顎式破碎機(jī)發(fā)展至今已有100余年的歷史，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，破碎機(jī)已廣泛運(yùn)用于礦山、冶煉、建材、公路、鐵路、水利等部門，充當(dāng)著極為重要的角色。
    目前國內(nèi)外有許多公司生產(chǎn)多種系列不同型號(hào)的顎式破碎機(jī)。破碎機(jī)機(jī)架是整個(gè)破碎機(jī)零部件的安裝基礎(chǔ)。它在工作中承受很大的沖擊載荷，它的機(jī)重占整機(jī)很大比例（對(duì)鑄造機(jī)架為50%左右，對(duì)焊接機(jī)架為30%左右），而且加工制造工作量非常大，成本高，易破壞，而且機(jī)架的強(qiáng)度和剛度，對(duì)整機(jī)性能和主要零件壽命均有很大影響。如果使用不當(dāng)或超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，很容易造成機(jī)架撕裂，大大縮短使用壽命。
    國外從20世紀(jì)中后期便開始利用計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化技術(shù)對(duì)顎式破碎機(jī)進(jìn)行仿真優(yōu)化分析，研制生產(chǎn)的破碎機(jī)整體性能較高。而我國顎式破碎機(jī)機(jī)架的設(shè)計(jì)基本上采用傳統(tǒng)方法，即在破碎腔尺寸已定的情況下，通過類比法，按經(jīng)驗(yàn)確定其前、后、側(cè)壁的截面形狀和結(jié)構(gòu)尺寸。采用這種傳統(tǒng)的方法，具有一定的盲目性，很難準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)又滿足強(qiáng)度要求的機(jī)架。
    近年來由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展和計(jì)算仿真技術(shù)在工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，雖然已有不少破碎機(jī)生產(chǎn)企業(yè)采用仿真技術(shù)進(jìn)行新產(chǎn)品的開發(fā)和研制。但總體性能仍然很難達(dá)到西方國家知名公司的產(chǎn)品。因此，我國許多有經(jīng)濟(jì)實(shí)力的礦山、冶煉、建材等企業(yè)，優(yōu)先選購?fù)鈬�顎式破碎機(jī)。但由于引進(jìn)設(shè)備時(shí)選型不夠準(zhǔn)確，加上使用過程中維護(hù)不到位等，造成進(jìn)口設(shè)備過早損壞，給企業(yè)造成很大經(jīng)濟(jì)損失。
    本研究針對(duì)某鉬礦公司進(jìn)口瑞典Sandvik公司生產(chǎn)的CJ411顎式破碎機(jī)在使用過程中機(jī)架開裂破壞問題，利用有限元計(jì)算分析軟件ANSYS對(duì)機(jī)架進(jìn)行數(shù)值模擬分析，找出破壞主要原因并進(jìn)行修復(fù)改進(jìn)。修復(fù)改進(jìn)前后機(jī)架數(shù)值模擬分析對(duì)比表明提出的改進(jìn)措施有效，修復(fù)效果良好。本研究不僅在設(shè)備再利用方面為企業(yè)節(jié)約了生產(chǎn)成本，也可為企業(yè)在引進(jìn)設(shè)備的合理選型提供指導(dǎo)，更為我國顎式破碎機(jī)生產(chǎn)廠家在破碎機(jī)機(jī)架設(shè)計(jì)和改進(jìn)方面提供參考。
1、機(jī)架破壞原因分析
1.1 CJ411顎式破碎機(jī)幾何構(gòu)造
    Sandvik顎式破碎機(jī)是一種易于調(diào)整破碎粒度尺寸、具有較深且對(duì)稱的破碎腔的復(fù)擺式破碎機(jī)。機(jī)架由兩塊軋鋼側(cè)板、機(jī)架兩端中空鑄鐵鑄件和動(dòng)顎組成。CJ411顎式破碎機(jī)整體幾何構(gòu)造如圖1、圖2和圖3所示。
 
1.2CJ411顎式破碎機(jī)機(jī)架數(shù)值模擬
    為詳細(xì)分析CJ411顎式破碎機(jī)破壞原因，利用ANSYS軟件對(duì)其機(jī)架進(jìn)行數(shù)值模擬分析。由于缺少其原始設(shè)計(jì)詳細(xì)幾何參數(shù)，通過測繪的機(jī)架原型得到機(jī)架主要尺寸�？紤]到機(jī)架的對(duì)稱性，建模時(shí)建立一半模型。同時(shí)根據(jù)破碎時(shí)受力特點(diǎn)，且主要對(duì)象為機(jī)架，建模時(shí)省略慣性輪，并忽略軸承、破碎腔前后壁、動(dòng)顎、定顎等部件的幾何細(xì)節(jié)（如倒角、螺栓等）。有限元計(jì)算幾何模型如圖4所示。

    該鉬業(yè)公司將CJ411顎式破碎機(jī)主要用于破碎鉬礦石，因此通過對(duì)現(xiàn)場隨機(jī)抽取的鉬礦石制作試樣并進(jìn)行壓縮破壞試驗(yàn)，測得抗壓強(qiáng)度為40 MPa，作為施加載荷的主要依據(jù)。采用SOLID92單元進(jìn)行自由網(wǎng)格劃分，同時(shí)根據(jù)實(shí)際工作狀態(tài)設(shè)定邊界條件，建立有限元計(jì)算模型，進(jìn)行靜態(tài)數(shù)值模擬，計(jì)算主要結(jié)果如圖5、圖6所示。
 
1.3 CJ411顎式破碎機(jī)機(jī)架破壞原因分析
    圖7為Sandvik公司給出的側(cè)板和橫梁有限元分析預(yù)測應(yīng)力圖。從圖5和圖7對(duì)比可知，建立模型所得應(yīng)力圖與Sandvik公司給出的應(yīng)力圖吻合良好，說明本文建立計(jì)算模型正確，數(shù)據(jù)可靠。

    結(jié)合圖5、圖6、圖7及實(shí)際破壞裂紋位置圖8，同時(shí)考慮該破碎機(jī)的實(shí)際工作狀況，分析得出導(dǎo)致機(jī)架破壞主要因素如下：
    (1)工作時(shí)機(jī)架橫梁與側(cè)板焊接連接限制了橫梁的小角度轉(zhuǎn)動(dòng)（圖6），于是在機(jī)架橫梁和側(cè)板局部出現(xiàn)相對(duì)較高應(yīng)力區(qū)域，同時(shí)在機(jī)架前端固定支座部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象（圖5）。這是導(dǎo)致機(jī)架破壞的內(nèi)在因素。
    (2)機(jī)架橫梁和前壁是鑄造構(gòu)件，在鑄件內(nèi)部不可避免的會(huì)有氣泡、雜質(zhì)等缺陷存在，這就為微裂紋的產(chǎn)生創(chuàng)造了條件，一旦應(yīng)力達(dá)到一定值缺陷就會(huì)演變?yōu)榱鸭y源，進(jìn)而形成裂紋。
    (3)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該機(jī)破壞前都是因?yàn)榈V石中混雜有超硬物質(zhì)（如鐵塊）而造成機(jī)器卡死，同時(shí)導(dǎo)致裂紋迅速擴(kuò)展。這說明過載保護(hù)裝置——連接板沒有起到保護(hù)作用，因此在出現(xiàn)意外過載時(shí)受到嚴(yán)重破壞的只能是機(jī)架。
    (4)資料表明，該機(jī)型適于破碎強(qiáng)度低于35MPa的礦石，而實(shí)際運(yùn)行時(shí)破碎的鉬礦石破壞強(qiáng)度實(shí)測值為40 MPa，且破碎粒度接近該機(jī)型設(shè)計(jì)上限。此外該公司為追求產(chǎn)量，實(shí)行設(shè)備不間斷全天候運(yùn)行，沒有采用定期無故障主動(dòng)停機(jī)檢修的維護(hù)措施。長期超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)也是機(jī)架破壞的很重要因素之一。
    綜合以上因素可知，機(jī)架破壞的主要原因是意外載荷促使破碎機(jī)處在高應(yīng)力條件下鑄造構(gòu)件缺陷演化萌生裂紋，長期超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的高交變應(yīng)力環(huán)境方便了裂紋快速增長，最終導(dǎo)致機(jī)架疲勞失效。
2、機(jī)架修復(fù)改進(jìn)與有限元分析
2.1機(jī)架修復(fù)改進(jìn)
    由于進(jìn)口設(shè)備價(jià)格昂貴，有必要對(duì)其進(jìn)行修復(fù)，但起初采用在出現(xiàn)裂紋的區(qū)域進(jìn)行焊接并加厚的措施，未能起到較好修復(fù)效果。修復(fù)后在不改變工況時(shí)僅運(yùn)轉(zhuǎn)一周便在焊縫附近產(chǎn)生新的快速擴(kuò)展裂紋。
    因此必須采用新的措施進(jìn)行修復(fù)改進(jìn)。根據(jù)分析，只有避免高應(yīng)力區(qū)域和存在潛在缺陷的區(qū)域重合，才能消除引起機(jī)架疲勞破壞的裂紋產(chǎn)生，從而延長破碎機(jī)使用壽命。修復(fù)改進(jìn)措施：將高應(yīng)力區(qū)域的鑄造構(gòu)件用碳鋼焊接件代替，既提高強(qiáng)度又減少潛在缺陷；橫梁和機(jī)架的連接由鑄件焊接改為螺栓連接，減輕工作中機(jī)架和橫梁間的相互制約作用，降低結(jié)構(gòu)內(nèi)部附加應(yīng)力。
    具體步驟是先將橫梁從機(jī)架上割下來，然后用鋼板將所挖機(jī)架部分用鋼板補(bǔ)上，再將所焊接橫梁與機(jī)架用螺栓連接起來，為了克服螺栓孔的應(yīng)力集中，在打孔處增厚鋼板，保證機(jī)架不會(huì)由于螺栓孔應(yīng)力集中造成機(jī)架破壞。機(jī)架切除橫梁后的構(gòu)架如圖9所示，圖10為碳鋼焊接橫梁雛形。
 
2.2機(jī)架修復(fù)改進(jìn)前后模擬對(duì)比分析
為預(yù)測修復(fù)改進(jìn)效果，利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)改進(jìn)后的機(jī)架進(jìn)行有限元分析，可以得到機(jī)架側(cè)板的位移云圖和應(yīng)力云圖如圖11，圖12所示。
    對(duì)比改進(jìn)前后的應(yīng)力、位移云圖，可以清晰地看到在原機(jī)架出現(xiàn)裂紋的區(qū)域應(yīng)力明顯降低，但其它區(qū)域某些部位應(yīng)力有所增加（譬如橫梁），說明應(yīng)力分布發(fā)生了改變，薄弱部位的應(yīng)力降低，而強(qiáng)度較高部位應(yīng)力上升，這也是我們希望的結(jié)果，既可充分利用材料，又能大大降低機(jī)架破壞的機(jī)率。
3、結(jié)論
    通過對(duì)瑞典Sandvik公司生產(chǎn)的CJ411顎式破碎機(jī)進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析，揭示了機(jī)架破壞的主要原因是意外載荷促使破碎機(jī)處在高應(yīng)力條件下鑄造構(gòu)件缺陷演化萌生裂紋，長期超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的高交變應(yīng)力環(huán)境方便了裂紋快速增長，最終導(dǎo)致機(jī)架疲勞失效。并以此為依據(jù)對(duì)機(jī)架進(jìn)行了修復(fù)改進(jìn)，在原工況下運(yùn)行數(shù)月，未出現(xiàn)新的裂紋。可見，修復(fù)改進(jìn)方法是切實(shí)有效的。
    結(jié)合本研究結(jié)果，對(duì)合理有效使用破碎機(jī)提出如下幾條建議：①應(yīng)根據(jù)實(shí)際工況準(zhǔn)確選型；②正常運(yùn)行期間要確保自我保護(hù)裝置切實(shí)有效；③加強(qiáng)設(shè)備維護(hù)，避免超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。只有這樣才能使設(shè)備達(dá)到設(shè)計(jì)使用壽命，為公司創(chuàng)造更多效益。同時(shí)本研究結(jié)果也可為我國破碎機(jī)生產(chǎn)廠家和科研單位在機(jī)架設(shè)計(jì)和改進(jìn)方面提供參考。
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