【摘 要】本文目的在于提高破碎機性能，提出以減小破碎機變形與得到優(yōu)化的產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化形式。通過ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析試驗，并且利用ANSYS有限元分析軟件進行計算分析，獲取計算值。根據(jù)設(shè)計輸入與輸出響應(yīng)關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，并采用空間局部方法對響應(yīng)面進行重構(gòu)。將響應(yīng)面法、靈敏度分析、試驗設(shè)計、遺傳算法和等多個方法相結(jié)合分析，獲得較優(yōu)良的計算數(shù)據(jù)。通過轉(zhuǎn)子對系統(tǒng)穩(wěn)定性影響分析，得出轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化，而最終得到優(yōu)化后的破碎機產(chǎn)品。

【關(guān)鍵詞】反擊式破碎機 板錘 有限元分析

反擊式破碎機 （也稱為沖擊式破碎機） 是目前主要的一種新型破碎機械，主要原理為使用高速的錘頭沖擊力量來破碎石塊，使之破碎。在礦山、機械、建筑、冶金等多行業(yè)內(nèi)使用。其中主要結(jié)構(gòu)板錘為主要零部件。板錘的運動主要是由電機運動產(chǎn)生，所以整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性對于反擊式破碎機的整體性能起著關(guān)鍵作用。文章對對板錘進行了有限元分析，并經(jīng)過計算。通過計算得出，減小變形等的方法，防止板錘的疲勞破壞。利用ANSYS有限元軟件對反擊式破碎機系統(tǒng)進行分析，并計算軸承對系統(tǒng)影響的規(guī)律。

文章針對反擊式破碎機進行優(yōu)化設(shè)計，找到板錘沖擊能量和變形量之間的平衡，并結(jié)合試驗設(shè)計理論，提出克里金響應(yīng)面方法、轉(zhuǎn)移哈默斯利抽樣技術(shù)等方法，克服遺傳算法本身存在的缺點。對板錘進行了優(yōu)化設(shè)計，并獲得了優(yōu)化結(jié)果，為整個機械結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計提供了相當(dāng)?shù)膮⒖純r值。

一、模態(tài)分析

圖1轉(zhuǎn)子-板錘-系統(tǒng)有限元網(wǎng)格劃分模型

模態(tài)分析是分析力學(xué)中一種常規(guī)且重要的分析方法[1]，采用有限元法形成的離散數(shù)學(xué)模型進行分析的，是將線性定系統(tǒng)振動微分方程組中的物理坐標(biāo)，主組成為一組坐標(biāo)及模態(tài)參數(shù)描述的獨立數(shù)學(xué)模型結(jié)構(gòu)，這樣便可求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。對于一般情況下，表達式為M + C + Kq = Q（t）。

反擊式破碎機工作狀態(tài)為，主傳動軸帶動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子板錘與物料發(fā)生擠壓。利用ANSYS有限元軟件建立轉(zhuǎn)子-板錘-物料沖擊碰撞有限元分析模型。各個模型處理形式均采用四面體單元，類型設(shè)為Explicit。在實際應(yīng)用中，板錘與物料的沖擊過程其實很復(fù)雜。為了簡化表示，取轉(zhuǎn)子的1/4作為分析目標(biāo)，并且結(jié)合實際工作情況，考慮轉(zhuǎn)子極限惡劣工況，在仿真中假設(shè)中，與四個球形物料發(fā)生沖擊碰撞接觸。見圖1。

二、設(shè)計變量的選取

上述式中，δ（X）為最大變形量；X為變量； σ（X）為錘應(yīng)力；H（X）為高度m（X）為質(zhì)量；σ0為優(yōu)化前應(yīng)力； Ω為設(shè)計域；m0為優(yōu)化前質(zhì)量； di 為變量上限； n為變量；di為變量下限；n=6。見圖2。

在系統(tǒng)的使用過程中，系統(tǒng)轉(zhuǎn)子與板錘進行最基體的傳動與轉(zhuǎn)動，能夠與物料進行碰撞。破碎過程模擬成一個往復(fù)的彈性碰撞動作。由于受到外力沖擊與外力碰撞，得到了受到懸臂梁的載荷作用，這樣的結(jié)果就產(chǎn)生使基部能夠發(fā)生較大變形形變。板錘在運動過程中不斷收到變形，收到來自外力的作用力，產(chǎn)生變化的作用力，最終產(chǎn)生疲勞，甚至斷裂，為此我們盡可能的減小板錘的變形形變。

三、板錘優(yōu)化

根據(jù)數(shù)學(xué)模型的原理基礎(chǔ)，首先對原設(shè)計尺寸確定的設(shè)計參數(shù)變化分析。利用中心復(fù)合方法進行設(shè)計參數(shù)；再使用ANSYS對其進行有限元分析[3]。利用采用序列抽樣技術(shù)抽取樣本；利用ANSYS優(yōu)化模塊建立響應(yīng)面模型； 最后通過權(quán)衡函數(shù)樣本進行響應(yīng)變量和變量關(guān)系，進行試驗，最終可以得到約束函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)模型，為此來進行預(yù)測非試驗點響應(yīng)值的途徑，這種優(yōu)化方法是基于理論設(shè)計的一種近似估值方法。響應(yīng)等受到多個變量與之共同影響時侯，便可利用響應(yīng)面法來進行分析。響應(yīng)面方法計算簡單，響應(yīng)面法是統(tǒng)計方法和數(shù)學(xué)和結(jié)合，試驗點選擇主要依照試驗理論設(shè)計實施，保證信息的安全與全面性，并且統(tǒng)計樣本是試驗結(jié)果，這樣就可以避免數(shù)學(xué)模擬中表達式的所存在的不怒完整性。

四、軸承剛度對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的影響

軸承的剛度在系統(tǒng)的運行中起著重要作用，并且對整個系統(tǒng)的影響非常大，所以掌握軸承剛度對整個系統(tǒng)頻率的影響規(guī)律對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計具有重要的里程碑意義。在不改變基本參數(shù)的情況下，僅僅只改變彈簧的剛度，計算出整個轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的固有頻率，計算結(jié)果如表1 所列。

由表1 可以看出，軸承剛度的變化對4、5、6 階的頻率變化影響最為明顯。軸承剛度對系統(tǒng)的固有頻率影響非常大，軸承剛度越大，整個系統(tǒng)的固有頻率就越大。但是隨頻率的增大，影響卻反而逐漸變小，另外隨著軸承剛度變大，對系統(tǒng)頻率的影響逐漸減小。

五、目標(biāo)優(yōu)化

目前為了得到貼近于實際應(yīng)用中的的優(yōu)化結(jié)果，就需要通過靈敏度來確定結(jié)構(gòu)值對設(shè)計變量的影響程度，并且對選取的結(jié)果進行優(yōu)化修正與改正。從結(jié)果中可以看出，x5，x4，x1，成正比例影響；而x6對等效應(yīng)力卻成反比例變化；x4對質(zhì)量成正比例變化，其余參數(shù)對質(zhì)量影響較小；x3對最大變形成正比例影響，并且影響程度較大，要減小最大的變形，必須控制x3的增大程度；x4，x6對最大變形量呈現(xiàn)成反比表現(xiàn)，增大x6，x4可以使變形量減小程度，尤其是x6，x4對最大變形影響程度很大，使x6，x4的增大也會受到限制；x2對最大變形量也成反比結(jié)果，對應(yīng)力和質(zhì)量影響反而較小，這樣可以考慮通過增大x2控制最大的變形程度。根據(jù)以上計算與敘述，分析結(jié)果對板錘優(yōu)化后尺寸參數(shù)都進行了修改于更正。

六、結(jié)論

（一）基于計算模型，采用低偏性和權(quán)衡函數(shù)、空間局部法來確保遺傳算法迅速收斂，得到全局最優(yōu)化的優(yōu)解。解法比較可行與易行，并且適用于其他多目標(biāo)工程優(yōu)化累問題。為其提供了參考性的建設(shè)意見。

（二）建立了系統(tǒng)有限元參數(shù)化模型，采用目前較為廣泛的有限元分析方法，為板錘結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供更真實的參考模型。

（三）通過對反擊式破碎機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)模態(tài)的分析，計算得出了系統(tǒng)的8階固有頻率，為相關(guān)破碎機轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的優(yōu)化結(jié)構(gòu)與改進形式，及轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的確定提供了理論和參考依據(jù)。再通過不同情況下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的模態(tài)進行分析，得出對整個系統(tǒng)的固有頻率起到了很大的影響效果。并且改變軸承剛度，計算得出了其前 8階固有頻率，分析軸承剛度對每個固有頻率的影響程度，針對此類型系統(tǒng)的設(shè)計和其他相關(guān)結(jié)構(gòu)具有重要的指導(dǎo)和建設(shè)性意義。

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作者簡介：

薛仁龍（1982-），遼寧丹東人，工程師，現(xiàn)從事液壓支架設(shè)計工作。