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辽宁科技大学硕士论文摘要 新型圆锥破碎机的研究 摘要 新型圆锥破碎机是鞍钢集团矿山公司在消化吸收美国诺德伯格公司 制造的h p 圆锥破碎机的基础，卜研发的较为先进的选矿厂用于细碎作业的 破碎设备。本文应矿山公司选矿厂要求，以新型圆锥破碎机为研究对象， 对该新型圆锥破碎机进行了虚拟装配、机构运动学仿真、有限元分析以及 振动测试等研究工作。 基于p r o e 的圆锥破碎机的虚拟装配是在h p 圆锥破碎机的测绘尺寸 基础上进行。其主要工作有：零部件的三维造型、零件的虚拟制造与装配、 装配模型的干涉分析等。 在虚拟装配的基础上进行机构运动仿真。并对运动参数进行测定和计 算，通过结果对比证明了设计方法是正确的。 应用a n s y g 软件对破碎机的零件进行了强度计算，计算结果表明各零 件的刚度和强度均满足要求。同时得到了相应零件的变形图和应力图。通 过模态分析求出偏心轴套和小锥齿轮的固有频率和振型，其转速都远小于 其临界转速，可知偏心轴套和小锥齿轮的振动对设备的运转影响很小。 通过振动测试对圆锥破碲机的运行状态进行评估。测试结果表明：设 备的振动烈度在允许范围内，该破碎机的运行处于证常运行状态。 本文的研究为新型圆锥破碎机结构设计提供了先进的设计方法，为新 型圆锥破碎机性能与结构的优化提供了科学的理论依据。对实现新型圆锥 破碎机的产业化具有一定的应用价值。 关键词：虚拟装配，运动仿真，有限元分析，测试 辽宁科技大学硕士论文 r e s e a r c ho f an e w t y p ec o n ec r u s h e r a b s t r a c t t h en e w t y p ec o n ec m s h e r ，w h i c he x c e l l e n tm i n i n gm a c h i n eu s e di nt h i nc r u s h i n g i no r e d r e s s i n gf a c t o r y , i sd e v e l o p e db yt h em i n i n gi n co fa n s h a ni r o na n ds t e e lg r o u p c o r p o r a t i o no nt h eb a s i so fd i g e s t i o no fh ps e r i e sc o n ec r u s h e ri n t r o d u c e df r o m n o r d b e r gc o m p a n yo fa m e r i c a t h ep a p e rp r e s e n t sv i r t u a la s s e m b l y , k i n e m a t i c s s i m u l a t i o n ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sa n dv i b r a t i o nm e a s u r e m e n ta n a l y s i so fn e wt y p e c o n ec r u s h e ra tt h er e q u e s to f t h em i n i n gi n c v i r t u a la s s e m b l yi np r o ei n c l u d e sc r e a t i n g3 - d e m e n s i o nm o d e lo f p a r t s ，v i r t u a l m a n u f a c t u r i n ga n da s s e m b l i n go fp a r t sb a s e do ns u r v e yd i m e n s i o n sa n di n t e r f e r e n c e a n a l y s i sa n dt h ec h e c ko f q u a l i t ya t t r i b u t e so f a s s e m b l ym o d e l s k i n e m a t i c ss i m u l a t i o nb a s e do nv i r t u a la s s e m b l ya n dm e a s u r e m e n to fs o m e k i n e m a t i c a lp a r a m e t e r sc o m p a r e dw i t ht h o s eo fk i n e m a t i c a la n a l y s i sa r et ov e r i f yt h e v a l i d i t yo f d e s i g nm e t h o d f i n i t ee l e m e ma n a l y s i si sa na p p l i c a t i o no fa n s y ss o f t w a r ef o rt h ea n a l y s i so f f i n i t ee l e m e n ts t r e n g t ho fp a r t s ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t ha r e e n o u g h ，w h i l ed e f o r m a t i o np i c t u r ea n ds t r e s sp i c t u r ea r ea t t a i n e d ，a n dt h e nt h em o d a l a n a l y s i st og e tt h en a t u r a lf r e q u e n c ya n dm o d e ls h a p e ，a n dt h er e s u l t st e l lt h ev i b r a t i o n s o f p a r t sa n a l y z e da f f e c tt h e i rr o t a t i o nl i t t l e v i b r a t i o nm e a s u r e m e n ti sm a d et oa s s e s s i n gt h ep r e s e n tw o r k i n gs i t u a t i o no ft h e c o n ec r u s h e ra n dt h er e s u l t so fm e a s u r e m e mi n d i c a t et h a tt h ew o r k i n gs i t u a t i o no ft h e e q m p m e n ti sn o r m a l t h ep a p e rp r e s e n t sa d v a n c e dm e t h o df o rs t r u c t u r ed e s i g no fn e w s t y l ec o n ec r u s h e r a n ds o m ev a l u a b l ec o n c l u s i o n sf o ri n d u s t r i a l i z a t i o no ft h en e w t y p ec o n ec r u s h e ra r e s u m m a r i z e d k e yw o r d s ：v i r t u a la s s e m b l y , k i n e m a t i c ss i m u l a t i o n ，f i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s ，m e a s u r e m e n t l i 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 第一章绪论 党的十六大提出要“提高企业的竞争力”，而将国外先进的制造工艺、 制造技术和装备进行“国产化”是提高“国企”竞争力的重要工作。 由于历史原因，我国矿山系统使用的大部分破碎设备，尤其圆锥破碎 机，仍然远远落后于西方发达资本主义国家，其部件陈旧老化，维修率高， 生产效率低，自动化程度差，已经不能满足现有的生产要求，必须对设备 加以更新、改造。在此种情况下，鞍钢集团矿山公司调军台选矿厂于二十 世纪九十年代末首次引进美国诺德伯格公司( 今美国美卓公司) 制造的 h p 8 0 0 圆锥破碎机，用于选矿厂破碎系统的细碎作业，同时矿山公司就组 织力量丌始对其进行“国产化”研究，并经过几年的努力研制出了两台 h p 圆锥破碎机的国产化产品，到目前为止已正常运转近三年时间。这无 疑对我国矿山机械，甚至整个破碎行业具有非常重大的现实意义。 为了实现“国产化”圆锥破碎机的产业化，使得研究成果转化为更人 的生产力，应鞍钢集团矿业公司调军台选矿厂要求，我们对新型“国产化” 圆锥破碎机继续进行研究。主要工作是：以新型圆锥破碎机为研究对象， 对该破碎机进行虚拟装配、运动学仿真、有限元分析以及振动测试等研究， 并给出新的设计方法。 1 2 课题研究的意义 本课题属于进口设备国产化研究范畴，目的在于对国产化设备及其中 包含的核心技术进行研究以实现产业化。这种研究既具有现实意义，又具 有战略意义。 首先，国产化的设备在鞍钢矿山公司选矿厂已投入生产近三年，从设 备操作者和负责设备维护的技术人员反馈来的信息看，设备在生产中能够 发挥一定作用，但在某些方面还达不到预期要求，因此，对设备进行进一 步研究，可以使设备在结构、性能方面得到完善。 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 其次，如果设备实现了产业化会给我国矿山等行业带来巨大的经济利 益，并可以为国家节约大量外汇，甚至出口创汇。为了提高磨机生产能力， 降低磨矿的能耗，鞍钢集团矿业公司选矿厂引进了h p 圆锥破碎机。随后， 我国又引进近10 0 台h p 系列圆锥破碎机用于铁矿、有色金属矿、电站以 及民用大型石料场的破碎作业。h p 系列圆锥破碎机性能优越但价格昂贵， 如一台h p 3 0 0 圆锥破磷机就需要大约3 5 万美元，h p 5 0 0 圆锥破碎机需要大 约6 5 万美元，h p 8 0 0 圆锥破碎机需要近百万美元，耗费了国家大量外汇。 为此，迫切需要工程技术人员对h p 圆锥破碎机研究、消化和吸收，尽快 实现产业化。这样不仅可以提高相关行业的生产效率，为企业带来经济效 益，为国家节省外汇，还可以赚得外汇，不断壮大国内破碎机行业的技术 和经济实力。 最后，如果设备实现了产业化就会大幅度提高我国矿山设备的生产制 造水平。该设备在设计理念上具有当今国际先进水平。因此必定会使得我 国自主生产的产品在性能和技术水平上接近国际同类产品的水平，甚至达 到和超过国际水平。 1 3 破碎机概述 1 3 1 破碎机的分类 ( 1 ) 破碎机按给矿块度和产品粒度的大小分为：粗碎破碎机、中碎 破碎机和细碎破碎机，其破给矿块度及产品粒度大致如下： 表1 ，】破碎机机给矿块度及产鼎粒度 t a b l e1 1 t h ef r a g m e n t s i z eo f m i n e r a l a n dp a r t i c l es i z eo fp r o d u c to fc r u s h e r ( 2 ) 破碎机按工作原理和结构特征分为五种类型，这五种类型分别 为颚式破碎机、旋回式破碎机、圆锥破碎机、辊式破碎机和冲击式破碎机。 颚式破碎机在选矿业主要用于对坚硬和中硬矿石进行粗碎和中碎，在 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 其它行业有时也可做细碎用。其工作部分有动颚和定颚组成，动颚可周期 性摆动。当动颚靠近定颚时，借压碎、劈裂和弯曲作用将装于其间的矿石 破碎。当动颚离开定颚时，矿石在重力作用下由排矿口排出，从而完成破 碎过程；旋回式破碎机主要用于各种硬度的矿石的粗碎，其工作部分是由 两个近乎同心的锥体( 动锥和定锥) 组成。当动锥靠近定锥时矿石在两锥 体之间受压碎和折断作用而破碎，动锥离开定锥时破碎后的矿石从排料口 排出；圆锥破碎机主要用于中碎和细碎各种硬度的矿石，其工作部分由动 锥和定锥组成。矿石在其问受压碎作用而破碎，紧边破碎，松边排料；辊 式破碎机和冲击式破碎机主要用于中细碎。辊式破碎机由两个相向转动的 圆柱形辊子组成。添加的矿石受辊子压碎或者压碎和破碎作用而破碎，当 矿石达到粒度要求则从两辊之间排出；而冲击式破碎机是利用破碎机卜高 速旋转的锤子的冲击和矿石自身撞击到衬板而实现破碎的。达到粒度要求 的矿石从破碎机下部的筛条缝隙中排m 。 目前，在鞍钢选矿作业巾由于破碎工艺以及矿石的质量等原因，所使 用最广泛的是用于粗碎的颚式破碎机和用于中细碎的圆锥破碎机，而其它 三种则用的比较少。 1 3 2 圆锥破碎机的发展简况 圆锥破碎机的发展历史较悠久。1 0 0 多年前，美困两蒙斯兄弟首先成 功研制了西蒙斯型圆锥破碎机，随后各种类型、尺寸的圆锥破碎机在世界 各国得到了迅猛发展( 详见表1 2 ) 。 由于历史原因，我国破碎机的发展照比国外先进国家要落后的多。2 0 世纪5 0 年代初期，国内研究部门在前苏联2 1 0 0 型和16 5 0 型弹簧圆锥破 碎机的基础上，研发生产了1 2 0 0 型和2 2 0 0 型弹簧式圆锥破碎机。在2 0 世纪7 0 年代开发了1 2 0 0 型、17 5 0 型、2 2 0 0 型多缸液压式圆锥破碎机和 1 2 0 0 型、1 6 5 0 型、2 2 0 0 型底部单缸液压式圆锥破碎机。2 0 世纪8 0 年代， 沈阳重型机器厂从美国诺德博格公司引进西蒙斯和旋盘式圆锥破碎机设 计制造技术，并合作生产该系列厕锥破碎机。之后在国内几代科研工作者 的努力下经反复研制和实践克服了以往弹簧力不足、关键部件强度不够以 及结构上的缺点，具备了生产6 0 0 型、9 0 0 型、l2 0 0 型、l7 5 0 型、2 2 0 0 型五个规格，几十种腔型的系列弹簧圆锥破碎机的能力。2 0 世纪9 0 年代 以来，国内一些矿山的选矿厂、石料加工厂和建设工程先后又引进了h p 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 系列圆锥破碎机、g 型圆锥破碎机和o m n i 型圆锥破碎机。这些圆锥破碎机 的引进均取得了良好应用效果，同时大幅提高了矿石的破碎能力。 表i 2 世界圆锥破碎机的发展简况 t a b l e1 2t h ed e v e l o p m e n to fc o n ec r u s h e r 世界网锥破碎机发展简况 年代2 0 世纪初叶4 0 5 0 年代6 0 年代7 08 0 年代 8 0 年代9 0 年代以来 开发单 美国西蒙斯 美国公司，a c沾田和i j 美国公d ，前苏联公黄困的公刊 位及型兄弟研制的底部华缸液j 牟= 公二j 高能液压圆司，惯性推出了 s y m o n s 型圆锥 压圆锥破碎单缸、闹锥破碎机和 圆锥破碎e 【j o yi i 和 破碎机 机。 边单缸液旋盘式圃锥机m v p 型圆锥 压圆锥破破碎机。 破碎机以及 碎机。h p 系列圆锥 基本构主轴插入偏心 在旋回式破 基奉结构 基本结构和结构和破 破碎机；瑞 造及工套内，用偏心碎机基础上和工作原工作原理变碎原理上典公司推出 作原理套驱动动锥旋发展起来基理变化小化小大。该取得了重新的h 系列 摆运动，动锥 本构造和t 大。采用 机采用商摧大进展。 圆锥破碎 衬板时而靠近作原理变r 足料层频，小偏距，结构实现机；f 1 本神 时而离开同定化很小，采用破碎原理装有人功牢r 动锥和户制钢有限 锥衬板，从而液雎技术，简破碎腔以电机。定锥之间公司推a f 使矿岩在破碎化了破碎机及依据负无刚性联型圆锥破碎 腔内小断地遭 结构。 荷自动改系；破碎机和 到挤压和弯曲变排矿u原理实现2 3 0 0 a s c 型 而破碎。尺寸的挣 厚层选择 圆锥破碎 制技术。性破碎。机：俄罗斯 优、缺点破碎机问世简化r 破碎破辞频牢排料u 尺寸破碎比 开发 l j 新型 但其功率小，机结构，减轻高生产可调，具有火甲位 短头网锥破 产品粒度不均了重量，提高能力人，液压过载保耗能低， 碎机。应用 匀，排矿口大r 使用性能；产品粒度护装置：物口j 实现选 表明：细级 小调整困难，产品粒度大，坌【| ，单位料之间破碎择性破 别含量提高 振动大，弹簧且不均匀，且产品耗能力小，限制碎，且工 5 l o ，衬 易损坏，对含水、含泥 低。 向超细碎方作平稳町 板金属消耗 可靠性差。物料易堵塞。向发腱。 罪。降低2 0 。 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 将国内生产的2 2 0 0 弹簧式、底部单缸和多缸液压圆锥破碎机的比较， 如表1 3 。 表1 3 提供的数据可以看出：国内自行设计、生产的几种典裂型号的 破碎机在主要性能方面基本上没有什么差别；在从结构方面看，单缸液压 圆锥破碎机基本结构比较简单、重量相对较轻，因为它去掉了保险弹簧组、 调整环与支承环、调整油缸和锁紧油缸等结构复杂而又重量大的部件；p l c 技术的应用使液压破碎机更易于操作和易于实现自动控制。因此液压破碎 机的各种性能要优于弹簧式圆锥破碎机。 目前，我国圆锥破碎机己形成大、巾、小型系列，品种规格齐全，基 本满足国内需求。但是在产品的制造质量，材料( 特别是耐磨材料) 以及 使用可靠性等方面与国外同类产品尚有一定的差距。为了适应钢铁工业高 速发展的需要，必须组织力量进行研究，不断改进现有产品的结构，提高 设备的制造质量，并使研究成果尽快产业化。研制出大型、高生产率和高 效率的圆锥破碎机以赶超世界先进水平，为矿山机械，乃至整个破碎机行 业参与世界市场的竞争赢得先机是当前的重要工作。 1 3 3 新型圆锥破碎机简介 1 3 3 1 圆锥破碎机的构造 破碎机构造见图1 1 。 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 圈i 。i 破碎机构遂p f 蟪l ，】n 媾s l 眦t u f eo f c o n l e h e ( 1 ) 破碎机主机架总成：破碎机主机架由上架体和下架体组成，两 者通过液压缸连接，内有耐磨衬板和保护罩 上架体是焊接件，其上口焊 有耐磨铜板，下架体是整体铸钢件。 ( 2 ) 主轴总成：主轴与主机架的下架体中心轮毂采用锥面小过盈配 合装配，主轴丌有轴向和径向润滑油孔。 ( 3 ) 偏心轴套总成：偏心轴套其内部安装有采用螺钉固定的高铅青 铜衬套；下部通过螺栓安装有大锥齿轮和止推轴承，其中上止推轴承为锻 钢件，下止推轴承为高铅青铜件；另外，在偏心轴套上还装有利用螺栓固 定的配重组件，其内部灌铅并安装了耐磨保护衬板。 ( 4 ) 动锥体总成：动锥上部采用螺栓连接固定有给料板组件，下部 安装有球面轴瓦，可以与安装在套筒内的球面钢瓦相配合；动锥外部安装 有高锰钢制成的动锥衬板，动锥体与其衬板之间的窄隙充灌有环氧树脂； 动锥内部安装有上下高铅青铜衬套。 ( 5 ) 定锥体总成：定锥上部安装的是给料料斗；内部安装有采用大 直径螺栓固定的高锰钢耐磨衬板，定锥体与其衬板闯同样充灌有环氧树 脂；定锥外部是与调整环配合的梯形螺纹。 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 ( 6 ) 调整环：调整环是组件。由调整环、央紧环、凸轮随动件和液 压马达等组成；夹紧环内有梯形螺纹，可与定锥相连：调整环上部装有主 机价固定销和导向杆，以防止调整环在主机架内旋转。 ( 7 ) 调节机构总成：用液压马达驱动小齿轮，小齿轮驱动调节帽上的 大齿圈，从而驱动锥转动，来达到调节定锥衬板与动锥衬板之间间隙的目 的。 ( 8 ) 水平传动轴总成：一台大功率主驱动电机，通过三角带轮传动装 置使水平轴上的小锥齿轮驱动大锥齿轮及偏心轴套；水平轴的箱体为整 体铸铁件，用螺栓固定到主机架上。 ( 9 ) 液压夹架和过铁释放装置：通过双驱动液压缸使得调节环上部 各组件与破碎机主机架相连。 ( 1 0 ) 机组润滑装置：由润滑油箱、电机油泵、过滤装置、冷却装置 和控制装置组成。 ( 1 1 ) 液压控制站：控制站包括带有油表的油箱、电机油泵、过滤装 置、蓄能装置、控制装置、压力开关、安全保护装置等；在破碎机旁还装 有端子箱和按钮控制柜。 1 3 3 2 新型圆锥破碎机工作机理 圆锥破碎机的工作机构是由镶嵌衬板的动锥和定锥组成的。机器在正 常运转时，由于动锥与定锥的接近和离丌，促使破碎腔中的物料受压碎和 折断作用而被粉碎，并在自重的作用下下落，排出破碎腔。圆锥破碎机动 锥的上腔支撑在固定主轴上端的球面轴瓦卜，其下腔套在偏心轴套的外 面，其运动由偏心轴套直接带动。当偏心轴套绕主轴旋转时，动锥不仅随 偏心轴套绕机器的中心线作旋转运动，而且还绕自己的轴线旋转，该动锥 是绕着其球面支承中心作空问旋摆运动的。动锥的轴线与主轴中心线相交 于固定点，即球面中一i i , 点，其夹角为进动角。破碎机运转时，动锥轴线对 机器中心线作圆锥面运动，其锥顶为球面支承中心，点在动锥的运动过程 中始终保持静止。冈此，动锥的运动可视为刚体绕定点的转动，即动锥的 运动是由两种旋转运动组成：进动运动或牵连运动( e g j 锥绕机器中心线作旋 转运动) 和自转运动或相对运动( 动锥绕自己的轴线作旋转运动) 。 圆锥破碎机在空载运转情形下，动锥自转是由球面轴承给动锥的摩擦 力矩和偏心轴套给动锥的摩擦力的数值决定的，哪个力矩大，则动锥即依 此力矩的方向转动。在f 常情况f 动锥都是顺着偏心轴套回转方向自转 的，自转速度决定于两个力矩的差值。而该型圆锥破碎机在球面轴承和动 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 锥下衬套之间，增加了动锥上衬套，以控制动锥的自转。在有负载运转情 形下，矿石对动锥锥面的摩擦力矩远超过偏心轴套对动锥产生的摩擦力矩 此时动锥以其母线为顺时轴沿料层作与偏心轴套回转方向相反的滚动。动 锥的这种自转运动，可以使产品的粒度均匀、衬板磨损均匀。 1 3 3 3 新型圆锥破碎机结构特点 ( 1 ) 固定主轴和悬浮动锥。该型圆锥破碎机的主轴固定，偏心轴套直 接带动动锥实现旋摆运动，而动锥悬浮在球面钢瓦上，这使得破碎机可在 大功率电动机驱动下提高偏心轴套转速；以往的圆锥破碎机是由主轴带动 动锥一起摆动，这会限制偏心轴套的转速，而且在产生巨大惯性力的情况 下，主轴根部容易因发生剪切破坏而断裂，严重影响生产。这一结构上的 改进可以极大地提高破碎机的生产效率，改善破碎机的使用性能。 ( 2 ) 液压保险方式。该型圆锥破碎机为液压保险，采用三组液压缸 沿破碎机四周均匀分布，这种过负荷的时保险方式为实现自动化控制，降 低劳动强度，节约生产时间创造了条件；以往的圆锥破碎机为弹簧式保险， 采用十六组弹簧，一般靠手工操作，不灵敏，还要受弹簧自身寿命短的限 制。 ( 3 ) 排矿口液压调整装置。该型圆锥破碎机为液压电机驱动，依靠 液压电机驱动小齿轮，带动定锥上的大齿圈，调节动锥和定锥衬板之间的 间隙，并且利用柱塞缸在调节问隙后锁紧定锥；以往的圆锥破碎机为逆止 器形式，主要靠人工调整间隙，费力费时。 ( 4 ) 动锥内腔密封可靠。该型圆锥破碎机的动锥内腔采用上下两层t 、 u 型密封圈，形成相互交错的迷宫式密封带，密封可靠，保证运动部件的 清洁，使润滑通畅；密封件安放位置远离各个衬套，减少衬套由于密封不 好而损坏。 ( 5 ) 运动部件采用高铅耐磨青铜。偏心轴套内侧的衬套、动锥内腔 的上下衬套、偏心轴套下面的止推轴承、球面瓦座、水平传动轴的支承衬 套，均采用了高铅青铜，其耐磨性好、抗胶合能力强、使用寿命高、能够 适应较高的破碎力和恶劣的工况条件。 ( 6 ) 球面支撑和上衬套结构。球面铜瓦通过螺栓固定在主轴上端的 铸铁套筒内，易于安装和更换；在动锥内腔的上部特别设计了上衬套它与 主轴上的铸铁套筒相接触，目的是控制动锥在空载时的自转速度。 ( 7 ) 耐磨性保护。在主机架内侧、连接臂、偏心轴套配重和水平传 动轴的轴箱处都安装了高锰钢耐磨衬板和保护罩，以免这些部位直接暴露 辽宁科技大学硕士论文 第一章绪论 在矿石冲击之下。 1 3 3 4 新型圆锥破碎的应用前景 图1 2 为正在运行中的h p s 0 0 新型圆锥破碎机。新型圆锥破碎机与传 统的西蒙斯圆锥破碎机的性能见下表1 4 。 表1 4 新型圆锥破碎机与西蒙斯圆锥破碎机性能比较 t a b l e1 4 t h ep e r f o r m a n c ec o m p a r i s o no fn e w s t y l e a n ds y m o n s s t y l ec o n ec r u s h e r 从上表中可以清楚的看出：新型圆锥破碎机与传统的西蒙斯圆锥破碎 机相比，生产能力更高，能耗更低产品粒度更好。新型破碎机不仅采用层 压破碎同时又是一种高能圆锥破碎机，从而使它的性能更优越。 辽宁科技大学硕士论文第一章绪论 1 4 小结 图1 2 正在运行中的新型圆锥破碎机 f i g l 。2t h en e w s t y lec o n ec r u s h e rinw o r k i n g 新型圆锥破碎机的自动化程度高，产品粒度均匀，生产效率高，且具 有良好的过载保险装置。破碎机与电机基础是一个整体，电机底座不必打 基础，安装方便。液压站功能完备，拆装定锥衬板和动锥衬板非常容易， 密封效果好。由于这些优点，圆锥破碲机必将在物料，尤其是高硬物料的 粉碎领域得到广泛的应用。 辽宁科技大学硕士论文第二章基于p r o e 的虚拟装配 第二章基于p r o e 的虚拟装配 虚拟装配技术是在虚拟设计环境下完成三维实体模型的最终设计。它 是按照一定的约束条件或连接方式将各零件组织成一个整体并能满足设 计功能的过程。而这个经过虚拟装配后的模型总是要满足特定的功能。因 此，溶入仿真技术以此来评估和优化模型。近年来，在设计过程中的建模 和仿真技术越来越受到重视。通过使用p r o e 软件来对设备进行仿真分析 是一种先进的设计方法。它能够模拟真实环境中的工作状况并对设备的各 种性能进行分析和判断，以尽早发现设计缺陷和潜在的失败可能，提前进 行改善和修正，从而减少后期修改的代价，缩短设计周期，以适应日趋激 烈的市场竞争和变化迅速的市场需求。 2 1 基于p r o e 的虚拟装配方法 2 1 1p r o e 软件简介 p r o e 软件是美国参数技术公司( p a r a m e t f i ct e c h n o l o g y c o r p o r a t i 0 1 3 ) 于2 0 世纪8 0 年代末期推出来的商用计算机辅助设计软件。 凭借着其强大的计算、绘图、辅助制造功能，已经成为当今世界使用极为 普遍的三维计算机辅助设计计算机辅助制造的软件系统。广泛应用于机 械、电子、工业设计、模具设计、汽车以及航天等行业。p r o e 软件集成 了实体设计、曲面设计、钣金设计、零件装配等多个应用程序模块，功能 非常强大。由于p r o e 具有单一数据库，可随时由三维实体模型产生二维 工程图，并且能够自动标注二维工程图的尺寸。在i 维或二维图形上做尺 寸的修改时，其相荚的三维实体模型或二维工程图形均可自动修改。与此 同时，相关的装配、制造等设计也会自动进行修改，既可以确保数据的正 确又可以避免因反复修改而消耗的时间。这种功能非常符合现代化产业中 所谓的“同步工程”观念。现将p r o e 主要功能简要介绍如下： s k e t c h ：草图绘制，用它绘制特征剖而图； p a r t ：零件设计，用于零件、构件的设计。其模型建立方式与机械加工 辽宁科技大学硕士论文第二章基于p r o e 的虚拟装配 方式极其相似，而且具有定义尺寸的参数化功能，一个文件中只能有一个 零件； a s s e m b l y ：装配设计，用于零部件的虚拟装配。可以由单个零件装配到 单个零件，也可以由单个零件装配到装配体，还可以由装配体装配到装配 体； s u r f a c e ：曲面设计，用于创建各种曲面，在p r o e 软件中被定义为 q u i l t ，它不具有实体所包含的特性( 如体积、惯性矩等) ，其构件方式与实 体方式一样。 另外，p r o e 还具有参数化设计的特点。所谓参数化设计就是将零件 的尺寸设计用参数形式来描述。并在设计修改时，通过修改参数的数值来 更改零件的外形尺寸。参数化设计的思想在工业界已经应用多年，p r o e 凭借参数化设计的思想问世以后，工程设计人员便感受到参数化计算机辅 助设计方法的方便快捷。p r o e 对于传统的机械设计工作者的帮助是相当 巨大的。因为p r o e 中的参数不仅仅代表设计对象的外部相关尺i | ，并且 具有实质上的物理意义。比如说我们可以把系统参数，如体积、重心等或 用户根据设计需要所定义的用户定义参数，如：质量、密度等具有设计意 义的物理量引入到设计当中来表达自己的设计思想。这种参数式设计的功 能不但改变了设计的概念，并且使得设计大大地方便和快捷。p r o e 提供 的参数化设计具有实体造型、单一数据库以及以特征作为设计单元等特 点。因此它能够让设计者随时计算出产品的体积、面积、质心、重量、惯 性距等，不论在三维还是二维图形上都可进行修改，其相关的三维实体模 型或二维工程图及装配体也会自动得到修改。由于p r o e 在设计中导入制 造的概念，使得设计者可随时对特征进行合理、不违反几何的顺序调整、 插入、删除和重新定义等操作。p r o e 所提供的参数化设计功能满足了现 代工业中并行工程的需要。 2 1 2p r o e 环境下的虚拟装配 利用计算机三维技术，在机械零件及其系统的设计中，工程技术人员 已经能够实现零、部件的装配并能够判断加工的各个零、部件是否发生干 涉，从而实现了可视化设计这是具有非常实际的意义。虚拟装配就是利用 零、部件的连接关系建立装配关系的。p r o e 的装配模式提供的是并行的、 自下而上的或自上而下的产品开发方法。所谓白下而上的设计模式，即先 1 2 辽宁科技大学硕士论文第二章基于p r o e 的虚拟装配 在零件模块中创建各个零件的三维模型。然后在装配模块中建立零部件之 问的连接关系。这种连接关系的建立是通过配对条件在零部件之间建立约 束关系的，以此来确定零部件在产品中的位置。在虚拟装配中，零部件的 几何体是被装配体使用，而不是复制到装配体中。正如上文所述，p r o e 的 具有单一数据库的特性，不管怎样和在何处对零部件进行编辑，整个装配 部件都保持着关联性，即如果修改某个零部件，则引起它的装配件自动更 新，这就立即反映零部件的最新变化。零件进行装配时最重要的步骤就是 对零部件进行恰当的约束，在p r o e 中装配关系的建立是利用基准面的匹 配、对齐和相切以及坐标系中各个轴相互对齐等约束命令将所有的零部件 按要求装配在一起的。 总之，通过p r o e 提供的零件功能呵以绘制出机械零件的三维模型， 利用装配模块，可以装配出机械系统。采用这种机械装配方法，可以在产品 的设计阶段直接检查机械系统中各个零部件在空间的装配情况和干涉情 况，进而实现可视化的设计和分析。这对于实现并行工程具有深远意义。 2 2 基于p r o e 的圆锥破碎机的三维造型 2 2 1 概述 新型圆锥破碎机是以h p 8 0 0 圆锥破碎机为基础的国产化产品，该圆锥 破碎机在结构上提高了零、部件强度，更符合高能破碎机对零件高强度的 要求；在破碎方式上采用层压破碎，并加大了给矿口尺寸( 1 8 4 5 m m ) 和动 锥摆动行程( 7 5 m m 2 ) ，加快了主轴转动速度。在同样给料粒度条件下， 可获得更细的产品，破碎率更高。可见新型圆锥破碎机是一种性能更优越， 更有发展前途的破碎机。 由上可知，我们对该种圆锥破碎机进行进一步研究，为实现其产业化 提供技术服务是十分必要的。若采用传统的设计方法进行研究，就会存在 下列缺欠：在修改原先设计和系列化已有的设计时，不仅需要花费大量的 时间和精力进行几何绘图，而且图形表达也不直观；传统的设计手段落后、 设计效率低：不能实现预装配；无法进行装配中干涉的检查；无法对输出 速度进行运动仿真；在制造之前无法预知机构的过约束；无法得到输出速 度和加速度等。本章采用p r o e 软件对新型圆锥破碎机进行零、部件参 辽宁科技大学硕士论文 第二章基于p t 0 e 的虚拟装配 数化造型，并且进行虚拟装配。可避免所设计的零部件在装配过程中发生 静干涉。同时还可进行质量特性的检查，为破碎机下一步进行运动仿真奠 定基础。 2 2 2 破碎机零部件的三维造型 零、部件的几何尺寸通过测绘获得。创建零件模型时将零部件的几何 尺寸和形状添加到模型中，并将不需要的部分按一定几何形状去掉。在 p r 0 e 中这些几何形状就是要创建的特征，具体设计方法归纳说明如下： ( 1 ) 建立合理的建模顺序。建模时，先要分析圆锥破碎机零部件的结构 确定如何建立基准以及各种生成特征的次序，零部件的基体特征在保证特 性的前提下要尽可能的简单； ( 2 ) 建立零件毛坯模型。在对零部件结构具有相当认识的基础上，利用 p r o e 的草图进行设计，通过拉伸、旋转、扫描、混合等基本形体特征生 成方法，建立其零件的毛坯模型，即基体特征。 ( 3 ) 完成零件细节部分的设计。在确保零件毛坯模型准确后，可通过加 材料、减材料、倒角、阵列、圆角、打孔等特征造型方法，逐步对毛坯进 行细节上的设计，以获取准确、完整的零件模型。 表2 1 列出了圆锥破碎机主要零部件。由于篇幅有限，本章以主轴为 例介绍零部件三维造型过程，其它零部件的三维造型过程就不加以叙述， 待到装配时直接引用。 表2 1 圆锥破碎机的主要零件 t a b l e2 1t h ei m p o r t a n tp a r t so fc o n ec r u s h e r 辽宁科技大学硕士论文 第z - 章基于p r o e 的虚拟装配 2 2 3 主轴的三维造型 启动p r o e 软件后，单击工具栏中的口新建文件图标，出现新建对话 框，如下图2 1 。 在类型栏中选择p a r t ，在n a m e 文本框内输入z h u z h o u ，在子类型栏中 选择s o l i d ，再将图中u s ed e f a u l tt e m p l a t e ，单击0 k 按钮，出现单位设 置对话框，如下图2 i 。选择m m n s p a r t s o l i d ，单击o k 按钮。 圈2 l 单位韵选撵一 f i 辨it h es d e 出o i lo f 在绘图区出现三个基准平而( 依次为f r o n t 、r i g h t 和t o p 平而) ，如 下图2 2 。 图2 2 草绘平面的选择 辽宁科技大学硕士论文 第二章基于p r 0 e 的虚拟装配 2 3 。 从特征工具栏中选取蠖旋转工具，此时信息区显示的内容，如下图 图2 3 信息区 f i 9 2 3t h ei n f o r m a t i o nz o n e 单击草绘固按钮，并选取三个基准平面中的f r o n t 平面，并单击 s k e t c h ，会出现出现对话框和绘图平面如图2 4 。 图2 4 参照平面的选择 f i 9 2 4t h es e l e c t i o no fr e f e r e n c ep l a n e 从特征操作按钮区中选取直线工具按钮和i 中心线工具按钮，绘 制出主轴旋转中心线和截面草图，然后在信息显示区中输入旋转角度3 6 0 ， 单击。戮； ，完成实体绘制，最后在特征操作按钮区中选取嗨倒角工具按钮， 选中主轴模型上端棱，选择a n g l e * d ，同时在a n g l e 栏中输入4 5 ，在d 栏中 输入8 o o ，最后单击； 够i ，完成倒角绘制，此时主轴模型最终建立。主轴截 面草图和实体三维造型如图2 5 。 ：j；|蓄一 一缪一 一螽一 一墅 罐一鞫一 鬻 辽宁科技大学硕士论文第二章基于p r o e 的虚拟装配 用。 图2 5 主轴截面和主轴模型 到此为l p ，就已经完成了整个主轴三维造型的过程，最后存盘以各后 2 3 模型装配及定义运动副 装配设计是在p r o e 软件的运行环境下，建立除液压缸组外的整机虚 拟装配模型，将不同的零部件通过相关的约束关系，组装成一个装配体， 同时可进行零部件之间的静态干涉检查。另外，在机构的虚拟仿真过程中 同时需要对模型进行，定的简化，如果装配模型简化不合理则会严重影响 分析结果，如果不进行模型简化则在加载时效率会很低，在进行运动仿真 时计算机处理数据的速度会大大降低，耗时必定增加，从而影响仿真的视 觉效果。 辽宁科技大学硕士论文第二章基于p r o e 的虚拟装配 2 3 1 部件装配及定义运动副 部件装配如下所述： 1 ) 主轴装配：主轴装配由四部分组成，包括主轴，偏心轴套，大锥 齿轮和球面瓦架装配，其中球面瓦架装配与主轴上端采用过盈装配，因此 属于刚体连接；偏心轴套及通过螺钉固定在其上的铜套与大齿轮采用螺栓 连接，组成因此也是刚体联接；偏心轴套及通过螺钉固定在其上的铜套在 大齿轮的带动下绕着主轴作旋转运动，因此二者是销轴联接，装配如图 2 6 。 图2 。6 主轴装配 f i 9 2 6t h ea s s e m b l yo fs h a f t 2 ) 动锥装配：动锥装配主要包括：动锥体、动锥衬板、受料盘装配、 球面钢瓦、上下衬套等；这些零部件之间都是刚体联接，装配如图2 7 。 辽宁科技大学硕士论文第二章基于p r o e 的虚拟装配 图2 7 动锥装配 3 ) 定锥装配：三块凸轮支撑座之间通过套筒、螺栓定义为刚体联接， 装配如图2 8 。 幽2 8 定锥装配 f i 9 2 8t h ea ss e m b l vo fs t a t i cc o n e 4 ) 主机架装配：破碎机主机架由上架体和下架体组成，两者通过液 压缸连接，因此上、下架体是刚体连接，装配如图2 g 。 望! 壁垫查兰里主堡查 笪三主茎望! 生竺生垫茎墼 2 3 2 总装配 剀2 9 _ 丰机架装配 f i 9 2 9t h ea s s e m b l yo fm a i nf r a m e 图2 1 0 总装配 f i 9 2 1 0t h eg e n e r a la s s e m b l y 辽宁科技大学硕士论文 第二章基于p r o e 的虚拟装配 图2 1 1 总装配内部结构 2 4 装配体的检查 装配完成的三维模型，需要进行干涉分析和模型质量属性检查，以确 保装配体的各零部件之间间隙的是否适当，以避免各零部件之间的动、静 态干涉，并计一算各零部件的准确质量。利用p r o e 软件自带的检查功能， 对完成的虚拟装配体分别进行以下分析和检查： 1 、干涉分析 分析装配体中各零部件之间是否存在动、静态干涉现象，及时发 现可能存在的千涉，并进行相应的调整，以保证虚拟装配模型的可行性。 利用“全局十涉”分析，可以检查整个虚拟装配体中各零件之间的干涉关 系。经过全局干涉检查证明，本文中所建立的三维模型各零部件之间，不 存在动、静态干涉，检验结果如图2 1 2 。 在计算 全局千涉计算完成。 圈没有零件。 图2 1 2 干涉检杏结累 但为了检验软件的干涉检验功能，现将球面轴瓦( 其在模型中的代号 为o x z w ) 进行重复安装，再进f j 全局十涉”分析，则分析结果如图2 13 。 辽宁科技大学颈士论文 第二章基于p r o b 的虚拟装配 全局千涉计算完成。 l 雠l ：雩件q 髓w 和口x z w 旺2 3 2 1 f 1 0 2 毫米3 ) 。 图2 1 3 干涉检蠢结果 2 、模型质量属性检查 利用p ro e 软件的“模型质量属性”功能，通过参数设置定义材料的 密度，求出每一零件和整个系统的整体质量，以方便后续的校核强度。动 锥和偏心轴套均为z g 3 5 钢，其密度为：8 1 0 0 k g m 3 ，主轴为3 5 c r m o v ，其的 密度为：7 8 0 0 酶。动锥、偏心轴套以及主轴的计算结果如图2 1 6 。 2 5 小结 图2 1 4 质量属性检查结果 本文针对新型的圆锥破碎机，采用p r o e 三维设计软件进行了虚拟装 配研究，为新型圆锥破碎机进一步实现产业化生产提供了一一种先进的设计 方法，同时也为下一步在虚拟仿真环境下进行运动学仿真分析奠定了基 础。 辽宁科技大学硕士论文第三章破碎机的机构运动学仿真 第三章破碎机的机构运动学仿真 目前，随着c a d 技术的普遍应用，三维实体造型、虚拟技术、工况仿 真模拟已成为c a d 技术的重要发展方向，并在产品设计和制造方面引起了 重大变革。对有复杂运动的圆锥破碎机等机械产品，建立三维动态图形和 三维虚拟环境模拟，可以更好地描述其数学模型的准确性、装配过程的合 理性、作业过程的动态性、运动轨迹的f 确性。因此，了解和掌握动态模 拟技术十分重要。本文基于p r o e 软件对新型圆锥破碎机进行运动学仿真 研究。 3 1p r o m e c h a nic am o t io n 模块的简要介绍 p r o e 是美国参数技术公司研制的三维设计软件，p r o ew j l d f i t e 是 该公司推出的又一代新产品。p r o m e c h a n i c am o t i o n 模块是p r o e 的集成 运动模块，它是一个完善的三维实体静力学、运动学、动力学和逆动力学 仿真与优化设计工具；利用该模块可以快速创建机械模型并能方便地进行 分析，从而改善机构的设计。该模块具有以下功能： 1 、进行运动仿真，校验机构运动的正确性，计算机构上的点在任意 时刻的位置、速度、加速度； 2 、通过运动分析得出装配的最佳配置； 3 、根据给出的力决定运动状态及反作用力； 4 、根据运动反力求所需的力： 5 、求出铰接点所受的力及轴承力； 6 、通过尺寸变量，对机构进行优化设计； 7 、干涉检查。 3 2 机械动态仿真的一般过程 机械动态仿真的一般过程，见下图3 1 。 辽宁科技大学硕士论文 第三章破碎机的机构运动学仿真 图3 1 运动仿真流程 f i 9 3 1 t h ep r o c es so fk i n e m a t css