圓錐破碎機(jī)耐磨型腔有限元分析與優(yōu)化*

張建國(guó)

(山西汾西礦業(yè)集團(tuán)正新煤焦有限責(zé)任公司和善煤礦，山西 沁源 046500)

0 引 言

破碎機(jī)作為煤炭破碎環(huán)節(jié)極其重要的設(shè)備，隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展應(yīng)用范圍越來越廣，圓錐破碎機(jī)因其破碎能力較強(qiáng)，已引起了煤炭相關(guān)行業(yè)的廣泛關(guān)注[1-3]。圓錐破碎機(jī)工作環(huán)境惡劣、服役條件復(fù)雜，其能否可靠工作不僅關(guān)系著破碎之后煤炭的塊度均勻性，還關(guān)系著煤炭的成本及企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益，必須引起高度重視[4]。型腔作為圓錐破碎機(jī)的關(guān)鍵部件，其工作過程中直接與煤炭發(fā)生摩擦，其磨損性能好壞與圓錐破碎機(jī)使用壽命息息相關(guān)，是相關(guān)研究人員重點(diǎn)研究的內(nèi)容[5-6]。根據(jù)圓錐破碎機(jī)實(shí)際工況，以某型號(hào)圓錐破碎機(jī)耐磨型腔為研究對(duì)象，開展耐磨型腔的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，達(dá)到提高其安全性的目的。

1 圓錐破碎機(jī)工作原理及問題

圓錐破碎機(jī)組成主要包括球面軸承、動(dòng)錐、偏心軸套、調(diào)整環(huán)、機(jī)體及相關(guān)傳動(dòng)部件，工作過程示意圖如圖1所示。動(dòng)錐襯板鑲嵌于動(dòng)錐體的表面，二者圍繞破碎機(jī)中心線偏心旋轉(zhuǎn)，動(dòng)力來源于傳動(dòng)錐齒輪。動(dòng)錐襯板和定錐襯板相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)之間的距離規(guī)律性的靠近與遠(yuǎn)離，當(dāng)動(dòng)錐和定錐靠近時(shí)，擠壓型腔內(nèi)部的煤炭實(shí)現(xiàn)破碎，當(dāng)動(dòng)錐和定錐遠(yuǎn)離時(shí)，破碎后的煤炭在重力作用下下落出料，同時(shí)實(shí)現(xiàn)未破碎煤炭的進(jìn)料，以此循環(huán)往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)煤炭的破碎。

圖1 圓錐破碎機(jī)工作過程示意圖

圓錐破碎機(jī)苛刻的服役條件下依然存在問題，如動(dòng)錐襯板在與煤炭接觸摩擦過程中的磨損速度較快，使用壽命較短、存在明顯的動(dòng)錐襯板磨損程度不一致的情況，雖然破碎之后的煤炭粒度基本滿足要求，但是為了提高圓錐破碎機(jī)的使用安全性和可靠性，有必要進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化提高。

2 圓錐破碎機(jī)耐磨型腔有限元分析

圓錐破碎機(jī)動(dòng)錐襯板作為圓錐破碎機(jī)的關(guān)鍵耐磨部件，直接決定了圓錐破碎機(jī)的使用壽命，此處加以重點(diǎn)分析。

2.1 動(dòng)錐襯板實(shí)體建模

運(yùn)用SolidWorks三維建模軟件完成動(dòng)錐襯板三維圖的繪制，并對(duì)其進(jìn)行了必要的簡(jiǎn)化處理，之后保存為.igs文件導(dǎo)入ANSYS仿真分析軟件，進(jìn)行前處理。定義動(dòng)錐襯板的材料屬性，材料類型為耐磨高錳鋼，其彈性模量為2.1×1011kg/m2，密度為7 980 kg/m3，泊松比為0.3。完成材料屬性設(shè)置之后進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，為了提高網(wǎng)格劃分的效率和質(zhì)量，保證后續(xù)分析計(jì)算過程的收斂性，此處對(duì)動(dòng)錐襯板網(wǎng)格劃分采用自由化分方法，完成網(wǎng)格劃分之后的仿真分析模型如圖2所示。

圖2 動(dòng)錐襯板有限元模型

2.2 載荷施加

動(dòng)錐襯板作為耐磨型腔關(guān)鍵組成，工作過程中其外表面是工作面，內(nèi)表面鑲嵌于動(dòng)錐體表面，伴隨動(dòng)錐體的偏心運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)，動(dòng)錐襯板施加約束時(shí)需要將動(dòng)錐襯板下端設(shè)置為固定約束。為了更準(zhǔn)確的反應(yīng)動(dòng)錐襯板實(shí)際的工作情況，滿足工作面破碎力的分布狀況，將動(dòng)錐襯板工作面劃分為9份，結(jié)果如圖3所示。經(jīng)計(jì)算得出工作面的載荷分布情況如圖4所示，從動(dòng)錐的入料口往下工作面所受載荷大小逐漸增加，最大值為534.83kN，呈現(xiàn)明顯的梯度分布趨勢(shì)?；谏鲜瞿Ｐ图拜d荷分布計(jì)算結(jié)果，完成了動(dòng)錐襯板載荷的施加。

圖3 動(dòng)錐襯板等分圖

圖4 動(dòng)錐襯板載荷變化

2.3 仿真分析及結(jié)果分析

完成動(dòng)錐襯板有限元模型建立、載荷約束的施加等前處理工作之后，即可進(jìn)入仿真分析環(huán)節(jié)。ANSYS仿真分析軟件中涉及很多仿真分析模塊，如靜態(tài)分析模塊、動(dòng)態(tài)分析模塊、振動(dòng)分析模塊、溫度場(chǎng)分析模塊等，此處仿真分析的主要目的是完成動(dòng)錐襯板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析及受力的分布情況，因此，選擇靜態(tài)分析模塊即可滿足要求。啟動(dòng)靜態(tài)分析模塊自帶求解器，對(duì)動(dòng)錐襯板進(jìn)行仿真分析計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 動(dòng)錐襯板等效應(yīng)力分布云圖

圖6 動(dòng)錐襯板路徑應(yīng)力變化圖

分析仿真計(jì)算結(jié)果之前介紹一下高錳鋼的力學(xué)特性，高錳鋼本身具有較高的耐磨性和沖擊韌性，其在破碎煤炭過程中因其具有很好的韌性，對(duì)于較高沖擊載荷具有很好的抵抗作用，并且高錳鋼在強(qiáng)烈沖擊和較大接觸應(yīng)力作用之下表面會(huì)產(chǎn)生硬化效果，而心部依然保留很好的韌性，可見其具有很好的外硬內(nèi)韌特點(diǎn)，耐磨和抗沖擊性能極佳。

動(dòng)錐襯板等效應(yīng)力分布云圖如圖5所示，應(yīng)力集中位置出現(xiàn)在動(dòng)錐襯板的上部，最大應(yīng)力值為311MPa，高錳鋼的屈服極限值為3901MPa，二者相比，動(dòng)錐襯板的最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高錳鋼材料的屈服極限，結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度滿足工程要求。由圖6可得動(dòng)錐襯板由煤炭入料口至出口方向的路徑應(yīng)力變化趨勢(shì)可以看出，應(yīng)力變化起伏較大。

由動(dòng)錐襯板仿真分析結(jié)果可得，動(dòng)錐襯板工作過程中的強(qiáng)度能夠滿足工程實(shí)際要求，但是依然出現(xiàn)動(dòng)錐襯板使用壽命不高，通常僅為設(shè)計(jì)壽命的75%左右。動(dòng)錐襯板正常使用過程中的磨損問題一直是老生常談的問題，沿破碎腔高度方向應(yīng)力起伏較大是磨損不均勻的主要原因之一，因此有必要依據(jù)動(dòng)錐襯板均勻磨損理論，開展耐磨型腔的優(yōu)化設(shè)計(jì)以降低動(dòng)錐襯板的應(yīng)力起伏。

3 耐磨型腔優(yōu)化分析

3.1 耐磨型腔優(yōu)化

MATLAB軟件在算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析、數(shù)值計(jì)算等方面具有應(yīng)用較廣。由圓錐破碎機(jī)的技術(shù)參數(shù)可得煤炭進(jìn)料口的尺寸為360 mm，排料口的尺寸為45 mm，破碎腔的高度為758 mm。破碎機(jī)耐磨型腔由動(dòng)錐工作型面和定錐工作型面組成，基于已有破碎機(jī)耐磨型腔的技術(shù)參數(shù)，運(yùn)用MATLAB軟件進(jìn)行動(dòng)錐工作面型線和定錐工作型面型線的優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于動(dòng)錐工作面型線簡(jiǎn)單，此處重點(diǎn)對(duì)定錐工作面型線進(jìn)行了優(yōu)化分析，優(yōu)化結(jié)果如圖7所示，動(dòng)錐工作面型線保持原狀，定錐工作面型線相較于原型線進(jìn)行了優(yōu)化。

圖7 優(yōu)化耐磨型腔圖

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

為了驗(yàn)證破碎機(jī)耐磨型腔的優(yōu)化結(jié)果，按照優(yōu)化得到的型腔工作面型線進(jìn)行載荷分布情況的計(jì)算，結(jié)果如圖8所示，與優(yōu)化設(shè)計(jì)之前的計(jì)算載荷相比較，最大值得到了一定程度的降低，并且載荷分布較均勻，最大載荷降低近35%。之后在此對(duì)動(dòng)錐襯板進(jìn)行有限元仿真分析，計(jì)算得到的動(dòng)錐襯板等效應(yīng)力分布云圖如圖9所示，由圖9可以看出定錐工作面型線的優(yōu)化降低了定錐工作面的最大應(yīng)力，降低約16%。提取動(dòng)錐路徑應(yīng)力變化趨勢(shì)曲線，如圖10所示，相較于優(yōu)化設(shè)計(jì)之前的應(yīng)力變化趨勢(shì)，優(yōu)化之后的動(dòng)錐襯板的應(yīng)力分布較均勻，由煤炭進(jìn)料口至出料口的應(yīng)力分布起伏得到了明顯的改善。綜合以上優(yōu)化改進(jìn)分析結(jié)果，通過優(yōu)化耐磨型腔定錐工作面型線的方法大大降低了動(dòng)錐襯板工作面應(yīng)力分布的起伏幅度，對(duì)于改善動(dòng)錐襯板應(yīng)力分布不均，提高其磨損的均勻性，保證破碎機(jī)使用過程中的安全性和可靠性具有重要的意義。

圖8 動(dòng)錐襯板等效應(yīng)力分布云圖

圖9 動(dòng)錐襯板載荷變化

圖10 動(dòng)錐襯板路徑應(yīng)力變化圖

4 結(jié) 語

破碎機(jī)作為煤炭破碎過程中的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)其工作的安全性和可靠性要求較高。以某型號(hào)圓錐破碎機(jī)耐磨型腔為研究對(duì)象，針對(duì)動(dòng)錐襯板使用壽命低于設(shè)計(jì)值、磨損不均勻的問題，運(yùn)用ANSYS有限元仿真分析方法，開展了動(dòng)錐襯板強(qiáng)度分析。結(jié)果表明，動(dòng)錐襯板最大應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于高錳鋼的屈服極限，強(qiáng)度滿足工程要求，但是動(dòng)錐沿耐磨型腔高度方向的應(yīng)力分布起伏較大，會(huì)加劇動(dòng)錐襯板的磨損不均勻性。之后開展了耐磨型腔的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，通過優(yōu)化定錐工作面型線使動(dòng)錐襯板的應(yīng)力起伏大大降低，對(duì)于改善動(dòng)錐襯板的磨損不均勻性具有重要意義。