基于ADAMS運動學分析的復擺型顎式破碎機機構尺度優化*

李鋼

（南京工程學院，江蘇南京211167）

基于ADAMS運動學分析的復擺型顎式破碎機機構尺度優化*

李鋼

（南京工程學院，江蘇南京211167）

提出為提高破碎精度和避免堵塞，動顎板運動規律必須滿足的三點核心要求。利用計算機輔助工程軟件對顎式破碎機工作狀況進行運動學分析和優化，使之滿足三點要求，實現破碎機機構方案的優選。該方法將現代設計方法在破碎機設計中合理應用，克服常規設計之不足，有利于提升破碎機的綜合性能。

顎式破碎機；動顎板；運動學分析；尺度優化

0　引言［1-2］

顎式破碎機是一種廣泛應用于礦山、冶金、建材、化工等行業中工業原料破碎作業的重要設備。在礦山工程中，多用來將開采的石料破碎，以獲得規定尺寸的礦石。在硅酸鹽工業中，則用來對水泥、石灰的固體原料、燃料和半成品進行各種破碎加工，使其粒度達到各道工序的要求以便進一步加工操作或使用。按其工作原理，顎式破碎機分為簡擺型與復擺型兩種。比較而言，復擺型顎式破碎機結構更簡單，質量更輕，破碎物料更均勻，效率更高，因而在中小型破碎作業中得到廣泛應用。

顎式破碎機問世一百多年來，經過一代又一代人的不斷改進，性能已得到巨大提升。其設計方法上也積累了大量寶貴的經驗。目前國內多數破碎機生產企業沿用的，也正是以這些經驗為基礎形成的、以經驗公式、圖表、設計手冊為主要依據的傳統設計方法。近幾十年來，計算機技術的廣泛使用極大地促進了現代設計理論和方法的發展。因而，如何將現代設計方法的最新成果引入顎式破碎機設計制造流程，變破碎機的靜態設計為動態設計，定性設計為定量設計，經驗設計為科學設計，成為一個值得高度關注的問題。

1　復擺型顎式破碎機的工作原理

電動機通過帶傳動驅動皮帶輪，皮帶輪安裝在一根偏心軸上，帶輪轉動，通過偏心軸的偏心段帶動動顎板運動，進入破碎腔內的物料受動顎板的擠壓發生破碎，并在重力作用下下落，在下層破碎腔內再次破碎下落，直至粒度達到要求后從出料口排出，如圖1（a）所示。

圖1　復擺型顎式破碎機的工作原理

由上可知，從運動學角度看，復擺型顎式破碎機實質上可視為一種曲柄搖桿機構，如圖1（b），其中偏心段充當曲柄，推力板作搖桿，而動顎板則機構中扮演作平面運動的連桿角色［3］。

2　復擺型顎式破碎機用常規設計法設計的不足

常規設計法被廣泛應用于顎式破碎機的設計工作中，通過常規設計出來的顎式破碎機，一般在破碎力、強度、功率、生產能力等方面基本能滿足要求。但是要進一步提升破碎機的綜合性能，常規設計法的不足就會顯現出來。例如，要提高設備的破碎精度和避免堵塞，動顎板需要在運動學上定量滿足以下三方面的核心要求：（1）排料口尺寸b，即動顎板下端運動時和定顎板的最大水平距離，此值對應為破碎后礦料最大粒度；（2）排料口水平行程Sx，即動顎板運動時排料口尺寸變化范圍，此值對應為破碎后礦料尺寸的變動量；（3）動顎板的工作面上從上到下各點的運動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。這樣既可以實現礦料在破碎腔靠上部位受到充分擠壓而破碎，又可以實現礦料落至排料口附近時，受動顎板下端點上下方向扁平橢圓運動的搓揉作用而向下運送通過排料口，避免排料口的堵塞［4-6］。

圖2　動顎板的工作面各點理想軌跡

由于工作時，動顎板所作的是既轉又移的平面運動，故作為靜態設計的常規設計法難以精確把握其運動規律，無法確保實現上述三點要求。

3　 ADAMS環境下產品機構運動學分析及尺度優化的基本思想

ADAMS是一款應用廣泛的虛擬樣機分析軟件。其對虛擬機械系統進行靜動力學分析、運動學仿真中的設計功能十分強大，相比其他同類軟件具有明顯的優勢。尤其在機械產品的方案設計，亦即機構設計階段，ADAMS能發揮出更加顯著的作用。通過使用ADAMS運動仿真功能，可以方便直觀地檢驗機構的功能實現。利用AD?AMS優化設計功能，還能實現機構的尺度優化。本文嘗試將這一基本思想引入破碎機擠壓機構的設計，以期克服常規設計之不足，有效提升破碎機的綜合性能。

4　 ADAMS環境下破碎機的機構運動學分析及尺度優化算例

以主參數600×900的復擺型顎式破碎機為例，根據假定礦石特性規定：排料口尺寸b=90 mm，排料口水平行程Sx=17～20 mm，動顎板的工作面上從上到小各點的運動軌跡逐漸從近似圓形軌跡變成近似扁平橢圓軌跡。應用上節方法對機構運動學分析及尺度優化，使之滿足這幾點要求。

（1）按傳統經驗進行常規正向設計，初定機構幾何模型

按設計手冊提供的經驗公式和參數取值范圍初步進行機構設計，確定機構幾何模型基本形式和尺度，如圖3所示。

圖3　初定機構尺度參數簡圖

圖4　ADAMS中建立的虛擬樣機簡圖

圖中，多邊形AEFHI為動顎板外形，由于動顎板是破碎功能直接執行件，尺寸龐大，結構復雜，過度簡化將引起仿真結果的較大偏差，所以盡量將其實際外形保留，并且在動顎板工作面上從上到下等間距布置A、B、C、D、E五個觀測點，用于描述動顎板運動軌跡。桿IK表示偏心軸，桿GJ代表推力板，這里只確定推力板GJ的長度，而鉸鏈點J的確切位置并未定死，作為優化中的設計變量處理。

圖5　動顎板觀測點仿真過程運動軌跡圖

（2）ADAMS環境下的虛擬樣機構建

對應于機構參數簡圖，在ADAMS環境下依次進行幾何建模，約束添加，載荷施加，完成破碎機虛擬樣機建設，如圖4所示。

（3）ADAMS環境下進行運動學仿真分析和優化

設推力板GJ位置為設計變量，測量E點水平位移量Sx=70～90 mm為目標，進行優化并進行運動學仿真分析。結果如下：

J點坐標取在（1328，-1035，0）時，機構運動最佳。

動顎板A、B、C、D、E五個觀測點運動軌跡如圖5所示。

由于原仿真各點軌跡線大小很小，易被遮擋，所以這個作了放大處理。

可以看出：動顎板的工作面上從上到下各點的運動軌跡，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為動顎板排料口水平方向位移圖。

圖6　動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范圍內變動，符合要求。

5　結語

仿真分析表明：利用ADAMS運動學仿真分析和優化的方法，可以在破碎機設計初始方案階段，對機器的工作狀態實現精確的把握，使得不同個體方案間的取舍以及個體方案參數優化，有了操作簡便、結論科學的依據。對于在整個設計過程中，減輕設計師的工作量，少走彎路，有著顯著的指導作用。該方法將現代設計方法在破碎機設計中合理應用，克服靜態常規設計之局限性，有利于提升破碎機的綜合性能。

［1］廖漢元.腭式破碎機［M］.北京：機械工業出版社，1995.

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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文獻標識碼：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。研究領域：機械設計制造理論與方法。已發表論文10篇。

（編輯：向飛）

*南京工程學院創新基金（編號：CKJB201301）

2015-09-23