針對反擊式破碎機(jī)破碎腔中一些關(guān)鍵部件在實(shí)際作業(yè)過程中出現(xiàn)的問題，例如：轉(zhuǎn)子、板錘部件上出現(xiàn)裂紋、甚至發(fā)生斷裂，破碎機(jī)破碎效率低等問題，本文基于建立的反擊式破碎機(jī)關(guān)鍵部件的三維實(shí)體模型以及轉(zhuǎn)子一板錘一反擊板一石塊沖擊碰撞系統(tǒng)的動力學(xué)有限元分析模型，分析了沖擊破碎物料時破碎腔中各部件之間的受力狀況，同時分析了轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動慣量，以及各級反擊板形狀對物料破碎效果的影響，這些理論研究為改善破碎機(jī)的性能提供了理論分析基礎(chǔ)。
1、數(shù)值仿真模型的建立
反擊式破碎機(jī)破碎系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型由轉(zhuǎn)子體、板錘、反擊板和石塊組成，破碎石塊的過程可以看作是板錘與石塊發(fā)生碰撞、石塊與反擊板發(fā)生碰撞這兩個過程不斷交替、不斷反復(fù)的過程。采用I-DEAS軟件建立的三維模型如圖l所示。
為了對破碎過程進(jìn)行動態(tài)計(jì)算與分析，先對幾何實(shí)體模型進(jìn)行適當(dāng)簡化處理，其處理的原則為在不影響結(jié)構(gòu)整體性能的前提下對幾何實(shí)體上的倒角、螺栓孔等局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，這樣有利于網(wǎng)格的劃分；然后對幾何實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于轉(zhuǎn)子體、板錘、反擊板形狀比較復(fù)雜，為了提高網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算的準(zhǔn)確性，先對各幾何實(shí)體進(jìn)行分區(qū)處理，把復(fù)雜的幾何實(shí)體劃分成許多易于進(jìn)行六面單元劃分的小區(qū)域，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分。轉(zhuǎn)子體、板錘、反擊板和石塊模型都采用規(guī)則的六面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，圖2為破碎系統(tǒng)的有限元模型。
計(jì)算模型中，轉(zhuǎn)子體采用16Mn合金鋼，板錘采用40Cr合金鋼，反擊板采用16Mn強(qiáng)化合金鋼，材料屬性都采用Plastic Kinematic材料模型；石塊選用花崗巖材料參數(shù)，其屬性采用彈脆性材料模型；單元屬性設(shè)為常應(yīng)變。
轉(zhuǎn)子體與板錘、板錘與石塊、石塊與反擊板、轉(zhuǎn)子體與石塊之間的界面均采用接觸算法。設(shè)定接觸對之間沖擊力文件輸出參數(shù)為l。在定義界面接觸的各項(xiàng)參數(shù)中，定義轉(zhuǎn)子體與板錘間的靜動摩擦系數(shù)均為0.15，其余兩接觸對間的動摩擦系數(shù)為0.6。
模型設(shè)置約束時石塊在整個破碎過程中都是自由的，對石塊不施加任何位置約束；對轉(zhuǎn)子體轉(zhuǎn)動中心施加X、y、23個方向的平移約束和X、y兩個方向的轉(zhuǎn)動約束；對反擊板的裝配部分也施加x、y、Z3個方向的平移和轉(zhuǎn)動約束；板錘安裝在轉(zhuǎn)子上被兩擋塊緊卡在轉(zhuǎn)子體上，同時加上其自身結(jié)構(gòu)的作用，板錘只能隨轉(zhuǎn)子體一起繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，對板錘施加軸向即Z向的平移約束。
2、影響破碎效果因素分析
2.1 轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度
研究轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速度能夠指導(dǎo)反擊式破碎機(jī)在破碎不同粒徑、材質(zhì)的物料時選取合適的旋轉(zhuǎn)速度，從而防止物料被過度破碎，同時也有利于減少能耗。在其它條件不變的情況下，對轉(zhuǎn)子分別以1 000 r/nun、700 r/nun和400 r/min等3種不同轉(zhuǎn)速作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，分析旋轉(zhuǎn)速度對破碎力的影響。
由圖3可以看出，物料與板錘首次碰撞在時間區(qū)域30~ 40 ms之間，物料從反擊板反彈后再次與板錘碰撞在40一48 ms之間，由于反彈作用使得板錘與物料發(fā)生接觸碰撞要抵消一部分物料反彈時的能量，因此物料與板錘第二次碰撞時的沖擊力比首次碰撞時產(chǎn)生的沖擊力要��；在時間段48。60 ms之間，物料在板錘與反擊板的聯(lián)合作用下發(fā)生剪切破碎，圖4中相應(yīng)時間段可以看到物料與反擊板的動態(tài)接觸力。從上述兩圖中可以看出發(fā)生沖擊破碎時作用力曲線相對作用時間間隔短，而剪切破碎時作用力作用時間長。圖3中時間段70～110 ms內(nèi)的作用力曲線是石塊與二級反擊板發(fā)生沖擊和剪切破碎作用時的作用力曲線，時間段120～150 ms之間的作用力曲線是物料與三級反擊板發(fā)生碰撞時的作用力曲線。由于物料破碎后，碎石的質(zhì)量較原物料小，因此上述兩圖中作用力的峰值呈下降趨勢。
對比不同轉(zhuǎn)速下板錘與物料、物料與反擊板接觸碰撞受力過程圖（圖5—圖8）可見：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，板錘與物料接觸碰撞時的沖擊力就越大，400r/min時在時間段60 ms附近的沖擊力峰值大約為50萬N，而700 r/min時在時間段30·40 ms之間的沖擊力峰值大約為72萬N．1 000 r/min時在時間段20~ 30 ms之間的沖擊力峰值大小大約為100萬N，隨著轉(zhuǎn)速增加物料與反擊板碰撞時的沖擊力越大，物料沖擊破碎效果就越好，物料損傷程度越高，因此在隨后發(fā)生剪切破碎時板錘與物料、物料與反擊板之間的相互作用力就越小，可以從圖中相應(yīng)時間區(qū)域內(nèi)發(fā)生剪切破碎時的作用力對比看出。
2.2 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量
通常每一種型號的反擊式破碎機(jī)所能破碎物料的范圍是一定的，這在很大程度上與該型號破碎機(jī)所安裝的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量大小有關(guān)，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同的情況下，不同轉(zhuǎn)動慣量的轉(zhuǎn)子所能提供的破碎力不一樣，即破碎能力不同，直接影響破碎機(jī)的性能。在其它條件不變的情況下，對轉(zhuǎn)子3種不同大小的轉(zhuǎn)動慣量2.44624e7 kg·mm2，4.66679e7 kg．mm2和7.80593e7 kg.mm2所產(chǎn)生破碎力的大小進(jìn)行計(jì)算，從而分析轉(zhuǎn)動慣量對破碎力的影響。
對圖3、圖9和圖10不同轉(zhuǎn)動慣量時板錘與物料動態(tài)接觸受力以及對圖4、圖11和圖12物料與反擊板接觸受力過程的分析可知：物料發(fā)生沖擊破碎時，相同轉(zhuǎn)速下（圖3、4、9、10、11、12中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速均為700 r/min）轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量越大，板錘對物料以及物料與反擊板發(fā)生沖擊破碎力越大，圖3中物料發(fā)生沖擊破碎的時間段30—40 ms之間的沖擊力峰值大約為72萬N，圖9中在時間段50—60 ms之間的沖擊力峰值只有50萬N，圖10中在時間段20~30 ms之間的沖擊力峰值大約為88萬N，隨后物料發(fā)生剪切破碎時，反擊板受到物料的反作用力越小，物料越容易發(fā)生剪切破碎。
2.3各級反擊板角度不同對破碎效果的影響
各級反擊板的角度對石塊撞擊反擊板時所產(chǎn)生的有效破碎力影響較大，通常稱垂直于碰撞接觸界面的力為有效破碎力即能夠引起石塊發(fā)生破碎的力，最理想的情況是石塊每次與反擊板發(fā)生碰撞時能夠垂直于反擊板，同時不同角度的反擊板對物料發(fā)生沖擊與剪切破碎的效果影響也較大，改變一級反擊板角度后的有限元模型見圖13。
從圖14和圖15中物料與一級反擊板動態(tài)接觸力曲線可以看出，在40 ms附近物料發(fā)生沖擊破碎時以及在50 ms附近物料發(fā)生剪切破碎時的受力情況，通過與圖4中在時間段40 ms一60 ms之間數(shù)值的對比分析可知，減小一級反擊板角度對物料剪切破碎效果較好但不利于物料發(fā)生沖擊破碎，增大一級反擊板角度能夠增加沖擊碰撞的次數(shù)，增強(qiáng)沖擊破碎的效果，但不利于物料發(fā)生剪切破碎。通過對改變二級和三級反擊板的角度計(jì)算分析，可以得到與改變一級反擊板角度后相同的結(jié)論。
3、結(jié)論
本文在反擊式破碎機(jī)關(guān)鍵部件三維實(shí)體模型以及轉(zhuǎn)子一板錘一反擊板一石塊沖擊碰撞系統(tǒng)的動力學(xué)有限元分析模型基礎(chǔ)上，對沖擊破碎物料時破碎腔中各部件之間的受力狀況進(jìn)行了分析，同時分析了轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動慣量和各級反擊板角度對物料破碎效果的影響，結(jié)果顯示：轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越高，轉(zhuǎn)動慣量越大，板錘與物料接觸碰撞時以及物料與反擊板碰撞時的沖擊力就越大，物料沖擊破碎效果就越好，物料損傷程度越強(qiáng)，在發(fā)生剪切破碎時板錘與物料，物料與反擊板之間的相互作用力就越��；減小反擊板角度對物料剪切破碎效果較好，但不利于物料發(fā)生沖擊破碎，增大反擊板角度能增加沖擊碰撞的次數(shù)，增強(qiáng)沖擊破碎的效果，但不利于物料發(fā)生剪切破碎。這些結(jié)論的獲得為改善破碎機(jī)的性能提供了理論分析基礎(chǔ)，降低了設(shè)計(jì)成本。
