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新型低矮式破碎机的虚拟设计与运动仿寅
发布时间：2015-07-17 17:53 来源：未知
0、引言
低矮式破碎机是新一代高效节能的新型颚式破碎机，具有理想的动颚轨迹，该设备具有外形低矮、破碎比大、衬板磨损低、处理能力大、能耗低等显著特点，它的问世受到了市场的普遍关注，并提出了各种犁号的需求。
本文以PEQ400×600低矮式破碎机为例，探讨在Solidworks软件环境下，对整机进行三维实体建模、虚拟装配、动态模拟、干涉检查、运动仿真、分析动颚的运动轨迹，以期实现在Solidworks软件环境下的低矮式破碎机的虚拟样机设计。
1、低矮式破碎机的虚拟模型设计
在低矮式破碎机的结构设计中，最困难、最繁琐的工作就是运动机构的设计与运动轨迹校核。目前主要采用的轨迹图法或根据几何约束条件建立方程组来求解，但这种设计比较麻烦，且设计工作不直观，设计结果不尽人意，而利用三维设计软件Solidworks能较好地解决上述问题，首先建立零件的三维模型，进行虚拟装配，然后运用工具栏下的零部件旋转和移动，对原动件进行旋转，检查运动部件中有无干涉，运动部件可否达到要求，就像一台真正的破碎机在人们面前运动一样。
(1)零件设计建模
利用拉伸、阵列、切除、扫描、镜像等特征，建立低矮式破碎机主要零件的三维模型，包括动颚、定颚、机架、轴承、轴承座、肘板、密封圈等100多个零件。因电机、减速器等为选购件，在设计时没有建立这些零件的三维模型，仅建立低矮式破碎机主机上零件模型。在建模过程中，充分利用参数化尺寸、方程式、共享数值、配置、派生零件等设计技术，便于虚拟装配时对结构不合适零件进行修改。
(2)虚拟装配
破碎机的虚拟装配采用自下而上的装配形式。整机用到的零件很多，为了使装配紧凑，在组装前，将某些相对固定配合在一起的零件先组装成部件。在低矮式破碎机的装配过程中，有动颚、定颚、机架、偏心轴等部件，肘板、飞轮、皮带轮、弹簧、轴承端盖等主要零件及一些螺母、螺钉、密封套等小零件。这些零部件都在整机装配前建立好三维零件和装配好各部件模型。然后利用零件（部件）的平移、旋转、重合（共面、共线、共点）、同心（同轴）、垂直、平行、夹角等装配约束关系，通过对零件之间添加装配约束使设计好的所有零部件装配在一起。
2、运动仿真的实现
2.1零部件分类
利用SolidWorks软件完成破碎机装配体设计后，可以对其进行运动学分析和动态仿真。在仿真之前，必须在零部件中确定运动部件和固定部件，将固定部件拖动到Ground Pans目录下。余下的就是运动部件放在Moving Parts目录下，在破碎机仿真中，Cround Parts有定颚、轴承座、机架部件、螺栓等．Moving Parts包括动颚部件、偏心轴部件、肘板、皮带轮、飞轮等，也可以在进入Motion时，选择自动零部件分类，计算机按照装配时的装配关系决定运动部件和固定部件。
2.2约束的添加
约束的添加取决于零部件的装配关系，添加约束时必须知道约束跟自由度的关系，即约束限制的自由度。当所有的约束添加完后，必须和实际中机械系统运动相同，既不能过约束，导致机械系统不能运动，也不能少约束，使机械系统不能按一定规律运动。
添加约束时，应该逐步地对构件施加各种约束，并且经常对施加的约束进行试验，检查是否有约束错误，注意约束方向是否正确，错误的方向可能导致某些自由度没有被约束，或者约束了不应该约束的方向，注意检查约束类型是否正确，检查模型系统的自由度。
在破碎机系统中，添加的约束有50多个，其中铰链约束、圆柱副最多。破碎机的约束类型取决于破碎机装配时的约束关系，如同轴关系在约束中就添加为圆柱副约束。在破碎机中，动颚与肘板之间的约束为铰链约束，弹簧和拉杆之间为圆柱副约束，偏心轴和机架为圆柱副约束，动颚与偏心轴之间为圆柱副约束。
2.3运动的获得
在Motion中，定义一个系统的运动是靠定义一个约束的运动来获得。在约束中，如果不是固定约束，总有一个或几个自由度没有约束，而在这些自由度上就可以添加运动来约束自由度。
在破碎机中，破碎机的动力是通过电机获得的。电机的运动带动皮带轮的转动，而皮带轮是用键跟偏心轴固定在一起，因此，给予皮带轮的运动就等同于给偏心轴的运动，破碎机的机架是固定的，于是，就可以在偏心轴和机架的圆柱副约束上添加沿Z轴的旋转运动。偏心轴的转速是匀速转动，如型号PEQ400×600的中碎破碎机，偏心轴转速为300 r/min，即l 800( o)/s，添加此转速到偏心轴上。设定仿真的时间和仿真的帧数等参数后，由AVI动画可以看到，皮带轮带动破碎机运动，动颚向定颚做挤压运动，同时，还做上下来回的往复运动。排料口随着动颚的运动由宽到窄、由窄到宽的变化，符合破碎的实际情况。
2.4仿真结果分析
(1)动颚运动轨迹曲线分析
获得运动仿真的轨迹是对仿真结果进行分析的有效手段之一。在低矮式破碎机中，动颚的运动轨迹是设计中至关重要的部分，它对破碎机的生产率、动颚衬板的磨损、破碎效果、破碎机受力以及机体外形尺寸和重量等都有影响。
在仿真时，为了研究各点的轨迹，可以在动颚齿板上从进料口到排料口自上而下的选取均匀分布的5个点进行分析，如图2所示。各点行程与运动轨迹见表1。
由表1可以看出，动颚齿面上部是极度扁平
椭圆，逐渐到动颚下端为近似的椭圆。动颚齿面水平行程和垂直行程分布规律为：水平行程变化不大，一般为偏心距的近2倍；垂直行程，是从动颚上部较小，逐渐到动颚下端较大，垂直行程最大值，一般约比偏心距的值略小。
分析运动轨�？芍桶狡扑榛捎谒叫谐檀�，能实现强力破碎和喂料作用；垂直行程小，可使齿板磨损大大减少。该机型破碎机具有良好的运动特性。
(2)质心速度曲线
以动颚部件的质心作为研究对象，分析动颚部件的运动，如图3所示，从图中可以看出，X和y方向的速度是不同步的：当X方向速度为最大值时，y方向速度接近为零；当X方向速度为零时，方向速度接近为最大或最小值；X方向和y方向的速度总是接近相差一个相位。由于偏心轴给定的速度是一圆周角速度，是周期性的，所以，从动件的速度变化也是周期性的，从图中可以看出，动颚部件质心X方向的速度最大值和最小值在正负每±0. 407 m/s左右。y方向的速度最大值和最小值在±0. 168m/s左右，从速度的大小可以得出，在动颚部件的质心处，动颚的运动轨迹并不是一个圆，而是一个椭圆，X方向的行程比y方向的行程要大。
图3动颚部件质心的J和y方向速度曲线图
(3)质心加速度曲线对于动颚部件来说，在破碎机运转时会产生很大的惯性力，这种惯性力将在机器各运动副中引起一种动压力，因而会增加运动副中的磨损，影响构件的强度，降低机器的效率。此外，由于惯性力的大小和方向周期性变化，将使机器及其基础发生振动和偏心轴不均匀性回转。因此有必要获取动颚部件质心的加速度，为后续动力学分析提供依据。动颚部件质心的加速度曲线如图4所示。
3、结语
制作一台大型物理样机要花费大量的人力和财力，且周期较长。应用虚拟设计技术，可以使研发周期大大缩短。合理运用三维设计软件的动态仿真技术，可以使设计工作更为直观、准确和快速，从而提高设计效率，避免传统设计中的“试验修改”环节。
本文以Solidworks软件为设计平台，对新型低矮式破碎机进行了虚拟建模，虚拟装配，并进行了运动仿真，仿真结果显示该机型破碎机具有良好的运动特性，其水平行程大，能实现强力破碎和喂料作用；垂直行程小，可使齿板磨损大大减少。
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