基于ADAMS振动破碎机工作特性的研究.pdf

2 0 1 7 年第5 期有色金属 选矿部分5 5 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 6 7 1 - 9 4 9 2 ．2 0 1 7 ．0 5 ．0 1 3 基于A D A M S 振动破碎机工作特性的研究 梁国栋，夏晓鸥，陈帮，刘方明；王旭，王晓波 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘要基于机械系统动力学仿真软件M s c ．A d s ，开展振动破碎机工作特性的仿真研究，阐述其工作原理和工作特 性。建立了G z P l 4 5 型振动破碎机三维模型，运用A d a m s 仿真分析和研究机体在空载工况下的主要运动学、动力学特性，分析 整机的工作特性，对设备关键参数改进和技术水平提高具有较好的参考意义。 关键词A d s ；振动破碎机；动力学仿真；工作特性 中图分类号T D 4 5 1文献标志码A 文章编号1 6 7 1 _ 9 4 9 2 2 0 1 7 0 5 啪5 5 硝 S t u d yo nt h eW o r l 【i n gC h a r a c t e r i s t i c so f Ⅵb r a t i o nC m s h e rb a s e do nA D A M S L I A N GG u o d o n g ，X I AX i c 旧0 u ，C H E NB 6 m g ，L I UF m l g m i n g ，W A N GX u ，W A N Gx 拓∞b o ＆彬昭＆珊m Z ‰疵以e 矿胧n 嘞o n d 讹f 口盯“斟，曰e 彬昭J D D J 6 D ，醌i n o A b s t r a c t T h ew o r k i n ge h a r a c t e r i s t i c so fv i b m t i o nc m s h e ra r es t u d i e db a s e do nt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e ．M S C ． A d a m s A u t o m a t i cD y n 跚i cA n a l y s i so fM e c h a n i c a ls y s t e m s ．N a m e l yt h ew o r k i l l gp r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c sa r e e l a b o 糟t e d ．T h ew h o l es i m u l a t i o nm o d e lo fG Z P l 4 5i se s t a b l i s h e d ，a n dt } l em a i nc h a 髓c t e r i s t i c so fk i n e m a t i ca n d d y n a m i ca I 弓一a n a l y z e du n d e rn o l o a dc o n d i t i o nb a s e do nA d a m s ．T h ew o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft h ew h 0 1 eb o d ya r e s t u d i e d ，w h i c hh 鹪a9 0 0 dr e f e r e n c eV a l u et oa c h i e v et h ei m p r o v e m e n to fk e yp a r a m e t e r sa n dt e c h n i c a ll e v e l ． K e yw o r d s A d 锄s ；v i b r a t i o nc m s h e r ；d y n a m i c ss i m u l a t i o n ；w o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c s 近些年来，破碎机械发展较快，出现了一些新型 破碎机，但大多数是在传统破碎机上做些改进 优化 结构和改善工作机制等 ，在破碎理论应用和工作原 理上没有实质性的突破o 。 振动破碎机是一种应用振动破碎理论和具有全 新工作原理的新型破碎设备，具有许多独特优点旧J ， 但国内外对它工作特性的仿真研究较少，制约了对 它的关键机构、结构特征的设计和工作特性的全面 掌握，影响了它的完善优化和推广应用。 l 振动破碎机工作原理及工作特性 工作原理振动破碎机是利用高速旋转的激振 器产生的惯眭离心力转化为振动破碎力来实现对物 料的破碎1 。 工作特性如图1 所示，振动破碎机由双工作机 构组成，机构悬挂在轴承机架上，上面镶有齿板；扭 轴紧固在工作机构上端的中间，两端装有卡箍装置 并紧固在卡箍中；工作机构外侧中下部安装有不平 衡转子激振系统，该系统由弹性联轴器和传动系统 收稿日期2 0 1 7 J D 4 J 0 7修回日期2 0 1 7 _ 0 7 - 2 7 作者简介梁国栋 1 9 8 9 - ，男，河南濮阳人，硕士，助理工程师。 联接；机架坐落在弹性减振器上，减振器坐落在基础 上H ] 。工作时两电机通过皮带轮和弹性联轴器带动 激振器转子高速旋转实现双工作机构高频反向同步 摆动，从而实现物料的振动破碎。 1 一工作机构；2 一激振系统；3 一机架 4 一扭轴；5 一弹簧减振器；6 一基础；7 一齿板 图l振动破碎机结构简图 F i g ．1 S t m c t u r ed i a g r a mo fV i b r a t i o nc r u s h e r 万方数据 5 6 有色金属 选矿部分2 0 1 7 年第5 期 2G Z P l 4 5 型振动破碎机A D A M S 模型3工作特性的仿真分析 2 ．1 动力学仿真模型的建立 运用三维绘图软件P m ／E 按照实际尺寸创建整 机模型，通过P r o ／E n g i n e e r 接口模块导入A D A M S 中。由于A D A M s 在动力学仿真分析时，主要考虑零 件的质心和质量，而对零件外形不予考虑，因此在模 型中创建精确复杂的零件外形并没有大的实际意 义∞] 。为了节省建模时间和加快分析计算速度，在 关键零件尺寸和关键参数不变情况下对复杂模型进 行必要简化，进行M E R G E 整合等操作。 2 ．2 施加运动副及驱动 根据主从动构件顺序合理添加运动副，由于只 进行刚性体研究，故个别作为柔性构件 例如扭轴 的零部件需要等效转换。 首先添加和设置动力学参数，例如弹簧和扭轴 刚度系数、零部件材料属性及各运动副阻尼系数等。 最后添加驱动力，由于机体特殊工作特性 自同步稳 定运转 的决定，需要在左右两边的激振器轴一端输 入电机驱动才能实现稳定运转。三相异步电动机机 械特性实用公式M 1 如下 r 兰 1 3 s ／s 。 s m ／S ⋯。 式中丁一电机转矩，N m ； A 。一过载倍数； n 一额定转矩，N m ； S 一转差率。 通过查阅电机参数，根据公式 1 及实际中电机 通过皮带轮减速器将动力传递给激振器轴的情况， 编写驱动力函数程序输入到样机中，实现样机接近 真实情况运转，从而达到良好的仿真可靠性。破碎 机虚拟样机模型如图2 所示。 图2G Z P l 4 5 虚拟样机模型 F i g ．2 V i r t u a lp m t o t y p em o d e lo f G Z P l 4 5b a i e do nA D A M S 根据该机型工作机理和机械系统振动自同步理 论r7 | ，影响设备同步稳定运转的关键性因素如下 自身因素激振器转子转速、偏心转子惯性矩、 扭轴刚度、弹簧剐度。 由于阻尼相对较小且机体稳 定运转对阻尼敏感度不高，故可以忽略 外界因素驱动转矩、负载情况 即物料性质 。 需要分析研究的主要工作特陛指标如下 1 机体的并轴向水平振动、竖直振动和z 轴扭 转角速度； 2 两激振器转子的同步稳定性； 3 工作机构的同步稳定性和相对摆幅； 4 工作机构齿板上端点和下端点的运动轨迹。 机体结构简图见图1 ，研究的关键点为人料点A 和B 、出料点C 和D 、机体重心点E 。 理论上振动破碎机系统的振动参数具有对称布 置特性，但由于实际中制造、装配等因素导致各参数 存在差异性，故在合理误差条件下非对称布置样机 参数，有助于准确有效地研究机体的工作特性。虚 拟样机的振动系统参数设置见表1 所示。 表1振动破碎机虚拟样机振动系统参数 T a b l e1 V i b r a t i o ns y s t e mp 啪m e t e r so ft h ev i b r a t i o n c m s h e r v i r m a lp r o t o t 币e 堡垒茎五竺五塑 2 2 2 ．8 60 ．1 8 ．4 6 1 0 62 08 1 0 56 1 0 3 5 椭 堡垒丝盎垒五丝 2 4 0O ．2 88 6 1 0 6 3 0 1 ．2 6 1 0 51 1 0 4 椭 表中％、％一左右电机额定转矩，N m ； ，。以一左右激振器阻尼系数，N m s ／r a d ； K 。、恐一左右扭轴刚度系数，N I n ／m d ； 五以一左右扭轴阻尼系数，N m s ／r a d ； 疋、K 一减振弹簧水平、竖直刚度系数，N ／m ； 六Z 一减振弹簧水平、竖直阻尼系数，N s ／m ； 妒小妒也一左右转子初始相位角，r a d 。 仿真时初始状态下左右激振器转子非对称放 置，相位角相差1 8 0 度。在相同的转速下，设置左边 电机驱动转矩大小是右边电机的9 2 ．8 6 ％。 3 ．1 机体的戈轴向水平振动、竖直振动和z 轴扭转 角速度 设备从启动到稳定过程其实就是实现能量分配 过程。根据机体固有性质和电机驱动机械特性，在 电机启动转矩作用下转子转速逐渐增大，驱动转矩 也慢慢增大，机体各自由度振动随之增大；随着转子 万方数据 兰Q Z 生箜 塑鋈国栋等基于A D A M s 振动破碎机工作特性的研究 ．5 7 ． 转速增大，驱动转矩经过最大转矩状态后迅速减小， 达到与负载力矩动态平衡状态，此时转子转速稳定 在12 0 0r ／m i n 左右，同时机体也实现了自同步稳定 运转。如图3 至图5 所示，样机稳定运转实现时间 为3 ．5s 左右，稳定后机体水平振幅趋近于0 ，竖直 方向振动稳定，经测量幅值在3m m 左右。 图3 机体∞轴向水平振动 F i g ．3F m m eh o I i z o n t a lv i b r a t i o no nx a x i s O ．4 1 ∞ O ．2 oO ．0 魁 蚓一0 ．2 姬 一0 ．4 图4 机体竖直振动 F 培．4 F r a m ev e n i c a lv i b r a t i o n 枷 | j I I L r ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ Ol2345678 时间，s 图5 机体z 轴角速度 F i g ．5 F r a m ea n g u l a rV e l o c i t yo nz a i s 图3 至图5 还可看出，机体启动到稳定运转过 程中会经过若干个共振区，共振区中机体各自由度 幅值迅速增大，导致机体不稳定性增加，但随着机体 快速越过共振区后，机体水平振动、摆动逐渐趋于稳 定 零值附近 ，达到了自同步稳定运转，实现时间在 3 ．5s 左右。 3 ．2 两激振器转子的同步稳定性 两激振器转子转速在电机驱动下逐渐增大，经 过若干个共振区，转速波动较大，随后很快实现稳定 转动 见图6 。虽然两转子的工作参数不同，但最 终转速大小趋于相同，转速差经波动后趋于0 。同 理，可仿真得到两转子相位差也逐渐趋于固定值。 因此，两转子在3s 左右实现了反方向相位同步稳定 转动 自同步 ，转速稳定在12 0 0r ／I I l i n 左右。 图6 两转子角速度差 F i g ．6n ed i 如r e n c eo fa n g u l a rv e l o c i t y b e t w e e nt w or o t o r s 3 ．3 工作机构的同步稳定性和相对摆幅 图7 双工作机构摆动相位差 F i g ．7S w i n gp h a s ed i ￡f e r e n c eb e t w e e nt w oj a w s O12345678 时间，s 图8 工作机构出料口处相对摆幅 F i g ．8D i s c h a 昭ep o r ts i z e ∞ 加 0 加 。墨越半 万方数据 5 8 有色金属 选矿部分 2 0 1 7 年第5 期 图7 和图8 看出，虽然双工作机构驱动、刚度和 阻尼等振动参数不同，但经过共振区后，系统稳定工 作，工作机构摆动仍然同步。即工作机构在4s 左右 达到同步摆动，相位差趋于0 ，出料口位置处相对摆 幅约为4 0m m 。 3 ．4 工作机构齿板上端点和下端点的运动轨迹 由于机体很快达到稳定运转且双工作机构同步 摆动，故只需研究单边工作机构点的振动特性。 见图9 和图1 0 ，通过建立仿真测量，得到机体稳 定后A 点水平振幅玩 5 ．1m m ，竖直振幅峨， 7 ．2m m ；C 点水平振幅也 1 5 ．1m m ，竖直振幅巩 5 ．4m m ；c 点水平速度幅值K ； 18 8 0m I n ／s ，竖 直速度幅值k 6 6 4m - n ／s 。行程特性值a 巩，／‰ 1 4 ．1 ，G 。 巩／以 0 ．3 6 。 与传统颚式破碎机不同，振动破碎机破碎原理 和结构特性决定了破碎腔上部齿板对物料冲击作用 较小，且齿板点行程特性值较大，故较多能量用于下 料；破碎腔下部齿板冲击作用较大，为破碎主工作 区，又由于机体的竖直振动对机体排料特性有重要 作用，因此下部齿板点行程特性值可以较小，更多能 量用于冲击破碎，且适当减少了下部齿板的磨损。 图9A 点运动轨迹 F i g ．9 T r a i lo fp o i n tA } 一袅妄∥ ．矽 謦∥ 弋 一2 0一1 51 0一5051 0 水平位移／m m 图1 0C 点运动轨迹 F i g ．1 0 T r a i lo fp o i n tC 图9 和图1 0 分析得出，根据激振器转子实际转 向 左顺右逆 ，左齿板各点按椭圆轨迹顺时针方向 运动，假设从椭圆左下方开始运动，对该椭圆轨迹求 导d ∥以可知，工作行程中起初齿板点水平行程较 竖直行程变化慢，实现对物料的压实，随后水平行程 逐渐变快，竖直行程变慢，实现对物料的破碎；当齿 板达到右上方位置时，工作行程结束，开始回程，回 程中，起初竖直回程较水平回程变化快，此时工作机 构夹紧已破碎物料快速向下运动，逐渐地水平回程 加快，竖直回程减慢，工作机构快速张开，排出物料。 倘若将两转子左逆右顺转动，破碎情形则相反，但破 碎和排料效果会差一些。因此前者更为合理，实现 了快速有效地破碎和排料，也符合实际应用情况。 4结论 1 阐述了振动破碎机工作原理和工作特性，通 过A D A M S 建立了G Z P l 4 5 型振动破碎机整机的动 力学仿真模型，合理进行简化和添加约束及驱动，合 理设置参数，实现了仿真的可靠性。 2 根据影响该型号破碎机自同步稳定性的关键 性因素，确定了有关破碎机的主要工作特性指标。 在空载工况下对机体的主要工作特性指标进行了仿 真分析，初步得到了整机的空载工作特性，验证了振 动破碎机的自同步稳定性。 3 本研究仅在空载工况和一组工作参数下进行 工作特性的仿真分析，负载工况和不同参数组下机 体的工作特性并没有研究，故振动破碎机工作特性 的全面掌握还需进行更深入地研究。 参考文献 [ 1 ] 夏晓鸥，孙锡波，唐威，等．层料粉碎、多破少磨与惯性 圆锥破碎机[ J ] ．金属矿山，2 0 0 9 7 7 9 - 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