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锤式破碎机三维建模与仿真研究
发布时间：2013-09-11 09:15 来源：未知
0、概述
锤式破碎机主要用于煤矿井下顺槽内，与转载机配套使用，对通过转载机的大块原煤进行破碎。通过对锤式破碎机的工作载荷进行静力学和动力学分析，研究其破碎机理，建立相应的数学模型，并进行动态仿真，从而找到其优化设计方法。为锤式破碎机的设计和工作状态分析提供依据，不仅具有重要的理论意义，也有重要的实际应用价值。
目前，随着CAD/CAM技术的发展，三维实体造型、虚拟技术、工况仿真模拟已成为CAD的重要发展方向，并在产品设计和制造方面引起了重大变革。对有复杂运动的锤式破碎机等机械产品，建立三维动态图形和三维虚拟环境模拟，可以很好地描述其数学模型的准确性、装配过程的合理性、作业过程的动态性、运动轨迹的正确性。本文将采用Pro/E(WILDFIRE)软件，对锤式破碎机的三维造型和动态仿真进行研究。
1、建立三维模型
建立三维模型是指进行机构构件的具体设计，首先确定零件的形状、结构、尺寸和公差等，并在计算机上进行二维绘图和三维实体造型，然后通过装配�？橥瓿闪慵樽�，形成整机。在Pto/E WILD-FIRE软件中，零件装配是依靠所选择的面及特征来约束零件的。装配是动态仿真的前提，装配关系的正确与否直接影响动态仿真的效果。装配前，先确定运动构件及构件间的运动副，最后由各机构构成整机，并为仿真做准备。
以PCM400型锤式破碎机为例研究锤式破碎机的三维建模与仿真，重点研究PCM400型锤式破碎机的执行部分。PCM400型锤式破碎机执行部分的主要零部件包括：主轴、锤体、锤头。
(1)主轴
在PCM400锤式破碎机中，主轴的总体特征由以下特征组成：截面直径不同的圆柱体棒料，键槽、锥面、螺纹孔、圆角、倒角。由于主轴的总体特征关于主轴的中心横截面对称，所以只需创建出主轴中心横截面一侧的所有特征，再使用“镜像”命令即可创建出主轴的所有特征。
(2)锤体
锤体是连接主轴和锤头的关键部件，它是把动力从传动部分转移到执行部分的“枢纽”。在PCM400锤式破碎机中，锤体的总体特征由以下特征组成：锤体主体（除此之外不含其他任何特征）、阶梯孔、中心孔、键槽、螺纹孔、圆角、倒角。由于锤体的总体特征关于锤体的中心横截面对称，所以只需创建出锤体中心横截面一侧的所有特征，再使用“镜像”命令即可创建出锤体的所有特征（见图2）。
(3)锤头
锤头是转载机用锤式破碎机的执行机构，旋转的锤头可对大块原煤进行打击破碎，最终形成一定块度的煤块。在PCM400破碎机中，锤头的总体特征由以下特征组成：锤头主体（除此之外不含其他任何特征）、堆焊材料、阶梯孔、锤头与锤体的连接部分、倒角、圆角（见图3）。至此就完成了PCM400型锤式破碎机执行部分主要零部件，根据二维工程图进行三维建模的所有工作。
(4)附属零部件的创建过程
PCM400型锤式破碎机执行部分的主要附属零部件包括：紧固螺母、轴承座、轴承盖、迷宫压板。
(5)三维虚拟装配过程
虚拟装配就是利用零部件的链接关系建立装配。Pro/E的装配模式提供了并行的、自下而上的、自上而下的产品开发方法。在自下而上的设计模式中，先在零件�？橹泄乖旄鞲隽慵娜Ｐ突蛘叩饔迷茸龊玫娜Ｐ�，然后在装配�？橹薪⒘悴考涞牧唇庸叵担峭ü涠蕴跫诹悴考浣⒃际叵道慈范悴考诓分械奈恢�。在虚拟装配中，零部件的几何体是被装配引用，而不是复制到装配中，不管如何编辑零部件和在何处编辑零部件，整个装配部件保持关联性，如果修改某些零部件，则引用它的装配件自动更新，反应零部件的最新变化。进行零件装配时最重要的步骤就是对零部件进行适当的约束。在Pro/E中建立装配关系是用贴合、平面和基准面对齐、坐标系各个轴相互对齐等约束命令将所有的零部件按要求装配在一起。Pto/E是基于特征的建模方式创建零件的三维模型的，每创建一个特征都是以一个虚体特征为参考的，这些虚体特征在实体造型及装配方面十分有用，是起辅助作用的。在虚拟装配时，如果每个零部件都采用实际坐标系进行装配，势必牵涉大量的计算，由于计算的误差，还将导致装配失败，因此，借助Pto/E提供的虚体特征，可以使装配过程大大简化。机制动态仿真是用计算机模拟机械运动，检查机械运动中各部件的运动关系以及可能存在的问题。在Pro/E中，可以通过对机构添加运动副、驱动器使其运动起来，以实现机构的运动仿真。
零件组装是通过装配�？橥瓿�。在Pro/EWILDFIRE软件中，零件装配是依靠所选择的面及特征来约束零件的。装配是动态仿真的前提，装配关系的正确与否直接影响动态仿真的效果。装配前，先确定运动构件及构件间的运动副，最后由各机构构成整机，并为仿真做准备。
PCM400型锤式破碎机执行部分的最终装配模型如图4。PCM400型锤式破碎机完整的装配模型如图5。
2、锤式破碎机动态仿真研究
机构的动态仿真分析需要建立机构的动态模型。在模型图中有连接构件，还有各种运动副。在装配�？橹辛庸辜芭涑烧�，并定义相互运动的运动副。再设计机构的运动链图，将各个组成部件及其运动顺序表达出来。
锤式破碎机的动态仿真属于单驱动器的开环机构仿真，是Pto/E运动仿真中比较复杂的一类，仿真过程中需要创建一个动力源一交流异步电动机，并调节各组成部件的运动顺序，它将直接影响到整个机构的仿真逼真程度。
通过运动过程的模拟，可以直观地了解系统的动态特征，十分便利对各运动构件和运动副进行分析。它还可以反映机构驱动时，构件在运动中的速度变化情况。
使用Mecharusm�？榻性硕Х抡�，包括2个基本步骤：
(1)定义一个机构通过使用连接在装配件中增加元件（与使用放置约束向装配件中增加元件方式相同）来定义机构，并用连接定义元件之间的相对运动。将连接信息保存在装配件文件中，这意味着父装配件继承了子装配件中的连接定义。
(2)机构运动使用下列3种方法之一就可以使机构运动：
①运行一个装配件分析，也称为连接装配件。如果已连接好装配件，运行装配件分析将能够使机构运动。
②以交互方式拖动一个装配件，从而使机构运动。
③给机构增加驱动器并执行运动。
另外，还可以使用机构设计来重新定义原动件，创建槽从动机构连接和凸轮从动机构连接，创建驱动器，回放运动来看测量结果以及研究模型。当创建机构时，可以将其输入到Pro/MECHANICA�？橹校员憬徊椒治�。只有在“元件放置”对话框中创建的连接才能转移到Pro/MECHANICA�？橹�，也可以将机构设计模型带入到设计动画中，创建一个动画序列。设计动画支持连接、凸轮从动机构连接、槽从动机构连接、连接极限、驱动器和连接零点。
通过上述方法实现的仿真可以达到破碎机工作时的动画效果，更加直观地表示了PCM400型锤式破碎机的工作形式。
3、结语
本论文以PCM400锤式破碎机为例，进行了PCM400型破碎机执行部分三维建模和仿真分析研究，建立了PCM400破碎机的三维虚拟装配模型，并进行了机构仿真运行，更加直观地表示了PCM400型锤式破碎机的装配关系和工作形式。但是没有给出PCM400型锤式破碎机工作时的重要状态参数，如PCM400型锤式破碎机工作时的瞬时速度、瞬时加速度、破碎大的块煤时的转动惯量等，有待进一步研究。
