外动颚匀摆破碎机运动仿真分析.pdf

第5 8 卷第4 期 2 0 06 年11 月 有色金属 N O n f e r r o u sM e t a l s V 0 1 ．5 8 ．N o ．4 N o v e m b e r2 00 6 外动颚匀摆破碎机运动仿真分析 张峰1 ，一，饶绮麟1 ，一，王宗巍2 1 ．北京科技大学，北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ．北京矿冶研究总院，北京 10 0 0 4 4 摘要通过V i s u a lN a s t r a l l v N 建立外动颚匀摆破碎机的仿真模型，分析破碎机的运动过程。从仿真模型获得了动颚边板 上任意1 0 点的运动轨迹和动颚肘板的运动轨迹，与理论模型的运动比较，仿真模型能够很好地反映理论模型的运动特性，仿真模 型的约束真实地反映了理论模型的约束。仿真模型约束的建立对后续动力学分析的约束建立有着非常重要的指导意义。 关键词矿山机械工程；外动颚匀摆破碎机；仿真模型；约束 中圈分类号T D 4 0 1 ；T I M 5 1 文献标识码A文章编号1 0 0 1 0 2 1 1 2 0 0 6 0 4 0 0 9 6 0 4 利用计算机技术对机器进行运动学仿真和受力 分析，设计者通过将虚拟现实技术和计算机仿真技 术以及C A D 技术相结合，建立起物理样机的数字原 型，可以获得具有高度可视性的物理样机仿真模型， 并可以灵活地对仿真模型进行修改、分析，从而大大 的节省设计经费和设计周期。借助美国M S C 公司 的V i s u a l N a s t r a n V N 对外动颚匀摆破碎机． P D 9 0 1 2 0 进行了相应的运动学仿真研究。 1 物理样机的约束 物理样机约束的研究对建立仿真模型非常重 要，因为仿真模型的约束是设计者按照物理样机的 简化模型给定的，简化的约束类型若没有很好地吻 合物理样机的实际约束，建立起来的仿真模型将是 不可信的，后续的受力分析也将是不可靠的，物理样 机的约束研究主要是对各部件之间的连接关系进行 分析。 P D 9 0 1 2 0 外动颚匀摆破碎机是由动颚部。可调 颚部、机架部、调整部、拉紧部及原动件一电动机等 几大部分构成，见图1 。 部件间的连接关系可大致划分为固定连接 以 焊接为代表 、螺栓连接、轴承连接和机构约束连接 四种方式，分析这四种连接方式的特点从而确定 P D 9 0 1 2 0 外动颚匀摆破碎机部件间约束的选择。 1 ．1 固定连接 固定连接指的是两个或两个以上的零件通过焊 接、铆接的方式连接在一起。在仿真分析中若忽略 收稿日期2 0 0 6 0 2 2 2 作者简介张峰 1 9 7 8 一 ，男，湖南湘潭县人，博士生，主要从事 工程机械系统仿真及动力学分析等方面的研究。 焊缝质量的影响，可以把固定连接起来的这些零件 当作一个大零件来处理，P D 9 0 1 2 0 机架部、动颚部、 可调颚部等部件的连接方式多属这种连接方式。 图1 外动颚匀摆破碎机结构 F i g ．1 S t r u c t u r eo fn e wi a wc r u s h e r 1 ．2 螺栓连接 机器的安装自然少不了螺栓连接方式，工程中 受零件结构、设计成本或加工条件的限制，常常通过 螺栓连接来确定一个零件与其他零件之间的安装位 置，螺栓起到连接和限位作用。在仿真分析中，可以 认为螺栓连接的两零件是固连在一起。动颚部、可 调颚部齿板和齿板座之间及机架部的上机架与下机 架间的连接采取的就是螺栓连接方式。 1 ．3 轴承连接 一个旋转零件与一个基础零件连接时，通常会 用到轴承连接方式，这个基础零件通常直接或间接 地与地基固定在一起的，轴承主要起到径向限位的 作用，动颚部与机架部之间连接采取的是轴承连接 的方式。 1 ．4 机构约束连接 有时可以借助机构特殊构造来连接两个零件， 万方数据 第4 期 张 蜂等外动颚匀摆破碎机运动仿真分析9 7 这种连接方式比较复杂，需要根据具体的连接情况 进行分析。动颚肘板和肘板座之间的连接属于该约 束类型。 2V N 仿真模型 V N 是美国M S C 公司面向设计工程师开发的 集有限元分析、机构运动学与动力学和可视化技术 于一体的虚拟仿真系统。它提供了与三维建模软件 S o l i dE d g e S E P r o ／E 等软件的接口程序。研究中， 选择S o l i dE d g e 软件建模。V N 中也提供了建模的 命令，但其建模的功能有限，且操作不便，尤其对于 复杂的装配体难以满足建模的需要，所以V N 建模 需要其他三维建模软件的辅助，如P r o ／E ，S o l i d E d g e ，U G 等，设计者通过这些软件可以建立起V N 所需要的整机装配模型，仿真模型的建立过程大致 分为以下几个步骤。 2 ．1 三维装配模型的V N 导入 。 当S E 整机装配的装配关系确定无误后，设计 者可以通过两种方法将装配体文件导入V N 中。方 法一是在三维软件S E 中，通过V N 建模快捷键；另 外一个方法是在V N 中导入S E 的装配文件从而完 成建模。 2 ．2 确定仿真模型的基础零件 S E 三维装配模型导入V N 后，V N 将根据S E 中零部件间的装配关系自动分配约束，绝大多数约 束是不满足仿真需要的，需要在V N 中重新定义修 改，为了修改的方便，需要定义一个基础装配零件， 在仿真实例中，选择下机架底板作为仿真模型的基 础零件。 2 ．3 原动机的确定 在V N 中不需要建立电机或马达来作为原动 机，V N 提供原动机约束来模拟实际的原动机。 P D 9 0 1 2 0 外动颚匀摆破碎机使用了1 1 0 k W 的电机， 电机通过皮带传递扭矩给皮带轮，从而实现颚式破 碎机的周期运转，P D 9 0 1 2 0 的设计转速为2 2 0 r ／ m i n ，所以在仿真分析中选择转速恒为2 2 0 r ／m i n 的 原动机约束来模拟电动机的作用。 2 ．4 添加、修改部件装配约束对 零部件装配时选择的装配关系及它们之间的装 配距离合称为装配关系对。对于导人的三维装配模 型，需要修改和物理样机不相吻合的装配约束对，有 时还需要根据实际情况添加新的装配约束对，从而 使仿真模型尽可能地和物理样机相接近。如动颚肘 板和肘板座之间是通过机构约束连接的，它们之间 的连接是一个曲面和平面的高副约束，仿真软件 V N 提供的约束难以满足，在仿真模型中只能选择 传统的铰链约束来模拟，获得的仿真模型见图2 。 图2P D 9 0 1 2 0 外动颚匀摆破碎机仿真模型 F i g ．2 E m u l a t i o n a lm o d e lo fP D 9 0 1 2 0n e wj a wc r u s h e r 3 仿真结果分析 3 ．1 肘板运动轨迹分析 图3 所示曲线为肘板与肘板座约束中心的轨迹 曲线。从图3 可知，肘板的运动是一个周期摆动运 动，且左右摆动距离不等，左摆动距离2 4 ．7 3 m m ．右 摆动距离1 1 ．6 3 0 7 m m ，这和物理样机的肘板运动情 况是吻合的。 3 ．2 仿真周期及肘板摆角分析 设皮带轮的转速为7 ／1 r ／m i n ，则角速度为c c ，1 2 n n l ／6 0 r a d ／s ．其运转的周期为T 1 6 0 ／n 1 s 。则根据铰链四杆机构的性质可知，肘板的运转 周期与皮带轮的运转周期相同。P D 9 0 1 2 0 给定的皮 带轮转速为2 2 0 r ／m i n ，其运转周期为0 ．2 7 3 s 。分析 图3 的z t 图可以分析得出仿真模型的肘板运转 周期为0 ．2 6 s ，误差为0 ．0 1 3 s 。 E 曩 蠹 囊 甚 - 2 5- 2 }一1 5- I l l- 5【l5l 11 5 肘板水平坐标／m m 图3 肘板与肘板座约束中心的运行轨迹 F i g ．3M o v e m e n tc u r v eo fg e m e lb e t w e e n e l b o wa n de l b o w s e a t P D 9 0 1 2 0 的曲轴的理论长度为L ，，连杆的长度 为L 2 ，肘板的长度为L 3 ，肘板下支撑中心距曲轴旋 转中心距离为L 。，如图4 所示。肘板摆至最远端 B 1 时，c o s L B lC O L 3 2 L 4 2 一 L 1 L 2 2 ／ 2 L 3 L 4 ，可求出夹角么B ，C O 。肘板摆至最近端 万方数据 9 8有色金属 第5 8 卷 C 图4 外动颚匀摆破碎机的运动分析 F i g ．4A n a l y s i so fn e wj a wc r u s h e rm o v e m e n t C 2 时，C O S 么B 2 C O L 3 2 L 4 2 一 L 2 一L 1 2 ／ 2 L 3 L 4 ，可求出夹角么B 2 C O 。则肘板的摆角为庐 么B l C O 一么B 2 C O 。根据P D 9 0 1 2 0 的机构参 数，理论分析得出的肘板摆角为5 ．8 5 。，根据对肘板 的z t 图分析，肘板的仿真摆角为≠3 a r c o s L 3 一z 1 ／L 3 a r c o s L 3 一z 2 ／L 3 5 ．1 5 8 。，误差 为0 ．6 9 2 。。通过以上分析，该仿真模型反映了物理 样机的运动规律，从该仿真模型能够获取置信度较 高的其他运动参数。 3 ．3 连杆上任意点轨迹仿真分析 图5 动颚边板上点的运动轨迹曲线 F i g ．5M o v e m e n tc u r v eo fp o i n t so nt h eb o r d e r p l a n k 图5 是动颚部边板 连杆 上任意1 0 点的运动 轨迹曲线，可看出连杆上点的轨迹为近似椭圆轨迹， 若定义椭圆的长短轴为椭圆的曲线特征，仿真曲线 与理论曲线比较见表1 。 表1 仿真曲线与理论曲线对比 T a b l e1 C o m p a r i so fe m u l a t i o n a la n dt h e o r e t i c a lC u r v e 由表1 数据可以看出，仿真分析值与理论分析 结果非常接近，仿真模型可以近似地代替理论模型， 从仿真模型获得的其他运动参数，如任意点处的速 度、加速度、位移等是可信的。 4结论 仿真模型能够很好地反映理论模型的运动情 况，从仿真模型任意点处获得的运动参数是可信的。 产品的研究仅有运动学分析显然是不够的，需要研 究破碎腔内载荷分布并进行后续的动力学研究。 参考文献 [ 1 ] 饶绮麟．有色矿山技术装配的现状与思考[ J ] ．采矿技术，2 0 0 1 ，1 2 6 8 ． [ 2 ] 赵新军．创新设计的理念和手段[ C ] ／／第一届国际机械工程会议论文集．上海中国机械工程协会，2 0 0 0 1 5 2 1 ． 万方数据 第4 期 张峰等外动颚匀摆破碎机运动仿真分析 [ 3 ] 王国彪，程小虎．工矿设备设计新模式～基于虚拟样机的设计联盟[ J ] ．矿山机械，2 0 0 0 ，2 8 7 6 7 ． [ 4 ] 饶绮麟．2 1 世纪矿山机械的研究和开发[ J ] ．矿冶，2 0 0 3 ，1 2 3 1 4 ． E m u l a t i o nA n a l y s e so fO u t e rM o v i n gJ a wU n i f o r mP e n d u l u mC r u s h e r Z H A N GF e n 9 1 一，R A OQ i l i n 2 ，W A N GZ o n g - w e i 2 1 ．U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，B e O i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ； 2 ．B e O 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 O i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A b s t r a c t E m u l a t i o nm o d e lo fo u t e rm o v i n gj a wu n i f o r mp e n d u l u mc r u s h e ri se s t a b l i s h e db ym e a n so fV i s u a lN a s t r a n V N S o f t w a r e ，a n dt h em o t i o np r o c e s so ft h ec r u s h e ri sa n a l y z e d ．T h em o v i n gc u r v e so fa r b i t r a r y1 0p o i n t sa n d t h et o g g l ep l a t eo fm o v i n gj a wa r ep r e s e n t e di nt h ee m u l a t i o nm o d e l ．C o m p a r i n gt ot h e o r e t i c a lm o d e l ，t h ee m u l a t i o nm o d e lc a nw e l lr e f l e c tt h em o v i n gc h a r a c t e r i s t i c sa n dr e a l l yr e f l e c tt h er e s t r i c t i o no ft h et h e o r e t i c a lm o d e l ． T h er e s t r i c t i o ne s t a b l i s h m e n to nt h ee m u l a t i o nm o d e li so fi m p o r t a n tg u i d a n c ef o rb u i l d i n gu pt h er e s t r i c t i o no n t h ec o n s e q u e n td y n a m i ca n a l y s i sw o r k ． K e y w o r d s m i n i n gm e c h a n i c a le n g i n e e r i n g ；o u t e rm o v i n gj a wu n i f o r mp e n d u l u mc r u s h e r ；e m u l a t i o nm o d e l ， r e s t r i c t i o n 上接第9 5 页，C o n t i n u e df r o mp ．9 5 参考文献 [ 1 ] 李宝祥．金属矿床露天开采[ M ] ．北京冶金工业出版社，1 9 9 2 2 1 2 3 ． [ 2 ] 刘忠卫，尤广生．精确微差延时及逐孔起爆技术在爆破实践中的应用[ J ] ．矿业工程，2 0 0 3 ，1 5 3 7 4 0 ． [ 3 ] 银开州，王利平，刘军，等．“逐孔起爆技术”在永平铜矿的应用【J ] ．爆破，2 0 0 3 ，2 0 2 3 4 3 6 ． A p p l i c a t i o no fH o l eb yH o l eB l a s t i n gT e c h n i q u eo nO p e n - p i tM i n e C H E N X i n g - m i n g S o u t h w e s tU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，M i a n y a n g6 2 1 0 1 0 ，S i c h u a n ，C h i n a A b s t r a c t T h eb a s i cp r i n c i p l ea n dd e s i g nm e t h o do nt h eh o l eb yh o l eb l a s t i n gt e c h n i q u ea r ed e s c r i b e d ，a n dt h ep r a c t i c a l r e s u l to ft h i st e c h n o l o g yi nd o m e s t i co p e n p i tm i n ea r ei n t r o d u c 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 ；h o l eb yh o l eb l a s t i n gt e c h n i q u e ；p r i n c i p l e ；d e s i g nm e t h o d ；r e s u l t 万方数据