预答辩

辊齿所受的力的计算
理想散体物料（不粘结）对料仓侧壁压力的可以分为 对倾斜侧壁压力和垂直侧壁压力两种情况，为了方便推导其 计算公式，先从对倾斜侧壁的压力进行推导，在此基础上推 广到垂直侧壁的压力计算公式，只需将公式里的倾斜角度改 为90°即可。对于辊齿的各个表面，除了齿尖斜面看做倾斜 侧壁的情况，其他各面看做是垂直侧壁的情况。
单齿辊移动式破碎机的 有限元仿真分析

约束及加载 定义约束类型主要是根据模型中各个部分的实际自由度 来定义的，根据单齿辊移动式破碎机的工作原理，可知物料 通过刮板输送机送入破碎腔进行破碎，所以对物料施加Z方 向的平移约束，对于主轴和齿辊施加X、Y、Z三个方向上的 的平移约束和X、Z两个方向上的旋转约束，对于辊齿由于其 与齿辊之间的结构决定了其随齿辊绕转轴旋转，所以对辊齿 不施加任何约束。 通过定义载荷数组给齿辊施加转速为4.4833r/s，定义物 料的初始条件，即对物料施加一个初速度，其大小等于链式 刮板机的速度为0.07m/s，如图所示，为齿辊转速的载荷曲 线。
F q N 3 0 .3 3 .5 2 8 1 0
7
2 (1 .2 1 0 ) 3 .1 4 ( 0 .7 5 )
8 2 9
2
5 .5 1 0 ( 0 .1 5 ta n 4 3 1) c o s 4 3
单齿辊移动式破碎机的 有限元仿真分析

弹性模量 /MPa 2.678×105 2.678×105 2.743×105 3.5×103 泊松比 0.3 0.3 0.27 0.3 密度 /(kg/m3) 7.85×103 7.85×103 7.85×103 2.7×103 屈服应力 /MPa 800 800 850 117.8 剪切模量 /MPa 1.0319×105 1.0319×105 1.0764×105 21153.85 轴

材料设置：根据单齿辊移动式破碎机齿辊结构、材质等，结 合ANSYS/LS-DYNA材料库中现有的单元和材料类型，轴、齿辊、 辊齿均采用Solid164体单元，单元属性为常应变。轴、齿辊采用 16Mn合金钢，相应材料属性选择Plastic Kinematic，辊齿采用 40Cr强化合金钢，相应材料属性也选择Plastic Kinematic。为了分 析齿辊工作状态下最大的应力及应变，所以物料选择为单齿辊移 动式破碎机能够的破碎硬度较高的对象石灰岩，单元类型为 Solid164，相应材料属性选择为Elastic+Add Erosion，下表为各 部分的材料属性。
辊齿受力三维模型
辊齿所受的力的计算
计算压力 N 1 ：如图所示将上表面投影到XOY面，以 x 为变量，对 x 积分求压力 N 1 ，设上表面 N 1 载荷分布 为N
1
(x)
。
N 1 c N 1 ( x )dx
0
b
辊齿所受的力的计算
计算压力 N 2 ：如图所示，将侧面投影到ZOY面内，并 将其面积分为两1、2部分，分别通过积分求出两部分的 N 面积，设 N 2载荷分布为 N 2 ( y ) ， 2 为：
辊齿所受的力的计算
物料对侧壁的压力的计算公百度文库为

0

A m s in 2 tg C s in 2

辊齿两个侧面所受的 N 2 和齿尖斜面所受 F 可以按照 上式进行计算，辊齿上表面受的 N 1 的计算不能简化成料仓 的情况， 1 的计算可以简化成堆物料对支持面情况。计算 N 公式如下，辊齿下表面的力 N 3 就是辊齿切向力。
硕士研究生毕业论文预答辩
单齿辊移动式破碎系统的研究
Research of single-tooth rolling mobile crushing system 郗洪涛 导师：程相文 教授
内容提要
单齿辊移动式破碎机工作原理 单齿辊移动式破碎机的力学分析 单齿辊移动式破碎机的有限元仿真分析 单齿辊移动式破碎机生产能力的分析计算 单齿辊移动式破碎机电机功率数学模型的推 导
2

ftg 1
F
O2 N
D
F r fN tg
C
F
n
辊齿受力三维模型
如图所示，建立辊齿的受力三位模型，辊齿上表面 受到平行于XOY面的摩擦力 f 1 ，辊齿两个对称的侧面受平 行于ZOY的摩擦力 f 2 ，齿辊底面受到平行于XOY面的摩擦 力 f 3 和垂直于底面的切向力 F（在上节已经求出），齿端斜 q f 面受到垂直于它的力 F ，方向如图所示， f 1 、f 2 、3 均为线 载荷， 为面载荷。由于 f 1 、f 2 、f 3 分别是由对应面上的正 F N N N N 压力 N 1 、 2 、 3 产生。N 1 、 2、 3 都为面载荷，所以先计算 N 出 N 1 、N 2 、 3 ，然后分别乘以摩擦系数 ，就可以求 出 f 1 、f 2 、f 3 。
N2

y0 0
y ta n N 2 ( y ) d y e
d d y0
N 2 ( y )d y
y0 a cos
辊齿所受的力的计算
计算 N 3 ：如图所示在XOY平面内对 x 进行积分， 设底面的 N 3 的载荷分布为 N 3 ( x ) ，所以求得底面正压 力 N3：
N3 d
1 s in 7 5 s in 1 0 5 tg 7 5 1888

N 1 5 .6 K 0 g
B0 d m L0 d m
2 B0 L0 2 d m
5 .6 2 2 6 9 0 9 .8
2 .1 4 0 .7 5 1 .8 7 0 .7 5
N 1 5 .6 K 0 R g
R
B0
dm
L0
dm

2 B0 L0 2 d m

运用以上计算公式，代入相应数据求出各个力的大 小。
F 1 0 1 0 1 4 .1 2 6 9 0 s in 1 0 5 s in 7 5 1 s in 1 0 5 c o s 1 0 5 s in 7 5 1 s in 7 5 s in 1 4
2 2 .1 4 1 .8 7 1 .5
1
91564
N 2 2690
10
1 s in 7 5
s in 1 4 s in 7 5
1 s in 7 5 tg 7 5 1 s in 1 4 c o s 1 4 s in 7 5

0
y ta n 4 5 d y 1 0 3 0 1 0 2 4 5 7
单齿辊移动式破碎机的 有限元仿真分析

单元类型选：择合理地选择单元是成功分析的关键步 骤之一，ANSYS/LS-DYNA程序显式动态分析中提供了丰 富的单元库，可以适用于各种大变形以及材料失效等高度 非线性问题的模拟过程。ANSYS/LS-DYNA包括三维杆单 元（LINK160）、三维梁单元（BEAM161）、薄壳单元 （SHELL163）、实体单元（SOLID164）、弹簧阻尼单 元（COMBI165）、质量单元（MASS166）、缆单元 （Link167）、10节点四面体单元（Tet-Solid168）。
d d y0
N 2 ( y )d y

f3 N 3 d
b 0
N 3 ( x)dx
辊齿所受的力的计算
计算齿端斜面 F ：如图所示，将齿端斜面旋转 到 XOY 平 面 内 ， 对 x 进 行 积 分 ， 设 齿 端 斜 面 的 载 荷 分 布 为 F ( x ) ，所以求得 F ：
目前有限元软件被广泛应用在破碎机的结构分析及优化 等方面，提高了破碎机设计的质量，在优化破碎机结构方面发 挥了重要作用。齿辊是单齿辊移动式破碎机的关键部件，所以 运用有限元软件对其进行有限元仿真分析，分析齿辊的应力、 应变情况对齿辊的结构优化具有重要的意义。
单齿辊移动式破碎机的 有限元仿真分析

建立的三维模型
4
r
3
2 3 3 r3 r r r r 3 3E 4
2
A
δ β
Fq
r
F e F n fN
N 3E
2
2

ftg 1
r 0
lim
r r r
3
3
r
E
2 r
2
F a F ( x )d x
0
b
辊齿所受的力的计算
通过以上的分析推导出辊齿各面所受的正压力的表达式， 但是由此还不能求出各个齿面的正压力，因为各个齿面所受 载荷的分布函数未知，实际情况中各个齿面的载荷分布肯定 是非均匀分布，分布函数无法确定，那么辊齿各个面所受的 载荷无法确定。所以假设各面齿面上的载荷分布均为均匀分 布的面载荷，把齿的侧面、齿尖斜面与物料的接触看成料仓 中侧壁与物料的接触方式，根据散体力学求出散体物料对侧 壁的压力的计算方法，从而得到各个齿面上的正压力。
单齿辊移动式破碎机的 有限元仿真分析
单齿辊移动式破碎机的 有限元仿真分析




求解设置 完成了单元类型、实常数、材料模型的定义，以及模型的网 格划分、接触类型、约束类型、载荷、初始条件的定义后， 在执行SOLVE命令求解之前，还需对求解进行控制设置， 控制参数如下： 1）求解时间：4.5s； 2）结果文件输出类型：ANSYS AND ANSYS/LS-DYNA； 3）结果文件输出步骤：设二进制结果文件输出为40步，时 间历程文件输出100步； 4）设置能量控制：激活Stonewall Energy、Hourglass Energy和Sliding Interface Rayliegh Energy选项； 5）重启动文件的输出时间间隔：0.1s。 在完成上述参数控制的设置之后，就可以通过Main Menu>Solution>Solve进行求解了，这个过程需要80多个小 时。
单齿辊移动式破碎机的力学分析
O1
θ
90 90




2
W Fr r N r
B
cos
R
H

2
r O 1O 2
2
2r
R
H

W

2E
V1 V 2
φ
Fr Fq s in
W
Fe Fq c o s
F
e
2 E 3
名称
齿辊 辊齿 物料
单齿辊移动式破碎机的 有限元仿真分析

网格划分
单齿辊移动式破碎机的 有限元仿真分析

接触类型 根据单齿辊移动式破碎机工作状态下齿辊与物料、齿辊 与辊齿、主轴与齿辊、辊齿与物料之间实际的接触情况，均 采用自动的面面接触类型，然后确定接触之间主从关系。齿 辊与物料之间，齿辊为主接触，物料为从接触；齿辊与辊齿 之间，齿辊为主接触，辊齿为从接触；主轴与齿辊之间，齿 辊为主接触，主轴为从接触；辊齿与物料之间，辊齿为主接 触，物料为从接触。设置接触面之间动摩擦因数，静摩擦因 数分别为1.5、1.2，接触之间文件输出参数为1。

b 0
N 3 ( x)dx
辊齿所受的力的计算
N N 计算出了 N 1 、 2 、 3 ，分别乘以 得到 计算公式：
f1
、f 2 、f 3 的
f1 N 1 c N 1 ( x ) d x
0
b
f2 N 2


y0 0
y ta n N 2 ( y ) d y e

单齿辊移动式工作原理
单齿辊移动式破碎机的工作原理是依靠冲击剪切和冲击 拉伸的作用，使剪切力沿着物料的薄弱易碎部位产生巨大破 碎力使其破碎，物料在两个破碎齿之间以及与侧壁的梳齿板 之间排出。
1—链式输送机； 2—刮板； 3—齿辊； 4—辊齿； 图2 工作原理图
单齿辊移动式破碎机的力学分析
1）齿辊切向力分析 F F F q为齿辊切向力， e 为齿辊切向力的切向分力， r 为 N 齿辊切向力的径向分力， 为物料受链式刮板机刮板的支 F 持力， n 为物料和刮板机刮板间的摩擦力，δ为 F q和 F e 两 A 力夹角，Φ为 O 与 A B 的夹角，θ为物料和齿辊的啮合角， 1 O1 A O2 O1 为齿辊的轴心， 为物料的中心，β为 与 A O 2 夹角，R 为齿辊半径，H 为齿高， 为物料半径。 r