水泥廠破碎機(jī)疲勞分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

李耀華

（晉能控股煤業(yè)有限公司水泥廠，山西 大同 037003）

引言

破碎機(jī)為礦山、電力、冶金等行業(yè)使用的機(jī)械設(shè)備，其在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著重要意義。在最初期，我國(guó)破碎機(jī)主要是參照國(guó)外先進(jìn)破碎機(jī)仿造所得，由于關(guān)鍵技術(shù)、材料以及制造工序等不掌握，導(dǎo)致所制造的破碎機(jī)雖然能夠勉強(qiáng)適應(yīng)實(shí)際生產(chǎn)的需求，但是其與國(guó)外破碎機(jī)相比仍然存在一定的差距，具體在實(shí)際生產(chǎn)中表現(xiàn)為生產(chǎn)效率不高、振動(dòng)嚴(yán)重、破碎效率低以及噪聲大等問題[1]。導(dǎo)致上述問題的主要原因?yàn)槠扑闄C(jī)關(guān)鍵零部件發(fā)生共振或者強(qiáng)度不滿足要求。因此本文重點(diǎn)對(duì)水泥廠破碎機(jī)關(guān)鍵零部件進(jìn)行研究，并針對(duì)其強(qiáng)度不足的問題提出優(yōu)化措施。

1 破碎機(jī)基本結(jié)構(gòu)概述

本文所研究具體破碎機(jī)的類型為液壓圓錐破碎機(jī)，該型破碎機(jī)除了應(yīng)用水泥行業(yè)外，還在礦山、冶金等領(lǐng)域也被廣泛應(yīng)用。液壓圓錐破碎機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 液壓圓錐破碎機(jī)基本結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，待破碎的物料通過進(jìn)料口進(jìn)入破碎區(qū)域，并最終進(jìn)入破碎腔內(nèi)；在偏心套、定錐裝配體、動(dòng)錐裝配體的作用下對(duì)物料進(jìn)行擠壓，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)物料的破碎。經(jīng)破碎后的物料通過排料口排出。該型破碎機(jī)的核心為液壓系統(tǒng)，其發(fā)揮控制和保護(hù)功能。在實(shí)際生產(chǎn)中，當(dāng)破碎機(jī)發(fā)生特別大振動(dòng)和噪聲時(shí)，需立即停機(jī)對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢修[2]。液壓圓錐破碎機(jī)相較于其他類型破碎機(jī)的主要優(yōu)勢(shì)如下：

1）液壓圓錐破碎機(jī)主軸采用上軸和下軸兩段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該種設(shè)計(jì)方式在很大程度上提高了主軸的剛度，而且還使破碎機(jī)的整體結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化。

2）將傳統(tǒng)破碎機(jī)的滑動(dòng)式軸承替換為圓柱滾子軸承，該型軸承不僅成本低、強(qiáng)度高、工作效率高，而且還具有優(yōu)越的散熱功能；同時(shí)，采用非接觸式的密封結(jié)構(gòu)可對(duì)液壓系統(tǒng)的純凈性進(jìn)行保證。

3）該型破碎機(jī)設(shè)計(jì)的T 型軸可有效解決傳統(tǒng)破碎機(jī)的飛車問題。

2 定錐襯板的模態(tài)分析

定錐襯板是液壓圓錐破碎機(jī)的關(guān)鍵部件，通過實(shí)踐表明，當(dāng)定錐襯板振動(dòng)嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致破碎機(jī)整機(jī)出現(xiàn)更為嚴(yán)重的振動(dòng)情況，從而發(fā)出很大的噪聲。因此，本節(jié)將通過對(duì)當(dāng)前結(jié)構(gòu)形式的定錐襯板進(jìn)行模態(tài)分析，得出該結(jié)構(gòu)件的固有頻率[3]。

2.1 模態(tài)分析模型的構(gòu)建及設(shè)置

根據(jù)本文所研究液壓圓錐破碎機(jī)中定錐襯板的結(jié)構(gòu)參數(shù)基于UG 建立三維模型，并將三維模型導(dǎo)入ANSYS 有限元分析軟件中完成接觸定義、特征網(wǎng)格劃分、添加約束并施加載荷。基于ANSYS 所構(gòu)建的仿真模型如圖2 所示。

圖2 仿真模型

液壓圓錐在實(shí)際工作中定錐襯板在表面上未發(fā)生移動(dòng)，因此，僅在如圖2 所示的模型中添加Fix support 約束。結(jié)合液壓圓錐破碎機(jī)的工作參數(shù)，設(shè)定與定錐襯板相配合的動(dòng)錐襯板的轉(zhuǎn)速為330 r/min，破碎機(jī)整機(jī)的運(yùn)行頻率為5.5 Hz。

2.2 定錐襯板模態(tài)仿真結(jié)果分析

本次仿真僅對(duì)定錐襯板前六階的模態(tài)進(jìn)行分析。本文僅對(duì)每階模態(tài)分析的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。經(jīng)分析，所得定錐襯板模態(tài)仿真分析結(jié)果如下：

1）定錐襯板在第一階的固有頻率為391.36 Hz，此時(shí)定錐襯板沿著Z 軸呈現(xiàn)內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且對(duì)應(yīng)的最大變形量為1.59 mm。

2）定錐襯板在第二階的固有頻率為391.51 Hz，此時(shí)定錐襯板沿著X 軸呈現(xiàn)內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且對(duì)應(yīng)的最大變形量為1.591 2 mm。

3）定錐襯板在第三階的固有頻率為409.021 Hz，此時(shí)定錐襯板沿著X 軸發(fā)生變形，且對(duì)應(yīng)的最大變形量為1.449 5 mm。

4）定錐襯板在第四階的固有頻率為490.11 Hz，此時(shí)定錐襯板沿著Z 軸發(fā)生變形，且對(duì)應(yīng)的最大變形量為1.422 7 mm。

5）定錐襯板在第五階的固有頻率為498.21 Hz，此時(shí)定錐襯板沿著X 軸、Z 軸呈現(xiàn)內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且對(duì)應(yīng)的最大變形量為1.696 6 mm。

6）定錐襯板在第六階的固有頻率為498.3 Hz，此時(shí)定錐襯板沿著X 軸、Z 軸呈現(xiàn)內(nèi)外翻轉(zhuǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，且對(duì)應(yīng)的最大變形量為1.694 9 mm。

綜上，定錐襯板在六階的模態(tài)分析中得其固有頻率與破碎機(jī)整機(jī)的運(yùn)行頻率相差較大，即不存在由定錐襯板振動(dòng)而導(dǎo)致共振現(xiàn)象的發(fā)生且也不存在共振變形的問題[4]。由此說明破碎機(jī)可正常運(yùn)行。

3 定錐襯板疲勞分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

基于上述所構(gòu)建的有限元仿真模型，對(duì)定錐襯板的疲勞壽命進(jìn)行仿真分析，并具體得出定錐襯板的壽命云圖和安全系數(shù)云圖。根據(jù)仿真結(jié)果針對(duì)性地對(duì)定錐襯板進(jìn)行強(qiáng)化分析。

3.1 定錐襯板疲勞分析結(jié)果

根據(jù)所構(gòu)建的有限元仿真模型，得出的壽命云圖和安全系數(shù)云圖仿真結(jié)果，如圖3 所示。

如圖3-1 所示，定錐襯板最薄弱的位置位于破碎區(qū)域的下部分，且對(duì)應(yīng)的壽命為1 680 900 轉(zhuǎn)；該位置在動(dòng)載荷沖擊的作用下容易發(fā)生磨損和損壞的情況。如圖3-2 所示，定錐襯板發(fā)生疲勞失效的主要位置位于破碎區(qū)域的內(nèi)壁且位于破碎區(qū)域上部分的拐角位置，在此處存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象[5]。總的來講，定錐襯板的安全系數(shù)最小為3.5，在正常工作狀態(tài)下該定錐襯板可以滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

圖3 定錐襯板疲勞仿真結(jié)果

但是，由于定錐襯板在實(shí)際應(yīng)用中存在應(yīng)力集中的區(qū)域，該區(qū)域始終為破碎機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的隱患。

3.2 定錐襯板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為解決定錐襯板應(yīng)力集中的問題，簡(jiǎn)單地更換定錐襯板的材料不僅改造成本高而且工期較長(zhǎng)。因此，結(jié)合上述仿真結(jié)果在定錐襯板新增6 個(gè)加強(qiáng)筋保證整體安全性。對(duì)改造后定錐襯板的應(yīng)力云圖仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 改造后定錐襯板的應(yīng)力云圖

如圖4 所示，對(duì)原定錐襯板增加6 個(gè)加強(qiáng)筋后，定錐襯板并未出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象，也消除了定錐襯板運(yùn)行的安全隱患。

4 結(jié)語

破碎機(jī)為水泥、礦山、冶金行業(yè)中應(yīng)用廣泛的設(shè)備，其在很大程度上提升了現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)效率。但是，我國(guó)破碎機(jī)在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)噪聲大、振動(dòng)嚴(yán)重以及關(guān)鍵零部件強(qiáng)度不夠的問題。為此，本文重點(diǎn)對(duì)圓錐液壓破碎機(jī)的定錐襯板進(jìn)行模態(tài)和疲勞分析，并得出如下結(jié)論：

1）定錐襯板在六階的模態(tài)分析中得其固有頻率與破碎機(jī)整機(jī)的運(yùn)行頻率相差較大，說明該型破碎機(jī)在實(shí)際工作不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的振動(dòng)情況，從而振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲也小。

2）雖然定錐襯板的安全系數(shù)和壽命系數(shù)均滿足實(shí)際應(yīng)用要求，但是存在應(yīng)力集中的現(xiàn)象，存在一定的安全隱患。對(duì)定錐襯板加裝6 個(gè)加強(qiáng)筋后明顯消除了應(yīng)力集中現(xiàn)象。