陳中紅

云南冶金昆明重工有限公司 云南昆明 650000

顎式破碎機(jī)由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、容易制造和使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于冶金、建材、化工和煤炭等行業(yè)原料的破碎。國(guó)外從 20 世紀(jì)中后期便開始利用計(jì)算機(jī)仿真優(yōu)化技術(shù)對(duì)顎式破碎機(jī)進(jìn)行仿真優(yōu)化分析，研制生產(chǎn)的碎機(jī)整體性能較高，我國(guó)顎式破碎機(jī)的設(shè)計(jì)基本上采用傳統(tǒng)方法，很難準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)出既經(jīng)濟(jì)又滿足強(qiáng)度要求的破碎機(jī)。動(dòng)鄂作為破碎機(jī)的重要零部件之一，它應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度。但是目前破碎機(jī)動(dòng)鄂的質(zhì)量普遍較重，其結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)[1]。

1 概述

破碎作業(yè)是將大塊物料加工成小塊物料的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)該處理過(guò)程的設(shè)備稱為破碎機(jī)械。破碎作業(yè)廣泛用于礦山、冶金、建材等行業(yè)中，在經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起到至關(guān)重要的作用。依據(jù)設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理的不同，破碎機(jī)械主要分為顎式破碎機(jī)、圓錐破碎機(jī)、輥式破碎機(jī)以及沖擊式破碎機(jī)等，其中顎式破碎機(jī)主要用于原料的粗碎作業(yè)。根據(jù)被破碎物料的物理性質(zhì)、企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模、工藝流程布置及地形等不同條件，選用適合的設(shè)備規(guī)格型號(hào)。在金屬選礦廠，顎式破碎機(jī)常作為第一段破碎工序，布置于破磨工藝流程中，處理從采礦場(chǎng)運(yùn)送過(guò)來(lái)的礦石，為后面的中細(xì)碎設(shè)備提供原料。顎式破碎機(jī)的破碎過(guò)程主要采用了擠壓破碎方式，并伴有部分的剪切、彎曲和拉伸等作用，主要破碎方式為單顆粒破碎。

2 動(dòng)鄂輕量化設(shè)計(jì)流程

本文以PE—400＊600型號(hào)顎式破碎機(jī)的動(dòng)鄂為研究對(duì)象，其輕量化流程如圖 1 所示。先通過(guò) Pro5．0 參數(shù)化建模軟件建立了動(dòng)鄂參數(shù)化三維模型，接著運(yùn)用 ANSYSWorkbench 對(duì)動(dòng)鄂進(jìn)行靜力分析和拓?fù)鋬?yōu)化； 根據(jù)靜力學(xué)和拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果結(jié)合動(dòng)鄂的受力特點(diǎn)設(shè)計(jì)多種輕量化方案，并初選設(shè)計(jì)變量； 利用 ANSYS Workbench 中的優(yōu)化工具來(lái)進(jìn)行靈敏度分析，將其結(jié)果作為最佳設(shè)計(jì)變量選定的依據(jù)；最終經(jīng)過(guò)響應(yīng)曲面優(yōu)化確定最佳輕量化方案。

圖1 動(dòng)鄂輕量化設(shè)計(jì)流程圖

3 動(dòng)鄂結(jié)構(gòu)輕量化方案設(shè)計(jì)

3.1 動(dòng)鄂靜力學(xué)分析

在 ANSYS Workbench 中對(duì)動(dòng)鄂進(jìn)行靜力學(xué)分析來(lái)驗(yàn)證是否可以去除多余材料優(yōu)化其結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到輕量化的目的。動(dòng)鄂受力比較復(fù)雜，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，通常用作用在破碎腔下部 1/3 高度處的集中力來(lái)代替破碎機(jī)工作時(shí)動(dòng)鄂上所受的破碎力。該型號(hào)破碎機(jī)的實(shí)驗(yàn)測(cè)破碎力為 1510kN，將實(shí)驗(yàn)測(cè)破碎力轉(zhuǎn)換為壓力載荷加載到動(dòng)顎受力表面。根據(jù)實(shí)際情況對(duì)動(dòng)顎頭軸承孔圓柱面及下端的肘板支撐面進(jìn)行約束[2]。在 ANSYS Workbench 中查看動(dòng)鄂的等效應(yīng)力云圖如圖2所示。

圖2 靜載荷作用下的動(dòng)顎等效應(yīng)力圖

由圖2可知，動(dòng)鄂最大應(yīng)力值為 153．61MPa，根據(jù)其選用材料 ZG270-500，查手冊(cè)得其屈服極限為 270MPa，由第四強(qiáng)度理論可知，動(dòng)鄂強(qiáng)度滿足使用要求且有較大冗余量。

3.2 減重孔方案設(shè)計(jì)

目前輕量化的實(shí)現(xiàn)途徑有如下三種： （1）形狀輕量化；（2）材料輕量化； （3）制造輕量化。形狀輕量化主要考慮產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，根據(jù)輕量化原則，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，優(yōu)化力的傳遞，以降低材料質(zhì)量、加工及使用成本。形狀輕量化以有限元理論為基礎(chǔ)，并以軟件為依托，本文對(duì)動(dòng)鄂的輕量化設(shè)計(jì)主要采用形狀輕量化設(shè)計(jì)[3]。

3.3 拓?fù)鋬?yōu)化

在最初的輕量化設(shè)計(jì)階段進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，其分析結(jié)果為設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)提供一定的參考，使其結(jié)構(gòu)更加接近實(shí)際所需結(jié)構(gòu)。拓?fù)鋬?yōu)化是根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)計(jì)算生成優(yōu)化后形狀及材料分布的數(shù)學(xué)方法，其本質(zhì)是使零件的結(jié)構(gòu)材料分布更加合理。本文利用ANSYS Workbench中的拓?fù)鋬?yōu)化模塊（Shape Optimization）在固定約束和載荷下，以減輕材料質(zhì)量 80%為目標(biāo)，對(duì)動(dòng)鄂結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。得到優(yōu)化后的材料分布圖如圖3所示，圖中陰影部分為建議去除材料部分。

圖3 動(dòng)鄂拓?fù)浣Y(jié)果

比較圖2和圖3的分析結(jié)果可知，動(dòng)鄂有足夠的優(yōu)化空間。結(jié)合動(dòng)鄂的實(shí)際工作環(huán)境對(duì)其輕量化改進(jìn)設(shè)計(jì)可考慮減薄動(dòng)鄂筋板厚度的A 和B 兩個(gè)橢圓區(qū)域去除多余材料優(yōu)化結(jié)構(gòu)，以獲得動(dòng)鄂的最佳質(zhì)量分配方案。

3.4 靈敏度分析

對(duì)動(dòng)鄂進(jìn)輕量化行優(yōu)化前，首先對(duì)方案一和方案二的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行靈敏度分析，計(jì)算出對(duì)動(dòng)鄂質(zhì)量影響較大的變量，并作為最終設(shè)計(jì)變量。從而使結(jié)構(gòu)優(yōu)化有的放矢，提高優(yōu)化效率。靈敏度的數(shù)學(xué)表達(dá)式為1 ，即結(jié)構(gòu)性能參數(shù) Tj的函數(shù)對(duì)某些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù) χi的變化梯度。在CAE軟件中的靈敏度分析大多是利用設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊提供的優(yōu)化方法中的梯度評(píng)估工具進(jìn)行的，因此可以計(jì)算目標(biāo)函數(shù)和狀態(tài)變量對(duì)設(shè)計(jì)變量在某一參考點(diǎn)的梯度。本文利用 ANSYS Workbench中的優(yōu)化工具來(lái)進(jìn)行靈敏度分析。經(jīng)過(guò)相關(guān)分析，敏感性系數(shù)為負(fù)值，說(shuō)明隨著輸入?yún)?shù)增大，輸出參數(shù)減小。設(shè)計(jì)變量 L 對(duì)動(dòng)鄂的質(zhì)量靈敏度最大，其敏感性系數(shù)在-0． 015左右； 設(shè)計(jì)變量 D1對(duì)動(dòng)鄂的質(zhì)量靈敏度最小； 設(shè)計(jì)變量 D2對(duì)動(dòng)鄂的最大等效應(yīng)力靈敏度最大，其敏感性系數(shù)接近-0．11； 設(shè)計(jì)變量 L 和 D1對(duì)動(dòng)鄂的最大等效應(yīng)力幾乎沒有影響。設(shè)計(jì)變量 φ1對(duì)動(dòng)鄂的質(zhì)量和最大等效應(yīng)力的靈敏度最大。

4 輕量化方案對(duì)比分析

4.1 數(shù)據(jù)處理

在材料和施加載荷一致、去除質(zhì)量相同的條件下，分別對(duì)以上兩種方案在 ANSYS Workbench 中進(jìn)行靜力學(xué)分析，提取動(dòng)鄂質(zhì)量分別為 800kg、805kg、810kg、815kg 和 820kg 的 5 組最大應(yīng)力和最大變形數(shù)據(jù)，繪制曲線圖如圖4 所示。

圖4（a）最大變形情況 （b）最大應(yīng)力情況

4.2 輕量化方案對(duì)比分析

由圖4可知，隨著動(dòng)鄂去除材料的質(zhì)量增加，方案一和方案二的動(dòng)鄂最大變形都在增大[4]。方案一的最大應(yīng)力在155MPa 附近波動(dòng)，但是方案二的動(dòng)鄂最大應(yīng)力逐漸增大。同時(shí)在材料和施加載荷一致、去除質(zhì)量相同的條件下方案一中動(dòng)鄂的最大應(yīng)力和最大變形都比方案二小，且方案一的動(dòng)鄂最大應(yīng)力基本不變，證明方案一對(duì)于動(dòng)鄂輕量化優(yōu)化具有實(shí)際的指導(dǎo)意義。方案一輕量化前后動(dòng)鄂力學(xué)性能比較見表 1，由表 1 可知，在滿足力學(xué)性能的基礎(chǔ)上動(dòng)鄂的質(zhì)量減輕近 6．15%。

表1 輕量化前后動(dòng)鄂力學(xué)性能比較

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)顎式破碎機(jī)動(dòng)鄂的兩種輕量化方案進(jìn)行研究，得到結(jié)論如下：

（1）對(duì)動(dòng)鄂進(jìn)行靜力學(xué)分析和拓?fù)鋬?yōu)化表明，其結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求且具有一定的冗余量，可以進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

（2） 對(duì)動(dòng)鄂進(jìn)行靈敏度分析，根據(jù)靈敏度分析結(jié)果最終確定動(dòng)鄂輕量化的最佳設(shè)計(jì)變量。

（3）在材料和施加載荷一致、去除質(zhì)量相同的條件下，對(duì)兩種輕量化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較表明，方案一具有更好輕量化效果，且在滿足力學(xué)性能的基礎(chǔ)上動(dòng)鄂的質(zhì)量減輕近6．15%。