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轮式破碎机锤轴动力学分析及仿真研究
发布时间：2013-10-24 09:02 来源：未知
0、引言
轮式破碎机与转载机配套，用于煤矿井下巷道内破碎大块原煤。破碎机锤轴由皮带轮、锥套、轴、锤体、轴承、轴承座和锤头等组成。电机的输出由窄V带传动传给锤轴，带动锤体旋转，破碎块煤。锤轴要承受强烈的摩擦磨损、冲击载荷和交变应力的作用，静、动态特性要求高。
本文以PLM1800型破碎机锤轴为研究对象，利用Pro/E软件建立了锤轴的三维几何模型，模型简化后导入ADAMS建立锤轴的动力学模型，对其进行动力学仿真分析。并在ANSYS环境下对轮式破碎机锤轴进行静力学和动力学分析，找到其优化设计方法。并通过有限元仿真，对提高锤轴的工作寿命和轮式破碎机的分析、设计提供依据。
1、动力学分析
1.1几何建模
利用Pro/E建立破碎机锤轴组成零件的三维模型，然后根据零件的装配关系建立锤轴总装配图，见图1。
对锤轴进行动力学分析前需要对三维几何模型进行简化处理。模型简化后从Pro/E中导出格式为parasolid的文件，然后将其导入ADAMS建立锤轴的动力学几何模型，见图2。
1.2添加约束、施加载荷
轮式破碎机锤轴的工作转速为370r/min，锤头冲击速度为20 m/s，可破碎物料单向抗压强度为100MPa，可破碎原煤尺寸为：长度（不限）×800×800 mm，破碎能力为1 800 t/h。
根据破碎机的工作条件和受力状况，在ADAMS环境中对锤轴添加运动约束：皮带轮和锤体主轴之间建立固定约束；锤体主轴和锤体通过键连接，它们三者之间分别建立固定约束；锤体中心处建立旋转副。在旋转副上建立旋转运动；锤头与煤块之间施加碰撞约束。
1.3动力学仿真分析
轮式破碎机锤轴建立动态模型、添加约束和载荷后，进行模型检验，确认无误后对其进行动力学仿真分析。设置煤的密度为1.8 kg/cm3，碰撞原煤的尺寸为1000×450×800 mm。碰撞过程的仿真图3为锤轴与块煤碰撞过程的碰撞力曲线。
由仿真结果可知：碰撞最大接触力为F =4.3×106 N，锤轴破煤时每次参与破煤的锤头数量为4个，面积为S =4 x9 057.5mm2=36 230mm2。由此，可计算碰撞强度P为：
P: F/S =4.3 xl06 N/36 230 mm2: 118 MPa>100 MPa(煤单向抗压强度为100 MPa)
因此，轮式破碎机锤轴可有效破煤。
2、有限元仿真研究
2.1几何建模
根据主要分析部件及ANSYS分析的条件，对模型进行必要的简化修改，修改后的模型如图4。为了计算方便，部件材质全部选为钢铁，主要参数为：密度：7.8×10-6kg/mm3；弹性模量：2. 07×105MPa；泊松比：0.3。
2.2网格划分
根据计算机的配置，网格单元的大小设置为30mm，锤式破碎机的简化结构特征仍然比较复杂，所以选择的单元类型为四面体线性单元。采用Auto-matic Method方法自动划分网格，锤头局部进行了网格细化Refinement。
2.3施加约束和载荷
为了便于对锤头的有限元仿真，设置锤体主轴固定，只在锤头上施加碰撞力压强。
1)连接条件。简化后的有限元模型锤体主轴和锤体是通过4个键连接并传递运动和力矩，因此键的2个侧面为承载面，分别与轴上的键槽和锤体上的键槽为“面与面接触”连接。锤体主轴为固定约束。
2)载荷类型。根据作用力与反作用力原理，在锤头上施加118MPa的碰撞力压强。
2.4有限元仿真
根据建立的模型、约束和边界条件，有限元仿真所得锤头结构应力云图和应变云图分别如图5、图6所示。
3、结论
1)通过ADAMS动力学仿真，对碰撞过程进行了分析，能够较真实地反映轮式破碎机的实际运动情况，并计算出了水平方向和垂直方向的碰撞力，经过计算验证了破碎机工作的可靠性。
2)采用ANSYS有限元分析计算，能够较真实地反映轮式破碎机锤头的实际受力状态，明确应力、应变分布区域，且所得结果与实际较吻合。
3)有限元仿真分析结果表明，PLM1800轮式破碎机锤头零件的最大应力为177 MPa，最大应变为0.2 mm。由此可见，锤头的安全系数较大，满足安全要求。同时通过仿真结果对锤轴的结构优化设计提供了参考。
