閆少華， 田海蘭

（1.機械工業(yè)第六設計研究院有限公司，鄭州450007；2.鄭州財經學院機電工程系，鄭州450044）

0 引言

礦山資源需求的日漸增大和現(xiàn)代制造技術的迅猛發(fā)展使得破碎機朝著大型化方向發(fā)展［1］，XJPG-150型星形架式盤輥破碎機是某公司為順應市場需求而研制的大破碎比的物料粉碎設備，可廣泛用于礦山、冶金以及建材等行業(yè)中巖礦物料的破碎工藝過程。

星形架作為該破碎機中的關鍵結構，主要由Q235A材料的星形架箱型支臂、豎直圓立柱、錐輥支承板等通過焊接組合而成，當破碎機進行工作時，物料在輥盤之間進行破碎時產生的機械沖擊力會直接通過3個破碎錐輥對星形架的3個支臂產生作用，產生較大且較為復雜的機械振動，對星形架及整機的壽命起到至關重要的影響，因此很有必要對星形架的強度特性進行研究，從而更好地指導整機的設計及改進。

圖1 XJPG-150型星形架式盤輥破碎機結構圖

1 星形架結構受力分析

如圖1，星形架支臂6屬于變剛度靜定結構，它的每個箱型支臂P點均受到加載液壓缸施加的40 t的向下的作用力，自身受到的內力和支反力可由靜力平衡條件求解得出［2］。這里以錐輥為研究對象，綜合破碎時的極限工況，錐輥的自身重量由物料的支承力相互抵消，分析其受力情況，如圖2所示，由力的平衡條件可得

圖2 架輥受力示意圖

因 ON∶MN＝880∶1175，OM∶MN＝295∶1175，F(xiàn)=4×105N，依據作用力與反作用力的關系，可知星形架支臂 M、N 點的受力為 FM′=3×105N，F(xiàn)N′=1×105N，方向豎直向上。

2 星形架有限元強度與剛度分析

2.1 星形架有限元模型的建立

在進行有限元靜強度分析之前，將SolidWorks中建立的星形架三維模型導入到ANSYS Workbench中，其主要技術參數(shù)如表1所示，進行網格劃分的結果如圖3所示。

表1 星形架有限元模型技術參數(shù)

2.2 計算結果分析

星形架由Q235A鋼板經過焊接而成，這種低碳鋼失效的形式多為塑性屈服失效，因此作數(shù)值分析的時候選擇Von Mises等效應力作為其結構強度的判斷標準［2］。對星形架的3個支臂進行約束，按極限工況施加載荷后計算，得到的結果如圖4、圖5所示。

圖3 星形架有限元網格劃分結果

圖4 星形架變形分布圖

據此，星形支架本身的機械變形和應力都較小，其最大變形產生在豎直圓立柱下面的錐輥支承銷孔的周圍，最大變形量達到0.13971 mm，根據《鋼結構設計規(guī)范（GB50017-2003）》查其許用撓度為［f］=0.45 mm，所以變形量完全滿足設計要求；圖5為星形架各節(jié)點的等效應力云圖，根據云圖可知星形架最大等效應力在星形架支臂連接與3個液壓缸的銷軸孔處，為80.888 MPa，遠遠小于其許用應力，因此有必要對星形架的結構進行優(yōu)化，在滿足使用性能和力學要求的前提下達到降低材料成本和結構輕量化的目的。

3 星形架結構優(yōu)化及結果驗證

機械優(yōu)化設計是依據設備性能、承載能力、結構重量或者產品成本等要求來確定有關結構參數(shù)，希望達到結構設計的最優(yōu)化目標，廣泛應用于機電產品、航空航天、航海等多個領域［3-4］。

根據前面的靜強度分析得知，星形支架的最大變形部位為錐輥下支承板及支臂架與液壓缸的連接處，由于它整體剛度及強度余量較大，總優(yōu)化目標為：在滿足強度與剛度的前提下，盡可能減小星形支架結構的板厚，以期達到結構重量、整體的變形以及等效應力三者之間的最優(yōu)化。對星形支架進行優(yōu)化時，將其支臂架板及襯板的厚度x1、中間支撐管厚度x2及錐輥支承座耳板壁厚x3作為優(yōu)化設計的2個變量，優(yōu)化目標為減輕星形支架的重量，根據使用工況，對其進行優(yōu)化的數(shù)學模型如下：

根據優(yōu)化結果，當星形支架臂板以及襯板厚度取20 mm，中間支撐管厚度及錐輥支承板左右2個耳板厚度為原始值時，目標函數(shù)為最小值并且各項參數(shù)指標都在設計要求的范圍之內，可視為最佳方案。這時，優(yōu)化之后的星形支架的總重量（Weight）僅為3740.8 kg，比原始重量5062.6 kg降低了26.11%，其最大變形量fmax也僅為0.16 mm，等效應力最大值σmax僅為120.98 MPa，分布云圖如圖6、圖7所示。

圖6 優(yōu)化后的變形分布圖

圖7 優(yōu)化后的等效應力分布圖

根據優(yōu)化后的星形支架的受力情況及變形情況，其最大應力小于星形架的最大許用應力150 MPa，最大變形量也在許用撓度范圍之內，均可滿足星形支架的強度及剛度要求。

4 結論

1）利用ANSYS Workbench軟件對星形支架的關鍵結構部件進行靜態(tài)強度分析，計算出等效應力和最大變形情況，根據分析結果，星形支架最大變形量為0.13971 mm，最大等效應力為80.888 MPa，整體強度富余量較大，有必要對星形支架進行結構優(yōu)化和改進。

2）基于靜強度分析和星形架的數(shù)學優(yōu)化模型，對其進行整體結構優(yōu)化，使重量減少了26.11%，并對改進之后的星形支架進行強度分析及驗證，其應力及變形都在許可的范圍之內。

3）通過對星形支架結構強度進行分析及優(yōu)化，證明了有限元分析方法在機械設備設計過程中的重要作用。

［1］ 彭光.常用破碎機的發(fā)展現(xiàn)狀及日常維護［J］.中國新技術新產品，2009（22）：149-150.

［2］ 劉鴻文.材料力學［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［3］ 胡明振，彭會清，劉艷杰.基于COSMOS的永磁盤式強磁選機磁盤結構優(yōu)化設計［J］.礦山機械，2011（39）：92-95.

［4］ Hyder M J，Asif M.Optimization of location and size of opening in a pressure vessel cylinder using ANSYS［J］.Engineer Failure Analysis，2007（1）：1-19.