摘要：基于Solidwork/motion作為設(shè)計(jì)平臺(tái)，復(fù)擺式破碎機(jī)建立了產(chǎn)品數(shù)字化模型，對(duì)模型及破碎過(guò)程進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)模擬仿真，得到了其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)配重計(jì)算。實(shí)現(xiàn)了破碎機(jī)Solidworks模型轉(zhuǎn)化3DSMAX模型，建立了破碎機(jī)破碎礦石過(guò)程仿真模型，能清楚地看到破碎機(jī)破碎礦石過(guò)程的整體狀況及工作原理。

1、破碎機(jī)三維建模

復(fù)擺顎式破碎機(jī)的三維建模，首先必須進(jìn)行零件和部件的建模。部件包括機(jī)架部件、偏心軸部件、動(dòng)顎部件等。其后進(jìn)行裝配建模。

在破碎機(jī)的三維總裝配中，運(yùn)用了自底向上的裝配體設(shè)計(jì)思想。所謂自底向上是利用已經(jīng)建立好的零件設(shè)計(jì)裝配體。裝配體的設(shè)計(jì)正好像一個(gè)裝配車(chē)間，利用已加工完成的零件，根據(jù)不同的位置和裝配約束關(guān)系，將每個(gè)零件裝配完成部件或產(chǎn)品。

為了動(dòng)態(tài)仿真的需要，進(jìn)行總裝配之前，首先必須知道零件中哪些為不動(dòng)件，哪些為可動(dòng)件。將不動(dòng)零件裝配在一起形成機(jī)架部件，而為了仿真需要，將破碎機(jī)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將一些調(diào)節(jié)的螺栓設(shè)置為不動(dòng)件。完成整機(jī)裝配的虛擬樣機(jī)如圖1所示。

2.破碎機(jī)的運(yùn)動(dòng)仿真

（1）零部件分類(lèi)和添加約束

在破碎機(jī)系統(tǒng)中，添加的約束有50多個(gè)，破碎機(jī)的約束類(lèi)型取決于破碎機(jī)裝配時(shí)裝配約束關(guān)系。在破碎機(jī)中，動(dòng)顎與推力板之間的約束為鉸鏈約束，彈簧和拉桿之間為圓柱副約束，偏心軸和機(jī)架為圓柱副約束，動(dòng)顎與偏心軸之間為圓柱副約束。

（2）載荷的添加

動(dòng)力學(xué)仿真中載荷的添加是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)，Motion中載荷可以產(chǎn)生機(jī)械的運(yùn)動(dòng)或者減小運(yùn)動(dòng)。Motion中載荷主要分為：外界作用力、相互作用力、重力和動(dòng)顎上加載的力。

Pmax=0.1qHL

Pjs=1.5Pmax

H———破碎腔的高度；

L———破碎腔的長(zhǎng)度；

q———襯板單位面積上的平均壓力。

經(jīng)計(jì)算得PE400×600 破碎機(jī)的Pjs＝1843kN， Pmax=1450kN。
在破碎機(jī)中，由于在拉桿上是靠彈簧的受壓產(chǎn)生拉力，因此在定義拉桿上彈簧力時(shí)，首先給定一個(gè)起始?jí)毫?，然后根?jù)破碎機(jī)的設(shè)計(jì)時(shí)給定力的大小和彈簧受壓的深程度，定義彈簧力。在PE400×600 型號(hào)中，起始?jí)毫?488N，長(zhǎng)度為215 mm，當(dāng)受壓到135mm 時(shí)，受力為15660N。

（3）材料的選擇

在Motion中，提供了一個(gè)材料數(shù)據(jù)庫(kù)，可以從中選擇材料賦給所需要的零件。當(dāng)零件材料比較特殊時(shí)，Motion提供了材料的添加功能，可以根據(jù)所需材料的屬性定義一個(gè)新材料添加到材料庫(kù)中，屬性包括密度、比熱、剛度、彈性等。
在破碎機(jī)中，給每一個(gè)零件都根據(jù)實(shí)際定義了材料屬性。偏心軸是40Cr合金鋼，機(jī)架和動(dòng)顎、軸承蓋是ZG35，活動(dòng)和固定齒板是ZGMn13，彈簧的材料是60SiMn，飛輪和皮帶輪是HT20-40。

（4）運(yùn)動(dòng)的獲得

在破碎機(jī)中，破碎的動(dòng)力是通過(guò)電機(jī)獲得的。電機(jī)的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)皮帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，而皮帶輪是用鍵跟偏心軸固定在一起，因此，給予皮帶輪的運(yùn)動(dòng)就等同于給偏心軸的運(yùn)動(dòng)，破碎機(jī)的機(jī)架是固定的，于是，就可以在偏心軸和機(jī)架的圓柱副約束上添加沿Z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。偏心軸的轉(zhuǎn)速是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。如型號(hào)PE400×600的中碎破碎機(jī)，偏心軸轉(zhuǎn)速為275r/min，添加此轉(zhuǎn)速到皮帶輪上。

（5）動(dòng)態(tài)仿真

在動(dòng)態(tài)仿真時(shí)，為了獲得理想的效果，必須對(duì)仿真進(jìn)行設(shè)定，動(dòng)畫(huà)仿真的實(shí)質(zhì)是靜態(tài)的圖片利用視覺(jué)的暫留現(xiàn)象一幀一幀地連續(xù)播放。因此，必須設(shè)定仿真的時(shí)間，仿真的起始幀畫(huà)、結(jié)束幀畫(huà)，前一副幀畫(huà)到后一副幀畫(huà)的間隔時(shí)間。在破碎機(jī)的動(dòng)態(tài)仿真中，設(shè)置的仿真時(shí)間是10s，設(shè)置的動(dòng)畫(huà)幀數(shù)是500副。在仿真控制面板中，可以對(duì)仿真進(jìn)行操作，如對(duì)仿真時(shí)間的修改等。

3、仿真結(jié)果處理

以型號(hào)為PE400×600的破碎機(jī)為例進(jìn)行分析。在破碎機(jī)中，最重要的零件是動(dòng)顎。動(dòng)顎的運(yùn)動(dòng)對(duì)破碎機(jī)的破碎效果、破碎功率的消耗、破碎機(jī)零部件的損耗、破碎機(jī)的生產(chǎn)率等都有直接的影響。因此，將動(dòng)顎作為研究對(duì)象進(jìn)行分析。在動(dòng)顎部件中，作為部件整體，將分析質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)，而作為特殊分析，以動(dòng)顎在排料口和進(jìn)料口處為分析對(duì)象。
以動(dòng)顎部件的質(zhì)心作為研究對(duì)象，分析動(dòng)顎部件的運(yùn)動(dòng)，圖2為動(dòng)顎部件速度曲線圖。

從圖2中可以看出，動(dòng)顎部件質(zhì)心x方向的速度比較大值和最小值在正負(fù)0.17m/s左右y方向的。速度比較大值和最小值在正負(fù)0.4m/s左右。從圖3動(dòng)顎部件質(zhì)心行程曲線圖中得到，質(zhì)心x方向的行程大致為12mm，而y方向的行程為28mm左右。y方向與x方向行程的比值為2.3左右。

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動(dòng)顎部件質(zhì)心的加速度分析，在破碎機(jī)運(yùn)動(dòng)中，整個(gè)破碎機(jī)的動(dòng)態(tài)平衡是至關(guān)重要的。對(duì)于動(dòng)顎部件來(lái)說(shuō)，在破碎機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的慣性力，這種慣性力將在機(jī)器各運(yùn)動(dòng)副中引起一種動(dòng)壓力，因而會(huì)增加運(yùn)動(dòng)副中的磨損，影響構(gòu)件的強(qiáng)度，降低機(jī)器的效率。此外，由于慣性力的大小和方向的周期性的變化，將使機(jī)器及其基礎(chǔ)發(fā)生振動(dòng)和偏心軸回轉(zhuǎn)的不均勻性。在破碎機(jī)的動(dòng)態(tài)平衡中，主要考慮在皮帶輪和飛輪上添加對(duì)重的方法來(lái)消除慣性力的有害影響。在動(dòng)顎部件上的慣性力如下：

P＝－ma
M＝-Jε
m———?jiǎng)宇€部件的質(zhì)量；
a———?jiǎng)宇€部件的加速度；
J———?jiǎng)宇€部件對(duì)其中心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
ε———?jiǎng)宇€部件的角加速度。
將P和M合成一個(gè)不通過(guò)質(zhì)心的總慣性力P1，其大小和方向與通過(guò)質(zhì)心的P相同，但兩者相距一垂直距離h=M/P

總慣性力P1的方向可以根據(jù)質(zhì)心的加速度方向確定，加速度方向可以根據(jù)質(zhì)心處x方向和y方向的加速度大小確定。如圖4所示，根據(jù)曲線圖，利用Motion中的功能，將其導(dǎo)入Excel表格中，從表格中讀取數(shù)據(jù)，根據(jù)力的合成原理，就可以得到力的大小和方向。

動(dòng)顎部件的總慣性力P1由偏心軸和肘板承受，然后再傳給機(jī)架及其基礎(chǔ)，將P1分解為偏心軸上（機(jī)構(gòu)中曲柄和動(dòng)顎連接點(diǎn)）的力和肘板上的力。在加速度的值中，取出12個(gè)點(diǎn)分析，求出每一點(diǎn)在偏心軸上的分力T，其后取平均值Tpj。
對(duì)重的位置在偏心軸偏心部分的相反位置上，對(duì)重的重量如下:

r0———對(duì)重重心到偏心軸軸；
r———偏心距；
n———偏心軸轉(zhuǎn)速；
G1———偏心軸偏心重量；
Tpj———慣性力分力T的平均值。

根據(jù)上面的公式，以破碎機(jī)PE400×600為例計(jì)算，選取破碎機(jī)中的12個(gè)位置，根據(jù)仿真結(jié)果，動(dòng)顎部件質(zhì)心處的加速度和角加速度如表所示。

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動(dòng)顎部件的質(zhì)心位置的坐標(biāo)為x=－209，y=750，動(dòng)顎部件的質(zhì)量為1139kg，相對(duì)于重心的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為377kg/m2，偏心軸的偏心質(zhì)量為18.76kg。根據(jù)計(jì)算得到對(duì)重的質(zhì)量G=23.9kg，質(zhì)心位置在離軸心位置387mm處，即r0＝387。

根據(jù)計(jì)算的對(duì)重添加到飛輪和皮帶輪上，可以減小破碎機(jī)工作時(shí)的振動(dòng)，有利于破碎機(jī)的動(dòng)態(tài)平衡。在大多數(shù)情況下，對(duì)重做成弓形或扇形。對(duì)重可以與飛輪和皮帶輪的輪緣鑄成一體，也可以用螺釘連接。

4、破碎機(jī)破碎礦石過(guò)程仿真

破碎機(jī)運(yùn)動(dòng)仿真的實(shí)現(xiàn)使得破碎礦石的過(guò)程形象逼真，能清楚地看到破碎機(jī)破碎礦石過(guò)程的整體狀況及工作原理；提供仿真電機(jī)與破碎機(jī)之間的連接與裝配，以及傳送帶的運(yùn)動(dòng)，能夠全方位地觀察各設(shè)備間的裝配關(guān)系。建立破碎機(jī)破碎礦石過(guò)程仿真模型方法，在三維軟件Sloidworks做好三維建模，然后將模型轉(zhuǎn)化成AutoCAD模型，再將AutoCAD模型轉(zhuǎn)化3DSMAX模型。因?yàn)锳utoCAD與3DSMAX 同是Aulodesk公司的產(chǎn)品，其坐標(biāo)系是兼容的，可以方便地交換數(shù)據(jù)。