圓錐破碎機(jī)動(dòng)錐襯板的有限元分析

張　周， 陳水勝， 沈　琛， 張夢(mèng)莎

(1 湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068；2 武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車(chē)車(chē)輛學(xué)院，湖北 武漢 430205；3 湖北鐵道運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院， 湖北 武漢 430064

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圓錐破碎機(jī)動(dòng)錐襯板的有限元分析

張周1， 陳水勝1， 沈琛2， 張夢(mèng)莎3

(1 湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 湖北 武漢 430068；2 武漢鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車(chē)車(chē)輛學(xué)院，湖北 武漢 430205；3 湖北鐵道運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院， 湖北 武漢 430064

利用圓錐破碎機(jī)分層破碎的原理，將動(dòng)錐襯板進(jìn)行分層，分析各層的受力情況。將建立好的襯板三維模型導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，分析襯板的靜力學(xué)和動(dòng)力學(xué)特性，從而了解襯板在工作狀態(tài)中的應(yīng)力應(yīng)變及振動(dòng)情況，為襯板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。

圓錐破碎機(jī)； 分層破碎原理； ANSYS Workbench； 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

圓錐破碎機(jī)是一種廣泛應(yīng)用于冶金、建筑、化工等行業(yè)的重型機(jī)械設(shè)備。動(dòng)錐襯板是該設(shè)備上的重要部件，也是易損零件。本文將動(dòng)錐襯板進(jìn)行分層，分析襯板各個(gè)破碎層的受力，以便模擬出襯板在工作狀態(tài)下真實(shí)的受力情況，通過(guò)對(duì)動(dòng)錐襯板的靜力學(xué)和模態(tài)分析，為后面動(dòng)錐襯板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1　圓錐破碎機(jī)動(dòng)錐襯板受力分析

在正常工作狀態(tài)下，圓錐破碎機(jī)破碎力的大小會(huì)受到礦石的物理化學(xué)性質(zhì)、硬度、機(jī)械性質(zhì)、破碎方法以及礦石在破碎腔中的分布狀態(tài)等諸多因素影響[1]，如果用理論公式來(lái)計(jì)算破碎力是很困難的，所以采用通過(guò)破碎機(jī)正常工作時(shí)液壓缸所產(chǎn)生的壓力來(lái)計(jì)算破碎力，即破碎力[2-3]

(1)

式中：D是液壓缸的柱塞直徑；P是正常破碎礦石時(shí)液壓缸的所受工作壓力；N為液壓缸的個(gè)數(shù)；α為動(dòng)錐的錐底角；γ為圓錐破碎機(jī)的進(jìn)動(dòng)角。將參數(shù)帶入到式(1)中，算出圓錐破碎機(jī)的總破碎力F=2.5×106N。

圓錐破碎機(jī)破碎腔中，單位破碎力與破碎腔寬度成正比，而與動(dòng)錐的擺動(dòng)行程成反比，公式如下[4]：

(2)

式中：dn為各截面所對(duì)應(yīng)的破碎腔寬度，mm；en為各截面所對(duì)應(yīng)的偏心距，mm；k為系數(shù)，大小為常數(shù)。

將破碎腔分成13層(圖1)，每一層所對(duì)應(yīng)的破碎腔寬度和動(dòng)錐擺動(dòng)行程見(jiàn)表2。

圖 1　破碎腔分層圖

表1　襯板各截面數(shù)據(jù)　mm

根據(jù)式(2)可以求出各個(gè)截面所對(duì)應(yīng)的單位破碎力Pn，破碎機(jī)的總破碎力等于各個(gè)破碎層單位破碎力相加的和，而fi為各個(gè)破碎層截面所分布的破碎力，計(jì)算方法為各截面所占破碎力的比與總破碎力的乘積，即

(3)

根據(jù)該公式可以得到各截面數(shù)分布的破碎力值，其值如表2。

表2　襯板各截面的力　N

2　動(dòng)錐襯板的靜力學(xué)分析

2.1動(dòng)錐襯板有限元模型的建立

利用三維建模軟件SOLIDWORKS建立襯板的立體模型，然后將建立好的襯板模型導(dǎo)入到Workbench中(圖2)。采用六面體單元，將模型劃分為5 735個(gè)有限單元，共有31 880個(gè)節(jié)點(diǎn)。將襯板內(nèi)表面施加全約束，載荷的施加為節(jié)點(diǎn)力，力的大小如表2所示。

圖 2　襯板的三維模型

2.2結(jié)果分析

襯板求解后的應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3，位移分布云圖見(jiàn)圖4。

圖 3　應(yīng)力云圖

圖 4　位移分布云圖

從動(dòng)錐襯板應(yīng)力云圖可知，動(dòng)錐襯板的最大等效應(yīng)力值為619.09 MPa，發(fā)生在動(dòng)錐襯板外表面的邊緣處，且襯板的最大等效應(yīng)力值小于襯板材料的許用應(yīng)力值625 MPa，此外動(dòng)錐襯板與礦石直接接觸的外表面應(yīng)力值也很大，主要分布在襯板破碎區(qū)域的下邊緣附近，越靠近排料口處襯板所受到的應(yīng)力越大，非破碎區(qū)域的應(yīng)力值則很小。

由動(dòng)錐襯板的位移分布云圖可知，動(dòng)錐襯板的最大位移值為0.509 mm，發(fā)生在襯板下邊緣，主要是由于襯板的一側(cè)受到擠壓后產(chǎn)生彎曲形成的，非破碎區(qū)域的位移變化很小。

3　動(dòng)錐襯板的模態(tài)分析

由于圓錐破碎機(jī)在工作過(guò)程中有劇烈的振動(dòng)，所以要對(duì)襯板進(jìn)行模態(tài)分析，而低階振型對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性起決定性作用，高階振型作用較小[5]，通過(guò)模態(tài)分析來(lái)避免因?yàn)楣舱穸鸬臋C(jī)械零件的損壞。圓錐破碎機(jī)的偏心套的轉(zhuǎn)速為330 r/min，所以固有頻率為f=5.5 Hz。將襯板與動(dòng)錐相結(jié)合的面施加全約束，提取前六階模態(tài)。振型圖見(jiàn)圖5。

(a)一階振型

(b)二階振型

(c)三階振型

(d)四階振型

(e)五階振型

(f)六階振型圖 5　動(dòng)錐襯板振型

表4　襯板的振型描述

由表4可知，襯板振動(dòng)時(shí)的固有頻率大于5.5 Hz的圓錐破碎機(jī)工作頻率，所以襯板不會(huì)發(fā)生共振。襯板的第一階振型頻率和第二階振型頻率比較接近，第三階振型頻率和第四階振型頻率也比較接近，第五階振型頻率和第六階振型頻率也接近，都可視為重根。襯板的振動(dòng)主要是襯板底部的內(nèi)外振動(dòng)，因此，振動(dòng)的危險(xiǎn)點(diǎn)主要集中在襯板的中下部分，且隨著振型階數(shù)的增高，危險(xiǎn)點(diǎn)的數(shù)量也遞增，襯板的中部到底部之間振動(dòng)劇烈。

[1]董鋼, 范秀敏, 張曦,等. 基于層壓破碎理論的圓錐破碎機(jī)破碎力分析及運(yùn)動(dòng)學(xué)研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2010, 46(17):159-164.

[2]尚思思, 張園園, 張巨偉. 基于ANSYS的某圓錐破碎機(jī)主要部件的靜力分析[J]. 當(dāng)代化工, 2013(3):336-338.

[3]閔希春. H8800圓錐破碎機(jī)關(guān)鍵部件的有限元分析[D]. 沈陽(yáng)：東北大學(xué), 2011.

[4]王偉. 圓錐破碎機(jī)耐磨腔型優(yōu)化設(shè)計(jì)[D]. 沈陽(yáng)：遼寧科技大學(xué), 2012.

[5]李厚旭. 圓錐破碎機(jī)動(dòng)力學(xué)研究[D]. 秦皇島：燕山大學(xué), 2014.

[責(zé)任編校： 張眾]

The Finite Element Analysis of Lining Board ofthe Cone Broken Mobile Cone

ZHANG Zhou1，CHEN Shuisheng1，SHEN Chen2，ZHANG Mengsha3

(1SchoolofMechanicalEngineering,HubeiUniversityofTechnology,Wuhan430068,China;2DepartmentofLocomotiveandVehicleEngineering,WuhanRailwayVocationalCollegeofTechnology,Wuhan430205China;3HubeiVocationalCollegeofEailwayTransportation,Wuhan430064,China)

Using the hierarchical crushing principle of cone crusher, this paper will layer the dynamic cone plate and analyze the stress distribution of each layer. The established 3D model will be imported into ANSYS Workbench in order to analyze the statics and dynamics properties of liner. The results will be helpful for understanding the lining in the working state of stress and strain and vibration situation, and for providing theoretical basis for the structure optimization of lining the board .

cone crusher; hierarchical crushing principle; ANSYS Workbench; structure optimization

2016-03-02

張周(1989-)， 男， 湖北武漢人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)理論

1003-4684(2016)04-0024-03

TD451

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