顎式破碎機機構仿真及優化設計

覃宗偉

（南寧廣發重工集團有限公司，南寧 530001）

顎式破碎機機構仿真及優化設計

覃宗偉

（南寧廣發重工集團有限公司，南寧 530001）

在各種礦山、化工及基建的物料加工中都廣泛應用顎式破碎機，顎式破碎機是物料進行初級破碎的主要設備。但就目前來看，我國大多顎式破碎機產品的設計落后，工作性能較差，嚴重影響生產效率。基于此，本文簡要分析顎式破碎機的工作原理，從機構仿真優化模塊、破碎過程仿真分析模塊、動力學與運動學仿真分析模塊及零部件常規分析模塊四個方面研究顎式破碎機機構仿真及優化設計，旨在優化顎式破碎機設計，滿足當前物料生產加工需要。

顎式破碎機 機構仿真 優化設計

我國顎式破碎機存在設計落后、產品笨重、工作性能差、襯板磨損嚴重等問題，相較于發達國家還存在一定差距。顎式破碎機機構仿真及優化設計對研發出低重量、產品粒型好、含量高的新型顎式破碎機具有重要意義。基于此，本文主要研究了顎式破碎機機構仿真及優化設計，旨在縮短我國顎式破碎機與發達國家的差距。

1 顎式破碎機的工作原理

1.1 顎式破碎機的主要構件

1.1.1 機架

顎式破碎機所使用的上下開口的四壁剛性框架即為機架，機架的主要作用是承受破碎物體的反作用力及支撐偏心軸，因此，對機架的剛性及強度有較高要求。機架的鑄造材料為鑄鋼，小型顎式破碎機也可采用優質鑄鐵，大型顎式破碎機機架鑄造工藝較為復雜，需要分段鑄成后用螺栓固定在一起[1]。

1.1.2 顎板和側護板

顎床和顎板組成定顎和動顎，其中，顎板是工作部分，要用螺栓及楔鐵將其固定在顎床之上，顎床的主要作用是承受破碎反力，因此，對其強度和剛度有較高要求，一般為鑄鋼材料和鑄鐵材料。定顎的顎床即為機架前壁，動顎的顎床懸掛在周上。

1.1.3 偏心軸

顎式破碎機的主軸是偏心軸，偏心軸要承受巨大的彎曲扭力，因此，其一般采用高碳鋼制造，其中，偏心的部分要經過嚴格的精加工、熱處理，其軸承襯瓦要用巴氏合金澆注。帶輪和飛輪裝在偏心軸兩端，主要起到曲柄作用，用以支撐動顎。

1.2 顎式破碎機的工作原理

如圖1所示，顎式破碎機通過電動機驅動帶動皮帶和皮帶輪，通過偏心軸L1帶動動顎上下運動，動顎L3隨之上升，此時，動顎與肘板之間夾角變大，動顎板向定顎板靠近，以粉碎、壓碎物料，實現破碎功能；反之，當動顎下降時，肘板與動顎之間的夾角變小，在彈簧和拉桿作用下，動顎離開定顎板，這時，已經粉碎完畢的物料會從破碎腔的下口排出。電動機不斷工作轉動，顎式破碎機會周期性地進行壓碎和排出物料的循環，從而實現連續生產。

圖1 顎式破碎機的工作原理圖

2 顎式破碎機機構仿真模型建立

2.1 機構仿真優化模塊

機構仿真優化模塊是對顎式破碎機機構的優化設計，機構設計的好壞直接影響顎式破碎機的性能，其主要任務是優化動顎上各點的工作性能參數，從而提升顎式破碎機的工作性能。機構方針優化設計主要包括三個部分：①設計變量：設計變量主要包括偏心距、連桿長度、連桿傾角、懸掛高度、肘板長度、動顎厚度等；②約束變量：動顎齒板長度變化范圍約束、進料口尺寸變化范圍約束、傳動角變化范圍約束、破碎腔嚙角變化范圍約束及其他各設計變量范圍約束，約束變量的主要作用是尋找效率高、功耗小、磨損小的顎式破碎機設計參數[2]；③目標函數：多目標函數采用加權因子方式，但加權因子存在一定的困難性，故而常使用單目標函數，顎式破碎機機構仿真優化目標函數主要有襯板磨損小、破碎機重量績效、功耗低、生產率極大等。

具體來說，設計變量x=（I2、I3、h…），從而通過給定的各個斷電坐標值變化約束范圍來實現。通過目標函數值的計算使之極大或極小，從而實現優化目的。以ADAMS虛擬樣機技術為例，目標函數的實現主要依賴其中的測量功能，通過對機構中動顎上、下端點行程變化及行程特性系數的測量定義監控動顎上、下端行程特性系數，在約束允許范圍內按照離散規律對優化變量進行取值，在目標函數達到極大或極小時，整個優化設計結束。通過ADAMS虛擬樣機技術提供的變量變化范圍及傳感器的功能來確定具體約束條件，當取值超出變化范圍，則取消此次的仿真迭代，進入下一輪仿真迭代，之后再進行相關計算。

一般采用“固定容積”進行機構仿真優化設計，即對物料進入破碎層進行分層設計，本文將破碎層分為5層進行優化設計，即Mn=常量（n=1,2,3,4,5）。其中，Mn指的是第n層破碎層中物料的質量。可以利用平行擠壓原理和曲面腔原理來進行設計，平行擠壓指的是排料口處設計平行擠壓區域，物料在排除前會受到定顎與動顎的平行擠壓，實現層壓破碎的目的，從而提升產量，提高產品粒度；曲面腔原理指的是破碎腔內的一部分設計成曲面形式，有效增加物料與腔的接觸面積，減小對腔的磨損，從而實現層壓破碎的目的。

2.2 破碎過程的仿真分析模塊

物料在顎式破碎機破碎腔內受到擠壓力呈現粉碎的過程稱為破碎過程，即上文中提到的層壓破碎的過程，破碎過程的仿真分析能明確層壓破碎的原因，推導破碎過程與顎式破碎機各項設計參數間的關系，從而實現顎式破碎機機構設計的優化，提升顎式破碎機工作性能。

可以采用仿真與實驗結合的方法來研究分析破碎過程的仿真，利用實驗結論能修正破碎過程仿真模型，從而提升模型的準確性和可靠性，并且可以推導建立出層壓破碎過程與機構設計參數的理論模型[3]。

對破碎過程的仿真需要借助相關有限元軟件對物料破碎過程進行模擬，建立有限元的三維坐標系，建立三維實體模型與有限元，例如，可以采用Solidw orks公司的GeoStar有限元軟件。

2.3 動力學與運動學仿真分析模塊

運動學仿真模塊和動力學仿真模塊是顎式破碎機仿真分析中的關鍵部分。建立顎式破碎機動力學與運動學仿真分析模塊圖2所示。

圖2 動力學與運動學仿真分析模塊

①運動學仿真分析模塊：運動學仿真模塊分析主要分析的是顎式破碎機的運動學性能，這直接關系到動顎上各點的行程特性參數、水平行程及垂直行程，這些對顎式破碎機襯板的磨損、破碎產品的粒形分布及生產效率等都有重要影響[4]；②動力學仿真分析模塊：動力學仿真分析模塊主要是對顎式破碎機的動力學性能進行分析，例如，偏心部件的平衡分析等，其主要任務是對各項顎式破碎機工作參數的計算和優化，包括給排料口垂直行程、水平行程的參數計算優化及給排料行程特性系數的計算等。

2.4 零部件的常規分析模塊

機架部件分析模塊、偏心軸部件分析模塊及顎部部件部分模塊是零部件常規分析模塊的三個組成部分，各個模塊分析的主要參數有有限元強度分析和結構優化分析[5]。

例如，可以在三維有限元分析軟件中建立三維實體模型和有限元分析模型，如在GEOSTAR軟件中建立相應的三維實體模型，并建立命令代碼、載荷施加命令代碼、約束添加命令代碼、結構優化分析設計變量及有限元邊界條件確定命令代碼等，根據相應的命令代碼就能在三維有限元分析軟件中自動進行仿真分析。

3 結論

本文簡要分析了顎式破碎機的主要構造和工作原理，并對顎式破碎機機構仿真及優化設計進行研究，主要研究了機構仿真優化模塊、破碎過程仿真分析模塊、動力學與運動學仿真分析模塊及零部件常規分析模塊，其中涉及到國際上比較先進的固定容積原理、平行擠壓原理及曲面腔原理等先進理念。本文旨在加快顎式破碎機的開發，為促進顎式破碎機的發展做貢獻，以期對顎式破碎機的創新研發提供幫助。

[1]竇照亮.顎式破碎機機構參數優化和破碎力仿真分析[D].昆明：昆明理工大學，2010.

[2]陳紅江，吳陸恒，鄒莉娟，等.ADAMS在顎式破碎機優化仿真設計中的應用[J].CAD/CAM與制造業信息化，2005，（11）：44-47.

[3]陳紅江，鄒莉娟，黃冬明.顎式破碎機計算機仿真優化設計系統研制[J].礦山機械，2006，（1）：62-64.

[4]楊元鳳，馮穎，楊明珍.復擺型細碎顎式破碎機機構尺寸參數及其優化設計[J].沈陽大學學報，2006，（4）：19-22.

[5]羅中華.復擺顎式破碎機運動機構的優化設計[J].礦山機械，2012，（1）：58-61.

Mechanism Simulation and Optimum Design of Jaw Crusher

TAN Zongwei
(Nanning development heavy industry group Co., Ltd., Nanning 530001)

Jaw crus her is widely us ed in all kinds of materials processing, chemical engineering and infras tructure. But for now, most of the products of jaw crusher a re desi gned, and the working performance is poor, which seriously affects the production efficiency. Based on this, this article briefly analyz es the working principle of jaw crusher, from the mechanism simulation optimization module, the broken process simulation analysis module, dynamics and kinematics simulation analysis module and the general analysis module of the four aspects of jaw crusher mechanism simulation and optimization design.

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