祁嵩林

（山西潞安集團(tuán)潞寧煤業(yè)公司， 山西 忻州 036000）

1 顎式破碎機(jī)結(jié)構(gòu)及肘板存在的問題

顎式破碎機(jī)主要由拉桿、拉簧、肘板、動(dòng)顎板座、偏心軸、飛輪、料斗、定顎板等部分構(gòu)成[1-3]。其中肘板是非常重要的構(gòu)成部分。傳統(tǒng)形式的肘板為直線型，大量的實(shí)踐表明，直線型肘板不具備緩沖作用，在粉碎礦石的長時(shí)間工作中，如果遇到硬度比較大的礦石，肘板就會(huì)遭受很大的沖擊力，最終造成動(dòng)顎板座發(fā)生斷裂問題[4-5]。而動(dòng)顎板座的生產(chǎn)制造成本較高，再加上零部件破壞導(dǎo)致的生產(chǎn)線停機(jī)，這些都會(huì)給生產(chǎn)企業(yè)造成一定的損失?；诖?，非常有必要采取有效的方案對肘板的機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使其具備一定的緩沖作用?？梢詫⒃瓉淼闹本€型結(jié)構(gòu)改進(jìn)成為“S”形結(jié)構(gòu)，可有效防止由于較大沖擊力而造成的動(dòng)顎板座斷裂問題。然而，在實(shí)踐中發(fā)展，對肘板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)后，動(dòng)顎板座雖然不發(fā)生斷裂問題，但是“S”形肘板本身卻時(shí)常發(fā)生斷裂現(xiàn)象，斷裂圖如圖1 所示。這些問題嚴(yán)重制約煤礦生產(chǎn)企業(yè)的效益，需要對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，避免再次出現(xiàn)分裂問題。

2 肘板結(jié)構(gòu)的建模分析

2.1 肘板模型的建立及網(wǎng)格劃分

基于實(shí)際使用的真實(shí)尺寸大小，利用PRO/E 三維造型軟件對肘板進(jìn)行建模，并將所建模型導(dǎo)出為ANSYS 軟件能夠識別的格式，將三維模型導(dǎo)入到ANSYS 數(shù)值模擬分析軟件進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。由于肘板為“S”形結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格劃分過程中容易出現(xiàn)尖角、縫隙等問題，進(jìn)而影響模擬仿真過程和結(jié)果。本文通過曲率的網(wǎng)格劃分方式對肘板模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，確保網(wǎng)格劃分質(zhì)量。

圖1 “S”形肘板斷裂圖

2.2 材料的選擇及參數(shù)輸入

肘板的生產(chǎn)制作材料通常為65Mn 鋼，該種材料的彈性模量和泊松比大小分別為2.06×1011Pa 和0.3，密度為7 850 kg/m2，屈服強(qiáng)度為690 MPa。在ANSYS 軟件中設(shè)置上述的主要材料屬性參數(shù)，以確保分析計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際情況。此外，為了對肘板的疲勞壽命進(jìn)行分析，還需要在軟件中輸入65Mn 鋼的S-N 曲線，S-N 曲線取自已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

3 肘板結(jié)構(gòu)靜力學(xué)和疲勞壽命結(jié)果分析

3.1 肘板應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果解讀

圖2 肘板結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和應(yīng)變云圖

圖2 所示為肘板的應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖。從圖中可以看出，肘板的最大應(yīng)力為431.32 MPa，沒有超過材料的屈服強(qiáng)度，且整體上肘板的應(yīng)力分布相對較為均勻。最大應(yīng)變?yōu)?.002 169 6，可見肘板沒有出現(xiàn)過大的變形?；谏鲜鼋Y(jié)果可知，在單次載荷作用下，肘板的變形量和最大應(yīng)力均在許可的范圍內(nèi)，不至于對肘板產(chǎn)生較大傷害。進(jìn)一步分析可知，導(dǎo)致肘板發(fā)生斷裂的原因?yàn)槠趽p傷，金屬材料在周期性載荷作用下出現(xiàn)的斷裂問題，最終導(dǎo)致肘板失效。

3.2 肘板結(jié)構(gòu)疲勞壽命結(jié)果分析

在周期性循環(huán)加載過程中，平均加載力對結(jié)構(gòu)件的壽命有直接影響。圖3 所示為肘板的疲勞壽命云圖，該圖顯示的是結(jié)構(gòu)件不同位置達(dá)到疲勞失效準(zhǔn)則時(shí)的循環(huán)次數(shù)，循環(huán)次數(shù)越低表示該區(qū)域的疲勞性能越差。從圖中可以看出，在“S”形肘板的凹槽位置疲勞壽命最差，為1.375 6×105，與設(shè)計(jì)使用壽命1.5×105相比較而言較低。因此，在肘板凹槽附近的位置容易發(fā)生疲勞斷裂問題。金屬材料的失效應(yīng)力值和設(shè)計(jì)應(yīng)力值之間的比稱之為安全系數(shù)，安全系數(shù)同樣是反映結(jié)構(gòu)件安全性能的重要指標(biāo)。本文所述顎式破碎機(jī)肘板的安全系數(shù)設(shè)計(jì)值為1.1，而模擬結(jié)果得到的最小安全系數(shù)卻只有0.976 42，略小于設(shè)計(jì)值，最小安全系數(shù)所在位置同樣在“S”形肘板的凹槽部位?；跀?shù)值模擬分析得到的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相吻合。

圖3 肘板的疲勞壽命云圖

4 肘板結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其計(jì)算結(jié)果分析

4.1 肘板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

鑒于原有肘板結(jié)構(gòu)在使用過程中存在的容易斷裂的問題，筆者結(jié)合自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)并查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，對原有肘板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化改進(jìn)后的肘板結(jié)構(gòu)見圖4。主要改進(jìn)之處在于將“S”形狀改造成凹字形狀，且將原來的一整塊板子改造成為一系列并排的圓柱。這種結(jié)構(gòu)形式能夠在很大程度上提升肘板彈性，進(jìn)一步發(fā)揮肘板的緩沖作用，降低瞬間較大沖擊力對肘板的影響，進(jìn)而提升肘板結(jié)構(gòu)的疲勞性能，避免在周期循環(huán)載荷作用下發(fā)生斷裂問題。

圖4 優(yōu)化改進(jìn)后的肘板結(jié)構(gòu)

4.2 新肘板結(jié)構(gòu)模型的建立

同樣利用PEO/E 三維造型軟件對優(yōu)化改進(jìn)后的肘板結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維建模，并將建立好的三維模型導(dǎo)入ANSYS 軟件中進(jìn)行建模。為了保證所得結(jié)果的對比性，網(wǎng)格劃分、材料選擇、初始條件和邊界條件均同上述模擬分析相同，所用材料同樣為65Mn 鋼。

4.3 新肘板結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果分析

在網(wǎng)格類型、所用材料、邊界條件和初始條件均相同的情況下，分析得到了優(yōu)化改進(jìn)后的肘板靜力學(xué)分析結(jié)果和疲勞壽命分析結(jié)果。如圖5 所示為優(yōu)化改進(jìn)后的肘板結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變云圖，如圖6 所示為優(yōu)化改進(jìn)后的肘板疲勞壽命云圖。

圖5 優(yōu)化改進(jìn)后的肘板結(jié)構(gòu)應(yīng)力和應(yīng)變云圖

圖6 優(yōu)化改進(jìn)后的肘板疲勞壽命云圖

由分析得到的肘板結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖和應(yīng)變云圖結(jié)果可知，改進(jìn)后的肘板其最大應(yīng)力值為291.93 MPa，最大應(yīng)變值為0.001 435 1，此兩個(gè)數(shù)值與優(yōu)化改進(jìn)前的肘板結(jié)構(gòu)相比較而言均出現(xiàn)了很大程度的降低。可見，通過結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，肘板的受力狀態(tài)出現(xiàn)了很好的改善。在疲勞壽命方面，優(yōu)化改進(jìn)后的肘板最小循環(huán)加載次數(shù)為2.631 6×105，超過了肘板的設(shè)計(jì)使用壽命。此外，最小安全系數(shù)值也得到了大幅度提升，超過了設(shè)計(jì)值1.1。表1 所示為肘板結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)前后相關(guān)計(jì)算結(jié)果的對比分析。從表中數(shù)據(jù)可知，在等效應(yīng)力、等效應(yīng)變、疲勞壽命、安全系數(shù)等各個(gè)方面，優(yōu)化改進(jìn)后的肘板結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出很大的優(yōu)勢，其中疲勞壽命的提升幅度最大，達(dá)到了91.32%。

表1 肘板結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)前后相關(guān)數(shù)據(jù)對比

由此可知，針對肘板結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)后其疲勞壽命和安全系數(shù)都能夠滿足設(shè)計(jì)要求值，完全能夠滿足實(shí)際使用需要。將本文所述的改進(jìn)方案投入實(shí)際使用，實(shí)踐結(jié)果表明，應(yīng)用效果良好，改進(jìn)后的肘板結(jié)構(gòu)其連續(xù)有效工作時(shí)間至少是原有結(jié)構(gòu)的2倍以上，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了很好的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論

對于礦用顎式破碎機(jī)肘板在使用過程中存在的斷裂問題，通過PRO/E 軟件進(jìn)行三維建模，利用ANSYS 軟件進(jìn)行靜力學(xué)分析和疲勞壽命分析。認(rèn)為造成肘板發(fā)生斷裂的主要原因在于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，容易發(fā)生疲勞斷裂?；诖藢υ械摹癝”形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，改造成凹字形狀且將原來的一整塊板子改造成為一系列并排的圓柱。與原有結(jié)構(gòu)相比較而言，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)其靜力學(xué)性能和疲勞性能均得到了大幅度提升。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)新結(jié)構(gòu)的使用壽命超過原結(jié)構(gòu)的2 倍以上，本次優(yōu)化設(shè)計(jì)方案值得進(jìn)一步推廣使用。