礦用顎式破碎機肘板結構的改進分析

祁嵩林

（山西潞安集團潞寧煤業公司， 山西 忻州 036000）

1 顎式破碎機結構及肘板存在的問題

顎式破碎機主要由拉桿、拉簧、肘板、動顎板座、偏心軸、飛輪、料斗、定顎板等部分構成[1-3]。其中肘板是非常重要的構成部分。傳統形式的肘板為直線型，大量的實踐表明，直線型肘板不具備緩沖作用，在粉碎礦石的長時間工作中，如果遇到硬度比較大的礦石，肘板就會遭受很大的沖擊力，最終造成動顎板座發生斷裂問題[4-5]。而動顎板座的生產制造成本較高，再加上零部件破壞導致的生產線停機，這些都會給生產企業造成一定的損失?；诖耍浅Ｓ斜匾扇∮行У姆桨笇χ獍宓臋C構進行優化改進，使其具備一定的緩沖作用?？梢詫⒃瓉淼闹本€型結構改進成為“S”形結構，可有效防止由于較大沖擊力而造成的動顎板座斷裂問題。然而，在實踐中發展，對肘板結構進行改進后，動顎板座雖然不發生斷裂問題，但是“S”形肘板本身卻時常發生斷裂現象，斷裂圖如圖1 所示。這些問題嚴重制約煤礦生產企業的效益，需要對其進行優化改進，避免再次出現分裂問題。

2 肘板結構的建模分析

2.1 肘板模型的建立及網格劃分

基于實際使用的真實尺寸大小，利用PRO/E 三維造型軟件對肘板進行建模，并將所建模型導出為ANSYS 軟件能夠識別的格式，將三維模型導入到ANSYS 數值模擬分析軟件進行網格的劃分。由于肘板為“S”形結構，網格劃分過程中容易出現尖角、縫隙等問題，進而影響模擬仿真過程和結果。本文通過曲率的網格劃分方式對肘板模型進行網格劃分，確保網格劃分質量。

圖1 “S”形肘板斷裂圖

2.2 材料的選擇及參數輸入

肘板的生產制作材料通常為65Mn 鋼，該種材料的彈性模量和泊松比大小分別為2.06×1011Pa 和0.3，密度為7 850 kg/m2，屈服強度為690 MPa。在ANSYS 軟件中設置上述的主要材料屬性參數，以確保分析計算結果符合實際情況。此外，為了對肘板的疲勞壽命進行分析，還需要在軟件中輸入65Mn 鋼的S-N 曲線，S-N 曲線取自已有的試驗數據。

3 肘板結構靜力學和疲勞壽命結果分析

3.1 肘板應力和應變結果解讀

圖2 肘板結構的應力和應變云圖

圖2 所示為肘板的應力云圖和應變云圖。從圖中可以看出，肘板的最大應力為431.32 MPa，沒有超過材料的屈服強度，且整體上肘板的應力分布相對較為均勻。最大應變為0.002 169 6，可見肘板沒有出現過大的變形?；谏鲜鼋Y果可知，在單次載荷作用下，肘板的變形量和最大應力均在許可的范圍內，不至于對肘板產生較大傷害。進一步分析可知，導致肘板發生斷裂的原因為疲勞損傷，金屬材料在周期性載荷作用下出現的斷裂問題，最終導致肘板失效。

3.2 肘板結構疲勞壽命結果分析

在周期性循環加載過程中，平均加載力對結構件的壽命有直接影響。圖3 所示為肘板的疲勞壽命云圖，該圖顯示的是結構件不同位置達到疲勞失效準則時的循環次數，循環次數越低表示該區域的疲勞性能越差。從圖中可以看出，在“S”形肘板的凹槽位置疲勞壽命最差，為1.375 6×105，與設計使用壽命1.5×105相比較而言較低。因此，在肘板凹槽附近的位置容易發生疲勞斷裂問題。金屬材料的失效應力值和設計應力值之間的比稱之為安全系數，安全系數同樣是反映結構件安全性能的重要指標。本文所述顎式破碎機肘板的安全系數設計值為1.1，而模擬結果得到的最小安全系數卻只有0.976 42，略小于設計值，最小安全系數所在位置同樣在“S”形肘板的凹槽部位。基于數值模擬分析得到的結果與實際結果相吻合。

圖3 肘板的疲勞壽命云圖

4 肘板結構優化及其計算結果分析

4.1 肘板結構優化設計

鑒于原有肘板結構在使用過程中存在的容易斷裂的問題，筆者結合自身實踐經驗并查閱相關文獻資料，對原有肘板結構進行優化設計，優化改進后的肘板結構見圖4。主要改進之處在于將“S”形狀改造成凹字形狀，且將原來的一整塊板子改造成為一系列并排的圓柱。這種結構形式能夠在很大程度上提升肘板彈性，進一步發揮肘板的緩沖作用，降低瞬間較大沖擊力對肘板的影響，進而提升肘板結構的疲勞性能，避免在周期循環載荷作用下發生斷裂問題。

圖4 優化改進后的肘板結構

4.2 新肘板結構模型的建立

同樣利用PEO/E 三維造型軟件對優化改進后的肘板結構進行三維建模，并將建立好的三維模型導入ANSYS 軟件中進行建模。為了保證所得結果的對比性，網格劃分、材料選擇、初始條件和邊界條件均同上述模擬分析相同，所用材料同樣為65Mn 鋼。

4.3 新肘板結構計算結果分析

在網格類型、所用材料、邊界條件和初始條件均相同的情況下，分析得到了優化改進后的肘板靜力學分析結果和疲勞壽命分析結果。如圖5 所示為優化改進后的肘板結構應力和應變云圖，如圖6 所示為優化改進后的肘板疲勞壽命云圖。

圖5 優化改進后的肘板結構應力和應變云圖

圖6 優化改進后的肘板疲勞壽命云圖

由分析得到的肘板結構應力云圖和應變云圖結果可知，改進后的肘板其最大應力值為291.93 MPa，最大應變值為0.001 435 1，此兩個數值與優化改進前的肘板結構相比較而言均出現了很大程度的降低?？梢?，通過結構的改進，肘板的受力狀態出現了很好的改善。在疲勞壽命方面，優化改進后的肘板最小循環加載次數為2.631 6×105，超過了肘板的設計使用壽命。此外，最小安全系數值也得到了大幅度提升，超過了設計值1.1。表1 所示為肘板結構優化改進前后相關計算結果的對比分析。從表中數據可知，在等效應力、等效應變、疲勞壽命、安全系數等各個方面，優化改進后的肘板結構表現出很大的優勢，其中疲勞壽命的提升幅度最大，達到了91.32%。

表1 肘板結構優化改進前后相關數據對比

由此可知，針對肘板結構進行優化改進后其疲勞壽命和安全系數都能夠滿足設計要求值，完全能夠滿足實際使用需要。將本文所述的改進方案投入實際使用，實踐結果表明，應用效果良好，改進后的肘板結構其連續有效工作時間至少是原有結構的2倍以上，為煤礦企業創造了很好的經濟效益。

5 結論

對于礦用顎式破碎機肘板在使用過程中存在的斷裂問題，通過PRO/E 軟件進行三維建模，利用ANSYS 軟件進行靜力學分析和疲勞壽命分析。認為造成肘板發生斷裂的主要原因在于結構設計不合理，容易發生疲勞斷裂?；诖藢υ械摹癝”形結構進行優化改進，改造成凹字形狀且將原來的一整塊板子改造成為一系列并排的圓柱。與原有結構相比較而言，改進后的結構其靜力學性能和疲勞性能均得到了大幅度提升。實踐中發現新結構的使用壽命超過原結構的2 倍以上，本次優化設計方案值得進一步推廣使用。