搜索有限元分析及運動仿真在破碎機的應(yīng)用
2013-06-07 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來源:仿真在線
為充分認識顎式破碎機的運動特性及結(jié)構(gòu)安全性,采用SolidWorks建立了產(chǎn)品數(shù)字化模型?；贑osmosMotion與CosmosWorks仿真平臺,通過運動載荷的傳遞,進行了運動學(xué)及結(jié)構(gòu)有限元的協(xié)同計算。計算結(jié)果表明動顎應(yīng)力大小隨工作位置改變而變化。提出了動顎在最大載荷工況點的結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布規(guī)律,為指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計與改進提供了依據(jù)。
作者: 張珂*劉佳男*楊昌明 來源: 萬方數(shù)據(jù)
關(guān)鍵字: 顎式破碎機 運動仿真 有限元
0前言
破碎機廣泛應(yīng)用于冶金、化工等行業(yè),其中復(fù)擺 顎式破碎機因具有性能良好,生產(chǎn)率高等優(yōu)點,所以 在中小型系列破碎機中占有較大比例,并有不斷向 大型化發(fā)展的趨勢。但機器振動、機重和摩擦等問 題仍較突出,能耗較高,合理選擇工作參數(shù)和設(shè)計其結(jié)構(gòu)參數(shù),有利于節(jié)約能源。
從破碎機的現(xiàn)狀來看,國內(nèi)產(chǎn)品的機重高于國 外,而且顎式破碎機的設(shè)計目前仍偏重于經(jīng)驗方法。 隨著計算方法與計算機技術(shù)的發(fā)展,在滿足強度、剛 度以及安全性能的前提下,對動顎結(jié)構(gòu)設(shè)計進行優(yōu) 化,以減輕機重,是一個可行的解決方案。
1 復(fù)擺顎式破碎機機構(gòu)模型
復(fù)擺顎式破碎機主要由偏心軸、動顎、肘板和機 架組成,屬于典型的平面四桿機構(gòu),其機構(gòu)如圖1所 示。以曲柄轉(zhuǎn)軸為原點,Y軸垂直向下、菇軸水平向左建立平面直角坐標系。在機構(gòu)簡圖中AB為曲柄,CD為搖桿,在破碎機中分別對應(yīng)偏心軸和肘板。BD為動顎,EF為定顎。BD與EF組成破碎腔,由動顎(連桿)往復(fù)擺動實現(xiàn)破碎機的功能。
2運動學(xué)仿真
首先采用SolidWorks完成整機數(shù)字樣機設(shè)計,對破碎機三維裝配模型作合理簡化,保留機器工作裝置部分。在此基礎(chǔ)上采用Cosmos Motion進行運動學(xué)仿真,基于無縫集成接口Cosmos Motion對SolidWorks三維裝配模型進行自動轉(zhuǎn)化,建立運動學(xué)仿真模型,如圖2所示。
在Cosmos Motion應(yīng)用環(huán)境中,對裝配模型施加約束。肘板座和軸承座定義為固定約束,動顎與偏心軸之間及肘板與肘板襯之間設(shè)置為旋轉(zhuǎn)約束,以及其他部件約束如圖2所示。對機構(gòu)添加驅(qū)動力,選擇帶輪為主動件,定義屬性:帶輪為第1部件,肘板座為第2部件,約束類型是旋轉(zhuǎn)副,繞z軸旋轉(zhuǎn),運動類型為速度,偏心軸的轉(zhuǎn)速n=275 r/min。參照國產(chǎn)復(fù)擺顎式破碎機性能參數(shù),選擇相應(yīng)電動機型號JO3-160M,額定功率15 kW,轉(zhuǎn)速l 000 r/rain。在Intelli Motion瀏覽器的約束頁面中,對偏心軸和動顎所構(gòu)成的旋轉(zhuǎn)副的屬性進行定義,選擇偏心軸的外表面及動顎的內(nèi)表面為一對承載面,同時對肘板墊和動顎之間的約束做FEA定義,作為另外一組承載面。
為與實際工況相符,對動顎上表面添加載荷(破碎力反作用力),因而可以同時完成真實工況下運動機構(gòu)所有零部件的運動學(xué)性能(位置、速度和加速度)和動力學(xué)性能(接點反作用力、慣性力和功率要求)等完整量化信息的計算。最后設(shè)定仿真參數(shù),持續(xù)時間為1 s,幀數(shù)為50。在IntelliMotion.環(huán)境下完成運動模擬,得到了仿真結(jié)果(圖略)。從動顎水平位移的仿真結(jié)果可以看出動顎的水平行程較大,這樣有利于破碎物料。沿動顎運動軌跡的運動方向有促進排料作用,所以在一定的程度上可以保證破碎機的生產(chǎn)效率。從動顎豎直位移仿真結(jié)果中也可以看出垂直的行程較大,從而導(dǎo)致襯板磨損較快,降低襯板的使用壽命,故復(fù)擺顎式破碎機一般用于中小型機型。但隨著耐磨材料的不斷發(fā)展,襯板耐磨性的提高,這種機型也逐漸向大型化方向發(fā)展。動顎加速度X、y方向曲線表明,動顎在X、y方向上的加速度呈周期性變化。而且x、y方向的加速度不同步,X方向的加速度要比l,方向滯后180。左右,這樣在整個周期內(nèi),機架都會受到較大的沖擊,從而引起機器及其基礎(chǔ)部件產(chǎn)生振動,使偏心軸回轉(zhuǎn)不均勻,影響機構(gòu)構(gòu)件的強度,降低機器的可靠性,縮短機器的使用壽命。
3有限元分析
采用CosmosWorks軟件,通過導(dǎo)入運動學(xué)仿真過程中的多個時間瞬間的運動載荷,進一步分析三維裝配體中的零件在該時刻的受力狀況,以便確定最壞工況點。選擇裝配體中的動顎為計算對象,進行多畫面分析,分析每組具有關(guān)聯(lián)的時間瞬間產(chǎn)生的運動載荷。
動顎材料為ZG35,彈性模量為2E+5 MPa,泊松比為0.3a單位設(shè)置為psi,設(shè)定結(jié)果為VON:vonMises應(yīng)力。采用三維實體單元進行網(wǎng)格劃分,同時考慮到動顎結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,局部區(qū)域網(wǎng)格需進行加密處理。時間參數(shù)為1 s,設(shè)定為10組,完成計算后,結(jié)果分析如圖3所示。
從圖3可以看出最大應(yīng)力值出現(xiàn)在第6組(t=0.58 s),表明一個周期內(nèi)動顎在該時刻工況最差,對該工作位置的動顎進行詳細的靜態(tài)分析,應(yīng)力分布云圖如圖4所示。圖4中動顎肘板座附近應(yīng)力最大,與實際情況相吻合,表明計算方法有效。在應(yīng)力分布云圖的基礎(chǔ)上,進一步在肘板墊與動顎連接處以及沿動顎板長方向提取計算結(jié)果,分別見圖5與圖6。從2個圖中可以發(fā)現(xiàn)局部結(jié)構(gòu)區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象,應(yīng)力峰值甚至超過許用應(yīng)力,如肘板座與動顎連接處。同時,動顎A點處(見圖4)也存在一定程度的應(yīng)力集中,且沿板長方向靠近肘板座處應(yīng)力逐漸增加。
根據(jù)d Alambert原理,作用于動顎的慣性力與接點反作用力相互平衡。因此,當動顎工作位置隨時間變化,對視為處于動態(tài)載荷的結(jié)構(gòu)進行有限元分析,其最差工況下的計算結(jié)果往往大于靜態(tài)分析結(jié)果。這種隨時間變化的應(yīng)力突變對結(jié)構(gòu)安全的危害,需在設(shè)計中加以充分重視。所以除了對重要的零部件做靜態(tài)有限元分析,還要進行動態(tài)仿真計算,以找出最差工況下的最大應(yīng)力值,以及所在的位置,從而進一步在結(jié)構(gòu)上進行優(yōu)化設(shè)計。如可以對應(yīng)力較大的地方進行結(jié)構(gòu)上的再設(shè)計,保證工作中的安全系數(shù)達到許用值;在應(yīng)力最低的地方,安全余量可能過大,則可以進行優(yōu)化設(shè)計,以達到減小機重的目的。
4結(jié)語
針對復(fù)擺顎式破碎機這一典型傳統(tǒng)產(chǎn)品,綜合應(yīng)用SolidWorks、CosmosMotion及CosmosWorks等現(xiàn)代設(shè)計與分析工具,實現(xiàn)了機構(gòu)運動學(xué)與零部件有限元分析的集成仿真計算,得到了與實際相符的計算結(jié)果。數(shù)據(jù)表明,動顎在往復(fù)擺動的周期內(nèi),應(yīng)力大小隨工作位置改變而變化。
通過運動學(xué)模擬,確定了動顎最大載荷發(fā)生的時刻,并對該工況點進行了詳細的有限元分析計算,發(fā)現(xiàn)了動顎局部結(jié)構(gòu)區(qū)域出現(xiàn)應(yīng)力集中的現(xiàn)象,同時揭示了結(jié)構(gòu)應(yīng)力的分布規(guī)律,從而為產(chǎn)品設(shè)計與改進提供了依據(jù),并提出了進一步優(yōu)化分析的設(shè)想。
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