基于RecurDyn的顎式破碎機機構(gòu)分析及優(yōu)化

袁豪杰 穆森

摘 要：顎式破碎機機構(gòu)尺寸參數(shù)設(shè)計的優(yōu)劣是決定產(chǎn)品性能的關(guān)鍵。本文應(yīng)用多體動力學軟件RecurDyn建立顎式破碎機的運動機構(gòu)模型，將機構(gòu)中各重要參數(shù)作為設(shè)計變量，以顎破排料口的行程比為目標參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。結(jié)果表明破碎機排料口的沖程比有明顯減小，極大的改善了破碎機的工作性能。

關(guān)鍵詞：RecurDyn;顎式破碎機;機構(gòu)分析;優(yōu)化設(shè)計

引言：

顎式破碎機由于結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、容易制造、使用維護方便，因此被廣泛應(yīng)用于冶金、建材、化工、煤炭、石材等行業(yè)原料的破碎。隨著破碎物料需求的不斷增加，對顎式破碎機的性能的要求也進一步提高，顎式破碎機的運動機構(gòu)作為破碎機至關(guān)重要的構(gòu)成部分，需要不斷地改進優(yōu)化。

目前國產(chǎn)顎式破碎機的設(shè)計比較保守，效率、性能較國外先進產(chǎn)品還有一定差距，雖然國內(nèi)廠家通過與高校合作等方式提高顎式破碎機的設(shè)計技術(shù)水平，但與國外廠家還有較大差距。本文采用多體動力學分析軟件RecurDyn建立顎式破碎機運動機構(gòu)模型，以國產(chǎn)PE75106復(fù)擺顎式破碎機運動機構(gòu)為例，進行優(yōu)化分析，為改善國內(nèi)顎式破碎機性能提供一種優(yōu)化方法。

1 顎式破碎機運動機構(gòu)建模及參數(shù)化

復(fù)擺顎式破碎機的工作裝置主要由偏心軸、動顎體、肘板、機架組成，是典型的曲柄搖桿機構(gòu)。如圖1所示，曲柄AB對應(yīng)偏心軸、連桿BC對應(yīng)動顎體、搖桿CD對應(yīng)肘板、AD對應(yīng)機架，EF為排料口尺寸。

為了對顎式破碎機排料口處行程比進行優(yōu)化分析，需將顎式破碎機的運動機構(gòu)進行參數(shù)化。將曲柄AB對、連桿BC、搖桿CD、機架AD作為變量參數(shù)建立參數(shù)變量，以這些參數(shù)變量為基礎(chǔ)建立參數(shù)點，使用RecurDyn軟件自帶的“Link”功能繪制顎式破碎機運動機構(gòu)模型，并添加4個轉(zhuǎn)動副，分別對應(yīng)圖1中的A、B、C、D點，并在A點處的轉(zhuǎn)動副上添加驅(qū)動，偏心軸轉(zhuǎn)速為280r/min，如圖2所示。

國內(nèi)某廠家的PE75106復(fù)擺顎式破碎機的運動機構(gòu)的基本尺寸為：AB=19.5mm，BC=1703.5mm，CD=600mm，AD=1438.5mm。

2 顎式破碎機運動機構(gòu)仿真分析

顎式破碎機動顎的運動特性是破碎機評價的重要尺度之一。由于破碎機中物料粒徑是從上到下逐漸減小的，粒徑越大所需壓縮量越大，而動顎的水平行程對應(yīng)物料的壓縮量。垂直行程使物料承受搓磨，垂直行程越大，越易產(chǎn)生粉料，也越加劇襯板磨損。因此垂直行程與水平行程的比值，即排料口的行程比越小，能耗越低，物料的粉碎率也越低[1-2]。

顎式破碎機排料口處的行程比為關(guān)鍵參數(shù)，故在連桿（動顎）BC上建立一個排料口處的坐標點（Marker），對應(yīng)于圖1中E點，為分析排料口E的行程變化，需建立E點最低點處的坐標。根據(jù)曲柄搖桿機構(gòu)的特點可知下死點狀態(tài)為E點最低位置狀態(tài)，并以曲軸中心A點為原點建立坐標系，如圖3所示。

夾角α可根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系獲得如下：

故圖3中E點的坐標值可根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系獲得如下：

其中EH=622.6，CG=443，XAD=2，YAD=1827.5。

在模型的Ground中建立E點最低點（Marker）E'，通過兩點的差值可得排料口行程的變化曲線，通過RecurDyn軟件分析PE75106顎式破碎機的運動機構(gòu)，其水平行程為Δx=17mm，豎直行程為Δy=60.6mm，如圖4所示。排料口行程比：

可見此PE75106顎式破碎機的行程比偏大，需要進行優(yōu)化。

3 機構(gòu)優(yōu)化分析

為降低排料口行程比數(shù)值，需要對顎式破碎機的運動機構(gòu)進行優(yōu)化分析。RecurDyn軟件自帶Design Study和AutoDesign兩部分優(yōu)化功能，其中前者適用于研究單個設(shè)計變量或多個設(shè)計變量的影響分析，后者是一個集DOE、元模型技術(shù)和數(shù)值優(yōu)化技術(shù)為一體的有效自動化設(shè)計優(yōu)化工具[3]。為對顎式破碎機進行更可靠的分析，采用AutoDesign模塊，進行DOE試驗分析。

3.1設(shè)計變量和目標參數(shù)

顎式破碎機運動機構(gòu)各主要參數(shù)是指模型中曲柄搖桿機構(gòu)各桿長和位置參數(shù)，故選用AB、BC、CD、XAD、YAD五個參數(shù)為設(shè)計變量。

因顎式破碎機排料口行程比是破碎機機構(gòu)性能的重要指標，故選排料口處行程比m為目標參數(shù)。

3.2約束條件

考慮到原整機尺寸、機構(gòu)合理性等要求，需要對設(shè)計的變量的取值范圍進行必要的限制，并且為保證原機型不發(fā)生較大變化，將各桿的長度變化限制在10%以內(nèi)。

曲柄長AB對破碎機的工作性能影響較大。增大偏心距，可以提高機器的破碎性能，但功率也會劇增。在保證破碎能力的情況下，盡可能的減小偏心軸距的大小，減少功率消耗。因此AB的取值范圍為：16≤AB≤20

連桿長BC、搖桿長CD和機架DA會影響到破碎機性能，其取值范圍限制在10%以內(nèi)，分別為：1625≤BC≤1785，570≤CD≤630，0≤XAD≤90，1370≤YAD≤1510。

通過分析取值范圍，各桿長滿足最長桿與最短桿長度之和小于或等于另外兩桿長度之和，并且曲柄為最短桿的條件（即滿足曲柄搖桿機構(gòu)成立條件）。

3.3結(jié)果分析

將設(shè)計變量和目標參數(shù)添加到RecurDyn軟件的AutoDesign模塊中，并選擇7水平的Bose正交矩陣設(shè)計，通過仿真分析可得5個設(shè)計因素在當前設(shè)計區(qū)間內(nèi)與目標參數(shù)的關(guān)系，如圖5所示，通過效果分析可知，5個設(shè)計變量與行程比無明顯增減關(guān)系。

通過優(yōu)化分析可得設(shè)計變量最佳水平組合，并進行仿真分析，對比優(yōu)化前后數(shù)據(jù)如表1所示。破碎機水平行程由17提升至18，同時行程比由3.56降低至2.98，優(yōu)化后的破碎機襯板的磨耗會降低，且曲柄由19.8降至18可降低破碎機的功率，

4 結(jié)論

應(yīng)用多體動力學分析軟件RecurDyn可實現(xiàn)顎式破碎機運動機構(gòu)的參數(shù)化建模，并通過軟件自帶的優(yōu)化分析工具實現(xiàn)運動機構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。通過對PE75106顎式破碎機運動機構(gòu)的分析，可總結(jié)如下;

從優(yōu)化結(jié)果上看，排料口行程比明顯降低，同時水平行程有一定提高，可以預(yù)期襯板的使用壽命會有一定提高。由于曲柄長度減小，破碎機消耗的功率有望降低。

采用這種方法可以實現(xiàn)對現(xiàn)有顎式破碎機運動機構(gòu)改進，縮短顎式破碎機改進設(shè)計的時間，特別適用于針對結(jié)構(gòu)改動較小的優(yōu)化設(shè)計。

參考文獻：

[1]郎寶賢，郎世平.破碎機[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2011.

[2]胡百鳴，郎寶賢，龔相超.PEF250×400顎式破碎機動顎軌跡優(yōu)化[J].武漢科技大學學報，2011（34）5：339-341.

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