楊權(quán)，包家漢，何康

(1.宿州學(xué)院 機(jī)械與電子工程學(xué)院，安徽 宿州 243000；2.安徽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 馬鞍山 243032)

0 引言

礦山或其它作業(yè)場(chǎng)合，由于工作環(huán)境和地點(diǎn)的限制，破碎機(jī)往往需要實(shí)行遙控破碎作業(yè)，以降低工人作業(yè)危險(xiǎn)性.現(xiàn)階段，各破碎機(jī)廠家大多開發(fā)了工程機(jī)械的遠(yuǎn)程遙控技術(shù)，在遠(yuǎn)觀現(xiàn)場(chǎng)或視頻畫面操作時(shí)，需通過多次調(diào)整液壓缸的動(dòng)作進(jìn)行試湊，逐步逼近打擊點(diǎn)，打擊效率低，打擊點(diǎn)不準(zhǔn)確.某公司研制的大型固定式液壓破碎機(jī)總重23.1t，動(dòng)臂長(zhǎng)度達(dá)到19.6m，由于動(dòng)臂柔性的影響，在自重和沖擊力的作用下，實(shí)際的打擊點(diǎn)相對(duì)于剛體動(dòng)力學(xué)推導(dǎo)出的理論打擊點(diǎn)會(huì)有很大偏差.使用ANSYS軟件，考慮動(dòng)臂的柔性，通過預(yù)緊位移的方法，完成對(duì)于固定式液壓破碎機(jī)的位移補(bǔ)償.

1 建立固定式液壓破碎機(jī)有限元模型(仿真模型)

在三維CAD軟件中建立固定式液壓破碎機(jī)的幾何模型(圖1)，導(dǎo)入ANSYS軟件后，采用Solid186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對(duì)于固定式液壓破碎機(jī)的液壓錘、銷軸聯(lián)接處、液壓缸等關(guān)鍵部位，采用六面體網(wǎng)格劃分.

固定式液壓破碎機(jī)的液壓破碎錘、連桿、搖桿的材料為45號(hào)鋼，彈性模量為2.1×105MPa，泊松比為0.269，密度為7.9×103kg/m3；其余材料為Q345，彈性模量2.06×105MPa，泊松比為0.28，密度為7.9×103kg/m3.整機(jī)共有48對(duì)接觸對(duì)，液壓缸活塞與液壓缸筒內(nèi)壁的接觸為綁定接觸，其余為標(biāo)準(zhǔn)接觸.設(shè)置摩擦系數(shù)為0.01.在有限元模型中，對(duì)底座施加全約束.整機(jī)受到重力與沖擊力作用，計(jì)算出破碎時(shí)的沖擊力為66552N，施加于錘頭釬桿表面，方向垂直向上；同時(shí)整體施加垂直向上的重力加速度9.8m/s2.

2 工作狀態(tài)下固定式液壓破碎機(jī)有限元計(jì)算結(jié)果及分析

經(jīng)過計(jì)算后得到結(jié)果最大米塞斯等效應(yīng)力為221.99MPa，出現(xiàn)在大臂與回轉(zhuǎn)平臺(tái)鉸接的部位.由于動(dòng)臂過長(zhǎng)，具有很大柔性，導(dǎo)致大臂和二臂的剛度不足，發(fā)生了一定的彎曲，帶動(dòng)液壓錘頭最大移動(dòng)了72.722mm，觀察每個(gè)方向的位移情況，Y方向(上下方向)的最大位移為70.256mm，而Z方向(前后方向)的最大位移為47.198mm.由此可知，液壓錘頭在沖擊力的作用下在Y方向和Z方向出現(xiàn)了很大的偏移，影響了打擊點(diǎn)的準(zhǔn)確性，因此需要對(duì)液壓破碎機(jī)進(jìn)行打擊點(diǎn)的位移補(bǔ)償.

圖1 固定式液壓破碎機(jī)幾何模型 圖2 工作狀態(tài)下液壓錘頭的位移

3 固定式液壓破碎機(jī)的位移補(bǔ)償

根據(jù)沖擊力作用下固定式液壓破碎機(jī)液壓錘頭的位移情況，選擇錘頭釬桿上的節(jié)點(diǎn)1757386作為補(bǔ)償基準(zhǔn)，即節(jié)點(diǎn)的偏移量為位移補(bǔ)償量.查看節(jié)點(diǎn)的偏移，Y方向?yàn)檎蚱?8.069mm，而Z方向?yàn)檎蚱?7.196mm(X方向的位移十分微小，不需要進(jìn)行補(bǔ)償).

由于打擊時(shí)，錘頭總是垂直向下，故補(bǔ)償時(shí)保證錘頭始終垂直于地面沿Y軸負(fù)方向移動(dòng)68.069mm，沿Z軸負(fù)方向移動(dòng)47.196mm.通過坐標(biāo)變換，得到錘頭位置的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程，根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程逆解，得出各液壓缸的伸縮量.由于三段臂采用3組液壓缸驅(qū)動(dòng)，一般情況下會(huì)得出多組液壓缸的伸縮量，但由于液壓錘頭始終垂直于地面，在控制錘頭的打擊點(diǎn)和姿態(tài)后，轉(zhuǎn)錘油缸的伸縮已固定，故其它2組液壓缸只有唯一一組解.各液壓缸的伸縮量如表1所示(正值代表伸長(zhǎng)，負(fù)值代表縮短).

表1 位移補(bǔ)償各液壓缸的伸縮量

在ANSYS軟件中，設(shè)置液壓缸伸縮量的方法有兩種，即強(qiáng)制法向位移法和預(yù)緊位移法.使用強(qiáng)制法向位移法進(jìn)行補(bǔ)償進(jìn)行補(bǔ)償后，節(jié)點(diǎn)1757386Y方向的偏移為-38.706mm，Z方向的偏移為24.698mm.由于施加了法向位移的活塞的移動(dòng)與實(shí)際不符，導(dǎo)致位移補(bǔ)償失敗.因此，對(duì)液壓缸在伸縮過程中同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的這類類似搖塊機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)，采用強(qiáng)制位移法處理會(huì)產(chǎn)生額外約束，導(dǎo)致位移效果與預(yù)期不一致.

為此，根據(jù)螺栓預(yù)緊力的施加中可以施加位移的特點(diǎn)，設(shè)想在液壓缸的伸縮過程中也采用預(yù)緊位移法.施加預(yù)緊位移的方法來模擬液壓缸的伸縮，即將液壓缸的伸縮可以等效為活塞不動(dòng)而活塞桿進(jìn)行伸長(zhǎng)和縮短，通過在活塞桿上設(shè)置預(yù)緊單元，施加負(fù)的預(yù)緊位移值代表液壓缸伸長(zhǎng)，正值則代表縮短.

在活塞桿伸出液壓缸的一段長(zhǎng)度的范圍內(nèi)，設(shè)置預(yù)緊單元的部位，這樣預(yù)緊位移就不會(huì)對(duì)接觸對(duì)產(chǎn)生影響.在活塞桿上通過LOCAL命令建立局部柱坐標(biāo)系，使用PEMESH命令在活塞桿上定義預(yù)緊單元(PRETS179)，然后使用SLOAD命令在預(yù)緊單元上加載對(duì)應(yīng)的預(yù)緊位移(圖3)，注意各缸預(yù)緊位移數(shù)值與表1中伸縮量相反.

圖3 設(shè)置預(yù)緊單元 圖4 預(yù)緊位移法的補(bǔ)償結(jié)果

設(shè)置完成后進(jìn)行計(jì)算求解，液壓錘頭的變形如圖4所示，從圖中可以清楚的看出，各活塞桿進(jìn)行了相應(yīng)的伸縮，使固定式液壓破碎機(jī)即使受到了沖擊力和自重的作用，錘頭釬桿的位置也保持在原打擊點(diǎn)的位置.再次選擇節(jié)點(diǎn)1757386觀察位移情況，發(fā)現(xiàn)Y方向的最大位移為-0.452mm，Z方向的最大位移為0.303mm.為了進(jìn)一步驗(yàn)證，選擇錘頭釬桿表面的其他5個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行觀察，位移情況如表2所示，所有節(jié)點(diǎn)Y方向和Z方向的位移均小于1mm.

表2 錘頭釬桿各節(jié)點(diǎn)的位移

由于固定式液壓破碎機(jī)在進(jìn)行位移補(bǔ)償后，工作裝置的位置相較于補(bǔ)償前的計(jì)算結(jié)果都有了一定變化.觀察固定式液壓破碎機(jī)在位移補(bǔ)償后的最大米塞斯應(yīng)力為225.31MPa，位于二臂油缸與大臂的鉸接處(圖5).

因此，進(jìn)行完位移補(bǔ)償后沒有引起固定式液壓破碎機(jī)應(yīng)力的突變，整機(jī)的最大應(yīng)力與補(bǔ)償之前的最大應(yīng)力基本一樣.所以認(rèn)為使用預(yù)緊位移方法可以很好地完成固定式液壓破碎機(jī)的位移補(bǔ)償.

4 結(jié)論

(1)固定式液壓破碎機(jī)在沖擊力和自重作用下錘頭會(huì)發(fā)生大的偏移，以在沖擊力作用下節(jié)點(diǎn)1757386出現(xiàn)的偏移作為位移補(bǔ)償?shù)幕鶞?zhǔn)，Y方向負(fù)向移動(dòng)68.068mm，Z方向負(fù)向偏移47.196mm.

(2)通過推導(dǎo)的打擊點(diǎn)動(dòng)臂動(dòng)力學(xué)方程，得出各液壓缸的伸縮量.

(3)采用預(yù)緊位移法，對(duì)液壓缸活塞桿施加模擬伸縮量，有效地完成了對(duì)整機(jī)偏移的位移補(bǔ)償，補(bǔ)償誤差在1mm以內(nèi)，且補(bǔ)償后整機(jī)的應(yīng)力與補(bǔ)償前基本一致.

圖5 位移補(bǔ)償后整機(jī)最大米塞斯應(yīng)力

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