有限元分析及運(yùn)動仿真在破碎機(jī)的應(yīng)用

2013-06-07  by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM  來源:仿真在線

為充分認(rèn)識顎式破碎機(jī)的運(yùn)動特性及結(jié)構(gòu)安全性,采用SolidWorks建立了產(chǎn)品數(shù)字化模型?；贑osmosMotion與CosmosWorks仿真平臺,通過運(yùn)動載荷的傳遞,進(jìn)行了運(yùn)動學(xué)及結(jié)構(gòu)有限元的協(xié)同計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明動顎應(yīng)力大小隨工作位置改變而變化。提出了動顎在最大載荷工況點(diǎn)的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律,為指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了依據(jù)。

作者: 張珂*劉佳男*楊昌明 來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 顎式破碎機(jī) 運(yùn)動仿真 有限元

0前言 
   
破碎機(jī)廣泛應(yīng)用于冶金、化工等行業(yè),其中復(fù)擺 顎式破碎機(jī)因具有性能良好,生產(chǎn)率高等優(yōu)點(diǎn),所以 在中小型系列破碎機(jī)中占有較大比例,并有不斷向 大型化發(fā)展的趨勢。但機(jī)器振動、機(jī)重和摩擦等問 題仍較突出,能耗較高,合理選擇工作參數(shù)和設(shè)計(jì)其結(jié)構(gòu)參數(shù),有利于節(jié)約能源。
   
從破碎機(jī)的現(xiàn)狀來看,國內(nèi)產(chǎn)品的機(jī)重高于國 外,而且顎式破碎機(jī)的設(shè)計(jì)目前仍偏重于經(jīng)驗(yàn)方法。 隨著計(jì)算方法與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,在滿足強(qiáng)度、剛 度以及安全性能的前提下,對動顎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu) 化,以減輕機(jī)重,是一個可行的解決方案。 
   

    1 復(fù)擺顎式破碎機(jī)機(jī)構(gòu)模型
   
復(fù)擺顎式破碎機(jī)主要由偏心軸、動顎、肘板和機(jī) 架組成,屬于典型的平面四桿機(jī)構(gòu),其機(jī)構(gòu)如圖1所 示。以曲柄轉(zhuǎn)軸為原點(diǎn),Y軸垂直向下、菇軸水平向左建立平面直角坐標(biāo)系。在機(jī)構(gòu)簡圖中AB為曲柄,CD為搖桿,在破碎機(jī)中分別對應(yīng)偏心軸和肘板。BD為動顎,EF為定顎。BD與EF組成破碎腔,由動顎(連桿)往復(fù)擺動實(shí)現(xiàn)破碎機(jī)的功能。
   
    2運(yùn)動學(xué)仿真
   
首先采用SolidWorks完成整機(jī)數(shù)字樣機(jī)設(shè)計(jì),對破碎機(jī)三維裝配模型作合理簡化,保留機(jī)器工作裝置部分。在此基礎(chǔ)上采用Cosmos Motion進(jìn)行運(yùn)動學(xué)仿真,基于無縫集成接口Cosmos Motion對SolidWorks三維裝配模型進(jìn)行自動轉(zhuǎn)化,建立運(yùn)動學(xué)仿真模型,如圖2所示。
   

在Cosmos Motion應(yīng)用環(huán)境中,對裝配模型施加約束。肘板座和軸承座定義為固定約束,動顎與偏心軸之間及肘板與肘板襯之間設(shè)置為旋轉(zhuǎn)約束,以及其他部件約束如圖2所示。對機(jī)構(gòu)添加驅(qū)動力,選擇帶輪為主動件,定義屬性:帶輪為第1部件,肘板座為第2部件,約束類型是旋轉(zhuǎn)副,繞z軸旋轉(zhuǎn),運(yùn)動類型為速度,偏心軸的轉(zhuǎn)速n=275 r/min。參照國產(chǎn)復(fù)擺顎式破碎機(jī)性能參數(shù),選擇相應(yīng)電動機(jī)型號JO3-160M,額定功率15 kW,轉(zhuǎn)速l 000 r/rain。在Intelli Motion瀏覽器的約束頁面中,對偏心軸和動顎所構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)副的屬性進(jìn)行定義,選擇偏心軸的外表面及動顎的內(nèi)表面為一對承載面,同時對肘板墊和動顎之間的約束做FEA定義,作為另外一組承載面。
   
為與實(shí)際工況相符,對動顎上表面添加載荷(破碎力反作用力),因而可以同時完成真實(shí)工況下運(yùn)動機(jī)構(gòu)所有零部件的運(yùn)動學(xué)性能(位置、速度和加速度)和動力學(xué)性能(接點(diǎn)反作用力、慣性力和功率要求)等完整量化信息的計(jì)算。最后設(shè)定仿真參數(shù),持續(xù)時間為1 s,幀數(shù)為50。在IntelliMotion.環(huán)境下完成運(yùn)動模擬,得到了仿真結(jié)果(圖略)。從動顎水平位移的仿真結(jié)果可以看出動顎的水平行程較大,這樣有利于破碎物料。沿動顎運(yùn)動軌跡的運(yùn)動方向有促進(jìn)排料作用,所以在一定的程度上可以保證破碎機(jī)的生產(chǎn)效率。從動顎豎直位移仿真結(jié)果中也可以看出垂直的行程較大,從而導(dǎo)致襯板磨損較快,降低襯板的使用壽命,故復(fù)擺顎式破碎機(jī)一般用于中小型機(jī)型。但隨著耐磨材料的不斷發(fā)展,襯板耐磨性的提高,這種機(jī)型也逐漸向大型化方向發(fā)展。動顎加速度X、y方向曲線表明,動顎在X、y方向上的加速度呈周期性變化。而且x、y方向的加速度不同步,X方向的加速度要比l,方向滯后180。左右,這樣在整個周期內(nèi),機(jī)架都會受到較大的沖擊,從而引起機(jī)器及其基礎(chǔ)部件產(chǎn)生振動,使偏心軸回轉(zhuǎn)不均勻,影響機(jī)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度,降低機(jī)器的可靠性,縮短機(jī)器的使用壽命。
   

 3有限元分析
   
采用CosmosWorks軟件,通過導(dǎo)入運(yùn)動學(xué)仿真過程中的多個時間瞬間的運(yùn)動載荷,進(jìn)一步分析三維裝配體中的零件在該時刻的受力狀況,以便確定最壞工況點(diǎn)。選擇裝配體中的動顎為計(jì)算對象,進(jìn)行多畫面分析,分析每組具有關(guān)聯(lián)的時間瞬間產(chǎn)生的運(yùn)動載荷。
   
動顎材料為ZG35,彈性模量為2E+5 MPa,泊松比為0.3a單位設(shè)置為psi,設(shè)定結(jié)果為VON:vonMises應(yīng)力。采用三維實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,同時考慮到動顎結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,局部區(qū)域網(wǎng)格需進(jìn)行加密處理。時間參數(shù)為1 s,設(shè)定為10組,完成計(jì)算后,結(jié)果分析如圖3所示。
   
從圖3可以看出最大應(yīng)力值出現(xiàn)在第6組(t=0.58 s),表明一個周期內(nèi)動顎在該時刻工況最差,對該工作位置的動顎進(jìn)行詳細(xì)的靜態(tài)分析,應(yīng)力分布云圖如圖4所示。圖4中動顎肘板座附近應(yīng)力最大,與實(shí)際情況相吻合,表明計(jì)算方法有效。在應(yīng)力分布云圖的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步在肘板墊與動顎連接處以及沿動顎板長方向提取計(jì)算結(jié)果,分別見圖5與圖6。從2個圖中可以發(fā)現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力峰值甚至超過許用應(yīng)力,如肘板座與動顎連接處。同時,動顎A點(diǎn)處(見圖4)也存在一定程度的應(yīng)力集中,且沿板長方向靠近肘板座處應(yīng)力逐漸增加。
   

根據(jù)d  Alambert原理,作用于動顎的慣性力與接點(diǎn)反作用力相互平衡。因此,當(dāng)動顎工作位置隨時間變化,對視為處于動態(tài)載荷的結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析,其最差工況下的計(jì)算結(jié)果往往大于靜態(tài)分析結(jié)果。這種隨時間變化的應(yīng)力突變對結(jié)構(gòu)安全的危害,需在設(shè)計(jì)中加以充分重視。所以除了對重要的零部件做靜態(tài)有限元分析,還要進(jìn)行動態(tài)仿真計(jì)算,以找出最差工況下的最大應(yīng)力值,以及所在的位置,從而進(jìn)一步在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。如可以對應(yīng)力較大的地方進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的再設(shè)計(jì),保證工作中的安全系數(shù)達(dá)到許用值;在應(yīng)力最低的地方,安全余量可能過大,則可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),以達(dá)到減小機(jī)重的目的。
   

    4結(jié)語
   
針對復(fù)擺顎式破碎機(jī)這一典型傳統(tǒng)產(chǎn)品,綜合應(yīng)用SolidWorks、CosmosMotion及CosmosWorks等現(xiàn)代設(shè)計(jì)與分析工具,實(shí)現(xiàn)了機(jī)構(gòu)運(yùn)動學(xué)與零部件有限元分析的集成仿真計(jì)算,得到了與實(shí)際相符的計(jì)算結(jié)果。數(shù)據(jù)表明,動顎在往復(fù)擺動的周期內(nèi),應(yīng)力大小隨工作位置改變而變化。
   
通過運(yùn)動學(xué)模擬,確定了動顎最大載荷發(fā)生的時刻,并對該工況點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的有限元分析計(jì)算,發(fā)現(xiàn)了動顎局部結(jié)構(gòu)區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象,同時揭示了結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布規(guī)律,從而為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與改進(jìn)提供了依據(jù),并提出了進(jìn)一步優(yōu)化分析的設(shè)想。

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