常 勇

（山西潞安郭莊煤業(yè)有限責任公司，山西 長治 046100）

破碎機是選煤廠一種常用的機械設備，主要用于將大塊的煤炭進行破碎，其工作時的穩(wěn)定性和可靠性直接關系到選煤廠煤炭分選效率和分選的經濟性。郭莊煤業(yè)有限公司選煤廠所用的破碎機為PS0816型，對大塊的煤炭具有較好的破碎效果，但該破碎機的機架結構重量大，導致移動時非常困難，而且在長期破碎煤炭的過程中，破碎機的機架頻繁受力發(fā)生疲勞變形，使機架開裂、傾斜。目前只能通過在機架發(fā)生變形位置焊接加強鐵并調低破碎頻率來進行解決，嚴重地影響了選煤廠的煤炭破碎篩分效率[1]。因此本文利用三維建模軟件建立PS0816型破碎機的三維結構模型，然后利用ANSYS動力學仿真分析軟件對破碎機機架工作情況下的受力情況進行分析，針對性地提出了對破碎機機架的結構優(yōu)化方案。根據實際應用表明優(yōu)化后不僅極大地降低了破碎機機架的整體重量，而且加強了機架整體結構，使破碎機工作時的機架受力更加的分散，有效地解決了破碎機機架受力變形問題。目前該破碎機機架的結構優(yōu)化方案已得到了全面推廣，取得了極好的經濟效益。

1 破碎機機架三維建模及分析

以PS0816型破碎機為基礎，利用三維建模軟件建立該破碎機機架的三維結構模型，利用接口模塊將Creo三維建模軟件和ANSYS動力學仿真分析軟件進行連接?？紤]到該破碎機整體結構相對復雜，為了確保對其仿真分析的準確性，在進行網格劃分時對機架上的網格全部采用了自動網格劃分方法。設置網格單元的尺寸全部為5級精度，網格共劃分為128304個單元點，共計193842個節(jié)點，確保仿真分析時的精確性和連續(xù)性的統(tǒng)一。根據破碎機機架所使用的材料，在進行機架參數設置上，設置該機架材料的彈性模量為2.31×105MPa，其材料密度為8.1×10-6/mm3，材料的最大屈服強度為310MPa，其泊松比約為0.25。由于該破碎機的機架為對稱式結構，因此在進行仿真分析時，只對一側的機架進行分析。

根據破碎機工作時的實際受力狀態(tài)，在對該破碎機機架進行三維結構分析時，設置作用在機架軸承位置的受力為16.4N/mm2，作用在齒板內面的力約為12.4N/mm2，作用在肘板支撐面上的力約為32.4N/mm2。破碎機工作時的機架與地基連接，處于彎曲約束的狀態(tài)，因此在機架的對稱面上施加一個全面約束，模擬實際的固定狀態(tài)[2]。

在受力狀態(tài)下破碎機機架的應力分布和應變分布如圖1所示。

圖1 優(yōu)化前破碎機機架仿真分析結果

由仿真分析結果可知，優(yōu)化前破碎機機架上的最大受力為164.99MPa，最大應力出現(xiàn)在機架軸承座和側面位置的加強筋處。優(yōu)化前破碎機的機架上的最大應變?yōu)?.73mm，出現(xiàn)在破碎機機架下側，與實際應用過程中機架出現(xiàn)疲勞變形的位置一致，表明了該仿真分析結果的準確性，為進一步的優(yōu)化方案的提出奠定了基礎。

2 破碎機機架的優(yōu)化研究

在制定破碎機機架的優(yōu)化方案時，為了提高方案制定效率和準確性，郭莊煤業(yè)有限公司第一次引進了參數化設計的概念。綜合破碎機結構優(yōu)化成本和可行性，在制定優(yōu)化目標時，項目組考慮將加強機架的壁厚和設置加強筋作為優(yōu)化的方向，將優(yōu)化目標設置為不降低破碎機機架整體結構強度的條件下降低機架的體積和重量。在進行優(yōu)化分析時，將系統(tǒng)的狀態(tài)變量設置為破碎機機架的最大應力和應變。

在進行優(yōu)化設計時，參數化設計包括了兩種優(yōu)化設計方法：一種是一階偏導方案，對變量進行聯(lián)合偏導求解，所獲取的結果精度高，但優(yōu)化點不一定符合實際；另一種是零階變量逼近法。根據破碎機機架優(yōu)化目標，本文選擇了零階變量逼近的方案對機架優(yōu)化目標進行計算。

以參數化設計為基礎的破碎機的機架優(yōu)化方案流程如圖2所示[3]。

在該分析軟件中輸入目標量、參數變量后，系統(tǒng)自動對其進行連續(xù)性的迭代運算，每一次迭代運算后便對其進行一次變量的上限、下限和收斂性的分析，利用零階變量逼近法對其進行符合性判斷，最終當迭代到第17次時，獲得了本次優(yōu)化的最佳結果。將機架上側的鋼板厚度由3.5mm降低為3.2mm，將出現(xiàn)疲勞變形區(qū)域內的鋼板厚度增加到4mm，同時設置厚度為3mm的加強筋結構。

圖2 參數化優(yōu)化設計流程示意圖

3 優(yōu)化后的仿真分析

在優(yōu)化后利用ANSYS仿真分析軟件[4]在相同工況下對破碎機機架的應力和應變分布情況進行分析，結果如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后破碎機機架仿真分析結果

由仿真分析結果可知，優(yōu)化后，在相同工況下，機架的最大受力為157.1MPa，比優(yōu)化前降低了約4.8%。優(yōu)化后機架工作時的最大應變依舊為0.73mm，但其應變區(qū)域由機架中部轉移到了機架和地基接觸的位置。該位置有地腳螺栓連接，一定的變形不影響整個機架的工作穩(wěn)定性和可靠性，整體的形變分布均勻性更好。由于對鋼板結構厚度進行了優(yōu)化，機架的整體重量比優(yōu)化前降低了14.1%。

4 結論

針對郭莊煤業(yè)有限公司所使用的PS0816型破碎機在使用過程中機架受沖擊載荷作用極易發(fā)生變形，導致影響工作效率和作業(yè)安全的情況，本文在利用ANSYS仿真分析軟件對其進行仿真分析的基礎上，首次引入了參數化設計的概念確立了優(yōu)化方案。通過對優(yōu)化后機架的受力和應變情況分析：

（1）優(yōu)化前破碎機機架上的最大受力為164.99MPa，出現(xiàn)在機架軸承座和側面位置的加強筋處；最大應變?yōu)?.73mm，出現(xiàn)在破碎機機架下側，與實際應用過程中機架出現(xiàn)疲勞變形的位置一致。

（2）根據參數化設計結構，采用將機架上側的鋼板厚度由3.5mm降低為3.2mm，將出現(xiàn)疲勞變形區(qū)域內的鋼板厚度增加到4mm，同時設置厚度為3mm的加強筋結構的優(yōu)化方案。

（3）優(yōu)化后，在相同工況下，機架的最大受力比優(yōu)化前降低了約4.8%。最大應變無變化，但應變區(qū)域由機架中部轉移到了機架和地基接觸的位置，不影響整個機架的工作穩(wěn)定性和可靠性，整體的形變分布均勻性更好，而由于對鋼板結構厚度進行了優(yōu)化，使優(yōu)化后機架的整體重量比優(yōu)化前降低了14.1%。