颚式破碎机运动分析.doc

摘 要颚式破碎机是较为理想的粉碎机械，目前广泛的应用在矿山，建材，化工和冶金等行业中，结构较为简单，工作可靠且适应性强。动颚具有很好的运动特性是保证颚式破碎机具有最佳性能的根本因素，本文破碎机的最佳运动特性是借助动力学仿真分析所得到的。MATLAB是由一系列的工具组成。它的用途，一方面方便了用户使用MATLAB中的函数及其文件，这其中很多的工具采用了图形界面，包括文件浏览器、MATLAB桌面与命令窗口、历史命令窗口、路径搜索与用于用户的浏览帮助以及编辑器与调试器。另一方面，随着MATLAB不断地商业化和软件本身在不断地升级，MATLAB的用户界面也越来越完善，更接近到Windows的界面，人机交互性变得更强大，操作更容易。最新的MATLAB提供了一套完整的帮助系统、在线查询，极大的方便了用户的使用。一个简单的编程环境提供了一个相对完整的调试系统，可以直接运行程序无需编译，并能对报告发生的错误及时地分析出出错的原因。本设计通过对复摆颚式破碎机进行运动学分析，提出了复摆颚式破碎机的数学模型，借助MATLAB优化工具箱求解。通过MATLAB计算求解机构的速度、加速度等运动参数。对影响产品性能的重要因素一动颚给定点的行程特性值进行研究。总结在颚式破碎机设计、使用和测试方面的经验，积累适合我国破碎机结构特点的试验资料和数据，建立破碎机性能数学模型以对破碎机性能进行分析，可达到改善颚式破碎机的机械性能，增加破碎机用户的经济效益，并缩短新型颚式破碎机的研发周期。对于提高成本的产量和质量，提高劳动生产率，减少设备投资，节约动力消耗，降低生产成本。也就是对于达到优质、高产、低耗具有重大意义。关键词：颚式破碎机，运动学分析，动颚上点的分析AbstractThe jaw crusher is an ideal crushing machinery, widely used in mining, building materials, chemical industry and metallurgy industry, relatively simple structure, reliable work and strong adaptability. The movable jaw has good movement characteristics is the guarantee of fundamental factors has the best performance of jaw crusher, the crusher of the best motion characteristics is obtained by means of the dynamic simulation analysis.MATLAB is composed of a series of tools. It uses, on the one hand is convenient for users to use function and the file MATLAB, which a lot of tools using a graphical interface, including the file browser, the MATLAB desktop and the command window, command history window, path search and user browsing for help and editor and debugger. On the other hand, with MATLAB continuously commercialization and the software itself constantly upgrade, the MATLAB user interface is becoming more and more perfect, more close to Windows interface, human-computer interaction becomes more powerful, more easy to operate. The MATLAB provides a complete set of help system, online query, greatly facilitate the users to use. A simple programming environment provides a relatively complete system debugging, you can run the program directly without the compiler, and to report the error to analyze the cause of the error.Through the design of the compound pendulum jaw crusher kinematics analysis, presents the mathematical model of the compound pendulum jaw crusher, with the help of MATLAB optimization toolbox to solve. Through MATLAB calculation mechanism velocity, acceleration motion parameters. Travel characteristic point to important factors move jaw affect product performance by studying the value.Summary of broken using and testing machine design, experience in the jaw, the accumulation of information and data for the crusher structure characteristics in China, established to analyse the performance of crusher crusher performance model, can achieve improved mechanical performance of jaw crusher, crushing machine to increase the economic benefit of users, and shorten the new jaw crusher development cycle. To improve the yield and quality of cost, improve labor productivity, reduce equipment investment, reduce energy consumption, reduce the production cost. It is of great significance to achieve high-quality, high yield, low consumption.Key words: Jaw Crusher, kinematics analysis on the moving jaw points analysisIII目 录第1章 绪 论51.1 选题的目的和意义51.2 国内外研究现状分析51.3 颚式破碎机简介61.3.1单摆颚式与复摆颚式比较7第2章 颚式破碎机结构及工作原理82.1结构组成82.2 工作原理92.3 机构特点92.4 本章小结9第3章 运动机构运动分析及MATLAB仿真103.1研究对象的结构参数103.2 机构自由度计算及杆组划分113.2.1 机构自由度的计算113.3运动状态分析113.3.2 速度分析123.3.3 加速度分析133.4 动颚体颚板上任意点K的位移、速度和加速度求解133.4.1位置分析133.4.2速度分析133.4.3加速度分析133.5 本章小结14第4章 利用MATLAB编制计算机程序154.1 MATLAB简介154.1运动状态仿真164.1.1机构运动的仿真164.1.2 MATLAB程序编辑164.1.3 MATLAB分析结果图184.1.4机构运动规律分析194.2 动颚体颚板上任意点K的位移、速度和加速度仿真204.2.1 MATLAB程序编辑204.1.3 MATLAB分析结果图224.3 运动规律分析244.4 本章小结24第5章 总结与展望255.1总结255.2 展望25参考文献26致 谢281第1章 绪论第1章 绪 论1.1 选题的目的和意义随着当代社会经济的飞速发展，各种金属、非金属矿等物料的社会需求量和生产规模日益扩大，需要破碎和粉磨的物料量迅速增加。90年代以来，全世界每年经破碎和粉磨的物料量达到100亿吨以上。我国脆性物料年产量大约己达到15亿吨，这些物料大部分都要经过破碎和研磨，由此可见破碎和粉磨在国民经济中发挥着巨大的作用。在加工矿石以及比较坚硬材料时，世界上大约有12%的电能用于粉碎物料，其中大约有15%用于破碎，85%以上消耗于磨碎，磨机的效率只有1%，而破碎机的效率达10%。与磨机相比，破碎机能耗低，金属消耗量小，运转维护简单，所以应尽可能实现“多碎少磨”。而影响颚式破碎机性能的因素有很多,包括破碎机结构因素、性能因素以及操作因素等。这些因素对颚式破碎机的性能如破碎机生产率、破碎产品粒度、破碎机能耗等又有着不同的影响。为此需建立颚式破碎机运动学仿真对颚式破碎机运动过程进行分析。 总结在颚式破碎机设计、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资料和数据，建立破碎机性能数学模型以对破碎机性能进行分析，可达到改善颚式破碎机的机械性能，并缩短新型颚式破碎机的研发周期。对于提高产品的产量和质量，提高劳动生产率，减少设备投资，节约能源消耗，降低生产成本。1.2 国内外研究现状分析国内主要研究工作如下所示：熊银根在颚式破碎机设计中运用多目标优化原理，建立了包括四个目标函数，十个决策变量和三十八个约束条件的设计模型，应用交互式加权大数规范代理函数求解方法分析的四个目标函数组成。把颚式破碎机的这种多目标的优化方法应用到语言程序中，可以在一般的电脑上使用。马云龙、田军、巫思荣膺用机械优化设计方法在计算机上对复摆颚式破碎机机构进行了优化，通过建立数学模型和反复计算，确定了较为理想的主要机构参数，提高了机器的生产效率和机械性能。张国旺提出了复摆颚式破碎机主要结构参数的优化数学模型，该模型的建立考虑了破碎机的啮角和整机优化设计并且通过上机计算，得到了让人满意的结果。李莉、冯士成对复摆颚式破碎机偏心轴以刚度、强度的可靠性为约束条件，重量为目标函数进行了优化设计，通过上机计算，得到了让人满意的结果。郭亚兵，李宝钧在复摆式颚式破碎机的结构特点及工作特性的基础上，建立了这种破碎机的工作结构和优化了它的数学模型，利用计算机对它进行了优化设计，使这种破碎机的特征系数更加合理。在此基础上，确定了活动齿板与固定齿板的合理的形状，与传统设计的破碎腔相比，它消除了堵塞问题，从而改善破碎机的整体性能和生产效率。国外主要研究工作如下所示：2009年，Saan K S,Satish C S,Gantanm K等利用矩阵对双辊式的破碎机工作过程进行了分析，建立了描述整机工作过程的模型，从而对整个破碎过程进行仿真与优化。2003年，Lindqvist M.Evertsson C M等人提出破碎机的磨碎是生产成本增加的重要原因，通过对衬板的磨损研究以及对破碎腔形状的分析来延长破碎机的使用寿命2010年，Olaleye B M等人对岩石的强度进行了分析和研究，找出了影响破碎机的性能的关键因素，利用计算机对其进行了优化设计，提高破碎机的效率。1.3 颚式破碎机简介颚式破碎机应用于很多部门，主要适用于破碎和研磨物料。按照进料口宽度大小来分为大、中、小型三种，进料口宽度大于600MM的为大型机器，进料口宽度在300-600MM的为中型机，进料口宽度小于300MM的为小型机器。颚式破碎机使用维修方便，工作可靠，制造容易，结构简单。它的工作部分是由两块颚板组成的，一块叫做固定颚板（定颚），垂直（或者上端外倾）地固定在破碎机的前壁上，另一块叫做活动颚板（动颚），位置倾斜，和固定颚板会形成上面大下面小的破碎腔（又称工作腔）。动颚对着定颚一直做周期性地往复运动，有时靠近，有时分开。当它分开时，原料将进入破碎工作腔，这时成品从下部全部卸出；当它靠近时，将使装在动颚和定颚之间的原料将受到挤压，使其受到弯折和劈裂从而导致破碎。目前颚式破碎机分为三种，分别是综合摆动式颚式破碎机简单摆动式颚式破碎机、复杂摆动式颚式破碎机和简单摆动式颚式破碎机，他们的活动颚板摆动方式不同。1.3.1单摆颚式与复摆颚式比较复摆式与简摆式相比较，其优点是：质量较轻，构件较少，结构更加的紧凑，而且破碎腔的内部也具有较好充满程度，所装物料能够受到较为均匀地加工，加上动颚的下端会强制性地推出成品，因此具有较高的生产率，比一般简摆式破碎机生产率将会高出20-30%；物料块在动颚下面会形成上下翻滚地运动，从而使成品呈立方体排除腔外，避免了像简摆式的产品一样形成片状成分，产品质量较好。简单的摆动式颚式破碎机和复杂的摆动式颚式破碎机工作原理很相似，动颚的运动轨迹有较大的差别。简单的摆动式颚式破碎机，因动颚是悬挂在支承轴上，所以当动颚作往复运动时，动颚上各点的运动轨迹都是圆弧形，而且水平行程上小下大，而以动颚的底部（排矿口处）为最大。由于落入破碎腔的矿石，上部均为大矿块，往往达不到矿石破碎所必需的压缩量，故上部的大块矿石，需反复压碎多次，才能破碎。破碎负荷大都集中在破碎腔的下部，整个颚板没有均匀工作，从而降低了破碎机的生产能力。同时这种破碎机的垂直行程小，磨剥作用小，排矿速度慢。但颚板的磨损较轻，产品过粉碎少。复杂摆动颚式破碎机，由于其动颚又是曲柄连杆机构的连杆，在偏心轴的带动下，动颚上点的运动轨迹近似椭圆形，椭圆度是上小下大，其上部则近似圆形。这种破碎机的水平行程正好与简摆颚式破碎机相反，其上部大下部小，上部的水平行程约为下部的1.5倍，这样就可以满足破碎腔上部大块矿石破碎所需的压缩量。同时整个动颚的垂直行程都比水平行程大，尤其是排矿口处，其垂直行程约为水平行程的3倍，有利于促进排矿和提高生产能力。实践表明，在相同条件下，复摆颚式破碎机的生产能力比简摆颚式破碎机高30%左右。15第3章 运动机构运动分析及MATLAB仿真第2章 颚式破碎机结构及工作原理2.1结构组成1机架2定颚3定颚板4边护板5动颚板6动颚7拉杆弹簧部分8肘板(推力板)9调整座lO偏心轴11飞轮12皮带轮13电动机2-1颚式破碎机结构图 如图2-1所示，图中的破碎机的结构是：电动机可以通过皮带轮及其三角皮带，将动力传给了皮带轮，带动了偏心轴地转动。动颚的上部内孔的两端的滚子轴承安装在偏心轴。偏心轴的外侧轴颈上面装着支座的主轴承，主轴承的外圈和机架上镗孔相连接，被固定在了机架的上面。在偏心轴的两外端装有一个小带轮和飞轮，用来缓解破碎机在工作的时候，主轴运转时速度的不稳定所带来的震动。动颚下部会由肘板来支撑，肘板另一端连接在与机架后面相连的机构上。排料口的尺寸被调整时，只需要调整一下调整座上面的螺栓和相应垫片就能达到目的。肘板两端头是同心圆柱面，且中部比两端薄。其同心圆弧和动颚及其调整座上面的衬垫相互接触，在工作时，他们之间为纯滚动，这样机器运转的效率将会被提高并会延长内部零件的寿命。 2.2 工作原理 颚式破碎机破碎作业会在两块颚板之间进行，其中定颚板就是固定在机架上的一块颚板，动颚板就是装在运动的动颚体上的一块表面为齿形的颚板。随着动颚板的周期性运动，完成了对物料进行破碎核物料的排出，所以颚式破碎机的工作腔腔由动颚边的护板、定颚及动颚所构成。动颚上各点的行程及其特性值决定了机器的性能好坏。水平方向的行程会产生破碎物料的压缩量，因为在破碎物料的时候，其形状越大，所需要的破碎压缩量也将越大，因此一般的破碎应该从进料口一直到排料口都是逐渐的减小。2.3 本章小结本章对颚式破碎机的结构组成及其工作原理进行了说明，分析颚式破碎机的结构特点并与其他的颚式破碎机进行了一些比较，得出：该破碎机虽然有结构简单、制造容易、工作可靠、使用维修方便、应用广泛等优点。第4章 利用MATLAB编制计算机程序第3章 运动机构运动分析及MATLAB仿真3.1研究对象的结构参数1机架2定颚3定颚板4动颚板5动颚6动颚肘板衬垫中心7肘板(推力板)8肘板支撑点9偏心轴10动颚轴承中心3-1颚式破碎机结构参数图图3-1示为颚式破碎机的结构图，这个破碎机是正悬挂式，机构主要尺寸结构的参数是：机架的位置角是3.3度，曲柄以角速度1=20rad/s转动，连杆（动颚的轴承的中心到肘板的衬垫中心）长度是1398mm，曲柄（偏心轴）半径是19mm，悬挂的高度是89mm，肘板的长度是460mm，肘板的支撑点的位置（与动颚中心的距离）是1175mm。3.2 机构自由度计算及杆组划分3.2.1 机构自由度的计算 如果想要使破碎过程过程是稳定的，必须要使颚式破碎机机构各构件的运动是确定的。然而机构要具有确定运动的条件就是机构的原动件的个数等于机构的自由度的数目。根据机械原理所学的知识一个低副会带来两个约束，也就是失去两个自由度，一个高副会带来一个约束，失去一个自由度。所以，在一个平面机构中，如果一个机构的活动构件数是，机构中共有个低副，个高副，那么这个机构便失去+个自由度，那么机构的自由度就是活动构件的自由度总数减去失去的自由度，用等式表达：=-。上图所示的机构中，我们可以清楚地看出，构件总数为以=3，低副数=4，高副数=0，可以求得该机构的自由度为=33-24=l。所以，这个机构是自由度为1的机构，因为颚式破碎机只有一个原动件曲柄，所以根据曲柄运动确定的，输出运动构件动平台的运动也是一定的，所以得出结论：颚式破碎机机构具有确定的运动。3.3运动分析机构的运动分析，就是按照已知的气势构件运动规律来确定机构中其他构建的运动。它的具体任务：一是求构件的位置；二是求构件的速度；三是求构件的加速度。3.3.1 位置分析颚式破碎机可以化简一个铰链四杆机构，这样会使它的运动分析大大简化。因此设OA是曲柄，AB是连杆，BC是摇杆(即破碎机肘板)，OC是机架。K为连杆上面的任意点，K的距离由K点到A点确定，K的夹角也就是AK与AB的夹角。为了对破碎机构进行运动分析，以动颚的轴承中心为原点建立直角坐标系，如图3-3所示。将各构件表示为杆矢。分别设1.是AK与AB的夹角，R是K点到A点的距离，OA、AB、BC、OC各杆的长度为l1、l2、l3、l4，各杆的角位移为1、2、3，机架的位置角为。如图3-3所示，由封闭图形OABCDO可写出机构各杆矢所构成的封闭矢量方程： 将上式封闭矢量方程投影在坐标轴上，得出： 上式是一个非线性方程组，直接求解比较麻烦，在这里借助几何方法进行求解，在图中连接一个直线le，由此得： 由上式解出为： 由此得： 解除2、3得： 3.3.2 速度分析对时间T求一次导数，得速度关系 若用矩阵形式来表示，则上式可写为解上式即可求得两个角速度2、2。3.3.3 加速度分析对时间求两次导数，可得加速度关系表达式3.4 动颚体颚板上任意点K的位移、速度和加速度分析3.4.1位置分析当求出2、2，2，3后，可以求连杆指定点K的位移、速度、加速度。K点的位移分量以xk,yk，为：3.4.2速度分析对时间T求一次导，可得K点的速度在坐标上的分量vx,vy为：若用矩阵形式来表示，则上式可写为3.4.3加速度分析对时间T求二次导数，可得加速度关系式：3.5 本章小结本章对颚式破碎机进行机构自由度运算及杆组划分，对其机构进行了运动规律的精确求解，得到了各构件的运动方程式，为后面求解四杆机构在一个运动周期内的运动规律曲线的求解奠定了理论基础。第5章 总结与展望第4章 利用MATLAB编制计算机程序4.1 MATLAB简介 MATLAB(矩阵实验室）是MATrix LABoratory的缩写，它是由美国 MathWorks公司所出品的一个软件。MATLAB是一种用于数据分析、数据可视化、算法开发以及交互式的环境和数值计算的高级技术的计算语言。除了数据图像、绘制函数、矩阵运算等常用功能外，MATLAB还可以创建它的用户界面与调用其它的语言（包括C，C+以及FORTRAN）来编写程序。4.2运动状态仿真4.2.1机构运动的仿真 针对四杆机构运动学进行理论分析时，假设该机构是在理想的条件下工作的，也就是把连接各构件的连接处存在的间隙和工作过程存在的摩擦等情况忽略不计，不考虑他们对机构运动规律产生的影响。所以，在曲柄转动一周的时候，曲柄的运动变化情况决定了四杆机构中各杆件的位置变化。通过第三章对四杆运动特性分析得到的各个杆件运动方程可以知道，若在四杆各个杆件的长度参数、机构的起始角位移等数据都已知的前提下，只要随意赋予曲柄的一个起始位置参数，通过对已知的机构杆件的位置方程来计算出机构其它各杆件的相应参数。在没有阻力矩作用的情况下，曲柄摇杆机构各杆件的长度值可设置为如表4-1。表3-1 曲柄摇杆机构各杆件的长度值连杆曲柄1连杆2摇杆3机架4长度（米）19139846011754.2.2 MATLAB分析结果图图4-1图4-2图4-34.2.3机构运动规律分析根据图4-1、图4-2、图4-3分析如下：当曲柄作匀速圆周运动时，连杆和摇杆的角速度、角加速度会出现最大值和最小值，最小值为0；角速度和角加速度都有正负两个方向。由图4-1，4-2，4-3所示：当从0到180时，的角位移一直增加，可以说明这是在进行排料过程。当从180到360时，的角位移一直减小，可以说明这是在进行挤压过程。当在150左右时，达到最小时，角速度达到最大，角加速度变为0，然后加速度方向发生变化，角速度也发生变化，由最大减小，最小增大。显示了曲柄摇杆机构的急回特性。4.3 动颚体颚板上任意点K的位移、速度和加速度仿真4.3.1 MATLAB分析结果图图4-1图4-2图4-3图4-44.4 运动规律分析动颚上的各点轨迹分布较为合理，它的水平行程沿动颚的颚板面由上至下逐渐减小，正好满足破碎大块物料时应该加大压缩量的要求，且排料时动颚的下端点会向下运动，从而促进排料口排料，提高了生产效率。它的动颚作复杂的平面运动，其上部的运动轨迹是近似于圆的椭圆形，沿破碎腔向下，动颚上各点的运动轨迹均为椭圆形4.5 本章小结本章节首先利用MATLAB对四杆机构各构件的运动方程进行了程序编写，求解得到了曲柄在工作速度20rad/min、一个运动周期内机构各杆件的位移、速度、加速度运动变化规律曲线图。然后对机构所具有的运动规律进行了分析，得到了颚式破碎机性能的影响方式和主要影响因素。第5章 总结与展望第5章 总结与展望5.1总结颚式破碎机具有结构简单、工作可靠、制造容易、维修方便的优点，这是其他破碎机所无法代替的，一直是应用最为广泛、品种规格及其使用数量最多的破碎设备。总结全文，主要研究工作如下：1、对颚式破碎机的工作机理进行了研究分析。2、对颚式破碎机性能进行了研究，建立了颚式破碎机四杆机构的运动学数学模型。3、使用MATLAB语言开发颚式破碎机四杆机构的运动学分析程序，进行分析仿真。5.2 展望本文虽然对颚式破碎机的运动学特性进行了一些的研究，并且运用MATLAB对破碎机的运动参数进行了仿真分析，但是仍存在许多有待完善之处。综合起来，有以下几个方面还需进一步研究：1实际生活生产中，开采出的物料并不是固定的，而是多种多样的，他们的形状尺寸硬度不可能完全一样。2查阅金属切削材料等资料可以对破碎机的动颚板的材料进行分析，考虑是否能通过改变动颚板材料来改变整机破碎性能。参考文献1蒋顺梅.破碎机运动机构仿真分析及优化设计D.广西大学.2李滨城,徐超.机械原理MATLAB辅助分析M.化学工业出版社.2011年3孙恒,陈作