低矮式破碎機是新一代高效節(jié)能的新型顎式破碎機，具有理想的動顎軌跡，該設(shè)備具有外形低矮、破碎比大、襯板磨損低、處理能力大、能耗低等顯著特點，它的問世受到了市場的普遍關(guān)注，并提出了各種犁號的需求。
本文以PEQ400×600低矮式破碎機為例，探討在Solidworks軟件環(huán)境下，對整機進行三維實體建模、虛擬裝配、動態(tài)模擬、干涉檢查、運動仿真、分析動顎的運動軌跡，以期實現(xiàn)在Solidworks軟件環(huán)境下的低矮式破碎機的虛擬樣機設(shè)計。
1、低矮式破碎機的虛擬模型設(shè)計
在低矮式破碎機的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，最困難、最繁瑣的工作就是運動機構(gòu)的設(shè)計與運動軌跡校核。目前主要采用的軌跡圖法或根據(jù)幾何約束條件建立方程組來求解，但這種設(shè)計比較麻煩，且設(shè)計工作不直觀，設(shè)計結(jié)果不盡人意，而利用三維設(shè)計軟件Solidworks能較好地解決上述問題，首先建立零件的三維模型，進行虛擬裝配，然后運用工具欄下的零部件旋轉(zhuǎn)和移動，對原動件進行旋轉(zhuǎn)，檢查運動部件中有無干涉，運動部件可否達到要求，就像一臺真正的破碎機在人們面前運動一樣。
(1)零件設(shè)計建模
利用拉伸、陣列、切除、掃描、鏡像等特征，建立低矮式破碎機主要零件的三維模型，包括動顎、定顎、機架、軸承、軸承座、肘板、密封圈等100多個零件。因電機、減速器等為選購件，在設(shè)計時沒有建立這些零件的三維模型，僅建立低矮式破碎機主機上零件模型。在建模過程中，充分利用參數(shù)化尺寸、方程式、共享數(shù)值、配置、派生零件等設(shè)計技術(shù)，便于虛擬裝配時對結(jié)構(gòu)不合適零件進行修改。
(2)虛擬裝配
破碎機的虛擬裝配采用自下而上的裝配形式。整機用到的零件很多，為了使裝配緊湊，在組裝前，將某些相對固定配合在一起的零件先組裝成部件。在低矮式破碎機的裝配過程中，有動顎、定顎、機架、偏心軸等部件，肘板、飛輪、皮帶輪、彈簧、軸承端蓋等主要零件及一些螺母、螺釘、密封套等小零件。這些零部件都在整機裝配前建立好三維零件和裝配好各部件模型。然后利用零件（部件）的平移、旋轉(zhuǎn)、重合（共面、共線、共點）、同心（同軸）、垂直、平行、夾角等裝配約束關(guān)系，通過對零件之間添加裝配約束使設(shè)計好的所有零部件裝配在一起。
2、運動仿真的實現(xiàn)
2.1零部件分類
利用SolidWorks軟件完成破碎機裝配體設(shè)計后，可以對其進行運動學(xué)分析和動態(tài)仿真。在仿真之前，必須在零部件中確定運動部件和固定部件，將固定部件拖動到Ground Pans目錄下。余下的就是運動部件放在Moving Parts目錄下，在破碎機仿真中，Cround Parts有定顎、軸承座、機架部件、螺栓等．Moving Parts包括動顎部件、偏心軸部件、肘板、皮帶輪、飛輪等，也可以在進入Motion時，選擇自動零部件分類，計算機按照裝配時的裝配關(guān)系決定運動部件和固定部件。
2.2約束的添加
約束的添加取決于零部件的裝配關(guān)系，添加約束時必須知道約束跟自由度的關(guān)系，即約束限制的自由度。當所有的約束添加完后，必須和實際中機械系統(tǒng)運動相同，既不能過約束，導(dǎo)致機械系統(tǒng)不能運動，也不能少約束，使機械系統(tǒng)不能按一定規(guī)律運動。
添加約束時，應(yīng)該逐步地對構(gòu)件施加各種約束，并且經(jīng)常對施加的約束進行試驗，檢查是否有約束錯誤，注意約束方向是否正確，錯誤的方向可能導(dǎo)致某些自由度沒有被約束，或者約束了不應(yīng)該約束的方向，注意檢查約束類型是否正確，檢查模型系統(tǒng)的自由度。
在破碎機系統(tǒng)中，添加的約束有50多個，其中鉸鏈約束、圓柱副最多。破碎機的約束類型取決于破碎機裝配時的約束關(guān)系，如同軸關(guān)系在約束中就添加為圓柱副約束。在破碎機中，動顎與肘板之間的約束為鉸鏈約束，彈簧和拉桿之間為圓柱副約束，偏心軸和機架為圓柱副約束，動顎與偏心軸之間為圓柱副約束。
2.3運動的獲得
在Motion中，定義一個系統(tǒng)的運動是靠定義一個約束的運動來獲得。在約束中，如果不是固定約束，總有一個或幾個自由度沒有約束，而在這些自由度上就可以添加運動來約束自由度。
在破碎機中，破碎機的動力是通過電機獲得的。電機的運動帶動皮帶輪的轉(zhuǎn)動，而皮帶輪是用鍵跟偏心軸固定在一起，因此，給予皮帶輪的運動就等同于給偏心軸的運動，破碎機的機架是固定的，于是，就可以在偏心軸和機架的圓柱副約束上添加沿Z軸的旋轉(zhuǎn)運動。偏心軸的轉(zhuǎn)速是勻速轉(zhuǎn)動，如型號PEQ400×600的中碎破碎機，偏心軸轉(zhuǎn)速為300 r/min，即l 800( o)/s，添加此轉(zhuǎn)速到偏心軸上。設(shè)定仿真的時間和仿真的幀數(shù)等參數(shù)后，由AVI動畫可以看到，皮帶輪帶動破碎機運動，動顎向定顎做擠壓運動，同時，還做上下來回的往復(fù)運動。排料口隨著動顎的運動由寬到窄、由窄到寬的變化，符合破碎的實際情況。
2.4仿真結(jié)果分析
(1)動顎運動軌跡曲線分析
獲得運動仿真的軌跡是對仿真結(jié)果進行分析的有效手段之一。在低矮式破碎機中，動顎的運動軌跡是設(shè)計中至關(guān)重要的部分，它對破碎機的生產(chǎn)率、動顎襯板的磨損、破碎效果、破碎機受力以及機體外形尺寸和重量等都有影響。
在仿真時，為了研究各點的軌跡，可以在動顎齒板上從進料口到排料口自上而下的選取均勻分布的5個點進行分析，如圖2所示。各點行程與運動軌跡見表1。
由表1可以看出，動顎齒面上部是極度扁平
橢圓，逐漸到動顎下端為近似的橢圓。動顎齒面水平行程和垂直行程分布規(guī)律為：水平行程變化不大，一般為偏心距的近2倍；垂直行程，是從動顎上部較小，逐漸到動顎下端較大，垂直行程最大值，一般約比偏心距的值略小。
分析運動軌跡可知，低矮式破碎機由于水平行程大，能實現(xiàn)強力破碎和喂料作用；垂直行程小，可使齒板磨損大大減少。該機型破碎機具有良好的運動特性。
(2)質(zhì)心速度曲線
以動顎部件的質(zhì)心作為研究對象，分析動顎部件的運動，如圖3所示，從圖中可以看出，X和y方向的速度是不同步的：當X方向速度為最大值時，y方向速度接近為零；當X方向速度為零時，方向速度接近為最大或最小值；X方向和y方向的速度總是接近相差一個相位。由于偏心軸給定的速度是一圓周角速度，是周期性的，所以，從動件的速度變化也是周期性的，從圖中可以看出，動顎部件質(zhì)心X方向的速度最大值和最小值在正負每±0. 407 m/s左右。y方向的速度最大值和最小值在±0. 168m/s左右，從速度的大小可以得出，在動顎部件的質(zhì)心處，動顎的運動軌跡并不是一個圓，而是一個橢圓，X方向的行程比y方向的行程要大。
圖3動顎部件質(zhì)心的J和y方向速度曲線圖
(3)質(zhì)心加速度曲線對于動顎部件來說，在破碎機運轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生很大的慣性力，這種慣性力將在機器各運動副中引起一種動壓力，因而會增加運動副中的磨損，影響構(gòu)件的強度，降低機器的效率。此外，由于慣性力的大小和方向周期性變化，將使機器及其基礎(chǔ)發(fā)生振動和偏心軸不均勻性回轉(zhuǎn)。因此有必要獲取動顎部件質(zhì)心的加速度，為后續(xù)動力學(xué)分析提供依據(jù)。動顎部件質(zhì)心的加速度曲線如圖4所示。
3、結(jié)語
制作一臺大型物理樣機要花費大量的人力和財力，且周期較長。應(yīng)用虛擬設(shè)計技術(shù)，可以使研發(fā)周期大大縮短。合理運用三維設(shè)計軟件的動態(tài)仿真技術(shù)，可以使設(shè)計工作更為直觀、準確和快速，從而提高設(shè)計效率，避免傳統(tǒng)設(shè)計中的“試驗修改”環(huán)節(jié)。
本文以Solidworks軟件為設(shè)計平臺，對新型低矮式破碎機進行了虛擬建模，虛擬裝配，并進行了運動仿真，仿真結(jié)果顯示該機型破碎機具有良好的運動特性，其水平行程大，能實現(xiàn)強力破碎和喂料作用；垂直行程小，可使齒板磨損大大減少。
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