贺培兵
韶关市韶瑞重工有限公司 广东韶关 512000
摘要： 改进优化现有复摆颚式破碎机的性能具有重要意义，本研究根据对复摆颚式破碎机的运动学和动力学分析,以某颚式破碎机为例，对其进行配重优化分析，以探讨颚式破碎机平衡的最优方法，得出的结果对企业生产具有指导意义。
关键词：复摆颚式破碎机；动力学分析；振动力；配重质量
复摆颚式破碎机是一种较常用的颚式破碎机，主要承担冶金、矿山、 化工、建材等行业以及交通运输建设中石块的破碎任务，在工程中应用十分广泛。但复摆颚式破碎机工作期间动颚产生很大周期性波动的惯性力,该惯性力是引起破碎机振动的主要激励,不仅加剧运动副磨损,降低破碎机轴承和肘板的使用寿命,而且限制了破碎机在移动式破碎站上的应用。因此，有必要对复摆颚式破碎机的运动学和动力学特性进行研究，研究其优化路径。
1.颚式破碎机运动学分析
复摆颚式破碎机的运动机构为曲柄摇杆机构，简化其结构并建立坐标系如图1 所示，以偏心轴轴承座回转中心作为原点，X 轴方向为竖直方向，Y 轴方向为水平方向。其中构件1 曲柄对应偏心轴及其组件，质心为S1，质量m1，长度为lAB，AB 与x 轴夹角φ1，构件2 连杆对应动颚体等组件，质心为S2，质量m2，S2与BC 夹角φS ，长度为lBC，BC 与x 轴夹角φ2，构件3 摇杆对应肘板，质心为S3，质量m3，长度为lCD，与x 轴夹角φ3，构件4 机架对应颚式破碎机的机体，质量m4，P 点对应飞轮中配重块的质心，质量为mP与件1 夹角φP。设备整体质量（含物料）为m。θ1为AD 和BD 夹角，θ2为CD 和BD 夹角[1]。
将各构件表示为杆矢，并用复数形式表示。由封闭图形ABCDA 可得矢量方程及复数表达式
2.颚式破碎机动力学分析
分别对构件1、构件2、构件3 和构件4 进行受力分析，其中各力分力与坐标轴同向为正，反向为负，力距按逆时针为正，顺时针为负。根据达朗伯原理，把构件产生的惯性力和惯性力距当作外力和外力距，作用在产生该惯性载荷的对应构件上,使机构处于动态静力平衡。将机构动力学问题转化为静力学问题，按静力学方法求解[2]。
颚式破碎机各构件受力分析简图如图2 所示。
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图2 颚式破碎机各构件受力分析简图
假设偏心轴匀速转动，即α1=0，对构件1 受力分析可得
3.优化模型建立
3.1设计变量
复摆颚式破碎机为减小惯性力的影响一般在飞轮上安装有配重块，配重块的位置是由飞轮尺寸确定的，一般不变，但配重的质量mP和相对曲柄夹角φP可以调整，故此处将mP与φP作为设计变量，有
X＝［x1 x2］T=［mP φP］T
3.2目标函数
根据现有相关资料和设计需要建立以下目标函数：①以地基受力合力最大值极小为目标，即通过调整配重块质量和相对曲柄夹角使地基受力合力在一个工作循环内的最大值极小，目标函数
minf1（x）=min［max（FH）］
②以地基受力合力最大值和最小值之和的一半极小为目标，即通过调整配重块质量和相对曲柄夹角使地基受力合力在一个工作循环内的平均值极小，目标函数
其中，在一个工作循环内取N 个地基受力合力值，第i 个地基受力合力为FHi。
3.4效果评价指标
为了评价各目标函数优化后对颚式破碎机性能的影响，分别计算在各配重块参数下，颚式破碎机的曲轴处最大作用力、地基在水平和竖直方向最大振动力、地基所受最大振动力。曲轴处最大振动力对应颚式破碎机偏心轴处轴承受力；地基在水平和竖直方向最大振动力、地基所受最大振动力对应破碎机对地基的最大冲击载荷[3]。采用未平衡时的振动力FHw减优化后振动力FHy并除以未平衡时的振动力的方法作为平衡效果，有
4.实例分析
以PE-75106 复摆颚式破碎机为例，其主要参数：lAB=16 mm，lBC=1 400 mm，lDC=600 mm，lAD=1 135 mm，ω1=-280 r/min，φ4=344.4° ，lPA=373 mm，lAS =16 mm，lBS =702 mm，φS =18° ，lDS =300 mm，m1 =594 kg，m2=4 379kg，m3=134 kg，m4=14 893 kg，m=20 000 kg，J2=4 949 kg·m2，J3=4 kg·m2。根据已知参数，采用MATLAB 编写程序，进行优化分析，结果如图3 和表1 所示。
图3 地基受振动力合力曲线图
1. 未平衡2. 最大最小值一半3. 水平方向最大值4. 竖直方向最大值5. 最大值6. 均方根
由表1 和图3 对比可知：
（1）通过优化后的配重比未平衡状态最大振动力减少31%以上，曲轴处轴承载荷也明显减少12%以上，这说明颚式破碎机进行平衡的必要性；
（2）通过对比，竖直方向最大振动力较水平方向上的最大振动力大，故以竖直方向振动力为目标函数获得的结果与合力振动力的目标函数相近，最大振动力可减小至56%，可有效提高破碎机固定基础的寿命；
（3）以水平方向最大值为目标函数可获得水平最大振动力减小95%的平衡效果，最大振动力为2 kN，钢材之间的摩擦因数0.1，因颚式破碎机总重20 t，水平方向最大摩擦阻力为19.6 kN，故此配重块方案下颚式破碎机水平方向的振动力远小于水平方向最大摩擦力，可实现颚式破碎机与地基之间水平方向无约束固定[4]。同时对合力的最大振动力平衡效果明显减少至43%；
（4）通过对比配重最优方案有2 个，如果考虑对偏心轴处轴承寿命和地基寿命方面可以优先选择夹角-25°，配重质量为170 kg 的方案；如果考虑水平方向上振动力最小， 便于实现水平方向无约束安装，优先选择夹角-30.2°，配重质量116 kg 的方案。
5.结语
综上，文章对复摆颚式破碎机运动机构优化设计进行了研究，通过多个目标函数优化结果对比，可以用于指导或辅助复摆颚式破碎机配重设计和其与地基或固定基础的设计，对颚式破碎机的设计与分析都有重要的作用。
参考文献：
[1]张珂.复摆颚式破碎机有限元优化研究[D]. 西华大学, 2009.
[2]冯克信.复摆颚式破碎机平衡重的优化设计[J].昆明理工大学学报, 1990(1):56-63.
[3]刘强.颚式破碎机运动学和动力学参数设计与优化[D]. 沈阳理工大学, 2015.
[4]聂周荣.复摆颚式破碎机运动学与动力学仿真系统研究[D]. 江西理工大学, 2005.
论文作者:贺培兵
论文发表刊物:《防护工程》2018年第18期
论文发表时间:2018/11/8
标签：复摆论文; 颚式破碎机论文; 地基论文; 夹角论文; 构件论文; 方向论文; 受力论文; 《防护工程》2018年第18期论文;