基于RecurDyn的顎式破碎機機構分析及優化

袁豪杰 穆森

摘 要：顎式破碎機機構尺寸參數設計的優劣是決定產品性能的關鍵。本文應用多體動力學軟件RecurDyn建立顎式破碎機的運動機構模型，將機構中各重要參數作為設計變量，以顎破排料口的行程比為目標參數進行優化設計。結果表明破碎機排料口的沖程比有明顯減小，極大的改善了破碎機的工作性能。

關鍵詞：RecurDyn;顎式破碎機;機構分析;優化設計

引言：

顎式破碎機由于結構簡單、工作可靠、容易制造、使用維護方便，因此被廣泛應用于冶金、建材、化工、煤炭、石材等行業原料的破碎。隨著破碎物料需求的不斷增加，對顎式破碎機的性能的要求也進一步提高，顎式破碎機的運動機構作為破碎機至關重要的構成部分，需要不斷地改進優化。

目前國產顎式破碎機的設計比較保守，效率、性能較國外先進產品還有一定差距，雖然國內廠家通過與高校合作等方式提高顎式破碎機的設計技術水平，但與國外廠家還有較大差距。本文采用多體動力學分析軟件RecurDyn建立顎式破碎機運動機構模型，以國產PE75106復擺顎式破碎機運動機構為例，進行優化分析，為改善國內顎式破碎機性能提供一種優化方法。

1 顎式破碎機運動機構建模及參數化

復擺顎式破碎機的工作裝置主要由偏心軸、動顎體、肘板、機架組成，是典型的曲柄搖桿機構。如圖1所示，曲柄AB對應偏心軸、連桿BC對應動顎體、搖桿CD對應肘板、AD對應機架，EF為排料口尺寸。

為了對顎式破碎機排料口處行程比進行優化分析，需將顎式破碎機的運動機構進行參數化。將曲柄AB對、連桿BC、搖桿CD、機架AD作為變量參數建立參數變量，以這些參數變量為基礎建立參數點，使用RecurDyn軟件自帶的“Link”功能繪制顎式破碎機運動機構模型，并添加4個轉動副，分別對應圖1中的A、B、C、D點，并在A點處的轉動副上添加驅動，偏心軸轉速為280r/min，如圖2所示。

國內某廠家的PE75106復擺顎式破碎機的運動機構的基本尺寸為：AB=19.5mm，BC=1703.5mm，CD=600mm，AD=1438.5mm。

2 顎式破碎機運動機構仿真分析

顎式破碎機動顎的運動特性是破碎機評價的重要尺度之一。由于破碎機中物料粒徑是從上到下逐漸減小的，粒徑越大所需壓縮量越大，而動顎的水平行程對應物料的壓縮量。垂直行程使物料承受搓磨，垂直行程越大，越易產生粉料，也越加劇襯板磨損。因此垂直行程與水平行程的比值，即排料口的行程比越小，能耗越低，物料的粉碎率也越低[1-2]。

顎式破碎機排料口處的行程比為關鍵參數，故在連桿（動顎）BC上建立一個排料口處的坐標點（Marker），對應于圖1中E點，為分析排料口E的行程變化，需建立E點最低點處的坐標。根據曲柄搖桿機構的特點可知下死點狀態為E點最低位置狀態，并以曲軸中心A點為原點建立坐標系，如圖3所示。

夾角α可根據三角函數關系獲得如下：

故圖3中E點的坐標值可根據三角函數關系獲得如下：

其中EH=622.6，CG=443，XAD=2，YAD=1827.5。

在模型的Ground中建立E點最低點（Marker）E'，通過兩點的差值可得排料口行程的變化曲線，通過RecurDyn軟件分析PE75106顎式破碎機的運動機構，其水平行程為Δx=17mm，豎直行程為Δy=60.6mm，如圖4所示。排料口行程比：

可見此PE75106顎式破碎機的行程比偏大，需要進行優化。

3 機構優化分析

為降低排料口行程比數值，需要對顎式破碎機的運動機構進行優化分析。RecurDyn軟件自帶Design Study和AutoDesign兩部分優化功能，其中前者適用于研究單個設計變量或多個設計變量的影響分析，后者是一個集DOE、元模型技術和數值優化技術為一體的有效自動化設計優化工具[3]。為對顎式破碎機進行更可靠的分析，采用AutoDesign模塊，進行DOE試驗分析。

3.1設計變量和目標參數

顎式破碎機運動機構各主要參數是指模型中曲柄搖桿機構各桿長和位置參數，故選用AB、BC、CD、XAD、YAD五個參數為設計變量。

因顎式破碎機排料口行程比是破碎機機構性能的重要指標，故選排料口處行程比m為目標參數。

3.2約束條件

考慮到原整機尺寸、機構合理性等要求，需要對設計的變量的取值范圍進行必要的限制，并且為保證原機型不發生較大變化，將各桿的長度變化限制在10%以內。

曲柄長AB對破碎機的工作性能影響較大。增大偏心距，可以提高機器的破碎性能，但功率也會劇增。在保證破碎能力的情況下，盡可能的減小偏心軸距的大小，減少功率消耗。因此AB的取值范圍為：16≤AB≤20

連桿長BC、搖桿長CD和機架DA會影響到破碎機性能，其取值范圍限制在10%以內，分別為：1625≤BC≤1785，570≤CD≤630，0≤XAD≤90，1370≤YAD≤1510。

通過分析取值范圍，各桿長滿足最長桿與最短桿長度之和小于或等于另外兩桿長度之和，并且曲柄為最短桿的條件（即滿足曲柄搖桿機構成立條件）。

3.3結果分析

將設計變量和目標參數添加到RecurDyn軟件的AutoDesign模塊中，并選擇7水平的Bose正交矩陣設計，通過仿真分析可得5個設計因素在當前設計區間內與目標參數的關系，如圖5所示，通過效果分析可知，5個設計變量與行程比無明顯增減關系。

通過優化分析可得設計變量最佳水平組合，并進行仿真分析，對比優化前后數據如表1所示。破碎機水平行程由17提升至18，同時行程比由3.56降低至2.98，優化后的破碎機襯板的磨耗會降低，且曲柄由19.8降至18可降低破碎機的功率，

4 結論

應用多體動力學分析軟件RecurDyn可實現顎式破碎機運動機構的參數化建模，并通過軟件自帶的優化分析工具實現運動機構的優化設計。通過對PE75106顎式破碎機運動機構的分析，可總結如下;

從優化結果上看，排料口行程比明顯降低，同時水平行程有一定提高，可以預期襯板的使用壽命會有一定提高。由于曲柄長度減小，破碎機消耗的功率有望降低。

采用這種方法可以實現對現有顎式破碎機運動機構改進，縮短顎式破碎機改進設計的時間，特別適用于針對結構改動較小的優化設計。

參考文獻：

[1]郎寶賢，郎世平.破碎機[M].北京：冶金工業出版社，2011.

[2]胡百鳴，郎寶賢，龔相超.PEF250×400顎式破碎機動顎軌跡優化[J].武漢科技大學學報，2011（34）5：339-341.

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