颚式破碎机机构仿真及优化设计

颚式破碎机机构仿真及优化设计
覃宗伟
【摘要】在各种矿山、化工及基建的物料加工中都广泛应用颚式破碎机,颚式破碎机是物料进行初级破碎的主要设备.但就目前来看,我国大多颚式破碎机产品的设计落后,工作性能较差,严重影响生产效率.基于此,本文简要分析颚式破碎机的工作原理,从机构仿真优化模块、破碎过程仿真分析模块、动力学与运动学仿真分析模块及零部件常规分析模块四个方面研究颚式破碎机机构仿真及优化设计,旨在优化颚式破碎机设计,满足当前物料生产加工需要.%Jaw crusher is widely used in all kinds of materials processing, chemical engineering and infrastructure. But for now, most of the products of jaw crusher are designed, and the working performance is poor, which seriously affects the production efficiency. Based on this, this article briefly analyzes the working principle of jaw crusher, from the mechanism simulation optimization module, the broken process simulation analysis module, dynamics and kinematics simulation analysis module and the general analysis module of the four aspects of jaw crusher mechanism simulation and optimization design.
【期刊名称】《现代制造技术与装备》
【年(卷),期】2015(000)006
【总页数】2页(P74-75)
【关键词】颚式破碎机;机构仿真;优化设计
【作者】覃宗伟
【作者单位】南宁广发重工集团有限公司,南宁 530001
【正文语种】中文
我国颚式破碎机存在设计落后、产品笨重、工作性能差、衬板磨损严重等问题，相较于发达国家还存在一定差距。

颚式破碎机机构仿真及优化设计对研发出低重量、产品粒型好、含量高的新型颚式破碎机具有重要意义。

基于此，本文主要研究了颚式破碎机机构仿真及优化设计，旨在缩短我国颚式破碎机与发达国家的差距。

1.1 颚式破碎机的主要构件
1.1.1 机架
颚式破碎机所使用的上下开口的四壁刚性框架即为机架，机架的主要作用是承受破碎物体的反作用力及支撑偏心轴，因此，对机架的刚性及强度有较高要求。

机架的铸造材料为铸钢，小型颚式破碎机也可采用优质铸铁，大型颚式破碎机机架铸造工艺较为复杂，需要分段铸成后用螺栓固定在一起[1]。

1.1.2 颚板和侧护板
颚床和颚板组成定颚和动颚，其中，颚板是工作部分，要用螺栓及楔铁将其固定在颚床之上，颚床的主要作用是承受破碎反力，因此，对其强度和刚度有较高要求，一般为铸钢材料和铸铁材料。

定颚的颚床即为机架前壁，动颚的颚床悬挂在周上。

1.1.3 偏心轴
颚式破碎机的主轴是偏心轴，偏心轴要承受巨大的弯曲扭力，因此，其一般采用高碳钢制造，其中，偏心的部分要经过严格的精加工、热处理，其轴承衬瓦要用巴氏合金浇注。

带轮和飞轮装在偏心轴两端，主要起到曲柄作用，用以支撑动颚。

1.2 颚式破碎机的工作原理
如图1所示，颚式破碎机通过电动机驱动带动皮带和皮带轮，通过偏心轴L1带动动颚上下运动，动颚L3随之上升，此时，动颚与肘板之间夹角变大，动颚板向定
颚板靠近，以粉碎、压碎物料，实现破碎功能；反之，当动颚下降时，肘板与动颚之间的夹角变小，在弹簧和拉杆作用下，动颚离开定颚板，这时，已经粉碎完毕的物料会从破碎腔的下口排出。

电动机不断工作转动，颚式破碎机会周期性地进行压碎和排出物料的循环，从而实现连续生产。

2.1 机构仿真优化模块
机构仿真优化模块是对颚式破碎机机构的优化设计，机构设计的好坏直接影响颚式破碎机的性能，其主要任务是优化动颚上各点的工作性能参数，从而提升颚式破碎机的工作性能。

机构方针优化设计主要包括三个部分：①设计变量：设计变量主要包括偏心距、连杆长度、连杆倾角、悬挂高度、肘板长度、动颚厚度等；②约束变量：动颚齿板长度变化范围约束、进料口尺寸变化范围约束、传动角变化范围约束、破碎腔啮角变化范围约束及其他各设计变量范围约束，约束变量的主要作用是寻找效率高、功耗小、磨损小的颚式破碎机设计参数[2]；③目标函数：多目标函数采
用加权因子方式，但加权因子存在一定的困难性，故而常使用单目标函数，颚式破碎机机构仿真优化目标函数主要有衬板磨损小、破碎机重量绩效、功耗低、生产率极大等。

具体来说，设计变量x=（I2、I3、h…），从而通过给定的各个断电坐标值变化约束范围来实现。

通过目标函数值的计算使之极大或极小，从而实现优化目的。

以ADAMS虚拟样机技术为例，目标函数的实现主要依赖其中的测量功能，通过对机构中动颚上、下端点行程变化及行程特性系数的测量定义监控动颚上、下端行程特性系数，在约束允许范围内按照离散规律对优化变量进行取值，在目标函数达到极大或极小时，整个优化设计结束。

通过ADAMS虚拟样机技术提供的变量变化范
围及传感器的功能来确定具体约束条件，当取值超出变化范围，则取消此次的仿真迭代，进入下一轮仿真迭代，之后再进行相关计算。

一般采用“固定容积”进行机构仿真优化设计，即对物料进入破碎层进行分层设计，
本文将破碎层分为5层进行优化设计，即Mn=常量（n=1,2,3,4,5）。

其中，Mn 指的是第n层破碎层中物料的质量。

可以利用平行挤压原理和曲面腔原理来进行
设计，平行挤压指的是排料口处设计平行挤压区域，物料在排除前会受到定颚与动颚的平行挤压，实现层压破碎的目的，从而提升产量，提高产品粒度；曲面腔原理指的是破碎腔内的一部分设计成曲面形式，有效增加物料与腔的接触面积，减小对腔的磨损，从而实现层压破碎的目的。

2.2 破碎过程的仿真分析模块
物料在颚式破碎机破碎腔内受到挤压力呈现粉碎的过程称为破碎过程，即上文中提到的层压破碎的过程，破碎过程的仿真分析能明确层压破碎的原因，推导破碎过程与颚式破碎机各项设计参数间的关系，从而实现颚式破碎机机构设计的优化，提升颚式破碎机工作性能。

可以采用仿真与实验结合的方法来研究分析破碎过程的仿真，利用实验结论能修正破碎过程仿真模型，从而提升模型的准确性和可靠性，并且可以推导建立出层压破碎过程与机构设计参数的理论模型[3]。

对破碎过程的仿真需要借助相关有限元软件对物料破碎过程进行模拟，建立有限元的三维坐标系，建立三维实体模型与有限元，例如，可以采用Solidw orks公司的GeoStar有限元软件。

2.3 动力学与运动学仿真分析模块
运动学仿真模块和动力学仿真模块是颚式破碎机仿真分析中的关键部分。

建立颚式破碎机动力学与运动学仿真分析模块图2所示。

①运动学仿真分析模块：运动学仿真模块分析主要分析的是颚式破碎机的运动学性能，这直接关系到动颚上各点的行程特性参数、水平行程及垂直行程，这些对颚式破碎机衬板的磨损、破碎产品的粒形分布及生产效率等都有重要影响[4]；②动力
学仿真分析模块：动力学仿真分析模块主要是对颚式破碎机的动力学性能进行分析，
例如，偏心部件的平衡分析等，其主要任务是对各项颚式破碎机工作参数的计算和优化，包括给排料口垂直行程、水平行程的参数计算优化及给排料行程特性系数的计算等。

2.4 零部件的常规分析模块
机架部件分析模块、偏心轴部件分析模块及颚部部件部分模块是零部件常规分析模块的三个组成部分，各个模块分析的主要参数有有限元强度分析和结构优化分析[5]。

例如，可以在三维有限元分析软件中建立三维实体模型和有限元分析模型，如在GEOSTAR软件中建立相应的三维实体模型，并建立命令代码、载荷施加命令代码、约束添加命令代码、结构优化分析设计变量及有限元边界条件确定命令代码等，根据相应的命令代码就能在三维有限元分析软件中自动进行仿真分析。

本文简要分析了颚式破碎机的主要构造和工作原理，并对颚式破碎机机构仿真及优化设计进行研究，主要研究了机构仿真优化模块、破碎过程仿真分析模块、动力学与运动学仿真分析模块及零部件常规分析模块，其中涉及到国际上比较先进的固定容积原理、平行挤压原理及曲面腔原理等先进理念。

本文旨在加快颚式破碎机的开发，为促进颚式破碎机的发展做贡献，以期对颚式破碎机的创新研发提供帮助。

【相关文献】
[1]窦照亮.颚式破碎机机构参数优化和破碎力仿真分析[D].昆明：昆明理工大学，2010.
[2]陈红江，吴陆恒，邹莉娟，等.ADAMS在颚式破碎机优化仿真设计中的应用[J].CAD/CAM与制
造业信息化，2005，（11）：44-47.
[3]陈红江，邹莉娟，黄冬明.颚式破碎机计算机仿真优化设计系统研制[J].矿山机械，2006，（1）：62-64.
[4]杨元凤，冯颖，杨明珍.复摆型细碎颚式破碎机机构尺寸参数及其优化设计[J].沈阳大学学报，2006，（4）：19-22.
[5]罗中华.复摆颚式破碎机运动机构的优化设计[J].矿山机械，2012，（1）：58-61.。