；婁玉印（1983-），男，山東聊城人，碩士，助教，研究方向：可靠性優化設計。