尚思思，張園園，張巨偉

（遼寧石油化工大學(xué)，遼寧 撫順113001）

破碎機(jī)是一種將物料破碎到一定顆粒的重型設(shè)備，在冶金、礦山、化工、電力等工業(yè)部門廣泛應(yīng)用。在化工部門，破碎粉磨機(jī)械將原料破碎粉磨，增加物料的表面積，為縮短物料化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間創(chuàng)造了有利條件。主軸、動(dòng)錐及其襯板是某圓錐破碎機(jī)的關(guān)鍵部件，其設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇與確定直接影響圓錐破碎機(jī)的使用壽命和可靠性。同時(shí)，破碎機(jī)在正常的工作過程中，由于動(dòng)錐襯板與物料直接接觸[1]，襯板的上載荷情況極為復(fù)雜，難于求解，一般的設(shè)計(jì)部門對(duì)其研究的較少或只停留在理論分析階段，因此本文將采用有限元法對(duì)三者進(jìn)行靜力學(xué)分析，較為準(zhǔn)確的計(jì)算出應(yīng)力分布情況，為該類圓錐破碎機(jī)主要部件的設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

1 實(shí)體模型的建立

圓錐破碎機(jī)的主軸、動(dòng)錐以及動(dòng)錐襯板在工作過程中是相互接觸配合的，并且主軸和動(dòng)錐的受力都是來源于動(dòng)錐襯板破碎物料時(shí)受到的破碎力。因此，本文將通過動(dòng)錐襯板受到的破碎力以及部件的相互作用力，來對(duì)各部件的受力情況進(jìn)行求解。

2 ANSYS 分析設(shè)定

2.1 定義單元屬性

結(jié)合被分析零件結(jié)構(gòu)和應(yīng)變特點(diǎn)，選用Solid45單元；選用的材料是各項(xiàng)同性的線彈性材料。

2.2 網(wǎng)格的劃分

本論文采用掃掠的方法生成網(wǎng)格[2,3]。首先將源面統(tǒng)一確定為各部件的左剖面，先將源面劃分成25×25 的四邊形網(wǎng)格，并對(duì)各個(gè)部件的圓角處進(jìn)行細(xì)化處理。在掃掠方向上統(tǒng)一設(shè)置的單元?jiǎng)澐謹(jǐn)?shù)量為35，對(duì)部件進(jìn)行掃掠劃分。

2.3 施加約束和載荷

2.3.1 施加約束

本文根據(jù)圓錐破碎機(jī)工作的實(shí)際情況，對(duì)主軸的兩端面進(jìn)行全位移約束，在動(dòng)錐螺母和塑膠背墊的頂部表面施加Y 方向的位移約束，在各部件的剖分面的處施加對(duì)稱位移約束，并在切割環(huán)與動(dòng)錐螺母和動(dòng)錐襯板的接觸處施加全位移耦合約束。

2.3.2 載荷計(jì)算及施加

(1) 沿動(dòng)錐襯板垂直方向上的單位破碎力。H.Sommer 認(rèn)為：垂直動(dòng)錐襯板的表面上，任意截面的單位破碎力，與其對(duì)應(yīng)的偏心距 成正比，與破碎腔寬度 成反比[4]，由此可得垂直方向上單位破碎力：

將式(2)和式(3)帶入(1)中，可得出單位破碎力的表達(dá)式為：

(2) 沿動(dòng)錐襯板圓周方向上的單位破碎力。動(dòng)錐襯板的外形類似于圓錐形，它在實(shí)際工作過程中大約只有1/4 的圓周在進(jìn)行破碎，即只有-45°～45°的范圍為工作區(qū)，并且受力由工作區(qū)中間部位即0°處沿著圓周方向兩側(cè)遞減，一直到兩側(cè)的-45°和45°位置處破碎力已經(jīng)減小了非常多，幾乎為0 MPa，設(shè)單位破碎力沿圓周方向上遞減的曲線為拋物線。

（3) 作用在動(dòng)錐襯板工作區(qū)的單位破碎力。根據(jù)式(1)和式(5)可求得動(dòng)錐襯板工作區(qū)的單位破碎力為：

求解式(7)中的未知數(shù) ：本文將襯板由上至下分成 10 份（ 已知），由于動(dòng)錐襯板的工作區(qū) 處（ 已知）的單位破碎力為0 MPa（ 已知），分別在每一段根據(jù)式(7)算出，帶回到(7)式中，即可求得單位破碎力函數(shù) 。由于單位破碎力是隨著 坐標(biāo)變化的函數(shù)，因此需要使用ANSYS 軟件的函數(shù)編輯器功能進(jìn)行加載[5]。

2.4 定義接觸

本文使用接觸向?qū)?chuàng)建所需的三對(duì)接觸。第一對(duì)接觸主軸表面作為接觸面，將與其接觸的動(dòng)錐的內(nèi)表面和螺母的內(nèi)表面作為目標(biāo)面；第二對(duì)接觸將動(dòng)錐的外表面作為接觸面，與其接觸的塑膠背墊和襯板的內(nèi)表面作為目標(biāo)面；第三對(duì)接觸將塑膠背墊的外表面作為接觸面，與其接觸的襯板內(nèi)表面作為目標(biāo)面[6]。

3 計(jì)算結(jié)果

3.1 主軸的計(jì)算結(jié)果及分析

由圖1 可知，主軸的最大等效應(yīng)力值為112.174 MPa，在主軸與動(dòng)錐螺母接觸的圓角處，由于該處圓角的尺寸較小且單元網(wǎng)格的劃分無法足夠的精確，與實(shí)際模型相比會(huì)有一定的差距，因此產(chǎn)生了應(yīng)力集中。主軸中部與動(dòng)錐相接處的位置上的應(yīng)力值也很大，呈兩條帶狀分布在剖分邊緣的附近，相比之下，主軸其它部位的應(yīng)力很小。由圖2 可知，主軸的最大位移出現(xiàn)在軸的中部，軸的兩端由于受到約束，幾乎沒有產(chǎn)生位移。

圖1 主軸的應(yīng)力分布云圖Fig.1 Spindle stress contours

圖2 主軸的位移分布云圖Fig.2 The displacement contours of spindle

3.2 動(dòng)錐的計(jì)算結(jié)果及分析

由圖 3、4 可知，動(dòng)錐的最大等效應(yīng)力值為118.482 MPa，在動(dòng)錐內(nèi)壁和外壁間的圓角處，這是由于外壁受到了來自襯板的擠壓產(chǎn)生變形，于是在該處形成了應(yīng)力集中。

圖3 動(dòng)錐的應(yīng)力分布云圖(a)Fig.3 The stress contours of moving cone(a)

圖4 動(dòng)錐的應(yīng)力分布云圖(b)Fig.4 The stress contours of moving cone(b)

此外，動(dòng)錐與主軸接觸的內(nèi)表面上的應(yīng)力值也很大，主要分布在動(dòng)錐的上下邊緣附近，動(dòng)錐外壁的邊緣處應(yīng)力則很小。由圖5、6 可知，動(dòng)錐有兩處較大的位移，一處出現(xiàn)在動(dòng)錐的外壁的邊緣處，另一處出現(xiàn)在動(dòng)錐的內(nèi)壁下邊緣處。

圖5 動(dòng)錐的位移分布云圖(a)Fig.5 The displacement contours of moving cone(a)

圖6 動(dòng)錐的位移分布云圖(b)Fig.6 The displacement contours of moving cone(b)

3.3 動(dòng)錐襯板的計(jì)算結(jié)果及分析

由圖7、8 可知，動(dòng)錐襯板的最大等效應(yīng)力值為57.552 MPa，發(fā)生在動(dòng)錐襯板的內(nèi)表面下邊緣處。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，非破碎區(qū)域的應(yīng)力則很小。

由圖9 可知，動(dòng)錐襯板的最大位移出現(xiàn)在襯板下邊緣，主要是由于襯板的一側(cè)受到擠壓后產(chǎn)生彎曲而形成的。

圖7 動(dòng)錐襯板應(yīng)力分布云圖(a)Fig.7 The stress contours of dynamic cone lining(a)

圖8 動(dòng)錐襯板應(yīng)力分布云圖(b)Fig.8 The stress contours of dynamic cone lining(b)

圖9 動(dòng)錐襯板的位移分布云圖Fig.9 The displacement contours of dynamic cone lining

4 結(jié) 論

關(guān)鍵部件非線性靜力有限元分析的結(jié)果表明：

(1)主軸的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在主軸與動(dòng)錐螺母接觸的圓角處，為112.174 MPa，是由應(yīng)力集中引起的，主軸的最大位移出現(xiàn)在軸的中部。

(2)動(dòng)錐的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在動(dòng)錐內(nèi)壁和外壁間的圓角處，為118.482 MPa。動(dòng)錐的最大位移一處出現(xiàn)在動(dòng)錐外壁的邊緣，另一處出現(xiàn)在動(dòng)錐內(nèi)壁下邊緣。

(3)動(dòng)錐襯板的最大等效應(yīng)力出現(xiàn)在動(dòng)錐襯板內(nèi)表面的下邊緣，為 57.552 MPa。最大位移出現(xiàn)在襯板下邊緣，主要是由于襯板的一側(cè)受到擠壓后產(chǎn)生彎曲而造成的。此外，在主軸中部靠近剖分邊緣的位置，在動(dòng)錐內(nèi)表面的上下邊緣的附近，在動(dòng)錐襯板外表面的下半部的應(yīng)力值也很大。

［1］李顯忍.圓錐破碎機(jī)定錐修復(fù)[J].化工機(jī)械，2001，28(6)：355-356.

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