李鋼

（南京工程學(xué)院，江蘇南京211167）

基于ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的復(fù)擺型顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)尺度優(yōu)化*

李鋼

（南京工程學(xué)院，江蘇南京211167）

提出為提高破碎精度和避免堵塞，動(dòng)顎板運(yùn)動(dòng)規(guī)律必須滿足的三點(diǎn)核心要求。利用計(jì)算機(jī)輔助工程軟件對(duì)顎式破碎機(jī)工作狀況進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和優(yōu)化，使之滿足三點(diǎn)要求，實(shí)現(xiàn)破碎機(jī)機(jī)構(gòu)方案的優(yōu)選。該方法將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在破碎機(jī)設(shè)計(jì)中合理應(yīng)用，克服常規(guī)設(shè)計(jì)之不足，有利于提升破碎機(jī)的綜合性能。

顎式破碎機(jī)；動(dòng)顎板；運(yùn)動(dòng)學(xué)分析；尺度優(yōu)化

0　引言［1-2］

顎式破碎機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、建材、化工等行業(yè)中工業(yè)原料破碎作業(yè)的重要設(shè)備。在礦山工程中，多用來(lái)將開(kāi)采的石料破碎，以獲得規(guī)定尺寸的礦石。在硅酸鹽工業(yè)中，則用來(lái)對(duì)水泥、石灰的固體原料、燃料和半成品進(jìn)行各種破碎加工，使其粒度達(dá)到各道工序的要求以便進(jìn)一步加工操作或使用。按其工作原理，顎式破碎機(jī)分為簡(jiǎn)擺型與復(fù)擺型兩種。比較而言，復(fù)擺型顎式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，質(zhì)量更輕，破碎物料更均勻，效率更高，因而在中小型破碎作業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

顎式破碎機(jī)問(wèn)世一百多年來(lái)，經(jīng)過(guò)一代又一代人的不斷改進(jìn)，性能已得到巨大提升。其設(shè)計(jì)方法上也積累了大量寶貴的經(jīng)驗(yàn)。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)破碎機(jī)生產(chǎn)企業(yè)沿用的，也正是以這些經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)形成的、以經(jīng)驗(yàn)公式、圖表、設(shè)計(jì)手冊(cè)為主要依據(jù)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。近幾十年來(lái)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛使用極大地促進(jìn)了現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法的發(fā)展。因而，如何將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法的最新成果引入顎式破碎機(jī)設(shè)計(jì)制造流程，變破碎機(jī)的靜態(tài)設(shè)計(jì)為動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，定性設(shè)計(jì)為定量設(shè)計(jì)，經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為科學(xué)設(shè)計(jì)，成為一個(gè)值得高度關(guān)注的問(wèn)題。

1　復(fù)擺型顎式破碎機(jī)的工作原理

電動(dòng)機(jī)通過(guò)帶傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)皮帶輪，皮帶輪安裝在一根偏心軸上，帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)偏心軸的偏心段帶動(dòng)動(dòng)顎板運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入破碎腔內(nèi)的物料受動(dòng)顎板的擠壓發(fā)生破碎，并在重力作用下下落，在下層破碎腔內(nèi)再次破碎下落，直至粒度達(dá)到要求后從出料口排出，如圖1（a）所示。

圖1　復(fù)擺型顎式破碎機(jī)的工作原理

由上可知，從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度看，復(fù)擺型顎式破碎機(jī)實(shí)質(zhì)上可視為一種曲柄搖桿機(jī)構(gòu)，如圖1（b），其中偏心段充當(dāng)曲柄，推力板作搖桿，而動(dòng)顎板則機(jī)構(gòu)中扮演作平面運(yùn)動(dòng)的連桿角色［3］。

2　復(fù)擺型顎式破碎機(jī)用常規(guī)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)的不足

常規(guī)設(shè)計(jì)法被廣泛應(yīng)用于顎式破碎機(jī)的設(shè)計(jì)工作中，通過(guò)常規(guī)設(shè)計(jì)出來(lái)的顎式破碎機(jī)，一般在破碎力、強(qiáng)度、功率、生產(chǎn)能力等方面基本能滿足要求。但是要進(jìn)一步提升破碎機(jī)的綜合性能，常規(guī)設(shè)計(jì)法的不足就會(huì)顯現(xiàn)出來(lái)。例如，要提高設(shè)備的破碎精度和避免堵塞，動(dòng)顎板需要在運(yùn)動(dòng)學(xué)上定量滿足以下三方面的核心要求：（1）排料口尺寸b，即動(dòng)顎板下端運(yùn)動(dòng)時(shí)和定顎板的最大水平距離，此值對(duì)應(yīng)為破碎后礦料最大粒度；（2）排料口水平行程Sx，即動(dòng)顎板運(yùn)動(dòng)時(shí)排料口尺寸變化范圍，此值對(duì)應(yīng)為破碎后礦料尺寸的變動(dòng)量；（3）動(dòng)顎板的工作面上從上到下各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸從近似圓形軌跡變成近似扁平橢圓軌跡，如圖2所示。這樣既可以實(shí)現(xiàn)礦料在破碎腔靠上部位受到充分?jǐn)D壓而破碎，又可以實(shí)現(xiàn)礦料落至排料口附近時(shí)，受動(dòng)顎板下端點(diǎn)上下方向扁平橢圓運(yùn)動(dòng)的搓揉作用而向下運(yùn)送通過(guò)排料口，避免排料口的堵塞［4-6］。

圖2　動(dòng)顎板的工作面各點(diǎn)理想軌跡

由于工作時(shí)，動(dòng)顎板所作的是既轉(zhuǎn)又移的平面運(yùn)動(dòng)，故作為靜態(tài)設(shè)計(jì)的常規(guī)設(shè)計(jì)法難以精確把握其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，無(wú)法確保實(shí)現(xiàn)上述三點(diǎn)要求。

3　 ADAMS環(huán)境下產(chǎn)品機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及尺度優(yōu)化的基本思想

ADAMS是一款應(yīng)用廣泛的虛擬樣機(jī)分析軟件。其對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行靜動(dòng)力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真中的設(shè)計(jì)功能十分強(qiáng)大，相比其他同類軟件具有明顯的優(yōu)勢(shì)。尤其在機(jī)械產(chǎn)品的方案設(shè)計(jì)，亦即機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，ADAMS能發(fā)揮出更加顯著的作用。通過(guò)使用ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真功能，可以方便直觀地檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)的功能實(shí)現(xiàn)。利用AD?AMS優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，還能實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的尺度優(yōu)化。本文嘗試將這一基本思想引入破碎機(jī)擠壓機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以期克服常規(guī)設(shè)計(jì)之不足，有效提升破碎機(jī)的綜合性能。

4　 ADAMS環(huán)境下破碎機(jī)的機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及尺度優(yōu)化算例

以主參數(shù)600×900的復(fù)擺型顎式破碎機(jī)為例，根據(jù)假定礦石特性規(guī)定：排料口尺寸b=90 mm，排料口水平行程Sx=17～20 mm，動(dòng)顎板的工作面上從上到小各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡逐漸從近似圓形軌跡變成近似扁平橢圓軌跡。應(yīng)用上節(jié)方法對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析及尺度優(yōu)化，使之滿足這幾點(diǎn)要求。

（1）按傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行常規(guī)正向設(shè)計(jì)，初定機(jī)構(gòu)幾何模型

按設(shè)計(jì)手冊(cè)提供的經(jīng)驗(yàn)公式和參數(shù)取值范圍初步進(jìn)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定機(jī)構(gòu)幾何模型基本形式和尺度，如圖3所示。

圖3　初定機(jī)構(gòu)尺度參數(shù)簡(jiǎn)圖

圖4　ADAMS中建立的虛擬樣機(jī)簡(jiǎn)圖

圖中，多邊形AEFHI為動(dòng)顎板外形，由于動(dòng)顎板是破碎功能直接執(zhí)行件，尺寸龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，過(guò)度簡(jiǎn)化將引起仿真結(jié)果的較大偏差，所以盡量將其實(shí)際外形保留，并且在動(dòng)顎板工作面上從上到下等間距布置A、B、C、D、E五個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，用于描述動(dòng)顎板運(yùn)動(dòng)軌跡。桿IK表示偏心軸，桿GJ代表推力板，這里只確定推力板GJ的長(zhǎng)度，而鉸鏈點(diǎn)J的確切位置并未定死，作為優(yōu)化中的設(shè)計(jì)變量處理。

圖5　動(dòng)顎板觀測(cè)點(diǎn)仿真過(guò)程運(yùn)動(dòng)軌跡圖

（2）ADAMS環(huán)境下的虛擬樣機(jī)構(gòu)建

對(duì)應(yīng)于機(jī)構(gòu)參數(shù)簡(jiǎn)圖，在ADAMS環(huán)境下依次進(jìn)行幾何建模，約束添加，載荷施加，完成破碎機(jī)虛擬樣機(jī)建設(shè)，如圖4所示。

（3）ADAMS環(huán)境下進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析和優(yōu)化

設(shè)推力板GJ位置為設(shè)計(jì)變量，測(cè)量E點(diǎn)水平位移量Sx=70～90 mm為目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析。結(jié)果如下：

J點(diǎn)坐標(biāo)取在（1328，-1035，0）時(shí)，機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)最佳。

動(dòng)顎板A、B、C、D、E五個(gè)觀測(cè)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡如圖5所示。

由于原仿真各點(diǎn)軌跡線大小很小，易被遮擋，所以這個(gè)作了放大處理。

可以看出：動(dòng)顎板的工作面上從上到下各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，滿足逐漸從近似圓形軌跡變成近似扁平橢圓軌跡的要求。

圖6為動(dòng)顎板排料口水平方向位移圖。

圖6　動(dòng)顎板排料口水平方向位移圖

由圖可知，排料口尺寸b約為90 mm，排料口水平行程Sx在70～90 mm范圍內(nèi)變動(dòng)，符合要求。

5　結(jié)語(yǔ)

仿真分析表明：利用ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真分析和優(yōu)化的方法，可以在破碎機(jī)設(shè)計(jì)初始方案階段，對(duì)機(jī)器的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)精確的把握，使得不同個(gè)體方案間的取舍以及個(gè)體方案參數(shù)優(yōu)化，有了操作簡(jiǎn)便、結(jié)論科學(xué)的依據(jù)。對(duì)于在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，減輕設(shè)計(jì)師的工作量，少走彎路，有著顯著的指導(dǎo)作用。該方法將現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在破碎機(jī)設(shè)計(jì)中合理應(yīng)用，克服靜態(tài)常規(guī)設(shè)計(jì)之局限性，有利于提升破碎機(jī)的綜合性能。

［1］廖漢元.腭式破碎機(jī)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1995.

［2］郭年琴.顎式破碎機(jī)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2012.

［3］竇照亮，董為民.顎式破碎機(jī)工作裝置的運(yùn)動(dòng)仿真研究［J］.礦山機(jī)械，2009，37（23）：82-84.

［4］劉長(zhǎng)福.顎式破碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)顎和機(jī)架的仿真與優(yōu)化［D］.太原：太原理工大學(xué)，2012.

［5］趙麗梅.基于RecurDyn的顎式破碎機(jī)工作裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)分析［J］.礦山機(jī)械，2012，33（3）：99-101.

［6］GUO Nianqin，HUANG Weiping.Finite element optimi?zation Design of the moving jaw on PG5282 jaw crusher［J］.Advanced Materials Research，2012，423-432：1614-1618.

The Optimization on Main Dimensions of the Mechanism of a
Compound Pendulum Jaw Crusher Base on Kinematics Simulation by Software ADAMS

LI Gang
（Nanjing Institute of Technology，Nanjing211167，China）

In this paper，three core conditions of the law of moving jaw are raised in order to improve crushing accuracy and avoid blocking.Kinematics Simulation analysis of jaw crusher is used by CAE software ADAMS to satisfy the three conditions and main dimensions of the mechanism is optimized.The method of this article has a guiding significance for application of modern design approaches in jaw crusher’s design to overcome the shortage of conventional design and raise its integrated performance.

jaw crusher；moving jaw；kinematics simulation；dimensions optimization

TD451

A文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：1009-9492（2015）12-0062-04

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.12.017

李鋼，男，1970年生，廣東梅州人，碩士，副教授。研究領(lǐng)域：機(jī)械設(shè)計(jì)制造理論與方法。已發(fā)表論文10篇。

（編輯：向飛）

*南京工程學(xué)院創(chuàng)新基金（編號(hào)：CKJB201301）

2015-09-23