顎式破碎機(jī)機(jī)架的有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化

劉光浩，婁玉印，莫文鋒

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州545005；2.廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院，廣西柳州545005）

顎式破碎機(jī)機(jī)架的有限元分析及拓?fù)鋬?yōu)化

劉光浩1，婁玉印2，莫文鋒1

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州545005；2.廣西科技大學(xué)鹿山學(xué)院，廣西柳州545005）

基于鄂式破碎機(jī)機(jī)架重量較大，結(jié)構(gòu)不合理的現(xiàn)狀，運(yùn)用有限元分析軟件hyperworks建立顎式破碎機(jī)機(jī)架的有限元模型；根據(jù)顎式破碎機(jī)的力學(xué)分析對(duì)其進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度分析；根據(jù)有限元分析結(jié)果，以顎式破碎機(jī)機(jī)架的重量最小為目標(biāo)，顎式破碎機(jī)機(jī)架的最大應(yīng)力為約束條件，對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，得出顎式破碎機(jī)機(jī)架更加合理的模型，對(duì)后續(xù)顎式破碎機(jī)機(jī)架的減重優(yōu)化和對(duì)企業(yè)生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

APDL；顎式破碎機(jī)機(jī)架；拓?fù)鋬?yōu)化

國(guó)內(nèi)顎式破碎機(jī)機(jī)架是顎式破碎機(jī)的重要組成部分，是鄂式破碎機(jī)其它零件安裝的基礎(chǔ)。它在工作中承受很大的沖擊載荷，是破碎機(jī)的關(guān)鍵部件[1-2]。但目前顎式破碎機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)大多都是通過(guò)類比，按經(jīng)驗(yàn)確定各個(gè)部件的形狀和尺寸。是依據(jù)傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)結(jié)論而不是科學(xué)的計(jì)算方法進(jìn)行的，采用這種傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，具有一定的盲目性，很難設(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)又滿足強(qiáng)度和剛度要求的顎式破碎機(jī)機(jī)架[1]。

本文采用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法有限元分析方法——首先對(duì)顎式破碎機(jī)機(jī)架進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度分析，其次以顎式破碎機(jī)機(jī)架重量最小為目標(biāo)，以最大應(yīng)力為約束條件，得出顎式破碎機(jī)機(jī)架的拓?fù)淠Ｐ?，該分析為顎式破碎機(jī)企業(yè)對(duì)破碎機(jī)的研究起到一定的指導(dǎo)作用，對(duì)降低顎式破碎機(jī)的研發(fā)周期，降低顎式破碎機(jī)的制造成本、延長(zhǎng)顎式破碎機(jī)的使用壽命起到一定的積極作用。

1　結(jié)構(gòu)介紹

如圖1所示是PFE-600×900顎式破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖，定顎固定在機(jī)架的前壁上，動(dòng)顎通過(guò)軸承直接懸掛在偏心軸上，偏心軸由皮帶輪帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)，動(dòng)顎下端通過(guò)肘板和固定在機(jī)架的支座相連。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)皮帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)偏心軸帶動(dòng)動(dòng)顎轉(zhuǎn)動(dòng)；動(dòng)顎一方面對(duì)定顎作往復(fù)擺動(dòng)，同時(shí)還順著定顎有很大程度的上下運(yùn)動(dòng)[2-3]。

圖1　顎式破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

2　力學(xué)分析

顎式破碎機(jī)受力如圖2所示。

圖2　破碎機(jī)在最大破碎力時(shí)的機(jī)構(gòu)受力示意圖

列平衡方程：

∑FX＝0，即

∑FY＝0，即

∑MA（F）＝0，即

由上式得：FAX=-138.21 kN，F(xiàn)AY=2 587.38 kN，F(xiàn)=4 224.38 kN

且FA與X軸正向的夾角是93.06°.

所以由作用力反作用力的性質(zhì)知肘板對(duì)機(jī)架的作用力F'=4 224.38 kN，方向與X軸正方向的夾角為-14.23°.

2　有限元分析

鄂式破碎機(jī)機(jī)架是顎式破碎機(jī)的重要部件，對(duì)破碎機(jī)破碎性能起到重要的作用。為此運(yùn)用有限元分析軟件hyperworks建立顎式破碎機(jī)機(jī)架的有限元模型，對(duì)其進(jìn)行有限元靜強(qiáng)度分析。

（1）模型的建立。首先利用UG三維設(shè)計(jì)軟件按照實(shí)際圖紙尺寸建立破碎機(jī)機(jī)架的實(shí)體模型，再導(dǎo)入到hypermesh有限元分析軟件，采用hypermesh中的智能劃分網(wǎng)格方法。經(jīng)智能網(wǎng)格劃分破碎機(jī)機(jī)架的有限元模型如圖3所示，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目為197 893，單元數(shù)目為77 716.

圖3　破碎機(jī)機(jī)架的有限元模型

（2）設(shè)定材料特性：根據(jù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，破碎機(jī)機(jī)架的材料為45號(hào)鋼。該材料的彈性模量E=2.02×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ＝7.85×10-6kg/mm3，屈服極限為σs=355 MPa.

（3）單元選擇?；谄扑闄C(jī)架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，本文選用三維實(shí)體SOLID92.SOLID92單元由十個(gè)點(diǎn)定義，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度：節(jié)點(diǎn)x、y和z方向位移[4]。

（4）添加載荷、約束求解。根據(jù)前面的力學(xué)分析，加載肘板對(duì)機(jī)架的作用力F'=4 224.38 kN，方向與X軸正方向的夾角為-14.23°.將顎式破碎機(jī)機(jī)架底部設(shè)為全約束。

（5）經(jīng)有限元分析后計(jì)算得破碎機(jī)機(jī)架的應(yīng)力云圖，如圖4所示?？芍扑闄C(jī)機(jī)架的應(yīng)力大部分集中為53 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力；最大應(yīng)力為480 MPa，發(fā)生在機(jī)架安裝肘板應(yīng)力集中處，滿足強(qiáng)度條件。破碎機(jī)機(jī)架的變形云圖，如圖5所示，坑機(jī)機(jī)架的最大變形為0.43 mm，發(fā)生在安裝軸承處，滿足剛度條件。

圖4　破碎機(jī)機(jī)架的受力云圖

圖5　破碎機(jī)機(jī)架的變形云圖

3　顎式破碎機(jī)機(jī)架的拓?fù)鋬?yōu)化

為了得到更合理的機(jī)架結(jié)構(gòu)，對(duì)此結(jié)構(gòu)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化。將顎式破碎機(jī)機(jī)架（如圖6所示）設(shè)為不變區(qū)，其余部分設(shè)為拓?fù)鋮^(qū)域[5-6]，將機(jī)架體積最小設(shè)為優(yōu)化目標(biāo)[7]，設(shè)最大應(yīng)力小于53 MPa，基于此利用HyperMesh進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。得到的結(jié)果如圖7所示。

圖6　破碎機(jī)機(jī)架的拓?fù)淠Ｐ?/p>

圖7　顎式破碎機(jī)機(jī)架有限元分析拓?fù)浣Y(jié)果

如圖7所示，破碎機(jī)機(jī)架左右兩側(cè)和左側(cè)應(yīng)力較小，為后續(xù)設(shè)計(jì)優(yōu)化的主要區(qū)域，對(duì)企業(yè)顎式破碎機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)有一定的幫助作用。

4　顎式破碎機(jī)機(jī)架再設(shè)計(jì)

（1）根據(jù)上面破碎機(jī)機(jī)架的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，對(duì)破碎機(jī)的左右和前后機(jī)構(gòu)進(jìn)行再設(shè)計(jì)，運(yùn)行三維建模軟件UG再次建模如圖8所示。

圖8　顎式破碎機(jī)機(jī)架二次設(shè)計(jì)

（2）有限元分析

經(jīng)有限元分析后計(jì)算得破碎機(jī)機(jī)架二次設(shè)計(jì)的應(yīng)力云圖，如圖9所示?？芍?，破碎機(jī)機(jī)架的應(yīng)力大部分集中為53 MPa，遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力；最大應(yīng)力為2 419 MPa，發(fā)生在機(jī)架安裝固定位置，該位置為應(yīng)力集中位置，可不考慮。破碎機(jī)機(jī)架的二次設(shè)計(jì)的變形云圖，如圖10所示，破碎機(jī)機(jī)架的最大變形為1.9 mm，發(fā)生在安裝軸承處，滿足剛度條件。

圖9　破碎機(jī)機(jī)架二次設(shè)計(jì)的受力云圖

圖10　破碎機(jī)機(jī)架的二次設(shè)計(jì)變形云圖

經(jīng)再次設(shè)計(jì)后破碎機(jī)機(jī)架強(qiáng)度和剛度都能得到很好的滿足，重量由原來(lái)0.77 t變?yōu)?.70 t，重量減少了10%，起到了減重優(yōu)化的結(jié)果。

5　結(jié)束語(yǔ)

（1）通過(guò)有限元分析可知再次設(shè)計(jì)后的顎式破碎機(jī)機(jī)架滿足強(qiáng)度和剛度要求，且重量有所減輕，起到了減重優(yōu)化的結(jié)果。

（2）通過(guò)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，得到顎式破碎機(jī)機(jī)架的拓?fù)淠Ｐ停瑢?duì)后續(xù)企業(yè)破碎機(jī)的生產(chǎn)有一定的指導(dǎo)意義。

（3）在破碎機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)過(guò)程中，引入拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，能極大地提高顎式破碎機(jī)的精度和質(zhì)量，保證材料的最大利用率，從而降低生產(chǎn)成本，并且提高產(chǎn)品的性能。

[1]任紅英，張岐生.顎式破碎機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)與實(shí)踐[J].萍鄉(xiāng)高等專科學(xué)校學(xué)報(bào)，2001，12（4）：28-32

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[6]王鈺棟，金磊，洪清泉.HyperMesh&HyperView應(yīng)用技巧與高級(jí)實(shí)例[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：150-151.

[7]于開(kāi)平，周傳月，譚惠豐.HyperMesh從入門到精通[M].北京：科學(xué)出版社，2005：250-251.

Finite Element Analysis and Topology Optimization of the Frame of Jaw Crusher

LIU Guang-hao1，LOU Yu-yin2，MO Wen-feng1
（1.Liuzhou Vocational&Technical College，Liuzhou Guangxi 545005，China；2.Lushan College of Guangxi University of Science and Technology，Liuzhou Guangxi 545005，China）

Based on the large weight of the frame of the jaw crusher，the structure is not reasonable.Firstly，the finite element model of the jaw crusher frame was established by hypermesh，and then the finite element analysis was carried out according to the mechanical analysis of the jaw crusher.With a jaw type crushing machine frame of the minimum weight as the goal，jaw broken machine frame of the maximum stress as constraint conditions，the topology optimization design，draw the jaw crusher machine more reasonable model，on subsequent jaw type crushing machine weight optimization of the and of the production enterprises have certain guiding significance.

APDL；jaw crusher frame；topology optimization

TD451

A

1672-545X（2016）10-0018-03

2016-07-03

項(xiàng)目編號(hào)：桂教科研2011（14）201106LX753

劉光浩（1976-），男，湖南邵陽(yáng)人，碩士，副教授，研究方向：可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)；婁玉印（1983-），男，山東聊城人，碩士，助教，研究方向：可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。