常 勇

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 長治 046100）

破碎機(jī)是選煤廠一種常用的機(jī)械設(shè)備，主要用于將大塊的煤炭進(jìn)行破碎，其工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系到選煤廠煤炭分選效率和分選的經(jīng)濟(jì)性。郭莊煤業(yè)有限公司選煤廠所用的破碎機(jī)為PS0816型，對大塊的煤炭具有較好的破碎效果，但該破碎機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu)重量大，導(dǎo)致移動(dòng)時(shí)非常困難，而且在長期破碎煤炭的過程中，破碎機(jī)的機(jī)架頻繁受力發(fā)生疲勞變形，使機(jī)架開裂、傾斜。目前只能通過在機(jī)架發(fā)生變形位置焊接加強(qiáng)鐵并調(diào)低破碎頻率來進(jìn)行解決，嚴(yán)重地影響了選煤廠的煤炭破碎篩分效率[1]。因此本文利用三維建模軟件建立PS0816型破碎機(jī)的三維結(jié)構(gòu)模型，然后利用ANSYS動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件對破碎機(jī)機(jī)架工作情況下的受力情況進(jìn)行分析，針對性地提出了對破碎機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明優(yōu)化后不僅極大地降低了破碎機(jī)機(jī)架的整體重量，而且加強(qiáng)了機(jī)架整體結(jié)構(gòu)，使破碎機(jī)工作時(shí)的機(jī)架受力更加的分散，有效地解決了破碎機(jī)機(jī)架受力變形問題。目前該破碎機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案已得到了全面推廣，取得了極好的經(jīng)濟(jì)效益。

1 破碎機(jī)機(jī)架三維建模及分析

以PS0816型破碎機(jī)為基礎(chǔ)，利用三維建模軟件建立該破碎機(jī)機(jī)架的三維結(jié)構(gòu)模型，利用接口模塊將Creo三維建模軟件和ANSYS動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件進(jìn)行連接?？紤]到該破碎機(jī)整體結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，為了確保對其仿真分析的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)對機(jī)架上的網(wǎng)格全部采用了自動(dòng)網(wǎng)格劃分方法。設(shè)置網(wǎng)格單元的尺寸全部為5級精度，網(wǎng)格共劃分為128304個(gè)單元點(diǎn)，共計(jì)193842個(gè)節(jié)點(diǎn)，確保仿真分析時(shí)的精確性和連續(xù)性的統(tǒng)一。根據(jù)破碎機(jī)機(jī)架所使用的材料，在進(jìn)行機(jī)架參數(shù)設(shè)置上，設(shè)置該機(jī)架材料的彈性模量為2.31×105MPa，其材料密度為8.1×10-6/mm3，材料的最大屈服強(qiáng)度為310MPa，其泊松比約為0.25。由于該破碎機(jī)的機(jī)架為對稱式結(jié)構(gòu)，因此在進(jìn)行仿真分析時(shí)，只對一側(cè)的機(jī)架進(jìn)行分析。

根據(jù)破碎機(jī)工作時(shí)的實(shí)際受力狀態(tài)，在對該破碎機(jī)機(jī)架進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)分析時(shí)，設(shè)置作用在機(jī)架軸承位置的受力為16.4N/mm2，作用在齒板內(nèi)面的力約為12.4N/mm2，作用在肘板支撐面上的力約為32.4N/mm2。破碎機(jī)工作時(shí)的機(jī)架與地基連接，處于彎曲約束的狀態(tài)，因此在機(jī)架的對稱面上施加一個(gè)全面約束，模擬實(shí)際的固定狀態(tài)[2]。

在受力狀態(tài)下破碎機(jī)機(jī)架的應(yīng)力分布和應(yīng)變分布如圖1所示。

圖1 優(yōu)化前破碎機(jī)機(jī)架仿真分析結(jié)果

由仿真分析結(jié)果可知，優(yōu)化前破碎機(jī)機(jī)架上的最大受力為164.99MPa，最大應(yīng)力出現(xiàn)在機(jī)架軸承座和側(cè)面位置的加強(qiáng)筋處。優(yōu)化前破碎機(jī)的機(jī)架上的最大應(yīng)變?yōu)?.73mm，出現(xiàn)在破碎機(jī)機(jī)架下側(cè)，與實(shí)際應(yīng)用過程中機(jī)架出現(xiàn)疲勞變形的位置一致，表明了該仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，為進(jìn)一步的優(yōu)化方案的提出奠定了基礎(chǔ)。

2 破碎機(jī)機(jī)架的優(yōu)化研究

在制定破碎機(jī)機(jī)架的優(yōu)化方案時(shí)，為了提高方案制定效率和準(zhǔn)確性，郭莊煤業(yè)有限公司第一次引進(jìn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念。綜合破碎機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化成本和可行性，在制定優(yōu)化目標(biāo)時(shí)，項(xiàng)目組考慮將加強(qiáng)機(jī)架的壁厚和設(shè)置加強(qiáng)筋作為優(yōu)化的方向，將優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為不降低破碎機(jī)機(jī)架整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下降低機(jī)架的體積和重量。在進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí)，將系統(tǒng)的狀態(tài)變量設(shè)置為破碎機(jī)機(jī)架的最大應(yīng)力和應(yīng)變。

在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，參數(shù)化設(shè)計(jì)包括了兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法：一種是一階偏導(dǎo)方案，對變量進(jìn)行聯(lián)合偏導(dǎo)求解，所獲取的結(jié)果精度高，但優(yōu)化點(diǎn)不一定符合實(shí)際；另一種是零階變量逼近法。根據(jù)破碎機(jī)機(jī)架優(yōu)化目標(biāo)，本文選擇了零階變量逼近的方案對機(jī)架優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

以參數(shù)化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的破碎機(jī)的機(jī)架優(yōu)化方案流程如圖2所示[3]。

在該分析軟件中輸入目標(biāo)量、參數(shù)變量后，系統(tǒng)自動(dòng)對其進(jìn)行連續(xù)性的迭代運(yùn)算，每一次迭代運(yùn)算后便對其進(jìn)行一次變量的上限、下限和收斂性的分析，利用零階變量逼近法對其進(jìn)行符合性判斷，最終當(dāng)?shù)降?7次時(shí)，獲得了本次優(yōu)化的最佳結(jié)果。將機(jī)架上側(cè)的鋼板厚度由3.5mm降低為3.2mm，將出現(xiàn)疲勞變形區(qū)域內(nèi)的鋼板厚度增加到4mm，同時(shí)設(shè)置厚度為3mm的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。

圖2 參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)流程示意圖

3 優(yōu)化后的仿真分析

在優(yōu)化后利用ANSYS仿真分析軟件[4]在相同工況下對破碎機(jī)機(jī)架的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況進(jìn)行分析，結(jié)果如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后破碎機(jī)機(jī)架仿真分析結(jié)果

由仿真分析結(jié)果可知，優(yōu)化后，在相同工況下，機(jī)架的最大受力為157.1MPa，比優(yōu)化前降低了約4.8%。優(yōu)化后機(jī)架工作時(shí)的最大應(yīng)變依舊為0.73mm，但其應(yīng)變區(qū)域由機(jī)架中部轉(zhuǎn)移到了機(jī)架和地基接觸的位置。該位置有地腳螺栓連接，一定的變形不影響整個(gè)機(jī)架的工作穩(wěn)定性和可靠性，整體的形變分布均勻性更好。由于對鋼板結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行了優(yōu)化，機(jī)架的整體重量比優(yōu)化前降低了14.1%。

4 結(jié)論

針對郭莊煤業(yè)有限公司所使用的PS0816型破碎機(jī)在使用過程中機(jī)架受沖擊載荷作用極易發(fā)生變形，導(dǎo)致影響工作效率和作業(yè)安全的情況，本文在利用ANSYS仿真分析軟件對其進(jìn)行仿真分析的基礎(chǔ)上，首次引入了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念確立了優(yōu)化方案。通過對優(yōu)化后機(jī)架的受力和應(yīng)變情況分析：

（1）優(yōu)化前破碎機(jī)機(jī)架上的最大受力為164.99MPa，出現(xiàn)在機(jī)架軸承座和側(cè)面位置的加強(qiáng)筋處；最大應(yīng)變?yōu)?.73mm，出現(xiàn)在破碎機(jī)機(jī)架下側(cè)，與實(shí)際應(yīng)用過程中機(jī)架出現(xiàn)疲勞變形的位置一致。

（2）根據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，采用將機(jī)架上側(cè)的鋼板厚度由3.5mm降低為3.2mm，將出現(xiàn)疲勞變形區(qū)域內(nèi)的鋼板厚度增加到4mm，同時(shí)設(shè)置厚度為3mm的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。

（3）優(yōu)化后，在相同工況下，機(jī)架的最大受力比優(yōu)化前降低了約4.8%。最大應(yīng)變無變化，但應(yīng)變區(qū)域由機(jī)架中部轉(zhuǎn)移到了機(jī)架和地基接觸的位置，不影響整個(gè)機(jī)架的工作穩(wěn)定性和可靠性，整體的形變分布均勻性更好，而由于對鋼板結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行了優(yōu)化，使優(yōu)化后機(jī)架的整體重量比優(yōu)化前降低了14.1%。