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        PS0816型破碎機(jī)機(jī)架的優(yōu)化研究

        2020-04-07 06:32:40
        山東煤炭科技 2020年3期
        關(guān)鍵詞:加強(qiáng)筋機(jī)架受力

        常 勇

        (山西潞安郭莊煤業(yè)有限責(zé)任公司,山西 長治 046100)

        破碎機(jī)是選煤廠一種常用的機(jī)械設(shè)備,主要用于將大塊的煤炭進(jìn)行破碎,其工作時(shí)的穩(wěn)定性和可靠性直接關(guān)系到選煤廠煤炭分選效率和分選的經(jīng)濟(jì)性。郭莊煤業(yè)有限公司選煤廠所用的破碎機(jī)為PS0816型,對(duì)大塊的煤炭具有較好的破碎效果,但該破碎機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu)重量大,導(dǎo)致移動(dòng)時(shí)非常困難,而且在長期破碎煤炭的過程中,破碎機(jī)的機(jī)架頻繁受力發(fā)生疲勞變形,使機(jī)架開裂、傾斜。目前只能通過在機(jī)架發(fā)生變形位置焊接加強(qiáng)鐵并調(diào)低破碎頻率來進(jìn)行解決,嚴(yán)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(jī)的三維結(jié)構(gòu)模型,然后利用ANSYS動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件對(duì)破碎機(jī)機(jī)架工作情況下的受力情況進(jìn)行分析,針對(duì)性地提出了對(duì)破碎機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明優(yōu)化后不僅極大地降低了破碎機(jī)機(jī)架的整體重量,而且加強(qiáng)了機(jī)架整體結(jié)構(gòu),使破碎機(jī)工作時(shí)的機(jī)架受力更加的分散,有效地解決了破碎機(jī)機(jī)架受力變形問題。目前該破碎機(jī)機(jī)架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案已得到了全面推廣,取得了極好的經(jīng)濟(jì)效益。

        1 破碎機(jī)機(jī)架三維建模及分析

        以PS0816型破碎機(jī)為基礎(chǔ),利用三維建模軟件建立該破碎機(jī)機(jī)架的三維結(jié)構(gòu)模型,利用接口模塊將Creo三維建模軟件和ANSYS動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件進(jìn)行連接。考慮到該破碎機(jī)整體結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,為了確保對(duì)其仿真分析的準(zhǔn)確性,在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)對(duì)機(jī)架上的網(wǎng)格全部采用了自動(dòng)網(wǎng)格劃分方法。設(shè)置網(wǎng)格單元的尺寸全部為5級(jí)精度,網(wǎng)格共劃分為128304個(gè)單元點(diǎn),共計(jì)193842個(gè)節(jié)點(diǎn),確保仿真分析時(shí)的精確性和連續(xù)性的統(tǒng)一。根據(jù)破碎機(jī)機(jī)架所使用的材料,在進(jìn)行機(jī)架參數(shù)設(shè)置上,設(shè)置該機(jī)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(qiáng)度為310MPa,其泊松比約為0.25。由于該破碎機(jī)的機(jī)架為對(duì)稱式結(jié)構(gòu),因此在進(jìn)行仿真分析時(shí),只對(duì)一側(cè)的機(jī)架進(jìn)行分析。

        根據(jù)破碎機(jī)工作時(shí)的實(shí)際受力狀態(tài),在對(duì)該破碎機(jī)機(jī)架進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)分析時(shí),設(shè)置作用在機(jī)架軸承位置的受力為16.4N/mm2,作用在齒板內(nèi)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(jī)工作時(shí)的機(jī)架與地基連接,處于彎曲約束的狀態(tài),因此在機(jī)架的對(duì)稱面上施加一個(gè)全面約束,模擬實(shí)際的固定狀態(tài)[2]。

        在受力狀態(tài)下破碎機(jī)機(jī)架的應(yīng)力分布和應(yīng)變分布如圖1所示。

        圖1 優(yōu)化前破碎機(jī)機(jī)架仿真分析結(jié)果

        由仿真分析結(jié)果可知,優(yōu)化前破碎機(jī)機(jī)架上的最大受力為164.99MPa,最大應(yīng)力出現(xiàn)在機(jī)架軸承座和側(cè)面位置的加強(qiáng)筋處。優(yōu)化前破碎機(jī)的機(jī)架上的最大應(yīng)變?yōu)?.73mm,出現(xiàn)在破碎機(jī)機(jī)架下側(cè),與實(shí)際應(yīng)用過程中機(jī)架出現(xiàn)疲勞變形的位置一致,表明了該仿真分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,為進(jìn)一步的優(yōu)化方案的提出奠定了基礎(chǔ)。

        2 破碎機(jī)機(jī)架的優(yōu)化研究

        在制定破碎機(jī)機(jī)架的優(yōu)化方案時(shí),為了提高方案制定效率和準(zhǔn)確性,郭莊煤業(yè)有限公司第一次引進(jìn)了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念。綜合破碎機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化成本和可行性,在制定優(yōu)化目標(biāo)時(shí),項(xiàng)目組考慮將加強(qiáng)機(jī)架的壁厚和設(shè)置加強(qiáng)筋作為優(yōu)化的方向,將優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置為不降低破碎機(jī)機(jī)架整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的條件下降低機(jī)架的體積和重量。在進(jìn)行優(yōu)化分析時(shí),將系統(tǒng)的狀態(tài)變量設(shè)置為破碎機(jī)機(jī)架的最大應(yīng)力和應(yīng)變。

        在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí),參數(shù)化設(shè)計(jì)包括了兩種優(yōu)化設(shè)計(jì)方法:一種是一階偏導(dǎo)方案,對(duì)變量進(jìn)行聯(lián)合偏導(dǎo)求解,所獲取的結(jié)果精度高,但優(yōu)化點(diǎn)不一定符合實(shí)際;另一種是零階變量逼近法。根據(jù)破碎機(jī)機(jī)架優(yōu)化目標(biāo),本文選擇了零階變量逼近的方案對(duì)機(jī)架優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。

        以參數(shù)化設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)的破碎機(jī)的機(jī)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(biāo)量、參數(shù)變量后,系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)其進(jìn)行連續(xù)性的迭代運(yùn)算,每一次迭代運(yùn)算后便對(duì)其進(jìn)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(duì)其進(jìn)行符合性判斷,最終當(dāng)?shù)降?7次時(shí),獲得了本次優(yōu)化的最佳結(jié)果。將機(jī)架上側(cè)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(nèi)的鋼板厚度增加到4mm,同時(shí)設(shè)置厚度為3mm的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。

        圖2 參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)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(duì)破碎機(jī)機(jī)架的應(yīng)力和應(yīng)變分布情況進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示。

        圖3 優(yōu)化后破碎機(jī)機(jī)架仿真分析結(jié)果

        由仿真分析結(jié)果可知,優(yōu)化后,在相同工況下,機(jī)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(jī)架工作時(shí)的最大應(yīng)變依舊為0.73mm,但其應(yīng)變區(qū)域由機(jī)架中部轉(zhuǎn)移到了機(jī)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(gè)機(jī)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(duì)鋼板結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行了優(yōu)化,機(jī)架的整體重量比優(yōu)化前降低了14.1%。

        4 結(jié)論

        針對(duì)郭莊煤業(yè)有限公司所使用的PS0816型破碎機(jī)在使用過程中機(jī)架受沖擊載荷作用極易發(fā)生變形,導(dǎo)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(duì)其進(jìn)行仿真分析的基礎(chǔ)上,首次引入了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念確立了優(yōu)化方案。通過對(duì)優(yōu)化后機(jī)架的受力和應(yīng)變情況分析:

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

        (2)根據(jù)參數(shù)化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),采用將機(jī)架上側(cè)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(nèi)的鋼板厚度增加到4mm,同時(shí)設(shè)置厚度為3mm的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。

        (3)優(yōu)化后,在相同工況下,機(jī)架的最大受力比優(yōu)化前降低了約4.8%。最大應(yīng)變無變化,但應(yīng)變區(qū)域由機(jī)架中部轉(zhuǎn)移到了機(jī)架和地基接觸的位置,不影響整個(gè)機(jī)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(duì)鋼板結(jié)構(gòu)厚度進(jìn)行了優(yōu)化,使優(yōu)化后機(jī)架的整體重量比優(yōu)化前降低了14.1%。

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