楊 毅，沈 琛，張夢莎，陳水勝

液壓圓錐破碎機(jī)定錐襯板的動態(tài)特性分析

楊 毅1，沈 琛2，張夢莎3，陳水勝1

（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，湖北武漢430205；3湖北鐵道運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，湖北武漢430070）

以定錐襯板為研究對象，使用Solidworks軟件建立模型并導(dǎo)入ANSYS－Workbench有限元軟件中，在層壓破碎理論基礎(chǔ)上對定錐襯板進(jìn)行動態(tài)特性及疲勞分析，獲得定錐襯板相應(yīng)的力學(xué)云圖。

液壓圓錐破碎機(jī)；定錐襯板；動態(tài)特性；疲勞分析

破碎機(jī)作為礦山、冶金等行業(yè)重要的生產(chǎn)設(shè)備，其工作性能直接影響到企業(yè)的生產(chǎn)效益。我國設(shè)計生產(chǎn)的破碎機(jī)存在著噪聲大、振動突出、破碎效率低、關(guān)鍵零部件設(shè)計不合理等結(jié)構(gòu)問題［1］。文獻(xiàn)［1］利用層壓破碎理論對動錐襯板進(jìn)行了動態(tài)特性分析，但破碎區(qū)域是由動錐和定錐襯板兩部分構(gòu)成，作為兩個不同結(jié)構(gòu)的研究對象，其對破碎機(jī)的工作性能都有一定的影響。本文在此基礎(chǔ)上以高錳鋼ZGMn13－4作為定錐襯板的材料，采用不同分層對定錐襯板進(jìn)行動態(tài)特性分析，并利用ANSYSWorkbench分析軟件對定錐襯板進(jìn)行疲勞分析。

1 定錐襯板的受力分析

破碎區(qū)域主要有定錐襯板與動錐襯板，其構(gòu)成如圖1所示。在破碎區(qū)域內(nèi)，偏心套的偏轉(zhuǎn)作用使得破碎域的面積減小，目標(biāo)物料因擠壓而破碎成散狀，如此經(jīng)過多層破碎，最后成顆粒狀排出，完成整個破碎過程（圖2）。

圖1 襯板結(jié)構(gòu)圖

圖2 破碎機(jī)工作原理圖

在工作過程中，定錐表面各區(qū)域的受力大小與很多因素有關(guān)，如壓縮比、粒度分布系數(shù)。通過查閱相關(guān)資料可知，破碎壓強(qiáng)與壓縮比的線性關(guān)系如下：

其中：Pi為第i粉碎層的最大破碎力壓強(qiáng)，ei為第i粉碎層中最大壓縮比，P為該粉碎層中任意區(qū)域粉碎力壓強(qiáng)，e為該粉碎層中任意區(qū)域的壓縮比。

圖3為第i層粉碎層剖分示意圖。為了使繁雜的計算簡單化，定義定錐的襯板為圓形，O1為定錐襯板的圓心，O2為破碎壁的橢圓中心，O1與O2之間的距離為m，偏心套的角速度為ω，定錐襯板的半徑為r。由定錐襯板曲線L1建立式（2），由定錐襯板曲線L2建立式（3）：

圖3 第i破碎層剖分圖

式中：A，B分別為橢圓曲線的長軸和短軸。通過上述的分析能夠獲得微小區(qū)域dθ中定錐襯板和定錐襯板的距離

dmin表示當(dāng)θ為0°時的距離，dmax表示的是當(dāng)θ為180°時的距離，當(dāng)d＝dmin時，破碎區(qū)域內(nèi)礦料前后被壓縮的體積變化量最大，即ε＝εi

綜合上式可得

2 定錐襯板模型的建立

由于在ANSYS－Workbench中建立模型較為復(fù)雜，所以本文利用Solidworks軟件建立定錐襯板的三維模型，同時將定錐襯板的倒角及圓角進(jìn)行簡化。定錐襯板要具有較高的強(qiáng)度和耐磨性。因此通過查閱相關(guān)資料，采用高錳鋼ZGMn13－4作為定錐襯板的材料，材料特性如表1所示。本文采用Tetrahedrons網(wǎng)格劃分，同時將定錐襯板分為14層，將模型劃分為8126個有限單元和51 370個節(jié)點(diǎn)（圖4）。

表1 材料特性

圖4 網(wǎng)格劃分圖

3 定錐襯板的靜力學(xué)分析

通過層壓破碎理論，可知定錐襯板上每一層的破碎力是不同的。通過靜力學(xué)分析模塊，在定錐襯板上每一層施加破碎力，得到等效應(yīng)力云圖（圖6）和應(yīng)變云圖（圖7）。

從圖5可知襯板最小等效應(yīng)力為2.2433MPa，最大等效應(yīng)力位于其破碎區(qū)的邊緣，其值大小為170.23MPa，襯板許用應(yīng)力為σb＝390MPa，工作應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，因此定錐襯板工作強(qiáng)度符合破碎機(jī)要求。

圖5 定錐襯板應(yīng)力云圖

從圖6可知襯板最小變形量是0mm，靠近襯板下部承受的破碎力越大，因此相應(yīng)的變形量也增加，最大變形量為0.041903mm。

圖6 定錐襯板應(yīng)變云圖

圖7 定錐襯板網(wǎng)格劃分圖

4 定錐襯板的模態(tài)分析

采用Tetrahedrons網(wǎng)格進(jìn)行劃分，將定錐襯板劃分為44934節(jié)點(diǎn)和25908有限單元（圖8）。

圖8 定錐襯板的前6階振型圖

4.1 約束的設(shè)置

通過對破碎機(jī)的整體進(jìn)行分析可知，定錐襯板上表面由于特殊的結(jié)構(gòu)處于固定狀態(tài)，因此定義定錐襯板的上接觸面為Fix support約束［3］。

4.2 定錐襯板的模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用來確定目標(biāo)體的自振頻率，分析是否會發(fā)生共振現(xiàn)象。所以通常只需求解目標(biāo)體的前6階振型［4］。通過查閱相關(guān)資料可知破碎機(jī)的轉(zhuǎn)速為330r／min，所以固有頻率f＝5.5Hz。通過ANSYS－Workbench有限元軟件得到定錐襯板的前6階模態(tài)圖（圖9）。

圖9 定錐襯板的壽命云圖

表2 定錐襯板的六階模態(tài)振型描述

定錐襯板模態(tài)分析結(jié)果如下：

由圖9和表2可知：定錐襯板振動時的固有頻率大于破碎機(jī)的工作頻率，所以定錐襯板不會發(fā)生共振；第一階振型頻率與第二階振型頻率比較接近，可視為重根，最大變形量為1.5912mm。第三階振型頻率與第四階比較接近，可視為重根，最大變形量為1.4495mm。第五階的固有頻率與第六階相差不大，可視為重根。最大變形量為1.6966mm。定錐襯板的最大變形在襯板邊緣處。

5 定錐襯板的疲勞分析

在靜力學(xué)分析的基礎(chǔ)上，對定錐襯板進(jìn)行疲勞分析，得出相應(yīng)的壽命云圖及安全系數(shù)云圖。

從圖11可知最小壽命發(fā)生在襯板破碎區(qū)的，襯板的最小壽命值為1680 900r，在24h不間斷工作條件下約為7d。襯板的最大壽命發(fā)生在非破碎區(qū)域，最大壽命值為1億r。

圖10 定錐襯板的安全系數(shù)云圖

由圖10可知，襯板最早發(fā)生疲勞失效位置為破碎區(qū)域內(nèi)壁及上部分的拐角處，襯板的安全系數(shù)最小值為3.5058，說明破碎機(jī)工作狀態(tài)下，襯板結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)滿足使用要求［5］。

6 結(jié)論

1）對定錐襯板的靜力學(xué)分析選用高錳鋼ZGMn13－4作為襯板材料是合理的，滿足破碎機(jī)的使用要求。

2）對定錐襯板進(jìn)行模態(tài)分析，得出定錐襯板不會發(fā)生共振現(xiàn)象。破碎機(jī)可以安全工作。

3）對定錐襯板進(jìn)行疲勞分析，得出在承受一定載荷的條件下，定錐襯板的壽命及安全系數(shù)，可對定錐襯板進(jìn)行優(yōu)化以提高襯板的使用壽命。

4）通過與其他文獻(xiàn)進(jìn)行對比可知，選用ZGMn13－4作為襯板的材料比ZGMn18Cr2更為合理。選用ZGMn13－4能夠降低制造成本，同時也能滿足破碎機(jī)的要求。

［1］ 王勇澎，趙梅，葉龍，等.旋回破碎機(jī)動平衡計算及虛擬樣機(jī)驗(yàn)證［J］.礦山機(jī)械，2013，41（9）：84－88.

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

［3］ 張周，陳水勝.基于層壓破碎理論的圓錐破碎機(jī)關(guān)鍵技術(shù)分析［D］.武漢：湖北工業(yè)大學(xué)，2016.

［4］ 方杰.破碎機(jī)內(nèi)襯板耐磨性的計算機(jī)模擬與優(yōu)化［D］.沈陽：東北大學(xué)，2011.

［5］ 賈杰.一種新型振動篩關(guān)鍵部件的疲勞壽命分析［D］.太原：太原理工大學(xué)，2013.

Analysis of Dynamic Characteristics of the Fixed Cone Liner of the Hydraulic Cone Crusher

YANG Yi1，SHEN Chen2，ZHANG Mengsha3，CHENG Shuishen1
（1 School of Mechanical Engineering，Hubei Univ.of Tech.，Wuhan 430068，China；2 Wuhan Railway Vocational and Technical College，Wuhan 430253，China；3 Hubei Railway Transportation Vocational College，Wuhan 430070，China）

Taking fixed cone plate as the research object，this paper creates a model by using Solidworks and imports it into finite element software ANSYS Workbench.On the basis of laminating crushing theory，this paper analyzes the dynamic characteristics of the fixed cone plate and fatigue，in order to get the cone plate corresponding mechanics cloud.

hydraulic cone crusher；fixed cone liner；dynamic characteristics；fatigue analysis

TH136

A

［責(zé)任編校：張 眾］

1003－4684（2017）04－0022－04

2017－04－07

楊 毅（1992－），男，湖北襄陽人，湖北工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計及理論