顎式破碎機動鄂結構輕量化優化研究

陳中紅

云南冶金昆明重工有限公司 云南昆明 650000

顎式破碎機由于具有結構簡單、工作可靠、容易制造和使用維修方便等優點，因此被廣泛應用于冶金、建材、化工和煤炭等行業原料的破碎。國外從 20 世紀中后期便開始利用計算機仿真優化技術對顎式破碎機進行仿真優化分析，研制生產的碎機整體性能較高，我國顎式破碎機的設計基本上采用傳統方法，很難準確地設計出既經濟又滿足強度要求的破碎機。動鄂作為破碎機的重要零部件之一，它應具有足夠的強度和剛度。但是目前破碎機動鄂的質量普遍較重，其結構有待改進[1]。

1 概述

破碎作業是將大塊物料加工成小塊物料的過程，實現該處理過程的設備稱為破碎機械。破碎作業廣泛用于礦山、冶金、建材等行業中，在經濟發展中起到至關重要的作用。依據設備結構及工作原理的不同，破碎機械主要分為顎式破碎機、圓錐破碎機、輥式破碎機以及沖擊式破碎機等，其中顎式破碎機主要用于原料的粗碎作業。根據被破碎物料的物理性質、企業生產規模、工藝流程布置及地形等不同條件，選用適合的設備規格型號。在金屬選礦廠，顎式破碎機常作為第一段破碎工序，布置于破磨工藝流程中，處理從采礦場運送過來的礦石，為后面的中細碎設備提供原料。顎式破碎機的破碎過程主要采用了擠壓破碎方式，并伴有部分的剪切、彎曲和拉伸等作用，主要破碎方式為單顆粒破碎。

2 動鄂輕量化設計流程

本文以PE—400＊600型號顎式破碎機的動鄂為研究對象，其輕量化流程如圖 1 所示。先通過 Pro5．0 參數化建模軟件建立了動鄂參數化三維模型，接著運用 ANSYSWorkbench 對動鄂進行靜力分析和拓撲優化； 根據靜力學和拓撲優化結果結合動鄂的受力特點設計多種輕量化方案，并初選設計變量； 利用 ANSYS Workbench 中的優化工具來進行靈敏度分析，將其結果作為最佳設計變量選定的依據；最終經過響應曲面優化確定最佳輕量化方案。

圖1 動鄂輕量化設計流程圖

3 動鄂結構輕量化方案設計

3.1 動鄂靜力學分析

在 ANSYS Workbench 中對動鄂進行靜力學分析來驗證是否可以去除多余材料優化其結構來達到輕量化的目的。動鄂受力比較復雜，為了簡化計算，通常用作用在破碎腔下部 1/3 高度處的集中力來代替破碎機工作時動鄂上所受的破碎力。該型號破碎機的實驗測破碎力為 1510kN，將實驗測破碎力轉換為壓力載荷加載到動顎受力表面。根據實際情況對動顎頭軸承孔圓柱面及下端的肘板支撐面進行約束[2]。在 ANSYS Workbench 中查看動鄂的等效應力云圖如圖2所示。

圖2 靜載荷作用下的動顎等效應力圖

由圖2可知，動鄂最大應力值為 153．61MPa，根據其選用材料 ZG270-500，查手冊得其屈服極限為 270MPa，由第四強度理論可知，動鄂強度滿足使用要求且有較大冗余量。

3.2 減重孔方案設計

目前輕量化的實現途徑有如下三種： （1）形狀輕量化；（2）材料輕量化； （3）制造輕量化。形狀輕量化主要考慮產品創新設計，根據輕量化原則，在傳統設計基礎上，優化力的傳遞，以降低材料質量、加工及使用成本。形狀輕量化以有限元理論為基礎，并以軟件為依托，本文對動鄂的輕量化設計主要采用形狀輕量化設計[3]。

3.3 拓撲優化

在最初的輕量化設計階段進行拓撲優化分析，其分析結果為設計出合理的結構提供一定的參考，使其結構更加接近實際所需結構。拓撲優化是根據優化目標計算生成優化后形狀及材料分布的數學方法，其本質是使零件的結構材料分布更加合理。本文利用ANSYS Workbench中的拓撲優化模塊（Shape Optimization）在固定約束和載荷下，以減輕材料質量 80%為目標，對動鄂結構進行拓撲優化。得到優化后的材料分布圖如圖3所示，圖中陰影部分為建議去除材料部分。

圖3 動鄂拓撲結果

比較圖2和圖3的分析結果可知，動鄂有足夠的優化空間。結合動鄂的實際工作環境對其輕量化改進設計可考慮減薄動鄂筋板厚度的A 和B 兩個橢圓區域去除多余材料優化結構，以獲得動鄂的最佳質量分配方案。

3.4 靈敏度分析

對動鄂進輕量化行優化前，首先對方案一和方案二的設計變量進行靈敏度分析，計算出對動鄂質量影響較大的變量，并作為最終設計變量。從而使結構優化有的放矢，提高優化效率。靈敏度的數學表達式為1 ，即結構性能參數 Tj的函數對某些結構設計參數 χi的變化梯度。在CAE軟件中的靈敏度分析大多是利用設計優化模塊提供的優化方法中的梯度評估工具進行的，因此可以計算目標函數和狀態變量對設計變量在某一參考點的梯度。本文利用 ANSYS Workbench中的優化工具來進行靈敏度分析。經過相關分析，敏感性系數為負值，說明隨著輸入參數增大，輸出參數減小。設計變量 L 對動鄂的質量靈敏度最大，其敏感性系數在-0． 015左右； 設計變量 D1對動鄂的質量靈敏度最小； 設計變量 D2對動鄂的最大等效應力靈敏度最大，其敏感性系數接近-0．11； 設計變量 L 和 D1對動鄂的最大等效應力幾乎沒有影響。設計變量 φ1對動鄂的質量和最大等效應力的靈敏度最大。

4 輕量化方案對比分析

4.1 數據處理

在材料和施加載荷一致、去除質量相同的條件下，分別對以上兩種方案在 ANSYS Workbench 中進行靜力學分析，提取動鄂質量分別為 800kg、805kg、810kg、815kg 和 820kg 的 5 組最大應力和最大變形數據，繪制曲線圖如圖4 所示。

圖4（a）最大變形情況 （b）最大應力情況

4.2 輕量化方案對比分析

由圖4可知，隨著動鄂去除材料的質量增加，方案一和方案二的動鄂最大變形都在增大[4]。方案一的最大應力在155MPa 附近波動，但是方案二的動鄂最大應力逐漸增大。同時在材料和施加載荷一致、去除質量相同的條件下方案一中動鄂的最大應力和最大變形都比方案二小，且方案一的動鄂最大應力基本不變，證明方案一對于動鄂輕量化優化具有實際的指導意義。方案一輕量化前后動鄂力學性能比較見表 1，由表 1 可知，在滿足力學性能的基礎上動鄂的質量減輕近 6．15%。

表1 輕量化前后動鄂力學性能比較

5 結語

通過對顎式破碎機動鄂的兩種輕量化方案進行研究，得到結論如下：

（1）對動鄂進行靜力學分析和拓撲優化表明，其結構滿足強度要求且具有一定的冗余量，可以進行輕量化設計。

（2） 對動鄂進行靈敏度分析，根據靈敏度分析結果最終確定動鄂輕量化的最佳設計變量。

（3）在材料和施加載荷一致、去除質量相同的條件下，對兩種輕量化設計方案進行比較表明，方案一具有更好輕量化效果，且在滿足力學性能的基礎上動鄂的質量減輕近6．15%。