（机械设计及理论专业论文）复摆颚式破碎机有限元优化研究.pdf

两华大学硕士学位论文 复摆颚式破碎机有限元优化研究 机械设计及理论 研究生张珂指导老师杨昌明 复摆颚式破碎机是一种较常用的颚式破碎机，主要承担冶金、矿山、化工、 建材等行业以及交通运输建设中石块的破碎任务，在工程中应用十分广泛。但 是，目前基本都存在着结构尺寸偏大，破碎效率不高，磨损严重，振动突出等 问题，因此改进现有颚式破碎机的技术水平具有重要意义。 有限元分析作为机械设计与制造的一个发展趋势，它旨在分析机构零部件 的应力值，校核强度、刚度，在保证其安全系数的情况下，最大限度的对机构 做出优化，以提高机器的性能。复摆颚式破碎机有限元优化研究充分利用三维 建模软件s o l i d w o r k s 建立模型，并基于c o s m o s w 6 如与c o s m o s m o t i o n 仿 真平台，通过运动载荷的传递，进行了运动学及结构有限元的协同计算，优化 动颚的结构。 主要内容如下： ( 1 ) 在s o l i d w o r k s 平台上对颚式破碎机进行三维建模及运动仿真。通过 运动学分析，定量地描述了破碎机动颚的运动轨迹、水平和垂直行程以及特征 值等，得到了颚式破碎机的运动规律，确定了机器工作循环中的最大载荷情况 点。 ( 2 ) 基于c o s m o s m o t i o n 与c o s m o s w o r k s 仿真平台，通过运动载荷的 传递，进行运动学及结构有限元的协同计算。计算结果表明动颚应力大小随工 作位置改变而变化。提出了动颚在最大载荷工况点的结构应力分布规律，为指 导产品设计与改进提供了依据。 ( 3 ) 在c o s m o s w 6 如上以体积最小为目标，以应力条件和安全系数条 件为边界条件，对动颚进行结构优化。以减薄结构较厚重的部分，减轻机重， 两华大学硕士学位论文 以提高经济效益。 该研究对改善整机性能提供了理论依据。通过动颚( 运动件) 的结构尺寸 优化，对颚式破碎机节能降耗有较好的指导意义。 关键词：复摆颚式破碎机，仿真，有限元，优化 m o t i o ns i m u l a t i o na n ds t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o n b a s e do nf e mo fc o m p o u n dp e n d u l u m j a wc r u s h e r m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g n m ec a n d i d a t e ：z h a n g k es u p e r v i s o r ：y a n gc h a n g m i n g c o m p o u n dp e n d u l u mj a wc r u s h e r i sak i n do fc o m m o n l yc r u s h e r , i t s r e s p o n s i b i l i t y i sb r o k e nm i s s i o n so ft h em e t a l l u r g y , m i n i n g ，c h e m i c a l s ，b u i l d i n g m a t e r i a l si 1 1 d u s t r i e s ，a sw e l la sh i g h w a ya n dr a i l w a yc o n s t r u c t i o n ，t h i sk i n do f c r u s h e r i sc o i 姗o n l vu s e d i t so f t e nu s e dt ob r o k e nt h eh a r dr o c k ( o rm i n e r a l ) ，i t su s e di n w i d er a n g eo fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n s h o w e v e a i nm o r et h a n10 0y e a r s ，t h e r e s e a r c ha n dan e w l yd e v e l o p m e n ta l w a y sf o l l o w e d t h es a m ep r i n c i p l e ，a n dt r a d i t i o n a l j a wc r u s h e r ss i z ei ss ol a r g ea n dh e a v y ，i no r d e rt os h o r t e nt h eg a p a n dc a t c hu pw i t h w o r l d ，sa d v a n c e dl e v e l ，t h et a s kt od e v e l o pa n di m p r o v e t h et e c h n o l o g yo fc r u s h e ri sa p r i o r i t y f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si so n eo fad e v e l o p i n gt r e n di nm e c h a n i c a ld e s i g na n d m a n u f a c t u r i n gf i e l d ，i tw a su s e dt oa n a l y z et h es t r e s so fp a n s ，c h e c k e d t h ev a l u eo f t h es t r e n g t h ，s t i f f n e s s ，a n di nt h ep r e m i s eo fe n s u r i n gs a f e t y , t od oo p t u n l z et h e s 1 ：r u c t u r ei nt h eg r e a t e s te x t e n t i m p r o v et h ee c o n o m ya n dt h em a c h i n ee f f i c i e n c y t o f u l l yu s eo f3 - dm o d e l i n gs o f t w a r e s o l i d w o r k st o c r e a t ec o m p o u n dp e n d u l u mj a w c i - u s h e r b a s e do nc o s m o s m o t i o na n dc o s m o s w o r k ss i m u l a t i o np l a t f o r m ， c o o p e r a t i v ec a l c u l a t i o no f k i n e m a t i c sa n ds t r u c t u r a lf e m i sr e a l i z e dt h r o u g ht r a n s f e r o fm o v i n gl o a d s ，a n dt oo p t i m i z et h es t r u c t u r eo f t h ej a wc r u s h e r ( 11t h et h r e e d i m e n s i o n a lm o d e li sc r e a t e do n t h es o l i d w o r k sp l a t f o r ma n dt h e j a wc m s h e ri ss i m u l a t e do nc o s m o s m o t i o n ，t h r o u g ht h ek i n e m a t i c s a n a l y s i so f t h ej a wc r u s h e r , q u a n t i t a t i v ed e s c r i p t i o no ft h eb r o k e nj a wt r a j e c t o r i e so fm o b i l e ， h o i 电o n t a la n dv e r t i c a la sw e l la st h ec h a r a c t e r i s t i cv a l u e s ，d e t e r m i n e dt h em a c h i n e 两华大学硕士学位论文 c y c l ea tm a x i m u ml o a dc o n d i t i o n s ( 2 ) b a s e do nc o s m o s m o t i o na n dc o s m o s w o r k ss i m u l a t i o np l a t f o r m ， c o o p e r a t i v ec a l c u l a t i o no fk i n e m a t i c sa n ds t r u c t u r a lf e m ，t h er e s u l t ss h o wt h a t s t r e s so fm o b i l ej a wc h a n g e sw i t hw o r k i n gp o s i t i o n t h es t r e s sd i s t r i b u t i o np a u e m o fm o b i l ej a wa tt h em a x i m u ml o a di sp r e s e n t e d ，w h i c hc a nb eu s e da sg u i d et o i m p r o v ep r o d u c td e s i g n ( 3 ) o nc o s m o s w o r k st h es t r u c t u r a li so p t i m i z e d t oo p t i m i z et h ed i m e n s i o n o nm o b i l ej a ww h e r es t r e s si ss m a l la n dv a l u eo ft h es a f e t yf a c t o ri st o ol a r g e ，t o r e d u c et h i c kp a r to ft h es t r u c t u r ea n di t sw e i g h t ，w h i c hc a nb eu s e dt oi n c r e a s e e c o n o m i ce f f i c i e n c y t h er e s e a r c hc a nb eu s e dt oi m p r o v em a c h i n ep e r f o r m a n c ew h i c hp r o v i d e sa b a s i st oi m p r o v et h ep a r a m e t e r so fm o b i l ej a w , t h e r ei sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da b e t t e rg u i d et oi m p r o v et h ee n e r g y - s a v i n gj a wc r u s h e r k e yw o r d s ：j a wc r u s h e r ；m o t i o ns i m u l a t i o n ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ； o p t i m i z a t i o n 西华大学硕士学位论文 声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经 发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书期间在杨昌明教授指导下取得的， 论文成果归西华大学所有，特此声明。 作者签名：拐嗵 哆年口舌月日 导”，签名；松h r , 3 口7 年。占月日 西华大学硕+ 学位论文 西华大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅，西华大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书； 2 、不保密叼_ 适用本授权书。 ( 请在以上口内划) 学位论文作者签名：张 呵 日期：d 乡多 指导教师签名：枷厚叼 口i - - t 删j ：o z ，莎p 口 。 6 7 西华大学硕十学位论文 1 绪论 1 1 概述 1 1 1 颚式破碎机概述 破碎就是利用外力把大颗粒物料变成小颗粒物料的过程，破碎所使用的机 械设备称之为破碎机械。磨碎( 或粉碎) 是指利用外力将小颗粒物料变成粉体物 料的过程，简称粉磨，粉磨所使用的机械设备称之为粉磨机械。破碎和粉磨联 合起来简称破磨。物料破磨的目的是增加物料的比表面积，制备混凝土骨料与 人造砂，使矿石中有用成分解离，以及为原料下一步加工做准备等n 。 在冶金、矿山、化工、建材以及交通运输等行业中常常需要将坚硬的岩石( 或 矿石) 进行破碎，承担这一任务的机器就是破碎机 2 。破碎机种类繁多，颚式破 碎机是较常用的一种。颚式破碎机自1 8 5 8 年出现以来，一直被广泛地应用于岩 石的粗碎和中碎，经过长期发展，其破碎原理不断改进，结构已日臻完善。 在颚式破碎机中，岩石是被夹在两块颚板之间进行破碎的。可动颚板在原 动机的驱动下，绕悬挂心轴相对于固定颚板作周期性摆动，当可动颚板靠近固 定颚板时，位于破碎腔( 两颚板之间的空腔) 的岩石受到挤压、劈裂和弯曲作用 而破碎。当可动颚板离开固定颚板时，已破碎的岩石在重力作用下经排料口排 出。大于排料口宽度的岩石仍然留在破碎腔里，在下一工作循环中继续被破碎。 根据可动颚板运动轨迹的不同，颚式破碎机分为简单摆动颚式破碎机和复杂摆 动颚式破碎机( 如图1 1 ) 。 a ) 简单摆动式b ) 复杂摆动式 卜定颚2 心轴3 偏心轴4 动颚5 连杆6 推力板 f i g 1 1t h em a i nt y p e so fj a wc r u s h e r 图1 1 颚式破碎机的主要类型 两华大学硕十学位论文 所谓简单摆动是可动颚板的运动轨迹是一般简单的圆弧，复杂摆动是指可 动颚板在纵向断面内的运动轨迹处处不同，其上部近似为圆形，其下部为椭圆 形( 如图1 2 ) ，这样对岩石除产生挤压作用外，还有劈裂、弯曲作用副。 f i g 1 2t r a j e c t o r ya b o u tc o m p o u n dp e n d u l u mj a w c r u s h e r sm o b i l ej a w 图1 2 复摆颚式破碎机动颚各点轨迹 复杂摆动颚式破碎机工作时，偏心轴作逆时针旋转，因此，对所装入的物料 块有向下推并夹持的作用。在动颚的整个往返摆动过程中，项部的水平摆动约 为下部出料口的1 5 倍，而垂直摆幅则下部略大。就整个动颚而言，垂直摆动 幅值为水平摆动的2 3 倍。水平摆动幅度上大下小，有利于对上部的物料进行 破碎，并使整个破碎腔内的物料受到的破碎力比较均匀。垂直摆动幅度下大上 小，有利于整块动颚作复杂运动，因此，对物料块不但起到挤压、劈裂、弯折 作用，还能起碾搓作用，故可破碎一些稍微粘湿的物料 4 。 复杂摆动颚式破碎机，由于偏心轴的负载大，一般都制成中型或小型机， 目前也朝大型机的方向发展，在工程上适用于破碎中等硬度的石块，作为中碎 设备，破碎比较大，可达到1 0 。 复杂摆动颚式破碎机与简单摆动颚式破碎机相比，具有以下优缺点 5 ： 1 、优点： 1 ) 质量较轻、构杆较少、结构更紧凑； 2 ) 破碎腔内充满程度较好，所装物料块受到均匀破碎，加以动颚下端强制 性推出成品卸料，故生产率较高，比同规格的简单摆动式颚式破碎机的生产率 篱。 磊+一，彩产，。并 =0v，、l一 ，|、，一 驴嚣 西华大学硕十学位论文 高出2 嗍0 ： 3 ) 物料在动颚下部有较大的上下翻滚运动，容易呈立方体的形状卸出，减 少了像简单摆动颚式破碎机产品中那样的片状成分，产品质量较好。 2 、缺点： 动颚垂直摆动幅度较大，物料对颚板的磨削作用严重，颚板磨损加快，能 量消耗增大，物料的过度破碎加剧，产生的粉尘也较多。 1 1 2 破碎比 破碎机的破碎效果常用破碎比来衡量。破碎前物料料块直径与破碎后产品 粒度直径之比值，称为破碎比。还有用破碎机的最大进料粒度与排料口的大小之 比，定为破碎比，称为名义破碎比。破碎比是破碎机的主要参数之一 6 。 n 破碎比：扛, , l - j r l 1 3 x 。 1 1 3 破碎机的分类及工作原理 破碎机种类众多，通常有以下几种分类方法嘲： 1 、按破碎机粒度分类 1 ) 粗碎破碎机一般使1 5 0 0 - 5 0 0 m m 的物料破碎到3 5 0 - - - l o o m m ； 2 ) 中碎破碎机使3 5 0 - - - l o o m m 的物料破碎到1 4 0 、- , 4 0 m m ： 3 ) 细碎破碎机使1 0 0 - - 1 4 0 m m 的物料破碎到3 0 l o m m ； 2 、按破碎机结构和工作原理分类 1 ) 颚式破碎机具有结构简单、制造容易、工作可靠、维护方便等特点。 已问世百余年，被广泛地采用。名义破碎比i = 3 - - 9 。颚式破碎机又可分为复摆 颚式破碎机和单摆颚式破碎机。 2 ) 旋回破碎机适用于粗碎各种硬度的矿石和岩石。名义破碎比i = 4 - - - 7 。 进一步可分为两种：带有保险装置的旋回破碎机、采用液压调整装置和保 险的旋回式破碎机。 3 ) 圆锥破碎机就其工作原理和运动学而言，与旋回式破碎机相似，只是 几个主要部件在结构上有所不同，仅用于中碎、细碎各种硬度的物料。由于破 碎锥连续地进行破碎，故其生产率和单位机械重量的生产能力大，功率消耗也 较少，得到了工业部门的广泛采用。名义破碎比i - 3 1 1 。 西华大学硕十学位论文 按其破碎腔的形状可分为标准型( 用于中碎) 、中型( 用于中碎或细碎) 和短头 型( 用于细碎) 三种形式。按其调整排矿口和过负载时的保险方式，可分为弹簧 式和液压式圆锥破碎机两种类型，后者具有快速、准确地调整排矿口，容易排 除破碎腔堵塞矿石等事故，自动实现过负载保护和恢复正常工作状态，以及产 品粒度均匀等优点。 1 2 复摆颚式破碎机国内外发展现状与趋势 1 2 1 破碎理论的发展 物料破碎是一个历史悠久的话题。早在2 0 世纪5 0 年代艾利斯一查尔默斯 公司就开始大规模研究破碎工作，6 0 年代得出具有重大意义的结论。随着研究 的深入，人们熟知了高功率的破碎作业，可以用来改善能源效率和降低生产成 本。b h b e r g s t r o m 在研究单颗粒破碎时发现，在空气中一次破碎的碎片撞 击金属板时明显地产生二次破碎，一次破碎的碎片具有的动能占全部破碎能量 的4 5 。如能充分利用二次破碎能量，则可提高破碎效率。也有人指出，较小 的持续负荷比短时间的强大冲击更有希望破碎物料。我国胡景昆和徐小荷研究 颗粒的粉碎时得出结论，静压粉碎效率为1 0 0 ，单次冲击效率在3 5 - 4 0 左右。为了节约能量，提高粉碎效率，应多用静压粉碎，少用冲击粉碎。s c h o n e r t 研究表明，如果使大批脆性物料颗粒受到5 0 m p a 以上的压力，就能够由“料层 粉碎”节约出可观的能量。目前“料层粉碎的理论”已为粉碎界的公认，根据料层 粉碎理论研制的新设备有美国诺德伯格公司的旋盘圆锥破碎机、俄罗斯的惯性 圆锥破碎机等口 。 当前研究的主要方向是研制以多碎少磨原则为指导，基于料层粉碎原理的 新型破碎机。邓跃红、张智铁的研究认为破碎理论的研究应归结为3 个大的方 面：强度理论的研究、破碎效果的评价、破碎功耗的研究。 为优化颚式破碎机工作，马少健和陈炳辰利用实验室小型复摆颚式破碎机， 分别进行了单颗粒给料、窄粒级给料和混合粒级给料的破碎试验，研究结果表 明： 1 ) 影响颚式破碎机产物粒度特性的因素除物料自身硬度以外，还与给料粒 度大小、组成、排矿口尺寸以及破碎腔内物料的松散状态有关； 2 ) 在颚式破碎机破碎物料时，无论是料层破碎还是单颗粒破碎，都希望给 4 西华大学硕士学位论文 料粒度大，而产物粒度小。因此，生产中应根据给料粒度选择适宜规格的颚式 破碎机、调节排料矿口尺寸； 3 ) 料层破碎较单颗粒破碎更能降低破碎产物粒度。因此，生产中应尽量维 持破碎腔内适宜的料层，以减小破碎产物粒度。 另外随着工业自动化的发展，破碎机也向自动化方向迈进( 如国外产品已 实现机电液一体化，连续检测，自动调节给料速率、排矿口尺寸及破碎力等) 。 随着开采规模的扩大，破碎机也在向大型化发展，如粗碎旋回破碎机的处理能 力已达6 0 0 0 t h 。至于新原理和新方式的破碎( 如电、热破碎) 尚在研究试验 中，暂时还不能用于生产。对粗碎而言，目前还没有研制出更新的设备以取代 传统的颚式破碎机和旋回式破碎机，主要是利用现代技术，予以改进、完善和 提高耐磨性，达到节能、高效、长寿的目的。 1 2 2 颚式破碎机的发展 1 9 世纪4 0 年代，北美的采金热潮对颚式破碎机发展有很大的促进作用。 1 9 世纪中叶，研制出了多种类型的颚式破碎机，并获得了广泛的应用。上个世 纪末，全世界已有7 0 多种不同结构的颚式破碎机取得了专利权 8 。 1 8 5 8 年埃里布雷克( e 1 b l a k e ) 制造出了双肘板颚式破碎机( 图1 3 ) ， 并取得专利权。现在最常用的颚式破碎机是布雷克颚式破碎机和近代制造的单 肘板颚式破碎机( 图1 4 ) 。颚式破碎机最大的弱点之一是在一个工作循环内只 有一半时间进行工作。 f i g 1 3e 1 b l a k ej a wc r u s h e r 图1 3 布雷克颚式破碎机 5 西华大学硕+ 学位论文 f i g 1 4s i n g l ee l b o w j a wc r u s h e r 图1 4 单肘颚式破碎机 2 0 世纪8 0 年代以来，我国颚式破碎机的研制与改进取得了一定成果。如 我国破碎专家王宏勋教授和他的学生丁培洪硕士引用了“动态啮角”的概念，开 发g x p e 系列深腔颚式破碎机，当时在国内引起一定的轰动。该机该机采用负 支撑零悬挂，具有双曲面腔型。与同种规格破碎机相比，在相同工况条件下， 处理能力可提高2 0 一2 5 ，齿板寿命可提高1 2 倍。 随着当代社会经济的迅速发展，各种金属、非金属矿等物料的社会需求规 模日益扩大，需要破磨的物料量迅速增加。9 0 年代以来，全世界每年经磨破的 物料量达到1 0 0 亿吨以上。我国脆性物料年产量己达到约1 5 亿吨，这些物料绝 大部分都要经过破磨，可见破碎和粉磨工程在国民经济中发挥着巨大的作用。 但是在破碎过程中往往存在着很多缺点。首先，破碎过程没有选择性，如 果待破碎的物料是多相的，传统过程不能使他们的相完全解离，同时还会出现 物料过粉碎现象。这种过粉碎使有用成分减少，形成了破碎作业中的废品，给 加工工厂带来经济上的损失；其次，在破碎抗压强度极限达到2 0 0 m p a 矿石时， 将会具有很高的能耗，有时甚至根本不能破碎；第三，实现超细粉碎很困难， 往往要经过多段作业才能实现粉碎，另外所用的设备也很笨重，要占用很大的 面积及空间，并需要大而坚实的基础支承；第四，在破磨过程中，电耗、钢耗 等能源消耗非常巨大，以有色选矿厂为例，破、磨每吨原矿的电耗平均为 1 6 k w h ，占选矿厂总耗电4 0 左右旧o 。 为了避免上述破碎存在的缺陷，颚式破碎机长期来得到了不断的改进和创 新口0 1 1 1 ：优化结构n 2 - - 1 5 与运动轨迹：改进破碎腔型e 1 6 ，以增大破碎比，提高 6 西华大学硕士学位论文 破碎效率，减少磨损，降低能耗，现已普遍应用高深破碎腔和较小啮角；改进 动颚悬挂方式和衬板的支承方式，改善破碎机性能；颚板采用新的耐磨材料， 降低磨损消耗；提高自动化水平( 可自动调节、过载保护、自动润滑等) 。 同时也出现了一些新的机型7 1 ：如双腔双动颚式破碎机，该破碎机偏心轴 带动两个颚板工作，其空行程几乎降为零，充分发挥了机构工作效率，减小了 能耗，因此其破碎比可达2 0 5 0 ，排料口调节方便，产量大；双腔回转破碎机， 兼有颚式破碎机与圆锥破碎机的性能，其产量较同规格的颚式破碎机高5 0 。 北京矿冶研究院总院研制的p e w a 9 0 1 2 0 新型外动颚低矮破碎机，与传统 颚式破碎机相比，它的动颚与静颚位置正好相反，动颚的往返运动为破碎机提 供了可靠的进料保障，并促进排料，所以其生产能力比传统颚式破碎机提高2 0 以上，节能1 5 3 0 ，系统节能1 倍以上，喂料高度比传统机型低2 5 一3 0 ， 节省安装空间，而且可获得传统颚式破碎机不能获得的理想动颚运动特性；还有 筛分颚式破碎机，把筛分和破碎结合为一体，不仅可简化工艺流程，且能及时 将己达粒度要求的物料从破碎腔中排出，减轻了破碎机的堵塞和过粉碎，提高 了生产能力，降低了能耗。多灵一沃森机械设备有限公司的戎吉华高级工程师 集多年实践经验，设计了目前国内最大的1 2 0 0 x 1 5 0 0 复摆颚式破碎机u 引q 2 0 i 。 1 2 3 发展趋势 1 0 0 多年来围绕着提高其产量、降低能耗、延长寿命、优化性能等方面， 国内外进行了深入的研究，获得了许多卓有成效的成果。但是，所有的研究和 新开发的颚式破碎机都沿用着同一原理。由于其结构的局限，传统颚式破碎机 存在着结构尺寸大，动颚不能获得理想的运动轨迹，偏心距大等致命缺点，致 使设计出来的颚式破碎机，设备高度大，难以适应空间受限制的场合；衬板磨 损严重、。寿命低；设备运动平稳性差。由于物料受堵塞和过粉碎的制约，传统 的颚式破碎机一直难以在增加破碎比、提高偏心轴转速、增加生产能力等方面 有重大突破。 目前，国内颚式破碎机类型很多，但得到广泛使用的还是传统复摆颚式破 碎机。各制造厂的产品技术水平相差悬殊，有数厂家的产品已接近世界先进水 平，大多数厂家的产品差距很大。为缩短差距和赶上世界先进水平，发展和提 高现有颚式破碎机技术水平是当务之急。 两华大学硕十学位论文 我国自5 0 年代生产颚式破碎机以来，研制生产的颚式破碎机越来越大、性 能越来越好、品种越来越多，并在国际上占有一定市场。我国曾以原苏联颚式 破碎机标准为依据，对颚式破碎机的设计、制造和使用制订了标准。国内各厂 家所制造的颚式破碎机技术水平相差很悬殊，因此全面总结我国颚式破碎机在 设计、使用和测试等方面的经验，积累适合我国破碎机结构特点的实验资料和 数据，采用现代先进的破碎机设计与研究方法并使之推广普及，是提高我国破 碎机技术性能，赶超国际先进水平的关键所在。 目前破碎理论、工艺和设备的研究主要着重于：( 1 ) 研究在破碎中节能、 高效的理论，也力求找出新理论突破人们已熟知的破碎三大理论；( 2 ) 研究新 的非机械力的高能或多力场联合作用的破碎设备，目前还没见有工业化的设备， 只是研究阶段；( 3 ) 改进现有设备，这方面经常是根据用户自己需要来进行， 而不见市场上大规模生产或研制新设备瞳引。 1 3 研究的主要内容与意义 1 3 1 本文研究的主要内容 主要在s o l i d w o r k s 平台上建立了颚式破碎机的三位模型，继而建立破碎机 四连杆机构，分析颚式破碎机的工作原理，同时在装配模型中对其组成的零部 件进行干涉分析和模型的初步修改。 利用c o s m o s m o t i o n 仿真功能对颚式破碎机进行运动学仿真，并对其主 要的运动状态、轨迹以及形成比等作出分析。在c o s m o s w b r k s 上进行动力学 分析，对其动颚部分做有限元的分析。在有限元分析基础上确定的结构尺寸做 优化处理，使破碎机达到节能的效果。 1 3 2 意义 本文通过对颚式破碎机进行三维建模、运动仿真及有限元的分析优化等， 检验了破碎机仿真结果与理论事实计算结果是否相符合，同时为改善机器和零 件的结构参数提供理论依据。 两华大学硕士学位论文 2 复摆颚式破碎机的三维建模 2 1c a d 建模系统综述 2 1 1c a d 概述 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 是工程技术人员以 计算机系统为工具，综合应用多学科专业知识进行产品设计、分析和优化等过 程问题求解的先进数字信息处理技术 2 3 1 。 c a d 是一个包括范围很广的概念，概括来说，c a d 的设计对象有两大类， 一类是机械、电气、电子、轻工和纺织产品：另一类是工程设计产品，即工程 建筑，国外简称a e c ( a r c h i t e c t u r e 、e n g i n e e r i n g 和c o n s t r u c t i o n ) 。 c a d c a m ( 计算机辅助设计及制造) 技术产生于本世纪5 0 年代后期发达 国家的航空和军事工业中，随着计算机软硬件技术和计算机图形学技术的发展 而迅速成长起来。二十几年来c a d 技术和系统有了飞速的发展，c a d c a m 的 应用迅速普及。在工业发达国家，c a d c 剐技术的应用已迅速从军事工业向 民用工业扩展，由大型企业向中小企业推广，由高技术领域的应用向日用家电、 轻工产品的设计和制造中普及眩4 1 。 c a d 在机械制造行业的应用最早，也最为广泛。采用c a d 技术进行产品 设计不但可以使设计人员甩掉图板，更新传统的设计思想，实现设计自动化， 降低产品的成本，提高企业及其产品在市场上的竞争能力：还可以使企业由原 来的串行式作业转变为并行作业，建立一种全新的设计和生产技术管理体制， 缩短产品的开发周期，提高劳动生产率。如今世界各大航空、航天及汽车等制 造业巨头不但广泛采用c a d c a m 技术进行产品设计，而且投入大量的人力物 力及资金进行c a d c a m 软件的开发，以保持自己技术上的领先地位和国际市 场上的优势。 。 ，c a d 技术是一项综合性的，集计算机图形学、数据库、网络通讯等计算机 及其它领域知识于一体的高新技术：是先进制造技术的重要组成部分；也是提 高设计水平、缩短产品开发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。c a d 技 术的特点是涉及面广而复杂、技术变化快、竞争激烈，而且投资大、风险高、 产出高。现代有名的c a d c a m 软件都是规模巨大、功能众多、系统复杂，所 以投资大、开发周期长，难以及时跟上硬件平台和开发环境的迅速发展，以及 广大用户需求的变化和不断增长的要求。 9 西华大学硕十学位论文 2 1 2 二维转向三维 在c a d 技术发展的初期，c a d 仅限于计算机辅助绘图，随着计算机软、 硬件技术的飞速发展，c a d 技术才从二维平面绘图发展到三维产品建模，随之 也就产生了三维线框造型、曲面造型以及实体造型技术。目前，计算机建模系 统的发展进程，已经走过了以二维c a d 为主的绘图阶段，进入了以三维模型 的创建为主的实体建模阶段。现在，许多发达的工业化国家已经步入了三维建 模的普及时代。参数化及变量化设计思想和特征造型则代表了当今c a d 技术 的发展方向心。 传统的c a d 绘图软件都是用固定的尺寸值定义几何元素，要进行图面修 改只有删除原有的线条后重画，而新产品的图样设计不可避免的要进行多次的 修改，进行零件形状和尺寸的综合协调、优化，而且大多数设计工作都是在原 有设计基础上的改进。新的c a d 系统增加了参数化和变量化设计模块，使得 产品的设计图可以随着某些结构尺寸的修改和使用环境的变化而自动修改，这 可以减少大量的重复劳动，减轻设计工作量。 目前，c a d 技术有新的变化，由二维转向三维、二维与三维的融合。三维 c a d 系统的核心是产品的三维模型，它所表达的几何体信息越来越完整和准 确，能解决设计范围越来越广泛。产品的三维模型可以直接通过投影生成二维 工程图。 三维c a d 系统中的工程图设计与一般二维设计系统不完全相同，三维 c a d 系统中的工程图设计可以直接由三维模型投影而成，从而保证各个视图的 正确性，使用者只需要对视图中个别线条进行调整，并标注工程符号，即可满 足工程图纸的要求。1 9 7 3 年，在布达佩斯召开的国际会议上，两个研究小组分 别提出了将三维立体图形存入计算机的方法。布达佩斯会议后，关于实体模型 建模系统的研究取得了飞速发展，目前，三维c a d 已经达到了实用化程度， 三维建模技术的应用在发达的工业化国家已经发展到了普及阶段。 目前c a d 已经进入参数化设计阶段。参数化设计一般是指设计对象的结 构形状比较定型，可以用一组参数来约定尺寸关系，参数的求解较简单，参数 与设计对象的控制尺寸有显式对应关系，设计结果的修改受尺寸驱动。生产中 最常用的系列化标准件就是属于这一类型乜6 1 。 1 0 两华大学硕士学位论文 2 2s o l i d w o r k s 三维建模系统综述 s o l i d w o r k s 是美国s o l i d w o r k s 公司推出的世界上第一套基于w i n d o w s 平台 的三维机械设计软件。由于该软件功能强大，简单易用，且性价比高，因此成为中 端三维c a d 软件的佼佼者2 。s o l i d w o r k s 不仅能够进行自底向上的装配体设 计，还提供功能强大的自顶向下的设计功能2 引。目前，该软件在我国拥有众多用 产o 2 3 复摆颚式破碎机的结构及工作原理 2 3 1 复摆颚式破碎机的结构组成 复摆颚式破碎机机主要是由机架、动颚、偏心轴、齿板、肘板、肘座、轴 承及拉杆和拉杆弹簧组成的。其工作部分是两块颚板，一是固定颚板( 定颚) ， 垂直( 或上端略外倾) 固定在机体前壁上，另一是活动颚板( 动颚) ，位置倾斜， 与固定颚板形成上大下小的破碎腔( 工作腔) 。活动颚板对着固定颚板做周期性 的往复运动，时而分开，时而靠近。分开时，物料进入破碎腔，成品从下部卸 出；靠近时，使装在两块颚板之间的物料受到挤压，弯折和劈裂作用而破碎 2 引。 复摆颚式破碎机的结构图如图3 1 ： 颚式破碎机的主要部件： 1 、机架 机架是上下开口的四壁刚性框架，用作支撑偏心轴并承受破碎物料的反作 用力，要求有足够的强度和刚度，一般用铸钢整体铸造，小型机也可用优质铸 铁代替铸钢口0 1 。大型机的机架需分段铸成，再用螺栓牢固链接成整体，铸造工 艺复杂。自制小型颚式破碎机的机架也可用厚钢板焊接而成，但刚度较差。 2 、颚式破碎机的颚板和侧护板 定颚和动颚都由颚床和颚板组成，颚板是工作不分，用螺栓和楔铁固定在 颚床上。定颚的颚床就是机架前壁，动颚颚床悬挂在轴上，要有足够的强度和 刚度，以承受破碎反力，因而大多是铸钢或铸铁件。 西华大学硕士学位论文 7 8 ， 1 动颚2 静颚3 机架4 偏心轴5 带轮6 静颚齿板 7 动颚板8 肘板9 肘座1 0 拉杆1 1 顶锥螺杆 f i g 2 1t r a d i t i o n a lm o b i l ej a wo fc o m p o u n dp e n d u l u mj a wc r u s h e r 图2 1 动颚传统复摆颚式破碎机 3 、颚式破碎机的传动件 偏心轴是破碎机的主轴，受有巨大的弯扭力，采用高碳钢制造。偏心部分 须精加工、热处理、轴承衬瓦用巴氏合金浇注。偏心轴一端装带轮，另一端装 飞轮。 4 、颚式破碎机的调节装置 调节装置有楔块式，垫板式和液压式等，一般采用楔块式，由前后两块楔 块组成，前楔块可前后移动，顶住后推板；后楔块为调节楔，可上下移动，两 楔块的斜面倒向贴合，由螺杆使后楔块上下移动而调节出料口大小。小型颚式 破碎机的出料口调节是利用增减后推力板支座与机架之间的垫片多少来实现。 5 、颚式破碎机的飞轮 颚式破碎机的飞轮用以存储动颚空行程时的能量，再用于工作行程，使机 械的工作负荷趋于均匀，带轮也起着飞轮的作用。飞轮常以铸铁或铸钢制造， 小型机的飞轮常制成整体式。同时飞轮制造、安装时要注意静平衡问题。 6 、颚式破碎机的润滑装置 偏心轴轴承通常采用集中循环润滑。心轴和推力板的支撑面一般采用润滑 脂通过手动油枪给油。动颚的摆角很小，使心轴与轴瓦之间润滑困难，常在轴 瓦底部开若干轴向油沟，中间开一环向油槽使之连通，再用油泵强制注入润滑 脂进行润滑。 1 2 西华大学硕十学位论文 2 3 2 复摆颚式破碎机的工作原理 复摆颚式破碎机工作原理图如图2 2 所示：动颚上端直接悬挂在偏心轴上， 作为曲柄连杆机构的连杆，由偏心轴的偏心直接驱动，动颚的下端铰连着推力 板支撑到机架的后壁上。当偏心轴旋转时，动颚上各点的运动轨迹是由悬挂点 的圆周线( 半径等于偏心距) ，逐渐向下变成椭圆形，越向下部，椭圆形越偏， 直到下部与推力板连接点轨迹为圆弧线。由于这种机械中动颚上各点的运动轨 迹比较复杂，故称为复杂摆动式颚式破碎机 3 1 j 。 与简摆式相比较，其优点是：质量较轻，构件较少，结构更紧凑，破碎腔 内充满程度较好，所装物料块受到均匀破碎，加以动颚下端强制性推出成品卸 料，故生产率较高，比同规格的简摆颚式破碎机的生产率高出2 0 3 0 ：物料 块在动颚下部有较大的上下翻滚运动，容易呈立方体的形状卸出，减少了像简 摆式产品中那样的片状成分，产品质量较好。 1 定颚2 偏心轴3 动颚4 肘板5 破碎腔 f i g 2 2w o r k i n gp r i n c i p l eo fc o m p o u n dp e n d u l u mj a wc r u s h e r 图2 2 颚式破碎机工作原理图 2 4 复摆颚式破碎机主要零部件三维建模 三维建模是颚式破碎机进行有限元分析与优化设计的基础性工作，各零部 件模型的正确与否直接关系到后续工作的成败。模型的正确是指模型的建模无 误，以及创建的破碎机零件和三维装配体进行干涉分析无误。本文以 p e f 2 5 0 x 4 0 0 复摆颚式破碎机为样机，创建三维模型。 西华大学硕十学位论文 2 41 机架的三维建模 破碎机机架( 如图2 3 ) 的设计关系到整个破碎机零部件的安装，在工作中 承受很大的冲击载荷，而且制造加工的工作量也很大。对于p e f 2 5 0 x 4 0 0 复摆 颚式破碎机，宜使用整体铸造机架铸造材料采用z g 3 5 圳 f i g23m o d e lo f f r a m e w o r k 图2 3 机架的三维模型 2 42 动颚的三维建模 动颚内孔两端装有双列球面滚子轴承，其内座圈与偏心轴颈向配合。偏心 轴颈外侧是装主轴承部分，而主轴承外圈与机架上镗孔配合，并用螺栓固定在 机架上。动颚衬板固定方式，在动颚头顶上固定。这样拆装衬板方便，可随时 固定衬板，并且调整动颚质量中心位置，使之向回转中心靠近，从而使机器运 转平稳。“】。 露 f i g24 m o d e lo f m o b i l e j a w 图2 4 动颚的三维模型 西华大学颀十学位论文 2 43 偏。轴的三维建模 偏心轴( 如图2 5 ) 是带动动颚作上下摆动的主要零件，它承受相当大的弯 曲力和扭力，一般小型破碎机都采用4 5 钢并进行调质处理- = “一。为了减少应力 集中对偏心轴强度的影响，设计时应力求加大过度圆角半径。国内中小型破碎 机多采用调心滚子轴承，偏心轴常采用4 5 钢制造。 边迈迹 f i g25m o d e lo f e c c e n t r i cs h a f 【 固2 5 偏心轴的三维模型 2 44 其它零件的三雏建模 其它零件的模型根据整体尺寸以及结构特征创建，建模过程不再一一赘述。 只列举了飞轮、皮带轮、动颚板、动颚轴承的模型。 f i g 26m o d e lo f f l y w h e e lf i g2 7m o d e lo f p u l l e y 图2 6 飞轮三维模型匿27 带轮三维模型 f i g28 m o d e lo f m o b i l ej a w b o a r df i g29 m o d e lo f e l b o w b o a r d n 28 动颚板三维模型匡2 9 肘板三维横型 西华大学硕十学位论文 2 4 5 整机三雏模型的创建及干涉分析 使用s o l i d w o r k s 对复摆颚式破碎机进行三维建模，由各装配体及其它相关 零件组装成整机模型。在整机模型中，对各组成装配零部件之间进行十涉分析， 最后在没有任何干涉的条件下，得到p e 2 5 0 4 0 0 复摆颚式破碎机的整机模型， 如图2 1 0 所示。 f i g21 0m o d e lo f m a c h i n e 图2 1 0 整机模型 25 本章小结 本章节建立了复摆颚式破碎机的三维模型，并且在装配环境中对装配体进 行了干涉分析，检查零件的干涉现象，经检查，没有干涉现象，建模正确，可 在此基础上进一步的进行分析计算。 西华大学硕+ 学位论文 3 复摆颚式破碎机的运动学仿真分析 复摆颚式破碎机的运动学分析就是求解出各个构件的位移、速度、加速度， 特别是动颚上给定点的位移、速度和加速度