復(fù)擺顎式破碎機的三維模型研究

摘要：基于Solidwork/motion作為設(shè)計平臺，復(fù)擺式破碎機建立了產(chǎn)品數(shù)字化模型，對模型及破碎過程進行了運動學(xué)模擬仿真，得到了其運動規(guī)律，進行了動力學(xué)配重計算。實現(xiàn)了破碎機Solidworks模型轉(zhuǎn)化3DSMAX模型，建立了破碎機破碎礦石過程仿真模型，能清楚地看到破碎機破碎礦石過程的整體狀況及工作原理。

1、破碎機三維建模

復(fù)擺顎式破碎機的三維建模，首先必須進行零件和部件的建模。部件包括機架部件、偏心軸部件、動顎部件等。其后進行裝配建模。

在破碎機的三維總裝配中，運用了自底向上的裝配體設(shè)計思想。所謂自底向上是利用已經(jīng)建立好的零件設(shè)計裝配體。裝配體的設(shè)計正好像一個裝配車間，利用已加工完成的零件，根據(jù)不同的位置和裝配約束關(guān)系，將每個零件裝配完成部件或產(chǎn)品。

為了動態(tài)仿真的需要，進行總裝配之前，首先必須知道零件中哪些為不動件，哪些為可動件。將不動零件裝配在一起形成機架部件，而為了仿真需要，將破碎機進行簡化，將一些調(diào)節(jié)的螺栓設(shè)置為不動件。完成整機裝配的虛擬樣機如圖1所示。

2.破碎機的運動仿真

（1）零部件分類和添加約束

在破碎機系統(tǒng)中，添加的約束有50多個，破碎機的約束類型取決于破碎機裝配時裝配約束關(guān)系。在破碎機中，動顎與推力板之間的約束為鉸鏈約束，彈簧和拉桿之間為圓柱副約束，偏心軸和機架為圓柱副約束，動顎與偏心軸之間為圓柱副約束。

（2）載荷的添加

動力學(xué)仿真中載荷的添加是一個重要的環(huán)節(jié)，Motion中載荷可以產(chǎn)生機械的運動或者減小運動。Motion中載荷主要分為：外界作用力、相互作用力、重力和動顎上加載的力。

Pmax=0.1qHL

Pjs=1.5Pmax

H———破碎腔的高度；

L———破碎腔的長度；

q———襯板單位面積上的平均壓力。

經(jīng)計算得PE400×600 破碎機的Pjs＝1843kN， Pmax=1450kN。
在破碎機中，由于在拉桿上是靠彈簧的受壓產(chǎn)生拉力，因此在定義拉桿上彈簧力時，首先給定一個起始壓力，然后根據(jù)破碎機的設(shè)計時給定力的大小和彈簧受壓的深程度，定義彈簧力。在PE400×600 型號中，起始壓力為5488N，長度為215 mm，當(dāng)受壓到135mm 時，受力為15660N。

（3）材料的選擇

在Motion中，提供了一個材料數(shù)據(jù)庫，可以從中選擇材料賦給所需要的零件。當(dāng)零件材料比較特殊時，Motion提供了材料的添加功能，可以根據(jù)所需材料的屬性定義一個新材料添加到材料庫中，屬性包括密度、比熱、剛度、彈性等。
在破碎機中，給每一個零件都根據(jù)實際定義了材料屬性。偏心軸是40Cr合金鋼，機架和動顎、軸承蓋是ZG35，活動和固定齒板是ZGMn13，彈簧的材料是60SiMn，飛輪和皮帶輪是HT20-40。

（4）運動的獲得

在破碎機中，破碎的動力是通過電機獲得的。電機的運動帶動皮帶輪的轉(zhuǎn)動，而皮帶輪是用鍵跟偏心軸固定在一起，因此，給予皮帶輪的運動就等同于給偏心軸的運動，破碎機的機架是固定的，于是，就可以在偏心軸和機架的圓柱副約束上添加沿Z軸的旋轉(zhuǎn)運動。偏心軸的轉(zhuǎn)速是勻速轉(zhuǎn)動。如型號PE400×600的中碎破碎機，偏心軸轉(zhuǎn)速為275r/min，添加此轉(zhuǎn)速到皮帶輪上。

（5）動態(tài)仿真

在動態(tài)仿真時，為了獲得理想的效果，必須對仿真進行設(shè)定，動畫仿真的實質(zhì)是靜態(tài)的圖片利用視覺的暫留現(xiàn)象一幀一幀地連續(xù)播放。因此，必須設(shè)定仿真的時間，仿真的起始幀畫、結(jié)束幀畫，前一副幀畫到后一副幀畫的間隔時間。在破碎機的動態(tài)仿真中，設(shè)置的仿真時間是10s，設(shè)置的動畫幀數(shù)是500副。在仿真控制面板中，可以對仿真進行操作，如對仿真時間的修改等。

3、仿真結(jié)果處理

以型號為PE400×600的破碎機為例進行分析。在破碎機中，最重要的零件是動顎。動顎的運動對破碎機的破碎效果、破碎功率的消耗、破碎機零部件的損耗、破碎機的生產(chǎn)率等都有直接的影響。因此，將動顎作為研究對象進行分析。在動顎部件中，作為部件整體，將分析質(zhì)心的運動，而作為特殊分析，以動顎在排料口和進料口處為分析對象。
以動顎部件的質(zhì)心作為研究對象，分析動顎部件的運動，圖2為動顎部件速度曲線圖。

從圖2中可以看出，動顎部件質(zhì)心x方向的速度比較大值和最小值在正負(fù)0.17m/s左右y方向的。速度比較大值和最小值在正負(fù)0.4m/s左右。從圖3動顎部件質(zhì)心行程曲線圖中得到，質(zhì)心x方向的行程大致為12mm，而y方向的行程為28mm左右。y方向與x方向行程的比值為2.3左右。

?

動顎部件質(zhì)心的加速度分析，在破碎機運動中，整個破碎機的動態(tài)平衡是至關(guān)重要的。對于動顎部件來說，在破碎機運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生很大的慣性力，這種慣性力將在機器各運動副中引起一種動壓力，因而會增加運動副中的磨損，影響構(gòu)件的強度，降低機器的效率。此外，由于慣性力的大小和方向的周期性的變化，將使機器及其基礎(chǔ)發(fā)生振動和偏心軸回轉(zhuǎn)的不均勻性。在破碎機的動態(tài)平衡中，主要考慮在皮帶輪和飛輪上添加對重的方法來消除慣性力的有害影響。在動顎部件上的慣性力如下：

P＝－ma
M＝-Jε
m———動顎部件的質(zhì)量；
a———動顎部件的加速度；
J———動顎部件對其中心的轉(zhuǎn)動慣量；
ε———動顎部件的角加速度。
將P和M合成一個不通過質(zhì)心的總慣性力P1，其大小和方向與通過質(zhì)心的P相同，但兩者相距一垂直距離h=M/P

總慣性力P1的方向可以根據(jù)質(zhì)心的加速度方向確定，加速度方向可以根據(jù)質(zhì)心處x方向和y方向的加速度大小確定。如圖4所示，根據(jù)曲線圖，利用Motion中的功能，將其導(dǎo)入Excel表格中，從表格中讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)力的合成原理，就可以得到力的大小和方向。

動顎部件的總慣性力P1由偏心軸和肘板承受，然后再傳給機架及其基礎(chǔ)，將P1分解為偏心軸上（機構(gòu)中曲柄和動顎連接點）的力和肘板上的力。在加速度的值中，取出12個點分析，求出每一點在偏心軸上的分力T，其后取平均值Tpj。
對重的位置在偏心軸偏心部分的相反位置上，對重的重量如下:

r0———對重重心到偏心軸軸；
r———偏心距；
n———偏心軸轉(zhuǎn)速；
G1———偏心軸偏心重量；
Tpj———慣性力分力T的平均值。

根據(jù)上面的公式，以破碎機PE400×600為例計算，選取破碎機中的12個位置，根據(jù)仿真結(jié)果，動顎部件質(zhì)心處的加速度和角加速度如表所示。

?

動顎部件的質(zhì)心位置的坐標(biāo)為x=－209，y=750，動顎部件的質(zhì)量為1139kg，相對于重心的轉(zhuǎn)動慣量為377kg/m2，偏心軸的偏心質(zhì)量為18.76kg。根據(jù)計算得到對重的質(zhì)量G=23.9kg，質(zhì)心位置在離軸心位置387mm處，即r0＝387。

根據(jù)計算的對重添加到飛輪和皮帶輪上，可以減小破碎機工作時的振動，有利于破碎機的動態(tài)平衡。在大多數(shù)情況下，對重做成弓形或扇形。對重可以與飛輪和皮帶輪的輪緣鑄成一體，也可以用螺釘連接。

4、破碎機破碎礦石過程仿真

破碎機運動仿真的實現(xiàn)使得破碎礦石的過程形象逼真，能清楚地看到破碎機破碎礦石過程的整體狀況及工作原理；提供仿真電機與破碎機之間的連接與裝配，以及傳送帶的運動，能夠全方位地觀察各設(shè)備間的裝配關(guān)系。建立破碎機破碎礦石過程仿真模型方法，在三維軟件Sloidworks做好三維建模，然后將模型轉(zhuǎn)化成AutoCAD模型，再將AutoCAD模型轉(zhuǎn)化3DSMAX模型。因為AutoCAD與3DSMAX 同是Aulodesk公司的產(chǎn)品，其坐標(biāo)系是兼容的，可以方便地交換數(shù)據(jù)。