动颚体结构强度均匀化优化设计.pdf

第6 2 卷第1 期 2 010 年2 月 有色金属 N o n f e I T O U 8M e t a l s V 0 1 ．6 2 ．N o ．1 F e b r u a r y ．2010 动颚体结构强度均匀化优化设计 严凡涛，饶绮麟 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要运用有限元分析软件A N S Y S 对P D 7 5 1 5 0 新型颚式破碎机的动颚体进行结构强度均匀化优化设计，通过评估和修 正，应力均匀化后的模型在一定程度上达到了动颚体结构强度优化的目的，为动颚体进行更进一步的结构强度优化提供厂理沦分 析数据和参考方向。 关键词采矿工程；动领体；优化设计；动颚齿板座；均匀度 中图分类号T D 4 5 I文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 1 0 0 1 0 0 8 8 0 4 北京矿冶研究总院新研制成功的新型外动颚匀 摆破碎机由于其新颖的机构设计和独特的结构，使 其具有优良的性能外形低矮，比同型号的传统颚破 低2 0 ％，喂料高度低，破碎系统的高度降低1 ／3 左 右，大大减少了硐室的开凿量，破碎能力大，衬板磨 损低，能量消耗小，破碎比大，简化了破碎工艺流程 而成为初、中碎的理想选择。2 。。然而，随着破碎比 的增加，同型号破碎机的处理能力降低。为保证破 碎机既有大的破碎比又有高的处理能力，开发宽腔 型破碎机是发展趋势之～。 外动颚破碎机在腔型加宽后，破碎力加大，受力 情况复杂，有必要在设计阶段就对其进行强度分析 和结构优化。以P D 7 5 1 5 0 宽腔型外动颚破碎机为 研究对象，通过对破碎机上较重要的零件动颚齿板 座结构强度均匀化的设计，利用A N S Y S 软件对动颚 齿板座进行结构强度优化的研究。 1 动颚体受力分析 颚式破碎机的动颚体如图1 所示，是破碎机中 重量较大的零件，结构复杂。主要由动颚齿板座和 边板等零件焊接组成，承受了破碎机工作时由推力 板和物料产生的强大挤压力，受力情况较为复杂。 动颚体在运行中主要承受物料对齿板座的破碎力 ，，肘板对齿板座的支撑力瓦和偏心轴体对边板的 支撑力疋。动颚体的受力图如图2 所示。其中破 碎力F 根据经验公式获得，为8 6 9 4 k N “’。由力的 平衡原理较容易求出丁，和疋。 收稿日期2 0 0 8 1 0 0 6 作者简介严凡涛 1 9 8 1 一 ，男，湖北天门市人，工程师，主要从事 矿山．亡程机械等方面的研究。 图1动颚体 F i g ．1M o v i n gj a w 图2 动颚体的受力 F i g ．2 F o r c ed i s t r i b u t i o nd r a wo fm o v i n gj a w 2 动颚体有限元分析∞1 对动颚体进行有限元分析时，考虑到模型的结 构和受力对称分布，取一半进行分析，以减少计算 量。对于动颚体，其弹性模量可取2 0 0 G P a ，泊松比 为0 ．2 8 ，选择单元为S o l i d9 2 ，建立好有限元模型 后，根据动颚体的受力图施加载荷和约束，获得的动 颚体的应力分布云图如图3 所示。 从动颚体的应力云图中可以了解到，动颚体所受 万方数据 第1 期严凡涛等动颚体结构强度均匀化优化设计 8 9 图3 动颚体应力云 F i g ．3 P r e s sd i s t r i b u t i o no fm o v i n gj a w 到的最大应力为1 5 0 ．4 3 M P a ，位置在齿板座的下端横 梁。观察动颚体上的其他部分，发觉应力分布较不均 匀，小应力区域较多，通过对动颚体进行结构强度均 匀化设计，在保证动颚体的结构强度和刚度的前提 下，使材料能够尽可能地利用，结构设计更加合理。 3动颚体均匀化设计 一个理想的结构，其每一部分的应力应该接近 于相同的安全水平，这个概念进一步推导得到基于 应力均匀分布的优化准则，使得优化后的结构应力 变得更均匀。 对于动颚体模型，由于受装配条件的限制，边板 改动余地很小，同时动颚齿板座结构较为复杂，质量 最大，修改余地很大，故对动颚体的均匀化设计主要 集中在动颚齿板座均匀化设计上。 动颚齿板座结构最好是应在相同载荷条件下， 使得结构上每一点的受力状况相近。这样就可以在 固定载荷条件下，以齿板座上面应力的均匀度最小 作为评价标准来建立优化模型，进行优化设计。 对于动颚齿板座，在长期的交变载荷作用下，往 往容易在齿板座某一处发生疲劳破坏。因此，可根 据齿板座疲劳极限与齿板座上面的应力通过某种换 算关系获得的值，即均匀度来定义目标函数。 3 ．1 确定目标函数 在齿板座结构中，为了使齿板座上面的应力分 布更为合理，有更好的应力分布状况，以齿板座上面 应力的均匀度k 作为优化目标，如果这些计算点的 均匀度最小，则说明结构上的应力分布最为均匀。 具体的目标函数如式所示，式中盯。一第i 个面 上最大的应力值；o r 。一，一齿板座的疲劳应力。对于 齿板座，根据经验，其疲劳应力一般为屈服应力的 0 ．4 ～0 ．5 倍，对于齿板座的材料Z G 2 7 0 5 0 0 ，可取 盯． 1 3 0 M P a 。 m i n k [ ∑ o r i 一盯0 一I 2 ] m ／矿 l i 1 ，2 ，⋯， ／ g 1 3 ．2 确定设计变量和状态变量 通过前面对动颚体进行的有限元分析所获得的 等效应力云图可以看出，齿板座的板厚和筋板处受 力较小，大多数地方的最大应力远远小于齿板座的 屈服载荷。从其结构图上看，齿板座承载板板厚和 支撑它的筋板板厚有较大的改善余地，拟从这些地 方的尺寸入手，进行优化。 设定齿板座的最下端处的横向筋板板厚为B ， 菇l 6 0 m m ，纵向筋板厚度为B 2 石2 6 0 m m ，承载 板板厚为B ， 并3 6 0 m m ，肘板厚度为B 。 茗。 6 0 r a m ，为了在较大范围内获得较好的优化结果，各 设计变量菇。取值范围均设为[ 2 5 m m ，7 0 r a m ] ，纵向 筋板间距为L 3 9 0 r a m 齿板总宽为1 5 7 0 r a m ，设定 为上下波动1 0 ％，即在[ 0 ．9 L ，1 ．1 L ] 范围内变化，见 图4 。 I l l L B ，I 图4 动颚体的结构示意 ‘ F i g ．4M o v i n gj a ws t r u c t u r e 状态变量为齿板座主要受力面上的最大应力 盯。“，变化范围以不大于动颚齿板座正常工作时的 许用应力[ 盯] 由于疲劳极限应力小于许用应力，容 易导致优化时得到局部最优解，而不能得到全局最 优解，故对状态变量往往以许用应力作为约束 。 齿板座的安全系数一般设定为1 ．5 ，则许用应力为 1 8 0 M P a 。对动颚齿板座，其主要受力面为齿板承载 面和横向筋板，设横向筋板上面的最大应力分别为 盯。。。，盯。m ，盯。。o ，齿板座承载面上的最大应力为 盯m - “0 各设计变量写成初始优化设计数学模型如式 万方数据 有色金属 第6 2 卷 2 所示。 髫j f 1 ，2 ，3 ，4 ；2 5 r a m ≤石i ≤7 0 m m ；3 5 1 n l m ≤ L ≤4 2 9 m m ；s ．t ．盯。。≤[ 盯] ；m i n k [ ∑ 盯f 一 盯 ， 2 ] ∽／o r 0 _ ， i 1 4 2 设定迭代次数为4 0 次，采用零阶法进行优化，经 过3 2 次迭代，程序中止，所得优化结果如表l 所示。 表1 优化迭代数值结果 T a b l e1D a t ar e s u l to fi t e r a t i v eo p t i m i z a t i o n 在3 2 组优化参数中，第2 3 组参数为最优，此 时，最大应力由1 5 0 ．4 3 M P a 增加到1 6 1 ．6 7 M P a ，齿 板座结构强度有所减弱，最大应力作用点仍然在齿 板座下端横向筋板处，而应力均匀度则由优化前的 0 ．5 2 4 减少到0 ．3 4 1 ，应力较优化前均匀。除最大应 力处应力大于屈服极限外，其余各处的最大应力比 优化前有所改善，应力值较为接近屈服极限。初步 实现了动颚齿板座应力分布较均匀的目的。动颚齿 板座的目标函数在优化过程中随迭代次数的变化情 况如图5 所示。 I 』 ■一厂、f i1 7l f ．j V { ；W V 战l1 f ．鼍V tj l3 ．4S 88 21 0 ．61 31 5 ．4 1 7 , 82 眈2 2 ．62 , 5 图5 应力均匀度随迭代次数的变化趋势 F i g ．5 C h a n g et r e n db e t w e e np r e s sh o m o g e n i z a t i o n 经过参数化优化后的动颚齿板座尽管最大应力 低于许用应力，富裕应力减少，然而削弱了结构的强 度，同时观察其结构形状，仍然有较大的改动空间， 通过评估分析对齿板座进行进一步的修改，使齿板 座的结构要求更加完善。另外，表1 中的优化值是 理论计算值，必须圆整到板材厚度的实际尺寸。 齿板座的结构做相应的修改。 1 由于齿板座 的承载板板厚由6 0 m m 变为3 5 r a m ，同时连接肘板处 的筋板受力较小，拟将该处的筋板厚度也改为 3 5 m m 。 2 由于最下端的横向筋板中部出现应力 集中，决定在该处加一块盖板，板厚为3 0 m m ，以使 该处的应力均匀化，同时该处的筋板厚度不变，仍为 6 0 r a m 。 3 为了更有利于加工，将纵向筋板的厚度 由6 0 m m 改为3 0 m m 。 4 纵向筋板距齿板边的距 离由3 9 0 r a m 变为4 0 5 m m 。 对经过修改后的模型进行有限元再分析，获得 的应力云图如图6 所示。从云图上可以了解到此时 的最大应力为1 2 5 ．4 4 M P a ，比修改前有较大的减少， 结构强度有所增强。此时各处的最大应力分别为 o r 。。；l 1 0 1 ．2 3 M P a ，o r 。。。2 11 6 ．1 4 M P a ，o r 。。。3 1 2 5 ．4 7 M P a ，矿⋯4 1 1 0 ．3 5 M P a ，按照式1 获得的应 力均匀度为0 ．2 9 3 M P a 。 图6 修改后的动颚齿板座应力云图 F i g ．6 P r e s sd i s t r i b u t i o no fm o v i n gj a wa f t e rm o d i f i c a t i o n 、 图7 优化前后模型尺寸变化的对比图 F i g ．7 C o n t r a s td r a wo fm o d e ld i m e n s i o nv a r i a t i o n b e f o r ea n da f t e ro p t i m i z e d 历叮至％墨惦汹咐I岛∽坜 万方数据 第1 期严凡涛等动颚体结构强度均匀化优化设计 9 l 对动颚齿板座模型进行修改后，模型的前后对 照图如图7 所示。 4结论 运用有限元分析软件A N S Y S 对动颚体进行了 结构强度均匀化优化设计，优化前后动颚体在质量、 参考文献 最大应力和应力均匀度分别为6 6 2 0 ．2 和5 7 5 7 ．6 k g 、 1 5 0 ．4 3 和1 2 5 ．4 7 M P a 、0 ．5 2 4 和0 ．2 9 3 。经过一系列 的分析和评估，再对优化后的模型进行适当的修改。 修改后的模型，应力分布更为均匀，且结构强度和抗 疲劳能力有所增强，达到了齿板座结构强度均匀化 优化的目的。 [ 1 ] 饶绮麟，陈伟，张振权．P E W A 9 0 1 2 0 外动颚低矮破碎机的研制[ J ] ．采矿技术，2 0 0 2 ，2 4 2 2 2 4 ． [ 2 ] 饶绮麟，张峰．新型外动颚破碎机的理论研究[ J ] ．有色金属 选矿部分 ，2 0 0 7 ， 4 2 2 2 5 ． [ 3 ] 郎宝贤，彭跃进．颚式破碎机动颚结构设计[ c ] ／／第三届全国选矿设备学术会议论文集．北京冶金工业出版社，1 9 9 5 9 0 9 4 ． [ 4 ] 郎宝贤，郎式平．颚式破碎机设计与检修[ M ] ．北京机械工业出版社，1 9 9 0 7 5 9 1 ． [ 5 ] 张朝晖．A N S Y S l l ．0 结构分析工程应用实例解析[ M ] ．北京机械工业出版社，2 0 0 8 1 0 0 1 2 9 ． H o m o g e n i z a t i o nO p t i m i z a t i o nD e s i g no nS t r u c t u r eI n t e n s i t yo fM o v i n gJ a w Y A NF a n t a o ，R A OQ i - l i n B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e 彬n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t H o m o g e n i z a t i o no p t i m i z a t i o nd e s i g no ns t r u c t u r ei n t e n s i t yo fm o v i n gj a wo fP D 7 5 15 0n e wj a we r u s h e r gi sd o n e w i t hF E As o f tA N S Y S ．A f t e re v a l u a t e da n dr e v i s e d ，t h eo b j e c tt om a k em o v i n gj a ws t r u c t u r ei n t e n s i t yo p t i m i z a t i o n i sc o m p l e t e di nac e r t a i ne x t e n t ．S os o m et h e o r yd a t aa n dr e f e r e n c ed i r e c t i o nf o ro p t i m i z i n gs t r u c t u r ei n t e n s i t yo f m o v i n gj a wf u r t h e ra r ea c q u i r e d ． K e y w o r d s m i n i n ge n g i n e e r i n g ；m o v i n gj a w ；o p t i m i z a t i o nd e s i g n ；m o v i n gj a wt e e t hp l a t es e a t ； h o m o g e n i z a t i o n 万方数据