（机械设计及理论专业论文）颚式破碎机的结构分析与减重优化研究.pdf

y 丫lli11i7i113llh7ll17flll8flll3ful 丫17 3 7 7 8 3 广西大学学位论文原创性声明和学位论文使用授权说明 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究 成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮 助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 做作者签名：弓1 蝴 计，o 年多月日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文的研究内容； 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文： 在不以赢利为目的的前提下j 学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择 发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 黼司嘲翩躲值卜竹日 颚式破碎机的结构分析与减重优化研究 摘要 颚式破碎机由于结构简单、工作可靠、适应性强、成本低等优点广泛 应用于冶金、矿山、化工、建材等行业，是理想的粉碎机械。当今颚式破 碎机的设计大多依据传统经验结论而不是科学的计算方法进行的，采用这 种传统的设计方法，很难设计出既经济又满足强度和刚度要求的颚式破碎 机。在当前经济危机的大环境下，破碎机企业要生存和发展、要缩短差距 和赶上世界先进水平，在满足强度和刚度的条件下对颚式破碎机进行基于 有限元理论的结构分析与减重优化具有重要意义。 本文结合p e 一6 0 0 x 9 0 0 颚式破碎机的结构特点和实际工况，主要探讨了 在最大破碎力工作状况下，颚式破碎机的机架、动颚、飞轮和皮带轮的强 度、刚度的分布情况a 找出强度和刚度富裕和不足的部位，然后利用有限 元理论和参数化建模方法，进行在保证原有机器性能不下降前提下的减重 优化研究。 首先，研究颚式破碎机工作机构的特性并结合物料破碎理论建立静态 时的最大破碎力公式，并计算出粉碎玄武岩时的最大破碎力。结合理论力 学和几何知识，分别算出在最大破碎力时作用在机架、动颚、偏心轴、飞 轮和皮带轮上力的大小和方向，为后续的颚式破碎机静力分析做好铺垫。 其次，为了提高建模精度以及有限元分析效率，利用a p d l 语言采用 参数化建模的方式分别建立了机架、动颚、飞轮和皮带轮的实体模型，再 进行实体模型的网格划分、加载、求解，从而得到等效应力云图和合位移 云图，为后续的基于有限元理论的优化研究提供参考。在建立飞轮和皮带 轮的实体模型前，去掉平衡块，在优化结束后再根据系统的平衡算出平衡 块的尺寸。 气 v 最后，根据得到的颚式破碎机各部件的强度和刚度结果，设定合理的 优化参数，利用a n s y s 软件的优化模块，在保证各部件原来性能不下将的 前提下，找到了各自理想的优化结果，为企业降低成本和提高竞争力提供 参考。 关键词：颚式破碎机减重优化有限元法转动惯量系统平衡 h t h es t u d yo fs t r u c t u r a la n a l y s i sa n d o p t i m i z a t i o no fw e i g h tl o s s a b o u tj a wc r u s h e r a b s t r a c t j a wc r u s h e rt h a ti ss i m p l es t r u c t u r e ，r e l i a b l e ，a d a p t a b l ea n dl o wc o s ti s w i d e l yu s e di nm 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 gm a t e r i a l si n d u s t r ya n d t h ei d e a lg r i n d i n gm a c h i n e i nn o w a d a y sm o s to ft h ed e s i g na b o u tja wc r u s h e ri s b a s e do nt r a d i t i o n a le x p e r i e n c ec o n c l u s i o n sr a t h e rt h a nas c i e n t i f i cc a l c u l a t i o n m e t h o d s u s i n g t h et r a d i t i o n a ld e s i g nm e t h o d s ，i ti sd i f f i c u l tt od e s i g n e c o n o m i c a lja wc r u s h e rt om e e tt h er e q u i r e m e n t so fs t r e n g t h i nt h ec u r r e n t e n v i r o n m e n to fe c o n o m i cc r i s i s ，i ti ss i g n i f i c a n tf o rc r u s h e re n t e r p r i s e st o s t r u c t u r a la n a l y s i sa n do p t i m i z a t i o no fw e i g h tl o s sb a s e do nf i n i t ee l e m e n t t h e o r yt om e e tt h es t r e n g t ha n ds t i f f n e s si no r d e rt os u r v i v a la n dd e v e l o p m e n t ， a n dt os h o r t e nt h eg a pa n dc a t c hu pw i t ht h ew o r l da d v a n c e dl e v e l i nt h i sp a p e r , c o m b i n i n gw i t ht h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c so fp e - 6 0 0 x9 0 0 ja wc r u s h e r , t h ed i s t r i b u t i n gs i t u a t i o no fs t r e n g t ha n ds t if f n e s sa b o u tf r a m e w o r k ， m o b i l ej a wb o d y , f l y w h e e la n dp u l l e yo fj a wc r u s h e ra r ed i s c u s s e dw h e nj a w c r u s h e rw o r k so nt h em a x i m u mb r e a k i n gf o r c es t a t e p a r t so fa f f l u e n c ea n dl a c k a b o u ts t r e n g t ha n ds t i f f n e s sa r ef o u n d ，a n do p t i m i z a t i o no fw e i g h tl o s si sc a r d e d o nt oe n s u r et h ep e r f o r m a n c eo ft h eo r i g i n a lm a c h i n ed i dn o tf a l lb yf i n i t e e l e m e n tt h e o r ya n dp a r a m e t r i cm o d e l i n gm e t h o d f i r s to fa l l ，t h es t a t i cm a x i m u mc r u s h i n gf o r c ef o r m u l ai se s t a b l i s h e db y s t u d y i n gc h a r a c t e r i s t i c s o fw o r ko r g a n i z a t i o na b o u tja wc r u s h e ra n dc r u s h i n g t h e o r yo fm a t e r i a l ，a n dt h em a x i m u mb r e a k i n gf o r c e i sc a l c u l a t e dw h e ni t c r u s h e sb a s a l t t h e na c c o r d i n gt ot h ek n o w l e d g eo ft h e o r e t i c a lm e c h a n i c sa n d 1 1 1 f 一。v ，v - 。 、r g e o m e t r y , s i z ea n dt h ed i r e c t i o no ff o r c ea b o u tf r a m e w o r k ，m o b i l ej a wb o d y , f l y w h e e la n dp u l l e yi sc a l c u l a t e dw h e nm a x i m u mc r u s h i n gf o r c ei n t e r a c t s s oi t p a v e sw a yf o rs t a t i ca n a l y s i so f j a wc r u s h e r s e c o n d l y , i no r d e rt oe n h a n c em o d e l i n ga c c u r a c ya n de f f i c i e n c yo ff i n i t e e l e m e n ta n a l y s i s ，a p d ll a n g u a g ei su s e dt oe s t a b l i s ht h es o l i dm o d e lo f f r a m e w o r k ，m o b i l ej a wb o d y , f l y w h e e la n dp u l l e y t h e n ，t h ev o nm i s e ss t r e s s p a t t e r n a n dt h e d i s p l a c e m e n t v e c t o rs u mp a t t e r no ft h e ma r eo b t a i n e db y m e s h i n g ，l o a d i n g ，s o l v i n g s oi tc a np r o v i d er e f e r e n c ef o ro p t i m i z a t i o nr e s e a r c h b a s e do nf i n i t ee l e m e n tt h e o r y b u tb a l a n c eb l o c ko ff l y w h e e la n dp u l l e ya r e r e m o v e db e f o r es o l i dm o d e lo ft h e ma r ee s t a b l i s h e d t h e n ，t h es i z eo fb a l a n c e b l o c ki sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fs y s t e mb a l a n c ea f t e ro p t i m a l d e s i g ni so v e r f i n a l l y , a c c o r d i n gt ot h er e s u l t so fs t r e n g t ha n d s t if f n e s sa b o u tt h ev a r i o u s c o m p o n e n t so fja wc r u s h e r , o p t i m a lp a r a m e t e r sa r es e t t h e n ，o p t i m a lr e s u l t so f t h e ma r ef o u n dt oe n s u r et h ep e r f o r m a n c eo ft h eo r i g i n a lm a c h i n ed i dn o tf a l lb y + o p t i m i z a t i o nm o d u l eo fa n s y s s o i tc a np r o v i d er e f e r e n c ef o re n t e r p r i s e st o r e d u c ec o s t sa n de n h a n c ec o m p e t i t i v e n e s s k e yw o r d s ：j a wc r u s h e r ；o p t i m i z a t i o no fw e i g h tl o s s ；f e m ； m o m e n to fi n e r t i a ；t h eb a l a n c eo ft h es y s t e m i v l v 矿 事 弋 目录 第一章绪论1 1 1 课题研究的目的及意义。1 1 2 颚式破碎机的国内外研究现状。2 一2 1 3 本课题主要研究内容3 第二章颚式破碎机的力学分析5 2 1 颚式破碎机的工作原理5 2 2 颚式破碎机机架和动颚的力学分析6 2 2 1 颚式破碎机的最大破碎力：。6 2 2 2 颚式破碎机机架前墙的力学分析8 2 2 3 颚式破碎机动颚、肘板和偏心轴的力学分析9 2 2 4 颚式破碎机机架轴承座的受力分析1 2 2 2 5 颚式破碎机动颚齿板的受力分析：1 4 2 2 6 颚式破碎机受力分析汇总1 4 2 3 本章小结1 4 第三章颚式破碎机机架和动颚的有限元静力分析1 6 3 1 有限元单元法的基本理论_ 1 6 3 1 1 弹性力学基本控制方程一1 6 3 1 2 弹性力学的有限单元法18 3 2 颚式破碎机机架和动颚的初步有限元静力分析1 9 3 2 1 颚式破碎机机架的有限元静力分析2 0 3 2 2 颚式破碎机动颚的有限元结构分析2 4 3 3 本章小结- 2 8 第四章颚式破碎机机架的参数化优化设计2 9 4 1 颚式破碎机机架的参数化建模2 9 4 1 1 参数建模的意义2 9 4 1 2 颚式破碎机机架的参数化建模2 9 v 彳 r 、， 、 k 4 2 颚式破碎机机架的优化设计3 3 4 2 1 结构优化的数学模型3 3 4 2 2 颚式破碎机机架优化的数学模型3 4 4 2 3 颚式破碎机机架优化方法的选择3 5 4 2 4 颚式破碎机机架的结构优化设计一3 5 4 2 5 颚式破碎机机架优化后取整以及优化前后结果比较3 7 4 3 本章小结：3 9 第五章颚式破碎机动颚的减重优化设计4 0 5 1 颚式破碎机动颚的参数化建模4 0 5 1 1 参数建模的意义4 0 5 1 2 颚式破碎机动颚的参数化建模4 0 5 2 颚式破碎机动颚的减重优化设计4 2 5 2 1 减重优化的数学模型：4 3 5 2 2 颚式破碎机动颚优化的数学模型4 3 5 2 3 颚式破碎机动颚优化方法的选择一4 4 5 2 4 颚式破碎机动颚的结构优化设计4 5 5 2 5 颚式破碎机动颚优化后取整以及优化前后结果比较4 5 5 3 本章小结j 4 8 第六章颚式破碎机飞轮和皮带轮的轻量化设计4 9 6 1 颚式破碎机飞轮的初步有限元静力分析4 9 6 2 颚式破碎机飞轮的参数化建模5 2 6 2 1 参数建模的意义5 2 6 2 2 颚式破碎机飞轮的参数化建模5 3 6 3 颚式破碎机飞轮的轻量化设计5 4 6 3 1 结构优化的数学模型5 4 6 3 2 颚式破碎机飞轮优化的数学模型5 5 6 3 3 颚式破碎机飞轮优化方法的选择。5 6 6 3 4 颚式破碎机飞轮的轻量化设计5 6 6 3 5 颚式破碎机飞轮优化后取整以及优化前后结果比较5 7 6 3 6 颚式破碎机飞轮改腹板式5 8 v i 0 ， 0 6 3 7 颚式破碎机腹板式飞轮孔的优化6 0 6 4 颚式破碎机皮带轮的轻量化设计6 3 6 4 1 颚式破碎机皮带轮的初步结构分析6 3 6 4 2 颚式破碎机皮带轮改腹板式( 带孔) 的有限元静力分析6 6 6 5 本章小结6 9 第七章颚式破碎机的平衡：7 l 7 1 偏心轴偏心部分的惯性半径7 l 7 1 1 偏心轴安装轴承部分的月牙形部分惯性半径7 2 7 1 2 偏心轴安装轴承部分的滚动轴承部分的惯性半径。7 2 7 1 - 3 偏心轴不安装滚动轴承部分偏心部分的惯性半径7 3 7 2 偏心轴偏心部分的质量7 4 7 2 1 偏心轴安装轴承部分的月牙形部分的质量7 4 7 2 2 偏心轴安装轴承部分的滚动轴承部分的质量：7 5 7 2 3 偏心轴不安装滚动轴承部分的月牙形部分的质量7 5 7 3 偏心轴偏心部分的离心力7 5 7 4 皮带轮和飞轮弓形平衡块尺寸的确定7 5 7 4 1 平衡块的惯性半径一7 6 7 4 2 弓形平衡块的离心力7 7 7 5 飞轮、皮带轮和偏心轴组成系统的离心惯性力平衡计算7 8 7 6 飞轮、皮带轮和偏心轴组成系统的力矩平衡计算7 9 7 7 飞轮和皮带轮加弓形平衡块后与原来轮辐式飞轮和皮带轮的比较k 7 9 7 8 本章小结8 2 第八章全文总结与展望一8 3 8 1 全文总结8 3 8 2 展望一8 5 参考文献8 6 致 射9 0 攻读学位期间发表学术论文。9 1 v h 寿 i r 广西大掌硕士学位论文颚式破碎机的结构分析与减重优化研究 1 1 课题研究的目的及意义 第一章绪论 本课题来源于广西南宁市科技项目( 2 0 0 9 0 1 0 2 4 a ) 。 改革开放3 0 年以来，我国矿山机械制造业经历了引进消化吸收国外先进技术、合 作设计、合作制造、自主设计的发展道路，特别是在实施国务院关于加快振兴装备制 造业若干意见的推动下，矿山机械制造业基本实现了两大转变：一是产品开发由仿制 型向自主创新型转变；二是经济运行由粗放型向效益型转变。2 0 0 0 年以来，在国内基础 工业和基础建设大发展的拉动下，矿山机械产品市场需求旺盛，工业总产值和销售额年 增长稳定在3 2 - - , 4 0 。但我国矿山机械总体与国际先进水平相比要落后1 5 - - 2 0 年。 在达到上世纪9 0 年代和当代国际先进水平的产品中，其技术来源大多为上世纪8 0 年代 中期以后引进国外先进技术和与国外技术合作下，经不断的消化、吸收、改进的产品。 国内市场矿机产品的市场占有率不足8 0 ，在进口的产品中大多为大、精、尖和成套性 很强的产品，这为矿山机械的研究创造了难得的发展机遇。 粉碎是矿物加工中不可缺少的一种工艺过程，粉碎的任务是提供具有一定粒度、 粒度组成和充分解离而又不过粉碎的加工原料，以便下一步的加工、处理和使用。伴 随近年来工业技术的发展，在新材料的出现和新用途拓展的同时，物料破碎也在增大。 至1 2 0 0 8 年全国矿石采掘总量己迟8 2 0 5 亿吨【2 j ，不难想象，将这些矿石粉碎所需要的粉 碎机械是多么的多。 颚式破碎机类型很多，但得到广泛应用的还是传统颚式破碎机。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，所生产的破碎机品种规格有2 0 个以上，全国 年产量约1 万台，所生产的破碎机结构不尽合理，强度不足又浪费材料。 据德国g e o r gu n l a n d 和p i o t rs z c z e l i n a 介绍，目前颚式破碎机的设计是根据传统的 经验结论，而不是科学的计算方法进行的【3 】，都是按经验确定各个部件的形状和尺寸。 采用这种设计方法，很难设计出既经济又满足强度和刚度要求的颚式破碎机。在当前 经济回暖的大环境下，特别是在建设节约型、环境友好型社会的要求下，破碎机企业 要生存和发展、要缩短差距和赶上世界先进水平，在满足强度和刚度的条件下对颚式 破碎机进行基于有限元理论的结构分析与减重优化研究具有重要的意义。 广西大学硕士掌位论文颚式破碎机的结构分析与减 i t 优化研究 善 。， 1 2 颚式破碎机的国内外研究现状 第一台颚式破碎机是由美国人e w 布莱克( b l a k e ) 在1 8 5 8 年发明的【4 1 ，至今已有 1 5 0 余年的历史。在人们长期的技术积累和探索过程中，不断的对其改进和完善，从而 使其更加的合理、经济、适用【5 。7 1 。 颚式破碎机由于结构简单、工作可靠、适用性强等优点，得到广泛应用。其缺点 是非连续性破碎、效率较低、给矿不均匀、颚板磨损严重等。特别是国内的颚式破碎 机同国外的同型号破碎机相比机重要重，国内的很多专家学者对破碎机从理论上、零 部件上以及整机都做了深层次的研究和探讨，特别是做了有限元分析，为颚式破碎机 的优化研究做好了铺垫。 对破碎机新理论和新计算方法的研究。上世纪8 0 年代以来，设备研究所的王宏勋 教授提出了“工态啮角 的概念，并用此概念开发出了肘板下置式高效、低磨损曲线 破碎腔的单肘板颚式破碎机，该机与原颚式破碎机相比工作能力提高了2 0 一5 0 ， 齿板寿命提高了近2 倍【l 引。1 9 9 7 年原中南大学的刘胜秋根据测试、观察和分析推导出 了最大破碎力作用点位置的计算公式，同时得出复摆颚式破碎机最大破碎力的作用点 在破碎腔定颚板的2 3 处，而最大破碎力大多发生在破碎腔定颚板高度的0 3 5 旬6 5 处 1 9 1 。2 0 0 1 年湖南工业学校的任红英采用优化数学模型设计颚式破碎机的主要结构参 数，提出了优化解法得到优化解，应用到生产后取得了明显的经济效益1 2 0 1 。2 0 0 7 年上 海交通大学机械与动力工程学院的博士研究生黄冬明提出了层压破碎理论为研制开发 具有完全自主知识产权的新型、高效、节能和环保的现代高能挤压类破碎机奠定了理 论基础【2 l j 。2 0 0 9 年天津天铁冶金集团有限公司石灰石矿的卢利新针对颚式破碎机衬板 使用周期短、破碎生产时粉尘污染严重的原因提出了优化改进，取得了很好的效果【2 2 1 。 对复摆颚式破碎机零部件的研究。1 9 9 6 年原太原重型机械学院的郭亚兵和李宝均 对朋一4 0 0 x 6 0 0 型破碎机机架做了有限元分析与计算，使机架的重量减少了1 4 ，为其 它型号的破碎机的生产提供参考【2 3 1 。1 9 9 9 年同济大学的戴少生提出了用偏心轴月牙形 部分的惯性半径代替传统的用偏心轴偏心距做惯性半径的做法，将机构平衡系统的平 衡计算提高到一个更精确的水平，为减少机器震动作出了贡献【2 4 1 。2 0 0 5 年江西理工大 学的丁凌荣等对复摆颚式破碎机的调整座做了有限元优化设计与分析，优化后得到了 合理的结构尺寸，同时强度增加，应力集中得到改善，体积下降了2 【2 5 1 。2 0 0 7 年2 月 北京科技大学的江涛利用有限元理论对复摆颚式破碎机动颚优化设计，再对其进行模 2 i k 广西大掌硕士掌位论文 颚式破碎机的结构分析与减重优化研究 态分析以验证优化对结构的影响，取得了很好的效果【2 6 1 。2 0 0 7 年6 月广西工学院的罗红 萍副教授利用m a t l a b 的优化功能计算出了破碎机机构平衡重的大小和位置，机构的不 均匀性减少，机器及基础所受的振动降到最低，从而提高了整机的综合性能【2 7 1 。2 0 0 8 年1 1 月江南大学的吕廷对破碎机的机架作了基于a n s y s 的模态分析，找到了机架容易 疲劳破坏甚至断裂的原因，为改进和提高机架的寿命提供了理论依据，同时为深入研 究振动、疲劳和噪音奠定了基础【2 引。2 0 0 9 年中南大学的硕士研究生李磊运用模糊随机 理论对颚式破碎机动颚齿板的受力情况进行了分析，利用a n s y s 软件对齿板进行了计 算和优化，从而降低了齿板的应力集中、延长了寿命、节约了制造成本和破碎物料的 能耗【2 9 1 。 一 1 3 本课题主要研究内容 本文根据颚式破碎机的工作原理及结构特点，分别对颚式破碎机的机架、动颚、 飞轮和皮带轮的受力特性进行系统的分析研究，然后利用有限元理论对各个部件分别 作减重优化研究，从而得到了理想的结果。 具体研究内容如下： 1 以p e 6 0 0 9 0 0 型复摆颚式破碎机为例，运用理论力学的知识，研究其工作机 构的特性并结合物料破碎理论建立静态时的最大破碎力公式，算出当其粉碎硬矿石一 玄武岩( 抗压强度t r n = 2 5 0 m p a ) 时的最大破碎力； 2 结合理论力学和几何知识，分别算出在最大破碎力作用时机架、动颚、定颚、 偏心轴、肘板、后支座、机架轴承座等处力的大小和方向； 3 利用有限元软件一a n s y s 及a p d l 参数化设计语言，分别对p e 6 0 0 9 0 0 颚式 破碎机的机架、动颚、飞轮和皮带轮建立参数化模型。模型建好后进行有限元分析， 观察颚式破碎机的机架、动颚、飞轮和皮带轮的受载特性和应力分布规律，并分析现 有结构的强度、刚度是否存在富裕或不足； 4 根据对p e 6 0 0 9 0 0 型复摆颚式破碎机机架、动颚的有限元分析结果，有针对 性的设定优化参数，然后对其分别进行在满足强度和刚度条件下的优化研究，从而找 到适合工程应用的理想结果； 5 在对飞轮和皮带轮优化前，首先去掉其上的平衡块，然后再根据有限元分析结 广西大学硕士学位论文 颚式破碎机的结构分析与减重优化研究 果进行在满足强度、刚度和转动惯量条件下的轻量化设计，但在轻量化设计过程中发 现轮辐式飞轮和皮带轮仍不是理想的结果，所以改飞轮和皮带轮为腹板式再进行轻量 化设计从而找到适合工程应用的理想结果。最后再根据机械的平衡理论对飞轮、皮带 轮和偏心轴组成的系统进行平衡计算，从而确定平衡块的尺寸。 4 j 广西大学硕士学位论文 颚式破碎机的结构分析与减 i t 优化研究 第二章颚式破碎机的力学分析 颚式破碎机具有结构简单、工作可靠、实用性广等特点，广泛用于冶金、建材、 矿山、化工、煤炭、电力等工业部门。由于颚式破碎机体积和质量都很大，要对每个 零部件都进行力学分析是不可能的，所以选取颚式破碎机质量较大的机架、动颚、飞 轮和皮带轮为研究对象。 2 1 颚式破碎机的工作原理 图2 - 1 颚式破碎机的结构示意图 f i g 2 1 t h es t r u c t u r a ld i a g r a mo f j a wc r u s h e r 如图2 1 所示是阳一6 0 0 x 9 0 0 颚式破碎机的结构示意图，定颚固定在机架的前壁 上，动颚通过轴承直接悬挂在偏心轴上，偏心轴由皮带轮带动旋转，动颚下端通过肘 板和固定在机架的支座相连。当电机转动时带动皮带轮转动，同时偏心轴带动动颚转 动；动颚一方面对定颚作往复摆动，同时还顺着定颚有很大程度的上下运动。 颚式破碎机在工作工程中，动颚顶部的水平摆幅约为下部的1 5 倍，而垂直摆幅 稍小于下部，就整个动颚而言，垂直摆幅为水平摆幅的2 3 倍。由于动颚的上部的水 平摆幅大于下部，保证了颚腔上部的强烈粉碎作用，大块物料在上部容易破碎，从而 整个颚板破碎作用均匀，有利于生产能力的提高。同时动颚向定颚靠拢，借压碎作用 j 、l 广。西大学硕士掌位论文 预式破碎机的结构分析与减重俄1 七研究 破碎物料，在挤压物料的过程中，顶部各点还顺着定颚向下运动，又使物料能更好的 夹持在颚腔内，促进物料尽快的排出。 2 2 颚式破碎机机架和动颚的力学分析 在对颚式破碎机机架和动颚力学分析前，首先要根据物料的粉碎方法、物料的颗粒 形状假设、齿板的结构特点以及力学计算公式求出最大破碎力【3 0 。7 1 ，再根据几何关系分 别求出作用在机架和动颚的相关力。 2 2 1 颚式破碎机的最大破碎力 一 颚式破碎机最大破碎力的计算方法可概括为两种：第一种是根据破碎功或电动机功 率，结合破碎机的结构特点，推导出最大破碎力理论计算公式；第二种是根据实验推导 出最大破碎力的计算公式。由于破碎力与很多因素有关，无论采用破碎力的理论计算公 式，还是按实验数据推导出计算公式，计算出的都是近似值。但实验数据推导出的计算 公式受很多不定因素的干扰，故本文采用破碎功结合破碎机的结构特点推导出破碎机的 最大破碎力。其计算步骤如下【3 8 】： 1 物料的形状 为更接近实际工况把破碎机所破碎的物料的形状假设为立方体。图2 2 中f 为施加 在物料上的破碎力；n 为齿板相邻两齿间的距离；m 为立方体物料的边长：该立方体为 破碎的基本单元，其中m 2 2 n 。 f 1r jl 1 r 图2 2 物料破碎示意图 f i g 2 - 2 c r a s h i n gd i a g r a mo fm a t e r i a l 6 m 、 - - 西大学硕士学位论文 预式破碎机的结构分析与减重优化研究 下： 2 齿板的有用面积 设齿板高为h ，宽为b ，则齿板的有用面积为：s - k 。h b ( 2 1 ) 式中：k 。为齿板的有用面积与实际面积的比值，k = 0 8 - - 0 8 5 1 3 9 1 。 3 物料性质 根据物料的物理性质可知破碎力计算公式中应包含抗拉或抗压强度，二者关系如 、o i = k 2 0 - 8 ( 2 2 ) 式中：q 为物料的抗拉强度；为物料的抗压强度；疋为折算系数，= l 1 5 1 2 6 p 9 1 ，本文取k = 1 1 9 。 综合考虑以上因素，分析单颗粒物料在如图2 3 所示的受力条件下，内部产生的拉 应力为： q = 芳= 熹其中：m = 等，w 一等 则挤碎单颗颗粒物料所需破碎力为： f ：2 t r i m 2 3 在破碎机挤碎物料时破碎力的合力即为最大破碎力为： ( 2 3 ) ( 2 - 4 ) 尸= 孕等= 争q 珊或尸= - 刍7 k i o b h b 协5 ) 在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大小不同的破碎力， 为此需在破碎力计算公式中乘上一个修正系数丘。至此初步建立如下的最大破碎力计 算公式： 尸= - 寺7o bhbk(2-6) 式中：p 一最大破碎力( n ) ； o r b 一物料的抗压强度( m p a ) ； h 一齿板长度( m m ) ；b 一齿板宽度( m r n ) ； l 卜有效破碎系数，k = k l x k 3 o 8 5 。 7 毫 、 广西大掌硕士掌位论文 颚式破碎机的结构分析与减1 1 优化研究 4 最大破碎力计算公式的确立 参考双腔颚式破碎机k = 0 7 5 1 3 s l ， 式破碎机最大破碎力计算公式： 结合单腔颚式破碎机的实际工况取k = 0 3 9 。得颚 p = 1 3 9 5 0 a 8 h b d ( 2 。7 ) 5 最大破碎力的计算 由最大破碎力的计算公式( 2 7 ) 可以看出，破碎力除与齿板的结构参数有关外， 还与破碎物料的抗压强度有关。颚式破碎机可用于破碎各种矿石，适用于破碎硬度为 1 5 0 - 2 5 0 m p a 的原料，不同矿石的性能差别很大，如致密石灰石的抗压强度为1 0 0 m p a ， 而硬矿石玄武岩的抗压强度可达2 5 0 m p a t 4 0 1 。破碎物料时不同对破碎机性能的要求也有 所不同，结合颚式破碎机的实际工况以及使用范围，在计算时应考虑到用硬矿石玄武岩 ( o r 8 = 2 5 0 m p a ) 进行针对性的研究和优化设计。 颚式破碎机p e 一6 0 0 x 9 0 0 的齿板长h = 1 3 8 0 m m ，宽b = 9 0 0 m m ，玄武岩的抗压强度 o r = 2 5 0 m p a 。求得最大破碎力： p ：旦邶：旦2 5 0 1 3 8 0 9 0 0 ：4 2 4 8 9 5 ( k n ) ( 2 8 ) 9 5 0 。9 5 0 破碎腔内的破碎载荷是齿板上的分布载荷，其合力即破碎力。经前人测试知，颚式 破碎机各机型的破碎力在腔内的分布及破碎力合力的作用点，在一个运动循环内沿腔高 的移动规律大致相同。在破碎过程中，破碎力的大小及作用点位置随偏心轴转角的变化 而变化。单腔复摆额式破碎机最大破碎力峰值的作用点在破碎腔卞部1 2 5 腔高处【4 。 2 2 2 颚式破碎机机架前墙的力学分析 如图2 3 所示a b 为定颚部分，c 为最大破碎力的反作用力p 在定颚齿板上的作用 点位置，p 与定颚齿板垂直，由作用力反作用力性质知p 。= p - 4 2 4 8 9 5 k n 。 根据对颚式破碎机的实验和对破碎板磨损情况的分析知，最大破碎力都是垂直作用 于定颚和动颚的破碎齿板上，其作用点的位置：对复摆颚式破碎机，最大破碎力大多发 生在破碎腔定颚齿板高度的0 3 5 - - - 0 6 5 处【1 9 】。 由于定颚高度h = 1 3 8 0 m m ，宽b = 9 0 0 m m 所以最大破碎力的作用面积： s = hx ( o 6 5 - 0 3 5 ) b = 13 8 0 x ( o 6 5 0 3 5 ) x9 0 0 = 3 7 2 6 0 0 ( r a m ) 2 ( 2 - 9 ) 8 k 图2 4 颚式破碎机在最大破碎力时的机构示意图 f i g 2 4m e c h a n i s md i a g r a mo f j a wc r u s h e r w h e nt h em a x i m u mc r u s h i n gf o r c e 9 广西大学硕士掌位论文 颚式破碎机的结构分析与减重优化研究 1 颚式破碎机在最大破碎力时肘板作用力方向的分析 根据颚式破碎机破碎力的变化规律知，在一个破碎运动循环中破碎过程发生在主轴 转角为6 0 。2 4 0 。之间( 主轴偏心轴垂直向下时为起始位置) ，其余为排料过程。在破 碎过程中，破碎力的峰值对应于转角为1 5 0 。 - 1 6 0 。处，作用点位置沿定颚下端破碎腔 高度的1 5 1 2 倍的范围内移动。为了使破碎力最大值的计算更具有代表性，假设当 破碎腔内的最大破碎力出现时，摇杆正位于转角为1 5 0 。 - 1 6 0 。范围的中间位置，即转 角为1 5 5 。时。 画出颚式破碎机在最大破碎力时的机构运动简图如图2 - 4 所示。在图2 - 4 中 o c = 1 1 7 3 m m ，c d = 6 8 r a m ，a b = 1 3 9 8 r m ，o a = 1 9 m m ，d b = 4 6 0 r a m ，z a o c = 1 5 5 。，且o c 和c d 垂 直，图中a 点为动颚上端点在最大破碎力时的位置。 在a o a c 中由余弦定理求得a c - 1 1 9 0 2 5 r a m ，o c a = 0 3 8 6 。，从而么a c d - - 8 9 6 1 。； 在a c d 中由余弦定理求得a d = 1 1 9 1 7 3 r a m ，么a d c = 8 7 1 2 。，从而a d m = 9 2 8 8 。；在 a a d b 中由余弦定理求得a d b = 1 0 7 1 1 。，从而么b d m = 1 4 2 3 。；即求出当破碎机在最 大力时肘板与水平向右方向的夹角为- 1 4 2 3 。 2 破碎机在最大破碎力时动颚受力方向的分析 画出颚式破碎机在最大破碎力时的机构简图，并对其受力分析如图2 - 5 所示。 在图2 - 5 中a e 为动颚部分：e g 段为破碎腔部分；b 为摇杆对动额的作用力f 的作用位 置，作用力方向如图2 - 5 所示；h 为最大破碎力p ”垂直于动颚齿板的作用位置； d cs 1 1 7 3 r m ：c d = 6 8 r a m ：a b = 1 3 9 8 m m ：o a = 1 9 r a m ：d b = 4 6 0 r a m ：a g = 2 9 0 r a m ： b e = 2 9 2 m m ：么a o c = 1 5 5 。：么b d n = - 1 4 2 3 。；m 为a e 与x 轴的交点。 在图2 5 中由于么o d n = 93 3 。，所以o d b = 1 0 7 5 5 。：在0 d b 中由余弦定理求出 o b = 13 8 4 9 6 r a m ；在a o b 中由余弦定理可求出么o a b - - 4 6 3 8 。，在a o a m 中么a m o = 6 8 6 。 综上知：动颚a e 与x 轴正向的交角为1 1 1 3 8 。 3 颚式破碎机在最大破碎力时动颚及肘板的受力分析 动颚受力分析如图2 - 5 所示。 列平衡方程： ，= 0 ，0 一p ”s i n 6 8 6 2 。+ f c o s l 4 2