圓錐破碎機耐磨型腔有限元分析與優化*

張建國

(山西汾西礦業集團正新煤焦有限責任公司和善煤礦，山西 沁源 046500)

0 引 言

破碎機作為煤炭破碎環節極其重要的設備，隨著煤炭行業的發展應用范圍越來越廣，圓錐破碎機因其破碎能力較強，已引起了煤炭相關行業的廣泛關注[1-3]。圓錐破碎機工作環境惡劣、服役條件復雜，其能否可靠工作不僅關系著破碎之后煤炭的塊度均勻性，還關系著煤炭的成本及企業經濟效益，必須引起高度重視[4]。型腔作為圓錐破碎機的關鍵部件，其工作過程中直接與煤炭發生摩擦，其磨損性能好壞與圓錐破碎機使用壽命息息相關，是相關研究人員重點研究的內容[5-6]。根據圓錐破碎機實際工況，以某型號圓錐破碎機耐磨型腔為研究對象，開展耐磨型腔的優化設計工作，達到提高其安全性的目的。

1 圓錐破碎機工作原理及問題

圓錐破碎機組成主要包括球面軸承、動錐、偏心軸套、調整環、機體及相關傳動部件，工作過程示意圖如圖1所示。動錐襯板鑲嵌于動錐體的表面，二者圍繞破碎機中心線偏心旋轉，動力來源于傳動錐齒輪。動錐襯板和定錐襯板相對運動時之間的距離規律性的靠近與遠離，當動錐和定錐靠近時，擠壓型腔內部的煤炭實現破碎，當動錐和定錐遠離時，破碎后的煤炭在重力作用下下落出料，同時實現未破碎煤炭的進料，以此循環往復運動，實現煤炭的破碎。

圖1 圓錐破碎機工作過程示意圖

圓錐破碎機苛刻的服役條件下依然存在問題，如動錐襯板在與煤炭接觸摩擦過程中的磨損速度較快，使用壽命較短、存在明顯的動錐襯板磨損程度不一致的情況，雖然破碎之后的煤炭粒度基本滿足要求，但是為了提高圓錐破碎機的使用安全性和可靠性，有必要進行進一步的優化提高。

2 圓錐破碎機耐磨型腔有限元分析

圓錐破碎機動錐襯板作為圓錐破碎機的關鍵耐磨部件，直接決定了圓錐破碎機的使用壽命，此處加以重點分析。

2.1 動錐襯板實體建模

運用SolidWorks三維建模軟件完成動錐襯板三維圖的繪制，并對其進行了必要的簡化處理，之后保存為.igs文件導入ANSYS仿真分析軟件，進行前處理。定義動錐襯板的材料屬性，材料類型為耐磨高錳鋼，其彈性模量為2.1×1011kg/m2，密度為7 980 kg/m3，泊松比為0.3。完成材料屬性設置之后進行網格的劃分，為了提高網格劃分的效率和質量，保證后續分析計算過程的收斂性，此處對動錐襯板網格劃分采用自由化分方法，完成網格劃分之后的仿真分析模型如圖2所示。

圖2 動錐襯板有限元模型

2.2 載荷施加

動錐襯板作為耐磨型腔關鍵組成，工作過程中其外表面是工作面，內表面鑲嵌于動錐體表面，伴隨動錐體的偏心運動而運動，動錐襯板施加約束時需要將動錐襯板下端設置為固定約束。為了更準確的反應動錐襯板實際的工作情況，滿足工作面破碎力的分布狀況，將動錐襯板工作面劃分為9份，結果如圖3所示。經計算得出工作面的載荷分布情況如圖4所示，從動錐的入料口往下工作面所受載荷大小逐漸增加，最大值為534.83kN，呈現明顯的梯度分布趨勢。基于上述模型及載荷分布計算結果，完成了動錐襯板載荷的施加。

圖3 動錐襯板等分圖

圖4 動錐襯板載荷變化

2.3 仿真分析及結果分析

完成動錐襯板有限元模型建立、載荷約束的施加等前處理工作之后，即可進入仿真分析環節。ANSYS仿真分析軟件中涉及很多仿真分析模塊，如靜態分析模塊、動態分析模塊、振動分析模塊、溫度場分析模塊等，此處仿真分析的主要目的是完成動錐襯板結構強度分析及受力的分布情況，因此，選擇靜態分析模塊即可滿足要求。啟動靜態分析模塊自帶求解器，對動錐襯板進行仿真分析計算，計算結果如圖5、圖6所示。

圖5 動錐襯板等效應力分布云圖

圖6 動錐襯板路徑應力變化圖

分析仿真計算結果之前介紹一下高錳鋼的力學特性，高錳鋼本身具有較高的耐磨性和沖擊韌性，其在破碎煤炭過程中因其具有很好的韌性，對于較高沖擊載荷具有很好的抵抗作用，并且高錳鋼在強烈沖擊和較大接觸應力作用之下表面會產生硬化效果，而心部依然保留很好的韌性，可見其具有很好的外硬內韌特點，耐磨和抗沖擊性能極佳。

動錐襯板等效應力分布云圖如圖5所示，應力集中位置出現在動錐襯板的上部，最大應力值為311MPa，高錳鋼的屈服極限值為3901MPa，二者相比，動錐襯板的最大工作應力遠遠小于高錳鋼材料的屈服極限，結構的強度滿足工程要求。由圖6可得動錐襯板由煤炭入料口至出口方向的路徑應力變化趨勢可以看出，應力變化起伏較大。

由動錐襯板仿真分析結果可得，動錐襯板工作過程中的強度能夠滿足工程實際要求，但是依然出現動錐襯板使用壽命不高，通常僅為設計壽命的75%左右。動錐襯板正常使用過程中的磨損問題一直是老生常談的問題，沿破碎腔高度方向應力起伏較大是磨損不均勻的主要原因之一，因此有必要依據動錐襯板均勻磨損理論，開展耐磨型腔的優化設計以降低動錐襯板的應力起伏。

3 耐磨型腔優化分析

3.1 耐磨型腔優化

MATLAB軟件在算法開發、數據可視化、數據分析、數值計算等方面具有應用較廣。由圓錐破碎機的技術參數可得煤炭進料口的尺寸為360 mm，排料口的尺寸為45 mm，破碎腔的高度為758 mm。破碎機耐磨型腔由動錐工作型面和定錐工作型面組成，基于已有破碎機耐磨型腔的技術參數，運用MATLAB軟件進行動錐工作面型線和定錐工作型面型線的優化設計。由于動錐工作面型線簡單，此處重點對定錐工作面型線進行了優化分析，優化結果如圖7所示，動錐工作面型線保持原狀，定錐工作面型線相較于原型線進行了優化。

圖7 優化耐磨型腔圖

3.2 優化結果分析

為了驗證破碎機耐磨型腔的優化結果，按照優化得到的型腔工作面型線進行載荷分布情況的計算，結果如圖8所示，與優化設計之前的計算載荷相比較，最大值得到了一定程度的降低，并且載荷分布較均勻，最大載荷降低近35%。之后在此對動錐襯板進行有限元仿真分析，計算得到的動錐襯板等效應力分布云圖如圖9所示，由圖9可以看出定錐工作面型線的優化降低了定錐工作面的最大應力，降低約16%。提取動錐路徑應力變化趨勢曲線，如圖10所示，相較于優化設計之前的應力變化趨勢，優化之后的動錐襯板的應力分布較均勻，由煤炭進料口至出料口的應力分布起伏得到了明顯的改善。綜合以上優化改進分析結果，通過優化耐磨型腔定錐工作面型線的方法大大降低了動錐襯板工作面應力分布的起伏幅度，對于改善動錐襯板應力分布不均，提高其磨損的均勻性，保證破碎機使用過程中的安全性和可靠性具有重要的意義。

圖8 動錐襯板等效應力分布云圖

圖9 動錐襯板載荷變化

圖10 動錐襯板路徑應力變化圖

4 結 語

破碎機作為煤炭破碎過程中的關鍵設備，對其工作的安全性和可靠性要求較高。以某型號圓錐破碎機耐磨型腔為研究對象，針對動錐襯板使用壽命低于設計值、磨損不均勻的問題，運用ANSYS有限元仿真分析方法，開展了動錐襯板強度分析。結果表明，動錐襯板最大應力遠遠小于高錳鋼的屈服極限，強度滿足工程要求，但是動錐沿耐磨型腔高度方向的應力分布起伏較大，會加劇動錐襯板的磨損不均勻性。之后開展了耐磨型腔的優化設計研究，通過優化定錐工作面型線使動錐襯板的應力起伏大大降低，對于改善動錐襯板的磨損不均勻性具有重要意義。