陳致衡，鄧小雷，張 鵬，徐 輝，朱麗鳳，楊文杰

(衢州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 衢州 324000)

對輥破碎機(jī)子母彈簧裝配體有限元分析*

陳致衡，鄧小雷，張 鵬，徐 輝，朱麗鳳，楊文杰

(衢州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 衢州 324000)

設(shè)計一種對輥破碎機(jī)的子母彈簧過載保護(hù)裝置，解決了普通單個彈簧的回彈不足和使用壽命偏短的問題。根據(jù)對輥破碎機(jī)的工作條件，計算求得破碎力與彈簧力，并結(jié)合子母彈簧的幾何特征，采用SolidWorks Simulation對子母彈簧進(jìn)行有限元分析，得到了一些有益的子母彈簧裝配體的仿真分析結(jié)果。

對輥破碎機(jī)，子母彈簧，有限元分析法

0 引 言

對輥破碎機(jī)是一種礦山機(jī)械，主要用于破碎礦石，適用于在礦山、冶金、建材、煤礦等行業(yè)脆性塊狀物料的粗，中級破碎[1-2]。對輥破碎機(jī)的彈簧一方面起保險作用而另一方面又通過輥子對物料施破碎的作用，也就是提供破碎力，是主要的工作部件。

筆者自行設(shè)計了一種用于對輥破碎機(jī)的子母彈簧裝置過載保護(hù)裝置，有必要對其虛擬樣機(jī)裝配體模型進(jìn)行了有限元力學(xué)分析，以校核設(shè)計。目前，彈簧的應(yīng)力計算公式是根據(jù)材料力學(xué)和彈性力學(xué)推導(dǎo)出來的。為了更詳細(xì)地了解子母彈簧內(nèi)部各部分的應(yīng)力分布情況，需建立合理的有限元模型進(jìn)行分析。

近年來，彈簧的有限元設(shè)計方法已經(jīng)進(jìn)入了實用化階段，筆者也采用有限元法對子母彈簧裝配體模型進(jìn)行了仿真分析，以揭示彈簧內(nèi)部各部分的詳細(xì)受力情況。

1 破碎力與彈簧力計算

設(shè)被碎物料的抗壓強(qiáng)度為σb，MPa；物料與輥子接觸面積為A，mm2。當(dāng)輥子給物料的破碎力為F，N，只有F>σbA時物料才能被破碎[3]。接觸面積A與進(jìn)料口寬度(為破碎比)、排料口e，輥子半徑R、嚙角等有關(guān)。如圖1所示為輥子與物料間的關(guān)系。

圖1 輥子與物料幾何關(guān)系1.輥子 2.物料

從圖1所示的幾何關(guān)系知：

(1)

(2)

如圖2所示，取單位輥子長度上的微圓截面分析，不難得出平衡方程：

(3)

(4)

圖2 單位輥長上的微元截面

求得輥子對物料施以單位壓力 ，也叫單位輥壓力，故可求得破碎力F′為：

(5)

由于布料不均勻和齒形不同等原因，實際輥壓力F為：

(6)

式中:K1為裝填修正系數(shù)，與輥子的給料特征、破碎比物料物理性質(zhì)的因素有關(guān)；K2為接觸系數(shù)，取值即為0.1～0.12。

破碎機(jī)的彈簧一方面起保險作用而另一方面又通過輥子對物料施破碎的作用，也就是提供破碎力，設(shè)單位輥子長度理論彈簧力為T1，由力平衡方程式(1)求得。

(7)

同理，實際所需要的彈簧力T總為：

(8)

該設(shè)計對輥破碎機(jī)，破碎石料抗壓極限不超過200 MPa，選用2臺電動機(jī)功率為30 kW，給料粒度<50 mm，通過測量計算破碎機(jī)齒角為25°～50°。

由于，本子母彈簧保護(hù)裝置中有6組彈簧來平均承受彈簧力，則每一組子母彈簧力T為：

T=T總/6

實際上，物料在破碎腔與輥面接觸弧形區(qū)域內(nèi)，其單位壓力分布不均勻，而是從入料口到出料口急劇變大的過程。因為理論與實踐均可證明，破碎力隨壓縮行程的增加而增加，并且產(chǎn)品中細(xì)粒含量也隨之增多。這種情況，還可從輥壓塑性黏土的理論分析中明顯看出。

2 子母彈簧裝配體的有限元分析

圖3 子母彈簧裝配體幾何模型

輥破碎機(jī)靜力學(xué)分析對于子母彈簧裝配體部分的分析主要是計算在彈簧力的作用下引起的彈性變形、材料的剛度是否滿足工程要求。如圖3所示為子母彈簧裝配體的結(jié)構(gòu)簡圖。

主要分析過程如下[3-4]：

(1) 實體模型導(dǎo)入

將SolidWorks軟件中完成的彈簧實體模型(圖3)導(dǎo)入SolidWorks Simulation中。在導(dǎo)入前需對模型進(jìn)行簡化處理，比如忽略一些倒角、圓角、螺栓孔及定位孔等對子母彈簧影響不大的次要特征，這樣利于后面合理建立有限元模型。

(2) 模型網(wǎng)格劃分 選用線性實體單元SOLID92,并采用智能分網(wǎng)方式對子母彈簧劃分網(wǎng)格。單元的材料為65 Mn，其參數(shù)屈服強(qiáng)度E=620 MPa；密度ρ=7700 kg/m3；泊松比μ=0.28;單元總數(shù)為35 328。

(3) 約束載荷處理 約束設(shè)置在彈簧兩端的墊片上，零部件接觸為全局接觸，約束類型設(shè)置為固定和在圓柱面上，約束沿圓柱面的徑向運動。載荷主要考慮彈簧在實際彈簧力的作用下X正向極限位置。子母彈簧的載荷主要包括實際彈簧力(取最大承受載荷520 000 N)，并加入子母彈簧自重影響。

(4) 計算及后處理 SolidWorks Simulation計算完成后進(jìn)入后處理模塊查看變形形式以并獲得變形量，最終確定最大變形位置。子母彈簧裝配體的有限元分析結(jié)果如圖4～6所示。

圖4 子母彈簧應(yīng)力云圖 圖5 子母彈簧合位移云圖

計算得出子母彈簧應(yīng)力、位移、應(yīng)變的變形量，各自呈現(xiàn)不同的變形量。由圖4～6看出，在實際彈簧力的作用下，子母彈簧的變形總是以X正向變形為主，即子母彈簧沿著實際彈簧力的方向往復(fù)伸縮，這時與實際受力變形情況一致。其最大抗剪切應(yīng)力為899 MPa在材料的安全系數(shù)范圍內(nèi)，符合要求。

圖6 子母彈簧應(yīng)變云圖

當(dāng)有破碎物料不能進(jìn)入破碎腔，過載保護(hù)裝置被壓縮時，則活動輥退讓排料口增大，排出物料。子母彈簧過載保護(hù)裝置設(shè)計安全系數(shù)比單個彈簧更高，材料更省，空間更小，使對輥的移動能得到充分的保護(hù)，解決了普通單個彈簧的回彈不足和使用壽命偏短的問題,大大提高彈簧的回彈力,保證彈簧的支撐力,能有效延長彈簧使用壽命。這就需要對彈簧進(jìn)行疲勞分析，如圖7所示。 圖8所示為彈簧的SN曲線，當(dāng)交變應(yīng)力為400 MPa時，周期為20萬次。

圖7 生命周期數(shù)結(jié)果

圖8 疲勞SN曲線

3 結(jié) 語

子母彈簧作為對輥的過載保護(hù)裝置，其力學(xué)分析是至關(guān)重要的。建立了子母彈簧裝配體的有限元模型，通過對模型進(jìn)行有限元分析，得到子母彈簧內(nèi)部各部分的應(yīng)力分布情況。結(jié)果表明該裝置設(shè)計安全系數(shù)比單個彈簧更高，材料更省，空間更小，使對輥的移動能得到充分的保護(hù)，解決了普通單個彈簧的回彈不足和使用壽命偏短的問題,大大提高彈簧的回彈力,保證彈簧的支撐力,能有效延長彈簧使用壽命。

[1] 苗瑞紅，高國鋒.新型齒輥式破碎機(jī)在煤矸石電廠的應(yīng)用[J].煤炭加工與綜合用，2003(3)：38-40.

[2] 郎寶閑.破碎機(jī)[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2008.

[3] 張 衛(wèi),吳慧中.虛擬樣機(jī)概念及體系結(jié)構(gòu)研究[M].北京：清華大學(xué)出版社，2002.

[4] 郎寶賢，郎世平.物料壓碎實驗與破碎機(jī)載荷研究[J].礦山機(jī)械,1984(4)：38-42.

[5] 潘海壽.復(fù)雜機(jī)械的虛擬樣機(jī)技術(shù)[D].南京：南京理工大學(xué)，2001.

Finite Element Analysis of Dual-Sping Assembly in Dual-Roller Crusher

CHEN Zhi-heng, DENG Xiao-lei, ZHANG Peng, XU Hui, ZHU Li-feng, YANG Wen-jie

(CollegeofMechanicalEngineering,QuzhouUniversity,QuzhouZhejiang324000,China)

In this paper, dual-spring overload protection device of the dual-roller crusher is designed. the problems are solved, such as the lack of common single spring spring-back and short service life and so on. According to the working conditions of the dual-roll crusher, the strength of the crushing force and spring force are obtained by theory calculation, and combined with the geometrical characteristics of the dual-spring the finite element analysis had been done for dual-spring using Solidworks Simulation. Some useful simulation results of dual-spring assembly are obtained.

dual-roller crusher; dual-spring; finite element analysis method

2014-02-27

國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目(編號：201311488008)、浙江省大學(xué)生科技創(chuàng)新活動項目(編號：2013R427003)、衢州學(xué)院中青年學(xué)術(shù)骨干培養(yǎng)計劃項目(編號：XNZQN201203)、校級課堂教學(xué)改革項目(編號：KG201221)資助

陳致衡(1993-)，男，浙江臺州人，主要從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計工作。

鄧小雷(1981-)，男，浙江衢州人，講師，博士，主要從事機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計方面的教學(xué)科研工作。

TH164

A

1007-4414(2014)02-0076-03