1、前言
北京礦冶研究總院在粉碎機(jī)構(gòu)學(xué)研究的基礎(chǔ)上，研制出自主創(chuàng)新的新型外動(dòng)顎勻擺
顎式破碎機(jī)，是用于礦物加工及土石質(zhì)原料加工工業(yè)的新一代高效節(jié)能破碎設(shè)備。與同型號(hào)傳統(tǒng)顎式破碎機(jī)相比，能獲得動(dòng)顎理想運(yùn)動(dòng)軌跡，生產(chǎn)能力提高10%、功耗降低10%～20%、外形高度降低20%、襯板壽命至少延長3倍以上、破碎比大2-3.5倍，產(chǎn)品的技術(shù)性能居國內(nèi)外領(lǐng)先水平，經(jīng)過多年研究，目前已開發(fā)出低矮型、大破碎比型兩個(gè)系列十幾種產(chǎn)品。低矮型特別適于井下、隧道等空間受限制場(chǎng)所及尖硬物料的地下強(qiáng)化開采連續(xù)出礦、建立移動(dòng)破碎工廠。新開發(fā)的大破碎比型，設(shè)備配置成新的短流程，大大簡化和優(yōu)化了破碎工藝流程。
在新型破碎設(shè)備的開發(fā)中，采用現(xiàn)代先進(jìn)的破碎機(jī)設(shè)計(jì)與研究方法——數(shù)字化技術(shù)、虛擬樣機(jī)技術(shù)、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)等進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，大大提高新產(chǎn)品的技術(shù)性能、可靠性和設(shè)計(jì)水平，提高新產(chǎn)品對(duì)物料的適應(yīng)性，縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期。本文分上、下兩篇介紹新型外動(dòng)顎破碎機(jī)的理論研究，上篇介紹新型外動(dòng)顎破碎機(jī)虛擬樣機(jī)的技術(shù)研究，下篇介紹新型外動(dòng)顎破碎機(jī)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)及機(jī)構(gòu)動(dòng)力平衡研究。
2、新型外動(dòng)顎破碎機(jī)虛擬樣機(jī)的技術(shù)。研究
傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)模式是實(shí)體樣機(jī)，它不能在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)階段就對(duì)產(chǎn)品生命周期全進(jìn)程中的各種因素考慮周全，致使在產(chǎn)品設(shè)計(jì)甚至制造出來后才發(fā)現(xiàn)各式各樣的缺陷，實(shí)體樣機(jī)中任何系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的失誤都會(huì)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。
虛擬樣機(jī)是20世紀(jì)90年代初出現(xiàn)的一種新型產(chǎn)品設(shè)計(jì)和過程開發(fā)的方法。通過將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)以及CAD技術(shù)相結(jié)合，建立起一個(gè)具有高度可視性的物理樣機(jī)的數(shù)字仿真原型，它是一種基于產(chǎn)品的計(jì)算機(jī)仿真模型的數(shù)字化設(shè)計(jì)方法。
本研究在PA100120破碎機(jī)上進(jìn)行。創(chuàng)建外動(dòng)顎破碎機(jī)虛擬樣機(jī)，進(jìn)行虛擬樣機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)和數(shù)值仿真研究。
2.1新型外動(dòng)顎破碎機(jī)虛擬樣機(jī)的創(chuàng)建
2.1.1新型外動(dòng)顎破碎機(jī)數(shù)字化三維建摸
在三維建模軟件Solid Edge的基礎(chǔ)平臺(tái)上建立了顎式破碎機(jī)的三維特征造型。通過零件建模、部件建模和干涉分析，創(chuàng)建了部件的三維數(shù)字模型。圖1、2、3分別為PA100120破碎機(jī)機(jī)架部、可調(diào)顎部和動(dòng)顎部的三維數(shù)字模型。
2.1.2 VN仿真模型的建立
在運(yùn)動(dòng)仿真軟件Virual Nastran(VN)的基礎(chǔ)平臺(tái)上，創(chuàng)建外動(dòng)顎勻擺破碎機(jī)虛擬樣機(jī)。VN是集有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)與動(dòng)力學(xué)和可視化技術(shù)于一體的多體系動(dòng)力學(xué)理論開發(fā)的虛擬仿真系統(tǒng)。本課題選擇SE軟件進(jìn)行建模工作。
第一步：導(dǎo)人SE三維模型。
第二步：確定仿真模型的基礎(chǔ)裝配零件。為了建模裝配和修改的方便，需要定義一個(gè)基礎(chǔ)裝配零件�；A(chǔ)裝配零件應(yīng)該選擇物理樣機(jī)里與地基固定在一起的較大的那個(gè)零件。在本研究中，選擇機(jī)架部的下底板作為基礎(chǔ)裝配零件。
第三步：添加原動(dòng)件。在VN中提供原動(dòng)機(jī)約束來模擬實(shí)際的原動(dòng)機(jī)。PA100120破碎機(jī)的原動(dòng)機(jī)為功率110kW、轉(zhuǎn)速220r/min的電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)通過皮帶把扭矩傳遞給皮帶輪，帶動(dòng)顎式破碎機(jī)的動(dòng)顎運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)顎式破碎機(jī)的周期運(yùn)動(dòng)，忽略實(shí)際工作過程中的運(yùn)動(dòng)波動(dòng)因素的影響，則可知該仿真模型的轉(zhuǎn)速是恒定的，在仿真分析中選擇轉(zhuǎn)速恒為220r/min的原動(dòng)機(jī)約束來模擬電動(dòng)機(jī)的作用。
第四步：修改調(diào)整約束關(guān)系對(duì)。零部件裝配時(shí)選擇的裝配關(guān)系及它們之間的裝配距離合稱力裝配關(guān)系對(duì)。裝配約束對(duì)的選擇對(duì)仿真模型的結(jié)果至關(guān)重要。
第五步：對(duì)所關(guān)心的變量進(jìn)行監(jiān)控輸出。
2.1.3新型外動(dòng)顎破碎機(jī)虛擬樣機(jī)的創(chuàng)建
新型大破碎比顎式破碎機(jī)是由動(dòng)力部、機(jī)架部、動(dòng)顎部、可調(diào)顎部、調(diào)整部、拉緊部幾大部件構(gòu)成(圖4)。每個(gè)部件又由很多的零件構(gòu)成，各零件之間通過各種連接方式聯(lián)系在一起，零件間的連接關(guān)系大致可以劃分為：固定連接（焊接）、螺栓連接、軸承連接和機(jī)構(gòu)約束連接四種方式，下面根據(jù)這四種連接方式的特點(diǎn)來確定零件間的邊界條件。
2.1.3.1裝配約束對(duì)的選擇
整個(gè)機(jī)架部除了掛軸、軸承部和肘板座外在運(yùn)動(dòng)過程中都不參與運(yùn)動(dòng)，可以認(rèn)為機(jī)架部是與地基固連在一起的（掛軸、軸承和肘板座除外），因此在約束對(duì)選擇時(shí)，選擇剛性鉸鏈進(jìn)行約束分配。
可調(diào)顎部只有可調(diào)顎軸參與部件之間的關(guān)聯(lián)，而其他零件都不參與運(yùn)動(dòng)，故選擇剛性鉸鏈進(jìn)行約束分配。
動(dòng)顎部是參與運(yùn)動(dòng)的重要部件，根據(jù)前面的分析，皮帶輪為顎式破碎機(jī)提供原動(dòng)力，故選擇旋轉(zhuǎn)原動(dòng)件作為皮帶輪的裝配約束。肘板座與動(dòng)顎肘板相連，采取的是機(jī)構(gòu)約束連接，動(dòng)顎肘板與動(dòng)顎部肘板座之間的連接簡化為旋轉(zhuǎn)鉸鏈作為它們之間的裝配約束。外軸承與機(jī)架部的軸承座相連，軸承座只容許外軸承繞其軸線作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而其它自由度都被限制，故可以選擇旋轉(zhuǎn)鉸鏈約束作為它們二者連接的裝配約束。
2.1.3.2運(yùn)動(dòng)仿真模型的建立
顎式破碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)可以近似地看作是一個(gè)鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)，動(dòng)顎邊板為連桿，肘板相當(dāng)于作擺動(dòng)的從動(dòng)件，它們與偏心輪，機(jī)架構(gòu)成了平面四桿機(jī)構(gòu)。
在從SE導(dǎo)入到仿真軟件Visual Nastran時(shí)，VN自動(dòng)為動(dòng)顎肘板添加了兩個(gè)約束，一個(gè)是與偏心軸的平面旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（約束2736），一個(gè)是與前肘板墊剛性鉸平移約束（約束2734）。把顎式破碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)簡化為鉸鏈四連桿機(jī)構(gòu)，動(dòng)顎肘板簡化為機(jī)構(gòu)中的擺桿，接觸點(diǎn)1處用一剛性鉸鏈作為動(dòng)顎肘板與動(dòng)顎連桿的裝配約束；這樣這兩個(gè)約束就可以近似地仿真動(dòng)顎肘板的周期擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)。
通過對(duì)約束的不斷更改，直到最終能滿足或近似地滿足運(yùn)動(dòng)仿真需求，建立起與物理樣機(jī)相近的仿真模型。
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