（机械设计及理论专业论文）双腔颚式破碎机机架的受载特性研究及优化设计.pdf

摘要 目前颚式破碎机的设计大多依据传统的经验结论而不是科学的计算方法进 行，尤其是机架部分的设计，这种传统的设计方法具有一定的盲目性，设计出 的机架结构不尽合理，强度不足又增加了机重，双腔颚式破碎机机架的设计也 是如此。本文采用理论分析、软件仿真和实验测试相结合的方法研究了双腔颚 式破碎机破碎软硬两种矿石时机架的力学性能，并以此为依据对其分别进行优 化设计，达到了改善机架结构，使其合理且经济的目的。 本文是研究机架在最大破碎力工况下的力学性能，最大破碎力决定着机架 的受载情况，而目前双腔颚式破碎机破碎力的研究较少，所以本文首先对破碎 机的动力机构进行了运动分析，提出了有效破碎空间的概念，并以此为依据和 在实验结果的基础上，建立了最大破碎力的计算公式。这为破碎机的设计和机 架受载特性的研究奠定了理论基础。通过对机架的有限元分析发现，机架前墙 向外凸出变形明显，应力较大，即使破碎物料为抗压强度o - b = 1 1 7 m p a 的软矿 石时，前墙很多地方的应力都超过了材料的许用应力；而侧墙变形不大，且大 部分地方的强度储备过剩，即使破碎物料为抗压强度o - b = 2 5 0 m p a 的较硬矿石 时，侧墙上的强度储备也比较大。机架的电测实验结果证明，有限元分析结果 比较准确。这为今后机架的设计提供了新途径一虚拟动态仿真设计法。 根据机架上述的力学特征，对其结构进行了改进，并按破碎物料为软硬两 种矿石，分别对改进后的机架结构参数进行了优化。优化结果不仅改善了机架 的力学性能，而且为破碎机破碎不同硬度矿石时的机架设计提供了结构参数的 最佳取值范围，为机架合理经济的设计提供了依据。 关键词：机架，有限元分析，受载特性，优化设计 a b s t r a c t a tp r e s e n td e s i g no fc r u s h e ri s u s u a l l y d o n e b ye x p e r i e n t i a l c o n c l u s i o nb u tn o tb ya c c u r a t e c o m p u t a t i o n ，e s p e c i a l l yd e s i g no f f r a m e w o r lt h i st r a d i t i o n a lm e t h o di s c o m m o n l ys i g h t l e s s ，w h i c h m a k e ss t r u c t u r a ld e s i g no ft h ef r a m e w o r ku n r e a s o n a b l e ，s ot h a ti ti s h e a v ya n da l w a y sc a n n o tf u l f i l lt a s k , a n dd o u b l e c a v i t yj a wc r u s h e r s f r a m e w o r ki sn o te x c e p t i o n a l t h ef r a m e w o r k sm e c h a n i c sp e r f o r m a n c e w h e nc r u s h e rb r e a k sm a t e r i a l sw i t hd i f f e r e n th a r d n e s si ss t u d i e db y t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti nt h i sp a p e r a c c o r d i n g t ot h er e s u l t st h ef r a m e w o r ks t r u c t u r ei so p t i m i z e d , t h u st om a k et h e f r a m e w o r k d e s i g nr e a s o n a b l ea n de c o n o m i c a l t h ef r a m e w o r k sm e c h a n i c sp e r f o r m a n c eu n d e rt h em o s tc r u s h i n g f o r c ei ss t u d i e d a sw ek n o w , l o a d so nt h ef i a m e w o r ka r ed e c i d e d b yt h e m o s tc r u s h i n gf o r c e t h e r e f o r et h em o v e m e n ta n a l y s i so ft h ea c t u a t i n g m a c h i n ew a sf i r s t l yd o n e ，w h i c hp r o v e dt h e o r e t i c a l l yt h ec o n t i n u o u s w o r kc h a r a c t e r i s t i co ft h ed o u b l e c a v i t yj a wc r u s h e r t a k i n gt h i sa n d t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l ta st h eb a s i s ，t h ef o r m u l ao ft h em o s tc r u s h i n g f o r c ei se s t a b l i s h e di nt h i sp a p e r , w h i c hl a i dt h er a t i o n a l ef o rd e s i g no f t h ed o u b l e - c a v i t y j a wc r u s h e ra n dr e s e a r c ho f t h ef r a m e w o r k sm e c h a n i c s p e r f o r m a n c e b ym o d e l i n gt h ef r a m e w o r ka n dp u t t i n gl o a d so ni tr e a s o n a b l y ，t h e f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sr e s u l td i s c o v e r s ：t h ef r o n ta n db a c kw a l lp r o t r u d e d i s t o r t i o no b v i o u s l yt oo u t s i d e ，a n dt h e i rs t r e s si ss t r o n g ，e v e ni ft h e m a t e r i a li ss o f to r ew i t bc o m p r e s s i v es t r e n g t h0 - 8 = 117 m p a t h es t r e s so f m a n yp l a c e so nf r o n tw a l lh a ss u r p a s s e dt h em a t e r i a l ss t r e s sh i g h p o i n t ； b u td i s t o r t i o no nl a t e r a lw a l li sn o to b v i o u s ，a n ds t r e s si sw e a k , e v e ni f t h em a t e r i a li sh a r do r ew i t hc o m p r e s s i v es t r e n g t h 盯b = 2 5 0 m p a ，s t r e s s s a f e t yf a c t o ro f t h el a t e r a lw a l li sq u i t eb i g 。a c c o r d i n gt oa b o v em e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c ，t h ef r a m e w o r k s s t r u c t u r ei sm a d ei m p r o v e m e n t , a n di t sp a r a m e t e ri so p t i m i z e di m p r o v e d s e p a r a t e l y u n d e rt w oc i r c u m s t a n c e s ：0 - b = 11 7 m p aa n d0 - b = 2 5 0 m p a n f i n a l l yt h eo p t i m i z a t i o nn o to n l yi m p r o v e st h ef r a m ew o r k sm e c h a n i c s p e r f o r m a n c e ，b u tp r o v i d e st h eb e s tv a l u es c o p ef o rd e s i g np a r a m e t e r w h e nt h ec r u s h e rb r e a k so r ew i t hd i f f e r e n th a r d n e s s ，a n dp r o v i d e sb a s i s f o rr e a s o n a b l ea n de c o n o m i c a ld e s i g no f t h ef r a m e w o r k k e yw o r d s ：f r a m e w o r k , f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，m e c h a n i c s p e r f o r m a n c e ，o p t i m a ld e s i g n 1 1 1 原创性声明 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。尽我所知，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：燮拖拉日期：塑年月监日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：燮握蕴。导师签名丝日期：正年五月丝日 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 本课题来源于中南大学母福生副教授的专利实施项目复摆式双腔颚式 破碎机。该项目属横向项目，在浙江某企业实施。 1 1 颚式破碎机的研究现状 1 8 5 8 年美国的e w 布雷克( b l a k e ) 发明了世界上第一台颚式破碎机，时 经1 4 0 余年，颚式破碎机的结构得到了不断的创新和发展【1 1 颚式破碎机除了据 其运动形式分为简摆式和复摆式颚式破碎机外，还可据其破碎腔个数的不同可 分为单腔颚式破碎机( 又称为传统颚式破碎机) 和双腔颚式破碎机。由于传统 颚式破碎机是一种日j 断工作的破碎机械，工作效率比连续工作的破碎机械低， 为此，改变颚式破碎机间断工作的现状的研究成了热门课题，其中近似为连续 工作的双腔颚式破碎机已成为其主要研究方向1 2 1 。 双腔颚式破碎机的起源可以追溯到2 0 世纪6 0 年代p l ，在其漫长的发展进 程中，不同结构型式的双腔颚式破碎机层出不穷1 3 h ”，其中中南大学机电工程 学院母福生副教授研制的双腔颚式破碎机结构简单、工作效率高，较具代表性。 但目前对已有双腔颚式破碎机的进一步研究却是为数了了据德国的g c o r g u n l a n d 和p i o 仃s z c z e l i n a 介绍，目前颚式破碎机的设计大多依然是依据传统的经 验结论而不是科学的计算方法进行的1 6 1 ，尤其是机架部分的设计，都是在破碎 腔尺寸已定的情况下，通过类比，按经验确定其前、后、侧壁的截面形状和结 构尺寸。采用这种传统的设计方法，具有一定的盲目性，很难准确地设计出既 经济又满足强度要求的破碎机。所以一般新机型的设计要想达到完美的高度并 得到推广应用，还需要深入研究，以便了解其各部分的工作性能，并在此基础 上进行优化设计和结构改进。 虽然对现存双腔颚式破碎机的进一步研究工作一直被束之高阁而无人问 津，但对传统颚式破碎机的研究却是屡见不鲜1 7 h ，其中对机架结构设计的研 究已经达到了理论和原则性的高度。 武汉冶金科技大学的郎宝贤研究指出 3 1 1 ：机架的结构设计必须遵循下列原 则：( 1 ) 根据机架受力情况，满足机架强度和刚度要求；( 2 ) 考虑制造工艺 性要求；( 3 ) 考虑外观要求，且不能片面追求美观而忽略强度问题，也不能盲 目加强机架强度，导致破碎机机重增大浪费材料。 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 遵循此设计原则，很多专家对传统颚式破碎机机架进行了不同方向的深入 研究。其中武汉冶金科技大学汽车工程系的劭正宇等根据可靠性理论和模糊数 学的基本原理，由可靠性设计准则，对颚式破碎机机架进行了可靠性模糊优化 设计，这种方法考虑了影响机架尺寸及强度的种种模糊因素，使优化设计更符 合实际【3 2 1 ；北京科技大学进行了新型颚式破碎机动态设计的研究，他们应用三 维c a d 建模技术创建机架的三维模型，应用有限元分析技术，对其进行有限元分 析；通过分析，在不制造物理样机的前提下，寻求合理的机架设计方案，这在 国内还是比较先进的设计方法；另外还有南方冶金学院对复摆颚式破碎机机 架的三维有限元计算与分析，他们用s o l i d w o r k s 2 0 0 1 p l u s 建立复摆颚式破碎机机 架的三维模型，用c 0 s m o sw o r k s 对机架进行三维有限元计算，并与电测应力 比较，揭示复摆颚式破碎机机架的应力分布规律 3 5 1 。 在国外，颚式破碎机的研究更加成熟。2 0 0 2 年4 月德国的( t h y s s e n k r u p p f o r d e r t e c h n i c ) 克鲁伯公司研制出一种硬岩颚式破碎机【3 9 1 ，这种新型的破碎机除 其它必有部件外还装备有一套现代化的控制检测系统，该系统能够记录破碎机 的重要工作参数，如支撑面的温度、能量消耗、生产能力等，对记录的这些数 据进行分析有助于对破碎机工作过程的控制。它们设计的机架不但满足工作要 求，而且美观。但这也仅局限于传统的颚式破碎机，本文研究的双腔颚式破碎 机在国外也是罕见的机型，所以对这种破碎机机架的设计研究较少。 1 2 双腔颚式破碎机与传统复摆颚式破碎机的异同 双腔颚式破碎机与传统复摆颚式破碎机具有相同的基本工作原理。它们都 由电动机驱动，通过带传动带动偏心轴上的带轮，再通过偏心轴的转动，使破 碎机中的动颚相对定颚扳周期性地靠拢与分开，从而实现物料的破碎与排出。 它们最突出的差异在于工作特点的不同：传统颚式破碎机是间断性工作，工作 效率低，能耗大，而双腔颚式破碎机则实现了连续性工作，提高了工作效率， 降低了能耗。这一工作特点的不同是由它们工作机构上的差异造成的。 1 2 1 工作机构的差异 虽然它们的工作机构都是典型的四杆机构，其中动颚部分是连杆，偏心轴 被视为曲柄；但四杆机构中各杆的位置有所不同，见图卜1 和图卜2 。 由图卜l 和卜2 可以看出，二者在结构上除了破碎腔个数的差别外，还有 摇杆、偏心轴的安装位置及定颚的安装方式的不同。传统颚式破碎机的摇杆是 2 中南大学硕+ 学伊论文 第一章绪论 下置的，而双腔颚式破碎机的摇杆采用了上置方式；前者的偏心轴在破碎腔的 上部，而后者的却在破碎腔的中下部；另外传统颚式破碎机的定颚是固定在机 架的前墙上的，破碎力直接通过定颚传到机架上，而双腔颚式破碎机的定颚实 际上是非固定的，它通过定颚悬挂轴挂在机架的两侧壁上，下部通过肘板与机 架前墙相联，破碎力也通过肘板作用到前后墙的支撑板上；还有排料口的调节 方式，传统复摆颚式破碎机排料口的调节通过调整动颚后面的调整座实现，而 双腔颚式破碎机排料口的调节是通过增加或减少定颚后面调整垫片的数量实现 的i ”3 ”。 1 一定颚板a ；2 一动颚板a ；3 一动颚： l 一定颚板；2 动颚5 4 一摇杆：5 一偏心轴：6 - 机架；7 - 动颚板b ； 3 一肘板( 摇杆) ；4 偏心轴 8 一定颚板b ；i 一破碎腔a ；i t 一破碎腔b 图卜1 传统复摆颚式破碎机结构示意图 图卜2 双腔颚式破碎机结构示意图 双腔颚式破碎机与传统复摆颚式破碎机工作机构上的差别还导致了它们机 架结构上的重大差异。 1 2 2 机架结构的差异 两种类型破碎机在动力机构方面的差异导致了它们的安装基础机架在 结构上的不同。典型的传统复摆颚式破碎机机架一般是整体铸造机架，如图卜3 所示。 双腔颚式破碎机摇杆的上置和偏心轴的下放使得双腔颚式破碎机成为标准 的定长四杆机构，为各参数的准确计算提供了更符合实际的理论模型，也使活 动颚板在高度方向上各点的特性值具有了更理想的分布，提高了整机性能；但 3 中南大学硕十学伊论文第一章绪论 又由于摇杆、偏心轴和定颚是将破碎力传到机架上的传力部件，所以它们在破 碎机上安装位置和安装方式的改变也导致了破碎机机架结构的重大变革改 传统的整体机架为上下组合机架，上下机架用螺钉和销柱联接，整体采用焊接 结构，如图1 - 4 所示。 图卜3 传统复摆颚式破碎机机架结构图 图1 - 4 双腔颚式破碎机机架结构图( 一半) 双腔颚式破碎机与传统复摆颚式破碎机结构的差异导致了其机架结构和机 架受力情况的巨大变化。以上传统复摆颚式破碎机机架的研究成果对指导机架 的设计，改善机架的质量和性能都具有一定的意义，但对指导本课题的研究对 象双腔破碎机机架的设计具有很大的局限性。所以，为了深入了解双腔颚 式破碎机的工作性能及其机架的受力特点并对其进行结构改进和优化设计，必 须对其进行新的深入研究。 1 3 本课题的研究意义 据不完全统计，目前全国约有1 0 0 余家颚式破碎机制造厂，所生产的颚式破 碎机品种规格有2 0 个以上，全国年产量约l 万台，所生产的破碎机机架结构也 是各种各样，其中有许多机架结构不尽合理，强度不足又浪费材料1 3 ”这是由 机架的传统设计方法的局限性所造成的而且目前国内颚式破碎机的机重普遍 高于国外同规格的破碎机，而机架又是整个破碎机零部件的安装基础，其重量 占整机重量很大比例( 铸造机架占5 0 ，焊接机架占3 0 ) 3 7 1 ，而且加工制造 工作量也较大，所以机架结构设计不合理是使机重增加的重要原因 2 6 1 。 4 中南大学硕十学位论文 第一章绪论 在此研究双腔颚式破碎机机架的受载特性，将对其结构设计具有重要的指 导意义，而经过优化的合理结构不但可以使机架满足机器的工作要求，而且可 以最大限度地节约材料。另外，利用a n s y s 的a p d l 参数化语言建立的机架实 体模型及有限元力学模型程序可以成为双腔颚式破碎机机架的模型通用程序， 为今后机架的深入研究提供较高的平台。最后，运用有限元分析软件对机架进 行准确的受载特性仿真研究，将为双腔颚式破碎机机架的设计开辟一条新途径， 即基于虚拟仿真的设计方法。 1 4 本文的主要研究内容和思路 复摆式双腔颚式破碎机是实现颚式破碎机破碎工作连续化的新机型，本课题 将采用理论研究、仿真研究和实验研究相结合的方法，对双腔颚式破碎机机架 的受载特性进行系统的分析研究，主要研究内容如下： 1 首先以2 p e 2 5 0 7 5 0 型双腔颚式破碎机为例，运用理论力学知识，研究 其工作机构的运动特点及破碎腔的有效破碎空间，为最大破碎力公式的建立奠 定理论基础： 2 运用理论和实验相结合的方法，研究建立双腔颚式破碎机工作时的最大 破碎力计算公式；并在此基础上分析计算机架各部位的受力状况。 3 利用大型有限元分析软件a n s y s 及其参数化设计语言a p d l ，对机架进 行参数化建模和有限元分析；接着对机架进行电测实验。通过分析结果与实验 结果的比较，判断机架有限元力学模型的建立是否合理；最终揭示双腔颚式破 碎机机架的受载特性和应力分布规律，并分析其现有结构是否满足破碎机破碎 不同物料时的强度要求； 4 根据有限元分析结果，对双腔颚式破碎机机架的现有结构进行改进，对 改进后的结构参数进行优化，使机架能够满足破碎机破碎不同物料时的强度和 刚度要求，并改善机架的应力分布和形状变形； 5 通过选取破碎物料抗压强度参数的较大和较小值，分别对改进后的机架 结构参数进行优化，以期得到破碎机在破碎不同常见物料时机架结构参数的最 佳设计范围，对今后双腔颚式破碎机机架的设计提供依据。 中南大学硕十学位论文第一章绪论 本文的研究思路如下图所示： 双腔颚式破碎机机架的受载特性研究及优化设计 机架的受载特 性研究 有效 破碎 空间 变化 规律 的研 究 建 立 最 大 破 碎 力 计 算 公 式 机 架 的 受 载 分 析 与 计 算 机架的有限元分析 及结果验证 机架的受载特性总结 电 测 实 验 原 机 架 的 结 构 参 数 优 化 机架的结构 优化设计 机 架 的 结 构 改 进 不同 破碎 物料 的工 况下 机架 的结 构参 数优 化 优化结果分析 全文总结 6 中南大学硕士学付论文 第二章最大破碎力计算公式的建、芏及机架的受载分析 第二章最大破碎力计算公式的建立及机架的受载分析 机架上的载荷来源于破碎机破碎物料时产生的破碎力。双腔颚式破碎机作 为一种新机型，目前对其破碎力的研究很少，还没有现成的最大破碎力计算公 式，因此在研究机架的力学性能之前，必须先研究其破碎力。本章将通过对破 碎腔有效破碎空间概念的提出及研究，揭示双腔颚式破碎机最大破碎力的变化 规律，并在实验的基础上逐步建立最大破碎力的计算公式，最后对机架在最大 破碎力工况下的载荷进行分析计算。 2 1 破碎腔有效破碎空间的研究 破碎力是破碎机设计时的主参数，其大小及其作用点的位置是由破碎腔参 与破碎部分的多少及其变化决定的嗍，所以研究破碎腔的有效破碎空间是研究 破碎力的前提。双腔颚式破碎机作为一种新机型，研究其有效破碎空间及破碎 力的变化规律对该机型的进一步发展具有指导意义。 2 1 1 动颚速度瞬心的变化规律及有效破碎空间概念的提出 双腔颚式破碎机作为一种典型的四杆机构，可以通过分析其连杆速度瞬心 的变化规律来研究动颚及动颚齿板的运动状态，进而提出破碎腔有效破碎空间 的概念。 由理论力学知，当两构件作相对平面运动时，在任一瞬时，都可以认为它 们是绕某一点作相对转动，而该点则称为瞬 时速度中心，简称为瞬心。如果这两个构件 之一是静止的，其瞬心便称为绝对速度瞬心 1 5 s l 。这里讨论的均是绝对瞬心。 在分析动颚速度瞬心随曲柄旋转的变 化关系时，首先建立直角坐标系。设曲柄的 回转中心为坐标原点，x 轴的正方向为水平 向右，y 轴的正方向为竖直向上，如图2 一l 。 m 1 所示。 x 已知曲柄o a = 1 l ，机架o p = ，2 ，摇杆 图2 - 1 双腔颚式破碎机机构运动简图 7 中南大学硕士学位论文第一二章最大破碎尘j 篁坌壅的建芷及机桨的受载分析 b p = i s ，连杆彳b = f | ，p 点的坐标为唧；s ，y p = | i l ，机架与y 轴的夹角为口。 n 。、m 。和n 2 、m 2 分别是动颚齿板i 和1 1 的上下端点。 设曲柄从x 轴正向出发，逆时针转过角度妒时，0 h 的直线方程为： y = x 喀 ( 2 一1 ) 由几何关系知，z p o a = 妒+ 口一9 0 。； 连接a p ，在a p o a 中，由余弦定理得： a p 2 = o a 2 + o p 2 2 0 a o p c o s z p o a _ a p o = s i n 。1 ( ，4 s i n _ _ a o e a e ) a b p a 中，由余弦定理得： 厶即一1c 紫， 刊c 訾 分别过点a 、b 作y 轴的平行线a n 、b q ，则z _ n a p = 8 + z a p o ： 由几何关系，a q b a = z b a n = z b a p - z n a p ； 过点p 作x 轴的平行线p m ，贝i j z b p m = 9 0 。- _ a b p l q b a ； 所以b p 的直线方程为： y h - ( xj ) t g z b p m ，即j ，= ( s - x ) t g z b p m + h ( 2 2 ) 由三心定理知，0 h 与肼，所在直线的交点即为动颚a b 的速度瞬心，因此联 立方程( 2 - 1 ) 和( 2 - 2 ) 可解得瞬心随曲柄旋转变化的坐标表达式： f x = ( j i ，+ s t g z b p m ) ( t 9 9 + t g z b p m ) ，一1 、 【y = ( h + s t g z b p m ) t g d p l ( t g c p + t g l b p m ) 由式( 2 3 ) 可知，瞬心在t 9 9 + t g z b p m = 0 处不连续，其物理含义是曲柄 与摇杆在平行位置或反向平行位置瞬心出现间断点，而在其它区间连续变化。 参考图2 - 1 对运动机构几个特殊位置分析的结果见表2 一l 。 8 中南大学硕士学位论文第二章最大破碎力计算公式的建芷及机架的受载分析 表2 - 1 特殊位置时动颚的速度瞬心及其上下端点的运动状态 瞬心连瞬心动颚上下端点的运动状态 曲柄位置 续情况位置n l 点m l 点n 2 点m 2 点 与机架o p 重合连续p 点向上左上向下左下 与连杆重合共线连续b 点左下左上左下左下 与摇杆b p 平行 自j 断左o o 处左下左下左下左下 与机架o p 共线 连续p 点向下右下向上右上 与连杆a b 共线连续b 点向右右下右上右上 与摇杆反向平行间断右一处右下右下右下右下 分析表2 一l 可知，曲柄回转一周，动颚的速度瞬心将出现两个间断位置， 下面来分析速度瞬心变化范围的区间及走势，见表2 - 2 。 表2 - 2 速度瞬心的变化范围及走势 位置区间瞬心位置的变化范围 在摇杆p b 上从p 点到b 点连续变化 从曰点开始沿p b 的延长线向左连续变化，直到无穷远处 从无穷远处开始，沿b p 的延长线，在p 点以右范围向着p 点 连续变化，直到尸点为止 沿着摇杆p b 从p 点到b 点连续变化 从口点开始沿着p b 的延长线向左连续变化，直到无穷远 从无穷远处开始，沿b p 的延长线，在p 点以右范围向着p 点 连续变化，直到p 点为止 从表2 2 的六个变化区间可以看出，动颚的速度瞬心从右边间断点向左边 间断点连续变化，经，点到b 点，再向左直到左边间断点；紧接着又从右边间断 点开始向左连续变化直到左边间断点，如此往复循环。 通过表2 一l 还可看出，动颚的平面运动使其上下端点并非时刻同步运动， 只有当曲柄转至与摇杆平行位置时，动颚才有斜向左或斜向右平移的趋势；除 此之外，连杆都绕每时刻的速度瞬心作回转运动，即上端点远离定颚，下端点 靠近定颚；上端点靠近定颚，而下端点远离定颚；或上端点和下端点同时靠近 或远离定颚，但速度方向不同。 9 中南大学硕十学位论文第一二章最大破碎力计算公式的建芷及机架的受载分析 由此可知，在动颚运动过程中不是整个破碎腔同时破碎和同时排料，而是 部分破碎腔产生破碎，另一部分不破碎。为此提出有效破碎空间的概念，即破 碎腔中进行实际破碎的空间。破碎空间的大小用一个系数来描述，即有效破碎 空日j 系数，指破碎腔参与破碎的容积与破碎腔总容积的比值。下面通过分析动 颚齿板的运动状态来研究有效破碎空间的变化规律。 2 1 2 有效破碎空间变化规律的分析 下面以型号为2 p e 2 5 0 x 7 5 0 的双腔颚式破碎机为例进行研究。图2 2 为动颚 齿板的运动分析示意图。 ， 图2 - 2 齿板运动状态分析示意图 首先求动颚齿板上下端点的坐标表达式。如图2 一l 和图2 - 2 所示，过点4 作 彳e 平行于d p ，则么鼢e = z b a p - z a p o ；令线7 2 a n l = l l ，a n 2 = l 2 ， a m l = l u l ，a m 2 = l u 2 ；l l 、l 2 与的央角分别为q 和口2 ，l u i 、l u 2 与 的夹角分别为属和及。则1 点的坐标为： z l - j 一一l s 叫+ 么b a e 一口) ( 2 - 4 ) y l = 厶c o s # 一l lc o s ( + l b a e - 8 ) m 。点的坐标为： x m i2 厶c 0 8 妒一k 18 i n ( 届+ 么鲥e 一日) ( 2 5 ) i = 厶c o s # 一l u lc o s ( 届+ z b a e - 8 ) ，点的坐标为： 1 0 中南大学硕十学付论文第二章最大破碎力计算公式的建立及机架的受载分析 鸩的坐标为： x s 2 。c o s 妒- l s 2 s i n ( 口2 一么删e + 曰) ( 2 - 6 、 y 2 = 厶c o s 妒一l 2 c o s ( a 2 一z b a e + 口) 工0 22 厶c 0 8 矿一k 23 i n ( 岛一么鲥e + 口) ( 2 - 7 ) 2 = 厶c o s 妒一k 2c o s ( 压一z b a e + o ) 由动颚瞬心的变化规律知，当= o o 时，瞬心d 在摇杆b p 的延长线与x 轴 的交点上，反向延长x 轴线分别交活动齿板i 、i i 于点e 、e ，交固定齿板 i 、i i 于点e 7 和五7 。此时，活动齿板if i m l 段上各点均有左偏上的速度方 向，活动齿板i i 的e m 段上各点均有右偏上的速度方向；即破碎腔i 下部的 e e 肘。m i 段和破碎腔i i 上部的最f 2 n 2 n ：段进行破碎工作根据式( 2 3 ) ( 2 7 ) 及各机构参数，可求得! 丝：0 4 7 ，型生。0 5 3 ，由此求得两破碎腔 肘i i肘2 川2 的有效破碎空间系数分别为足。：菩坐逝：。2 5 ，k 。：吾墨兰竺。o 7 5 。 脯檄艘繇粉肭蜀。芸划2 ：岛2 曩地7 5 。n t n 棚掣t 口 n 1 n 却剖l 表2 - 3 为当偏心轴转过几个特殊位置时齿板上下端点的运动状态及破碎腔的有 效破碎空间系数的值。 表2 - 3 齿板上下端点的运动状态及有效破碎空间系数k 值 妒 瞬心位置 动颚齿板端点的速度方向 k lk n ( 。) n lm ln 2m 2 od 点右上左上右上左上o 2 5o 7 5 7 0 d 7 点上左上下左下 lo 1 7 0 矽点左下下左下下 lo 2 5 0d 7 点下右下上右上 ol 3 5 0d ”点右上上右上上ol 3 6 0d 点右七 左上右七左上 o 2 5o 7 5 中南大学硕士学伊论文第二章最夫破碎力计算公式的建芏及机架的受载分析 分析表2 3 知：曲柄转角矿l o ，7 0 。l 时，瞬心由d 点沿曰p 的延长线移 到d 7 点，破碎腔i 的下部和破碎腔i i 的上部进行物料破碎，有效破碎空间系数 分别为k i i o 2 5 ，l j ，k 【o ，0 7 5 j ； 矿( 7 0 , 1 7 0 。l 时，瞬心由d 7 点经尸、曰点到无限远处，最后到达d ”点， 此过程中破碎腔i 整体破碎物料，k l = 1 ；破碎腔i i 完全进行排料，k n = 0 ( 1 7 0 。，2 5 0 0 l 时，瞬心由d ”点沿占p 的延长线移动到d 7 点，破碎腔i 上部进行破碎，k i i o ，1 ) ；破碎腔i i 下部进行破碎，k n l o ，1 ) ； 庐( 2 5 0 0 ，3 5 0 0 l 时，瞬心的变化情况同，该过程破碎腔i 进行排料， k i = 0 ；破碎腔i i 整体破碎物料， ，丌= 1 妒( 3 5 0 。, 3 6 0 0 i 时，瞬心由d ”点沿且p 的延长线移动到d 点，破碎腔i 下部破碎，k ie ( o ，0 2 5 】；破碎腔i i 上部破碎，j 【o 7 5 ，1 ) 。 由上面的分析可知，曲柄处在不同的位置，两个破碎腔的运动状态不同， 即两个破碎腔的有效破碎空间系数是不同的，所以破碎力的大小随之变化。值 得注意的是：两个破碎腔各有部分腔段同时处在破碎状态。同时还可看出，无 论曲柄旋转到任何位置，两破碎腔的有效破碎空间系数之和都近似于l ，即相当 于一个破碎腔始终完全进行破碎工作，说明了双腔颚式破碎机工作的连续性。 2 1 3 有效破碎空间系数计算公式的建立 由有效破碎空间系数的概念知，该系数是衡量有效破碎空间大小的标志量， 为了更加明确两破碎腔的有效破碎空间随偏心轴转角的变化规律，在此运用解 析几何的知识逐步建立双腔颚式破碎机有效破碎空间系数的计算公式。 由表2 3 可以看出，在偏心轴转过不同角度时，有效破碎空间在破碎腔中 的位置和大小均不同，所以在此根据曲柄转角按如图2 - 3 所示的五种情况，分 别对有效破碎空间系数的大小进行研究。 图2 - 3 为偏心轴转过不同角度时，两个破碎腔中有效破碎空间的变化示意 图。图中阴影部分表示有效破碎部分。 在原有坐标系中，两定颚相对固定，故其端点坐标为定值，在此分别设为： 州( r ，t ) ，；( r ，t ) ，m ：( _ l l v ) ，肘；沁v ) 。所以州肘i 所在的直线方程为： y = 【( f v ) x + ( r v u t ) ( r - u ) ( 2 8 ) 式中的端点坐标值r 、t 、u 、v 随破碎机的型号而变化。 中南大学硕士学位论文第二章最大破碎力计算公式的建、芏及机絮的受载分析 ，t 1 1 时 i 一池 科1 、f哆僖_ 融 ! ， m t ， m 1 m ( a ) 【o ，7 0 。】 b t # t 卜 全ml慨 w 殿n 。9 泌 ( c ) 妒0 7 0 * ，2 5 0 。】 x f l f 1 心d 1 k 2f f 2 ， m 副矽2 。w 7 乏， “ ( b ) ( 7 0 。, 1 7 0 。】 x 、 爝y ，m 罗j ? 嵫：，。m 1 m i ( d ) 庐( 2 5 0 0 , 3 5 0 。】 。1 汴 i 刃一。 h m i 抖 4 1。 2 、 ( e ) 妒( 3 5 0 。，3 6 0 。】 图2 - 3 偏心轴不同转角范围内有效破碎空间示意图 根据动颚齿板端点l 和肘- 的坐标，建立l 磊所在的直线方程： 中南大学硕+ 学位论文 第一二章最大破碎力计算公式的建立及机架的受载分析 j ，：一t g ( 堕娑+ z b a e 一日) 一x u l ) + i ( 2 9 ) 如图2 - 3 所示，过动颚的速度瞬心d 作平行于x 轴的直线，分别交1 m - 和 i 叫于点e 、只7 ，则该水平直线的解析方程为： y = b ( 2 一1 0 ) 其中b = 伪+ s t g z b p m ) 喀妒( 培妒+ t g z b p m ) 由式( 2 8 ) ( 2 1 0 ) 可求得点e 和e7 的坐标分别为： j = ，一( 6 一1 ) c f g ( 塑笋+ 么脚e 一日) ( 2 _ 1 1 ) 【昂。= 6 砟1 2 【6 似一，) 一( 甜一w ) 】( r 一叻( 2 - 1 2 ) 【聆i t = b 根据以上各点的坐标求得以下各线段的长度为： ， k 刮= 阻- 一以- - l i 1 i i = i x ”t - x , v l t l - - - - x n i + ，l i m t 圳= 陬- 一- l = 阻- + i 根据图2 - 3 及2 1 2 中动颚的运动规律可推出不同转角范围内有效破碎空间 系数的计算表达式。 妒 0 7 0 。】和妒( 3 5 0 0 ，3 6 0 。】时，腔i 的有效破碎空间系数为： 蜀= 篇黼 协 妒( 7 0 。，1 7 0 。】时，破碎腔i 的有效破碎空白j 系数局= 1 ： 0 7 0 。，2 5 0 。】时，破碎腔i 的有效破碎空间系数为： k i2 ( 2 - 1 4 ) 妒( 2 5 0 0 ，3 5 0 。 时，破碎腔i 的有效破碎空间系数局= 0 。 由图2 - 3 中的阴影部分可以看出，两破碎腔的有效破碎腔段之和相当于一 个完整的破碎腔，即两破碎腔的有效破碎空间系数之和等于l 。所以破碎腔i i 的有效破碎空自j 系数为：k n = l 一局 综上可得，在偏心轴转动一周的过程中，各破碎腔有效破碎空间系数的计 算公式如下所示： 1 4 中南大学硕士学位论文第二章最大破碎力计算公式的建立及机架的受载分析 co，oo，和。s0036伽时：蜀=；譬晶旱黼 ( 7 0 。，1 7 0 。 时：k i = 1 矿( 2 5 0 0 3 5 0 0 1 时：k l = 0 删，吣= 揣黼 k n = i - k l 该公式为双腔颚式破碎机任意工作状态下，破碎腔有效破碎空间的量化计 算提供了依据和方法。 由于破碎力是破碎机各零部件强度设计的主要参数，所以在设计时应以最 大破碎力为依据。由上面的分析可知，最大破碎力出现在当一个破碎腔完全进 行物料破碎而另一个腔完全进行排料时，此时完全破碎物料的破碎腔的有效破 碎空间系数为l ，而另一个为0 。 2 2 最大破碎力计算公式的建立 2 2 1 最大破碎力计算公式的初步建立 破碎力的大小与很多因素有关，我们考虑下几个主要方面咿1 ，采用分析法 逐步建立最大破碎力的计算公式。 ( 1 ) 物料破碎方式物料破碎方式有多种形式，如；压碎、劈碎、弯曲折 断、磨擦破碎、冲击破碎等，在实际破碎工况中，往往是两种或多种受力状态 同时发生。颚式破碎机由于齿板的作用，使物料处于拉应力状态，所以在此把 拉应力作为主要破碎应力。 ( 2 ) 物料的颗粒形状通常在计算破碎力时往往把物 料的形状假设为球状，而实际破碎的物料形状则多为立方体 状或多面体状，所以为更接近实际工况，我们把物料形状设 为立方体状，见图2 _ 4 。 图中f 为施加在物料上的破碎力；n 为齿板相邻两齿间r 的距离；m 为立方体物料的边长；该立方体为破碎的基本 单元，m = 2 n 。图2 4 物料受力简图 ( 3 ) 破碎腔的有效破碎空间 由2 1 2 节的内容知，在破碎行程中，一个腔完 中南丈学硕七学位论文第一二章最大破碎力计算公式的建立及机架的受载分折 全参与破碎，另一腔完全进行排料。所以当最大破碎力出现时，必定有一个腔 的有效破碎空间系数为1 。 ( 4 ) 齿板的有用面积设齿板长为日，宽为b ，则齿板的有用面积为： s = k l h b ( 2 1 6 ) 式中：k l 为齿板的有用面积与实际面积的比值，k t = o 8 o 8 5 t 删。 ( 4 ) 物料性质不同物料的抗拉、抗压强度不样，使其破碎产生的破碎 力也是不一样的。所以破碎力计算公式中应包含物料力学性质的参数抗拉 或抗压强度，二者之间有如下关系： 仃，= k 2 盯口 ( 2 1 7 ) 式中：q 为物料的抗拉强度；盯。为物料的抗压强度；k ：为折算系数， k 2 = 1 1 5 1 2 6 ，一般小型破碎机取小值，中大型破碎机取大值，在此取 k 2 = 1 2 2 。 综合考虑以上因素，分析单颗粒物料在如图2 3 受力条件下，内部产生的拉 应力为： 一m 罂 (218)ot w 亨 心一 则单颗粒物料破碎所需破碎力为： f ：o r t m ( 2 1 9 ) 3 竹 在主破碎行程中，整个破碎腔产生的破碎力合力即最大破碎力为： p = 等竽= j 2 k i t y t h b mj 一 。 j 或p = 一 - - k l 盯8 册 ( 2 2 0 ) 在主破碎行程的实际工况中，整个破碎腔破碎物料的程度不尽相同，如有 的腔段进行物料压实，有的腔段进行物料破碎，对物料作用程度的不同则产生 不同大小的破碎力，为此需在破碎力计算公式中乘上一个修正系数眨。至此初 步建立如下的最大破碎力计算公式： p = 去f i r 口h b k ( 2 2 1 ) 式中：p 最大破碎力( n ) ： 盯口物料的抗压强度( m p a ) ： 1 6 中南大学硕士学付论文第二章晟大破碎力计算公式的建立及机架的受载分析 日齿板长度( m m ) ； 8 齿板宽度( 蚴) ； k 有效破碎系数，k = k 。k 3 0 8 5 ，确切值待定。 2 2 2 有效破碎系数k 的实验确定 双腔颚式破碎机最大破碎力计算公式的正确建立，需要理论联系实际确定 有效破碎系数k 的值。在此以2 p e 2 5 0 x 7 5 0 型双腔颚式破碎机的左定颚轴为对 象，首先理论计算该轴在左破碎腔完全破碎物料时的受力大小，然后与实验计 算结果相等，从而求出有效破碎系数的取值，最终确立最大破碎力计算公式。 i 最大破碎力的计算及其作用位置的确定 双腔颚式破碎机2 p e 2 5 0 x 7 5 0 的齿板长h = 7 5 0 r a m ，宽b = 7 5 0 m m ，选取 与后面第四章实验中相同的破碎物料，其抗压强度盯。= 1 1 7