低矮式破碎機(jī)是新一代高效節(jié)能的新型顎式破碎機(jī)，具有理想的動(dòng)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(diǎn)，它的問世受到了市場(chǎng)的普遍關(guān)注，并提出了各種犁號(hào)的需求。
本文以PEQ400×600低矮式破碎機(jī)為例，探討在Solidworks軟件環(huán)境下，對(duì)整機(jī)進(jìn)行三維實(shí)體建模、虛擬裝配、動(dòng)態(tài)模擬、干涉檢查、運(yùn)動(dòng)仿真、分析動(dòng)顎的運(yùn)動(dòng)軌跡，以期實(shí)現(xiàn)在Solidworks軟件環(huán)境下的低矮式破碎機(jī)的虛擬樣機(jī)設(shè)計(jì)。
1、低矮式破碎機(jī)的虛擬模型設(shè)計(jì)
在低矮式破碎機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，最困難、最繁瑣的工作就是運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)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(jì)比較麻煩，且設(shè)計(jì)工作不直觀，設(shè)計(jì)結(jié)果不盡人意，而利用三維設(shè)計(jì)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(jìn)行虛擬裝配，然后運(yùn)用工具欄下的零部件旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)，對(duì)原動(dòng)件進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，檢查運(yùn)動(dòng)部件中有無干涉，運(yùn)動(dòng)部件可否達(dá)到要求，就像一臺(tái)真正的破碎機(jī)在人們面前運(yùn)動(dòng)一樣。
(1)零件設(shè)計(jì)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(jī)主要零件的三維模型，包括動(dòng)顎、定顎、機(jī)架、軸承、軸承座、肘板、密封圈等100多個(gè)零件。因電機(jī)、減速器等為選購(gòu)件，在設(shè)計(jì)時(shí)沒有建立這些零件的三維模型，僅建立低矮式破碎機(jī)主機(jī)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(jì)技術(shù)，便于虛擬裝配時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)不合適零件進(jìn)行修改。
(2)虛擬裝配
破碎機(jī)的虛擬裝配采用自下而上的裝配形式。整機(jī)用到的零件很多，為了使裝配緊湊，在組裝前，將某些相對(duì)固定配合在一起的零件先組裝成部件。在低矮式破碎機(jī)的裝配過程中，有動(dòng)顎、定顎、機(jī)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(jī)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(diǎn)）、同心（同軸）、垂直、平行、夾角等裝配約束關(guān)系，通過對(duì)零件之間添加裝配約束使設(shè)計(jì)好的所有零部件裝配在一起。
2、運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)
2.1零部件分類
利用SolidWorks軟件完成破碎機(jī)裝配體設(shè)計(jì)后，可以對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)態(tài)仿真。在仿真之前，必須在零部件中確定運(yùn)動(dòng)部件和固定部件，將固定部件拖動(dòng)到Ground Pans目錄下。余下的就是運(yùn)動(dòng)部件放在Moving Parts目錄下，在破碎機(jī)仿真中，Cround Parts有定顎、軸承座、機(jī)架部件、螺栓等．Moving Parts包括動(dòng)顎部件、偏心軸部件、肘板、皮帶輪、飛輪等，也可以在進(jìn)入Motion時(shí)，選擇自動(dòng)零部件分類，計(jì)算機(jī)按照裝配時(shí)的裝配關(guān)系決定運(yùn)動(dòng)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(shí)必須知道約束跟自由度的關(guān)系，即約束限制的自由度。當(dāng)所有的約束添加完后，必須和實(shí)際中機(jī)械系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)相同，既不能過約束，導(dǎo)致機(jī)械系統(tǒng)不能運(yùn)動(dòng)，也不能少約束，使機(jī)械系統(tǒng)不能按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)。
添加約束時(shí)，應(yīng)該逐步地對(duì)構(gòu)件施加各種約束，并且經(jīng)常對(duì)施加的約束進(jìn)行試驗(yàn)，檢查是否有約束錯(cuò)誤，注意約束方向是否正確，錯(cuò)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(jī)系統(tǒng)中，添加的約束有50多個(gè)，其中鉸鏈約束、圓柱副最多。破碎機(jī)的約束類型取決于破碎機(jī)裝配時(shí)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(jī)中，動(dòng)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(jī)架為圓柱副約束，動(dòng)顎與偏心軸之間為圓柱副約束。
2.3運(yùn)動(dòng)的獲得
在Motion中，定義一個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)是靠定義一個(gè)約束的運(yùn)動(dòng)來獲得。在約束中，如果不是固定約束，總有一個(gè)或幾個(gè)自由度沒有約束，而在這些自由度上就可以添加運(yùn)動(dòng)來約束自由度。
在破碎機(jī)中，破碎機(jī)的動(dòng)力是通過電機(jī)獲得的。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)皮帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，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(yùn)動(dòng)就等同于給偏心軸的運(yùn)動(dòng)，破碎機(jī)的機(jī)架是固定的，于是，就可以在偏心軸和機(jī)架的圓柱副約束上添加沿Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。偏心軸的轉(zhuǎn)速是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，如型號(hào)PEQ400×600的中碎破碎機(jī)，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(shí)間和仿真的幀數(shù)等參數(shù)后，由AVI動(dòng)畫可以看到，皮帶輪帶動(dòng)破碎機(jī)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)顎向定顎做擠壓運(yùn)動(dòng)，同時(shí)，還做上下來回的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。排料口隨著動(dòng)顎的運(yùn)動(dòng)由寬到窄、由窄到寬的變化，符合破碎的實(shí)際情況。
2.4仿真結(jié)果分析
(1)動(dòng)顎運(yùn)動(dòng)軌跡曲線分析
獲得運(yùn)動(dòng)仿真的軌跡是對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析的有效手段之一。在低矮式破碎機(jī)中，動(dòng)顎的運(yùn)動(dòng)軌跡是設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的部分，它對(duì)破碎機(jī)的生產(chǎn)率、動(dòng)顎襯板的磨損、破碎效果、破碎機(jī)受力以及機(jī)體外形尺寸和重量等都有影響。
在仿真時(shí)，為了研究各點(diǎn)的軌跡，可以在動(dòng)顎齒板上從進(jìn)料口到排料口自上而下的選取均勻分布的5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖2所示。各點(diǎn)行程與運(yùn)動(dòng)軌跡見表1。
由表1可以看出，動(dòng)顎齒面上部是極度扁平
橢圓，逐漸到動(dòng)顎下端為近似的橢圓。動(dòng)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(dòng)顎上部較小，逐漸到動(dòng)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(yùn)動(dòng)軌跡可知，低矮式破碎機(jī)由于水平行程大，能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)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(jī)型破碎機(jī)具有良好的運(yùn)動(dòng)特性。
(2)質(zhì)心速度曲線
以動(dòng)顎部件的質(zhì)心作為研究對(duì)象，分析動(dòng)顎部件的運(yùn)動(dòng)，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(dāng)X方向速度為最大值時(shí)，y方向速度接近為零；當(dāng)X方向速度為零時(shí)，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(gè)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(dòng)件的速度變化也是周期性的，從圖中可以看出，動(dòng)顎部件質(zhì)心X方向的速度最大值和最小值在正負(fù)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(dòng)顎部件的質(zhì)心處，動(dòng)顎的運(yùn)動(dòng)軌跡并不是一個(gè)圓，而是一個(gè)橢圓，X方向的行程比y方向的行程要大。
圖3動(dòng)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(duì)于動(dòng)顎部件來說，在破碎機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的慣性力，這種慣性力將在機(jī)器各運(yùn)動(dòng)副中引起一種動(dòng)壓力，因而會(huì)增加運(yùn)動(dòng)副中的磨損，影響構(gòu)件的強(qiáng)度，降低機(jī)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(jī)器及其基礎(chǔ)發(fā)生振動(dòng)和偏心軸不均勻性回轉(zhuǎn)。因此有必要獲取動(dòng)顎部件質(zhì)心的加速度，為后續(xù)動(dòng)力學(xué)分析提供依據(jù)。動(dòng)顎部件質(zhì)心的加速度曲線如圖4所示。
3、結(jié)語(yǔ)
制作一臺(tái)大型物理樣機(jī)要花費(fèi)大量的人力和財(cái)力，且周期較長(zhǎng)。應(yīng)用虛擬設(shè)計(jì)技術(shù)，可以使研發(fā)周期大大縮短。合理運(yùn)用三維設(shè)計(jì)軟件的動(dòng)態(tài)仿真技術(shù)，可以使設(shè)計(jì)工作更為直觀、準(zhǔn)確和快速，從而提高設(shè)計(jì)效率，避免傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的“試驗(yàn)修改”環(huán)節(jié)。
本文以Solidworks軟件為設(shè)計(jì)平臺(tái)，對(duì)新型低矮式破碎機(jī)進(jìn)行了虛擬建模，虛擬裝配，并進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，仿真結(jié)果顯示該機(jī)型破碎機(jī)具有良好的運(yùn)動(dòng)特性，其水平行程大，能實(shí)現(xiàn)強(qiáng)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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