基于ADAMS的單、雙軸顎式破碎機(jī)性能研究

張 憲，李文昊，趙章風(fēng)，鐘 江

(浙江工業(yè)大學(xué)特種裝備制造與先進(jìn)加工技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310014)

0 引 言

近年來(lái)，由于全球礦產(chǎn)貧化、能源問(wèn)題日趨嚴(yán)重，對(duì)作為初碎設(shè)備的顎式破碎機(jī)提出了更高的要求。開(kāi)發(fā)出效率高、物料粒度更小更均勻、運(yùn)動(dòng)性能更合理的破碎機(jī)很有必要［1］。目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)新型顎式破碎機(jī)的研究很少，北京礦冶研究院總院饒綺麟［2］研制的PEWA9012O新型外動(dòng)顎低矮破碎機(jī)與傳統(tǒng)顎式破碎機(jī)相比，它的動(dòng)顎與定顎位置正好相反，生產(chǎn)能力比傳統(tǒng)顎式破碎機(jī)提高20%以上，喂料高度比傳統(tǒng)機(jī)型低25% ～30%，從而節(jié)省安裝空間;伊朗的A.Refahi等人［3］利用離散元的方法，用PFC 3D軟件模擬了單顆粒(球形和立方體)巖石在實(shí)驗(yàn)室顎式破碎機(jī)中破碎的過(guò)程。他們以顆粒的集合體作為研究所用的巖石模型，研究了它的破碎機(jī)理。Sajjan K S等人［4］利用矩陣法對(duì)雙輥式破碎機(jī)破碎過(guò)程進(jìn)行分析，建立描述破碎機(jī)破碎過(guò)程的模型，對(duì)整個(gè)破碎過(guò)程進(jìn)行了優(yōu)化。

本研究針對(duì)新型雙軸顎式破碎機(jī)，首先利用Pro/E軟件分別建立單、雙軸顎式破碎機(jī)的三維模型，然后導(dǎo)入到ADAMS軟件中，分別對(duì)單、雙軸顎式破碎機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。通過(guò)對(duì)行程特征值［5］、最小傳動(dòng)角［6］以及進(jìn)料口、出料口在水平方向的速度、加速度［7］這幾個(gè)方面進(jìn)行仿真分析，證實(shí)雙軸顎式破碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)性能更優(yōu)于普通的單軸顎式破碎機(jī)，最后通過(guò)實(shí)際的試驗(yàn)驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。

1 顎式破碎機(jī)的工作原理

1.1 傳統(tǒng)復(fù)擺顎式破碎機(jī)的工作原理

傳統(tǒng)復(fù)擺顎式破碎機(jī)的組成及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖1所示。工作時(shí)，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)偏心軸11(桿AB)做平面圓周運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)動(dòng)顎5(桿BC)、動(dòng)顎板6(桿EF)以及推力板4(桿CD)做平面運(yùn)動(dòng)。

圖1 傳統(tǒng)復(fù)擺顎式破碎機(jī)的組成及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

當(dāng)桿EF上升時(shí)，桿CD與桿BC之間夾角(γ)變大，推動(dòng)桿EF與桿GH(固定顎板7)接近，即兩顎板對(duì)物料擠壓、破碎;當(dāng)桿EF下行時(shí)，桿CD與桿BC夾角變小，即動(dòng)顎板(桿EF)與固定顎板(桿GH)間的開(kāi)口增大，破碎后的料塊由底部排出［8］。

但由于推力板(CD)在整個(gè)過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)的角度很小，從而使得動(dòng)顎板(EF)在水平方向上的位移很小，這樣得到的物料粒度就會(huì)比較大，而且不均勻。同時(shí)推力板與動(dòng)顎夾角始終為正傾角，這樣動(dòng)顎板的磨損會(huì)比較厲害，現(xiàn)在國(guó)外都是通過(guò)將這個(gè)夾角改為負(fù)傾角［9］來(lái)減小磨損。

1.2 新型雙軸復(fù)擺顎式破碎機(jī)的工作原理

新型雙軸復(fù)擺顎式破碎機(jī)的組成及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖如圖2所示。跟傳統(tǒng)的復(fù)擺顎式破碎機(jī)相比，新型雙軸復(fù)擺顎式破碎機(jī)主要是多了一根后動(dòng)顎偏心軸8、一個(gè)后動(dòng)顎7、一條長(zhǎng)肘板10和一對(duì)齒輪。工作時(shí)，電機(jī)帶動(dòng)前動(dòng)顎偏心軸5(桿AB)做平面圓周運(yùn)動(dòng)，控制前動(dòng)顎4(桿BC)、動(dòng)顎板3(桿EF)以及長(zhǎng)肘板10(桿CD)做平面運(yùn)動(dòng)，前動(dòng)顎偏心軸通過(guò)齒輪帶動(dòng)后動(dòng)顎偏心軸9(桿OM)反向轉(zhuǎn)動(dòng)控制后動(dòng)顎7(焊接件MDN)和短肘板11(桿NP)做平面運(yùn)動(dòng)。所以，新型雙軸顎式破碎機(jī)破碎物料的動(dòng)顎板(桿EF)的運(yùn)動(dòng)軌跡為四桿機(jī)構(gòu)ABCD和四桿機(jī)構(gòu)OMNP的疊加運(yùn)動(dòng)的結(jié)果。

圖2 新型雙軸復(fù)擺顎式破碎機(jī)的組成及機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)圖

當(dāng)桿EF向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，桿AB向下運(yùn)動(dòng)，此時(shí)桿OM帶動(dòng)焊接件MDN向上運(yùn)動(dòng)，桿CD與桿BC夾角(γ)變小，推動(dòng)桿EF與桿GH(固定顎板2)接近，兩顎板對(duì)物料擠壓、破碎物料;當(dāng)桿EF向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，桿AB向上運(yùn)動(dòng)，此時(shí)桿OM帶動(dòng)焊接件MDN向下運(yùn)動(dòng)，桿CD與桿BC之間的夾角增大，桿EF與桿GH間的開(kāi)口增大，此時(shí)破碎機(jī)排料，破碎后的料塊由底部排出。

2 顎式破碎機(jī)仿真模型的建立

2.1 幾何模型的建立

顎式破碎機(jī)主要由機(jī)架、偏心軸、飛輪、動(dòng)顎、肘板、肘板墊、肘板后座、調(diào)隙螺桿、復(fù)位彈簧、固定顎板和活動(dòng)顎板等組成。本研究采用的是 PEX-250×1 200型單軸復(fù)擺顎式破碎機(jī)和SPEX_2512型雙軸復(fù)擺顎式破碎機(jī)，在Pro/E軟件中建立三維模型，保存為Parasolid格式的文件，然后導(dǎo)入到ADAMS軟件中。

在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析時(shí)，只考慮與運(yùn)動(dòng)有關(guān)的因素，而與構(gòu)件的具體形狀無(wú)關(guān)［10］。因此，本研究在仿真分析中，對(duì)仿真對(duì)象做了簡(jiǎn)化。

圖3 單軸復(fù)擺顎式破碎機(jī)仿真模型

圖4 雙軸復(fù)擺顎式破碎機(jī)仿真模型

單軸復(fù)擺顎式破碎機(jī)仿真模型如圖3所示。雙軸復(fù)擺顎式破碎機(jī)仿真模型如圖4所示。

2.2 施加運(yùn)動(dòng)副間的約束和驅(qū)動(dòng)

在分析計(jì)算單、雙軸顎式破碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)之前必須對(duì)模型施加約束和驅(qū)動(dòng)，本研究在單軸模型中使用了4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，分別為偏心軸和機(jī)架、偏心軸和動(dòng)顎、動(dòng)顎和肘板、肘板和機(jī)架，其中定顎、肘板基部以及偏心軸中心與大地固連，在偏心軸上施加驅(qū)動(dòng)電機(jī)［11-12］。在雙軸模型中使用了8個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，分別為前偏心軸和機(jī)架、前偏心軸和前動(dòng)顎、后偏心軸和機(jī)架、后偏心軸和后動(dòng)顎、前動(dòng)顎和長(zhǎng)肘板、長(zhǎng)肘板和后動(dòng)顎、后動(dòng)顎和短肘板、短肘板和機(jī)架，其中定顎、短肘板基部以及前、后偏心軸中心與大地固連，前、后偏心軸通過(guò)齒輪副連在一起，在前偏心軸上施加驅(qū)動(dòng)電機(jī)。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析

3.1 行程特征值分析

顎式破碎機(jī)的行程特征值為垂直行程和水平行程的比值。如果從進(jìn)料口到排料口破碎機(jī)的行程特征值m依次減小，那么破碎機(jī)的破碎效果就好、排料通暢，無(wú)過(guò)粉碎現(xiàn)象。

式中:S—水平行程，H—垂直行程。

進(jìn)行仿真分析，單、雙軸顎式破碎機(jī)行程特征值m的變化趨勢(shì)圖如圖5所示。

圖5 單、雙軸破碎機(jī)m值變化趨勢(shì)

從圖5上可以看出，單軸破碎機(jī)的行程特征值m先增大后減小，且最小值大于1，根據(jù)前面的理論知識(shí)知道這樣是不利于破碎和排料的，所以單軸顎式破碎機(jī)的破碎效果比較差;對(duì)于雙軸顎式破碎機(jī)，其行程特征值m逐漸減小，而且整體都小于1，這說(shuō)明破碎機(jī)動(dòng)顎板的水平位移相對(duì)于其垂直位移要大得多，這有利于破碎過(guò)程，也有利于排料過(guò)程，破碎物料無(wú)過(guò)粉碎現(xiàn)象，破碎效果好，比較合理。

3.2 最小傳動(dòng)角分析

一般情況下，為保證機(jī)構(gòu)傳動(dòng)良好，設(shè)計(jì)時(shí)通常應(yīng)使壓力角amax≤50°，且傳動(dòng)功率越大，壓力角值應(yīng)越小。由于在曲柄搖桿機(jī)構(gòu)中壓力角不易測(cè)量，一般以測(cè)量其余角傳動(dòng)角γ來(lái)代替測(cè)量壓力角，壓力角最大即傳動(dòng)角最小(即γmin≥40°)，本研究需測(cè)量最小傳動(dòng)角，來(lái)校核機(jī)構(gòu)的動(dòng)力特性。

通過(guò)仿真分析，單、雙軸破碎機(jī)傳動(dòng)角如圖6所示，由圖6可知單軸顎式破碎機(jī)的最小傳動(dòng)角(見(jiàn)圖1∠BCD)為46°，滿(mǎn)足傳動(dòng)要求;雙軸顎式破碎機(jī)的最小傳動(dòng)角(見(jiàn)圖2∠BCD)為126°(負(fù)傾角)，這樣相當(dāng)于最小傳動(dòng)角為54°，滿(mǎn)足傳動(dòng)要求。

圖6 單、雙軸破碎機(jī)傳動(dòng)角

3.3 進(jìn)料、出料口在水平方向速度、加速度分析

根據(jù)破碎理論和經(jīng)驗(yàn)，在破碎腔的上部一般為單顆粒破碎，在破碎腔的下部一般為多顆粒破碎，所以破碎腔上部破碎物料時(shí)，動(dòng)顎板的速度和加速度理想方向應(yīng)該相反，即采用擠壓的方式破碎物料;破碎腔下部破碎物料時(shí)，動(dòng)顎板的速度和加速度的方向以相同為宜，即采用碰撞的方式破碎物料。通過(guò)仿真，單、雙軸顎式破碎機(jī)進(jìn)料口(E點(diǎn)見(jiàn)圖3和圖4)、出料口(F點(diǎn)見(jiàn)圖3和圖4)在水平方向速度、加速度以及位移的曲線(xiàn)圖分別如圖7～10所示。

圖7 單軸E點(diǎn)水平方向位移、速度、加速度

圖8 單軸F點(diǎn)水平方向位移、速度、加速度

圖9 雙軸E點(diǎn)水平方向位移、速度、加速度

圖10 雙軸F點(diǎn)水平方向位移、速度、加速度

圖7～圖10中，從a點(diǎn)到c點(diǎn)分別為兩種破碎機(jī)進(jìn)料口和出料口在其整個(gè)破碎周期的有效破碎階段，可以看到不論對(duì)于那種破碎機(jī)從a點(diǎn)到b點(diǎn)，速度和加速度的方向都為正;而從b點(diǎn)到c點(diǎn)，速度方向都為正，加速度方向都為負(fù)，速度和加速度方向相反。但是根據(jù)上面的破碎經(jīng)驗(yàn)和理論知道，在進(jìn)料口處速度與加速度方向相反是有益的，而在出料口處速度與加速度方向相同是有益的。對(duì)于單軸破碎機(jī)，其進(jìn)料口處的有益時(shí)間為46 ms，出料口的有益時(shí)間為48 ms;而對(duì)于雙軸破碎機(jī)，其進(jìn)料口處的有益時(shí)間為40 ms，出料口處的有益時(shí)間為77 ms。

3.4 仿真結(jié)果對(duì)比與分析

將所有仿真結(jié)果和數(shù)據(jù)匯總?cè)绫?所示。由表1中可以看出，單軸顎式破碎機(jī)的行程特征值從進(jìn)料口到出料口是先增大后減小的，而且總體上都大于1，這對(duì)破碎機(jī)的排料是很不利的，同時(shí)，它的垂直位移都比較大(約30 mm左右)，這樣顎板的磨損就比較厲害，而水平位移又都比較小，這對(duì)巖石的破碎是不利的，直接影響破碎機(jī)的破碎效果;而雙軸顎式破碎機(jī)的行程特征值從進(jìn)料口到排料口逐漸減小，有利于排料，垂直位移保持在12 mm左右，這樣磨損就會(huì)相對(duì)較小，水平位移都比較大，特別是出料口的位置，這樣更容易得到滿(mǎn)足工程要求的小石子(直徑≤5 mm)。

表1 仿真結(jié)果綜合、對(duì)比

其次，單軸破碎機(jī)的最小傳動(dòng)角為46°，雙軸的是54°，所以傳力性能雙軸優(yōu)于單軸。

最后，在進(jìn)、出料口水平方向速度、加速度的方向這一方面，根據(jù)基本的運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)知道，在破碎機(jī)破碎石塊的過(guò)程中，隨著動(dòng)顎板位移的不斷增大，其速度必然是先從零增大到最大然后再減小到零，在該過(guò)程中，加速度的方向與速度的方向必然是先相同后相反的，所以筆者選擇從這兩個(gè)方向相同和相反的時(shí)間(有益的時(shí)間)來(lái)比較兩者，發(fā)現(xiàn)在進(jìn)料口處單軸破碎機(jī)的有益時(shí)間多于雙軸6 ms，但是在出料口處，雙軸破碎機(jī)的有益時(shí)間多于單軸29 ms。對(duì)于任何破碎機(jī)來(lái)說(shuō)，破碎腔上半部分的破碎效果對(duì)整機(jī)破碎效果的影響并不是那么明顯，反而是破碎腔下半部分的破碎效果對(duì)于最終得到的物料的大小有決定性的作用，所以在這個(gè)方面，雙軸顎式破碎機(jī)也要優(yōu)于單軸顎式破碎機(jī)。

4 試驗(yàn)與結(jié)果

4.1 試驗(yàn)條件與方案

試驗(yàn)分別在PEX-250×1 200單軸復(fù)擺顎式破碎機(jī)和SPEX_2512雙軸復(fù)擺顎式破碎機(jī)上進(jìn)行。這兩種破碎機(jī)的外形如圖11、圖12所示，試驗(yàn)基本參數(shù)如表2所示。

圖11 PEX-250×1 200型單軸復(fù)擺顎式破碎機(jī)

圖12 SPEX-2512型雙軸復(fù)擺顎式破碎機(jī)

表2 試驗(yàn)基本參數(shù)

4.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

試驗(yàn)時(shí)，兩種破碎機(jī)均采用固定機(jī)座和常規(guī)齒板，原石喂料方式采用叉車(chē)裝料送至料口人工喂料，成品送料方式采用人工送料。試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 試驗(yàn)結(jié)果

從表3中的數(shù)據(jù)可以看出，雙軸破碎機(jī)不論是在小石子占總成品的比例方面，還是在每小時(shí)的生產(chǎn)能力方面都要優(yōu)于單軸破碎機(jī)，驗(yàn)證了理論分析和仿真分析的準(zhǔn)確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

從仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果可以看出，在運(yùn)動(dòng)性能方面新型雙軸顎式破碎機(jī)要明顯地優(yōu)于單軸顎式破碎機(jī):①行程特征值從上到下依次減小，保證了破碎機(jī)破碎時(shí)排料通暢，物料無(wú)堵塞，無(wú)過(guò)粉碎，顎板磨損較小;②最小傳動(dòng)角大，傳力性能好，破碎效果好，效率高;③出料口水平方向速度、加速度方向有益時(shí)間較長(zhǎng)，較大程度地發(fā)揮出破碎機(jī)的破碎能力。因此，在基于虛擬樣機(jī)技術(shù)的運(yùn)動(dòng)仿真的基礎(chǔ)上，后續(xù)研究將重點(diǎn)對(duì)雙軸顎式破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步地優(yōu)化，為設(shè)計(jì)出高性能的破碎機(jī)提供理論依據(jù)。

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