基于动力学的反击式破碎机反击板强度分析.pdf

2 0 1 5 年第2 期有色金属 选矿部分 7 9 d o i 1 0 3 9 6 明j s s n ．1 6 7 1 9 4 9 2 ．2 0 1 5 ．0 2 ．0 1 8 基于动力学的反击式破碎机反击板强度分析 王顺凯，李叶林，马威，耿晓光 北京科技大学机械工程学院，北京1 0 0 0 8 3 摘要反击式破碎机在工作时，被破碎的物料受到转子的冲击后，以很高的速度与反击板发生碰撞。采用A N s Y s 对 物料与反击板的碰撞过程进行动力学仿真。分析在碰撞过程中反击板应力的变化情况和物料的运动情况，为反击板强度方面 的设计与物料破碎过程的研究提供理论依据，并且对反击式破碎机的实际生产具有一定的指导作用。 关键词反击式破碎机；动力学仿真；反击板；碰撞过程 中图分类号，I D 4 5 l ．6 ；T H l l 4文献标志码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 i 5 0 2 - 0 0 7 9 埘 S t 弛n g mA n m y s i s0 fI m p a c t 矾a t ei nI m p a c tC r u s h e rB 嬲e do nD 】门删m i 璐 W 么ⅣGS 吼J c 口f ，工J 蹦i n ，皿AW a ，a 瞄硷Ⅺ口0 哪砌凹 蜘Zo 厂M k m z c 越E n 驴，l ∞r E 叼，【h t l ，e 悠i 妇。厂I s c 面P n c e 册d ‰ 加Z o 咧B e 鳓叼， 彬叼J D D 0 韶，既Z 眦 A b s t r a c t W h e nt h ei I n p a c tc m 8 h e ri sw o l k i n g ， t h em a t e r i a l b e i n gc n l s h e d 诚Uc o u i d ew i t h 出e i m p a c tp l a t e a ta h i g hs p e e db y t l l es h o c ko fr o t o r ．W ec a r r yo u td y n a m i c ss i m u l a t i o no ft h ec o l l i s i o n p r o c e s so fm a t e r i a la I l di m p a c tp l a t eb yA N S Y St oa n a l y z et h ec h a n g eo fs t r e s s o f i m p a c tp l a t e a n dt h e m o v e m e n to fm a t e r i a l ．I t p m 、r i d e st l l e o r e t i c a l b 鹊i sf o rt l l e s t u d yo fs t r e n 殍hd e s i g no fi m p a c tp l a t ea n d c m s h i n gp m c e s so f 眦t e r i a l ．A n di ta l s oc a no Ⅱ．e rs o m eg u i d 粕c eo nt } l e a c t u a lp m d u c t i o no fac m s h e r ． K e yw O H b i m p a c tc m s h e r ；d y l l a r I l i c ss i m u l a t i o n ；i m p a c tp l a t e ；c o l l i s i o np r o c e s s 反击式破碎机是在锤式破碎机的基础上发展起 来的一种新型高效的破碎机，被广泛地用于矿山、 冶金、建筑和化工等行业。其工作原理是利用高速 回转的转子对物料进行冲击，受冲击的物料获得巨 大的能量，经过反击板反弹与物料之间的相互碰撞 进行破碎。上述过程反复进行，直到粒度合格的物 料从排料口排出[ - | 。 在破碎机工作过程中，反击板不断受到物料的 冲击，作用在反击板每个瞬间的载荷不等，加上反 击板体的形状复杂，在实际设计中无法计算反击板 各处的受力情况。针对国内某型号的破碎机，对物 料与反击板的碰撞过程进行动力学仿真，模拟物料 与反击板的碰撞过程，对反击板受力的变化和物料 与反击板碰撞前后的运动情况进行分析。 料组成，其结构如图1 所示。 图1反击式破碎机破碎系统 F i g ．1I m p a c tC 1 1 l s h e rc m s h i n gs y s t e m 1 碰撞过程的动力学仿真 1 ．1 建立碰撞模型 反击式破碎机的破碎系统由转子、反击板、物为了研究反击板在工作过程中应力变化的情 收稿日期2 0 l 伽5 1 4 修回日期2 0 1 5 - 0 1 - 0 8 作者简介王顺凯 1 9 8 9 一 ，男，河南郑州人，硕士研究生，主要从事矿山机械的设计与分析方面的研究工作。 万方数据 8 0 有色金属 选矿部分2 0 1 5 年第2 期 况，将物料与反击板碰撞的过程看成一个瞬时冲击 的问题来研究。因为在破碎过程中一级反击板受到 的冲击力最大，对其强度要求比较高，所以仅对一 级反击板的碰撞过程进行分析。图2 为一级反击板 的具体结构，其中反击板的安装销与拉杆组件都是 安装在破碎机的外壳上的，在正常的破碎过程中反 击板是固定不动的。 图2 反击板结构 F i g ．2 B a c kp l a t es t I u c t u r e 在实际破碎过程中，物料与反击板的碰撞过程 相当复杂。为了方便研究，假设被破碎的物料为直 径3 0 0m m 人料口尺寸 球形石块，并且与转子 碰撞后不发生破碎而直接冲击反击板。根据反击式 破碎机的破碎原理，要求被转子冲击后的物料尽可 能与反击板发生正面碰撞，以达到最好的破碎效 果，所以此处认为石块的飞行轨迹与反击板各平面 垂直。 考虑到反击板的宽度为10 0 0m m ，并且反击 板每个折线的长度为3 0 0m m 左右，所以在仿真过 程中假设9 个石块一起与反击板发生碰撞[ 2 】。为 了简化计算，取出整个模型的1 ，3 作为研究对象， 利用A N S Y SW o r k b e n c h 建立瞬时冲击动力学模型， 对其碰撞过程进行研究，其有限元模型如图3 所示。 1 ．2 材料属性及边界条件 建立完冲击模型后，首先对受转子冲击后石块 的飞行速度进行计算。假设板锤与石块发生完全弹 性碰撞，根据动量定理可知 m l 秽l m 猡2 - m l m 2 秽 1 其中m ，、弛为石块与板锤质量，秽。、口、移分 别是进入破碎腔后石块的初速度、板锤外端圆周速 度、碰撞后石块速度。 考虑石块从人料口进入破碎腔时，其速度和能 图3 石块与反击板的冲击模型 F i g ．3 S h o c km o d e ls t o n e sa n db a c kp l a t e 量都比较小，该部分能量相对于岩石受转子冲击后 获得的能量可忽略不计，所以认为是静止的石块受 到板锤的冲击，即口。 0 。 由式 1 可得 口 』塑L 2 ，n l ，n 2 通过比较被破碎的石块的质量约为板锤质量的 1 ／1 0 ，所以勘 0 ．9 l 移。本次研究的破碎机的转子半 径为6 5 0m m ，转子额定转速7 8 0r ／I n i n ，可以得 到板锤外端的圆周速度口。综上所述可以得出钐 2 5n 以。 下面对有限元模型进行计算，首先确定各部位 材料的属性，其反击板基体与支撑板的材料选用 Q 3 4 5 结构钢，耐磨衬板的材料为K m r I B C ‰耐磨钢， 选取的石块为花岗岩，其具体参数如表l 所示。 表1 7 r a b l e1 材料属性 M a t e r i a lP r o p e n i e s 反击板基体 2 ．7 5 x 1 舻O ．2 7 耐磨衬板 2 ．7 9 1 舻O ．3 石块5 ．5 1 0 ．0 ．3 79 8 0 77 0 0 27 0 0 8 2 0 8 5 0 1 3 0 在设定好各部件的材料之后，采用六面体对有 限元模型进行网格的划分，具体位置进行细化[ 3 】。 下面对碰撞模型施加约束与边界条件[ 4 】。由 于在碰撞过程中反击板是固定不动的，所以对反击 板基体与支撑板表面上的所有节点施加完全约束。 然后定义耐磨衬板与支撑板之间为主从面接触，其 静、动摩擦系数为0 ．1 5 。最后定义三个石块分别以 2 5I I l ／s 的速度垂直冲击反击板。 万方数据 2 0 1 5 年第2 期王顺凯等基于动力学的反击式破碎机反击板强度分析 8 1 2 仿真结果分析 2 ．1 反击板应力分析 由于石块与反击板发生碰撞的时间很短，在计 算时定义石块与反击板接触瞬间为0 时刻，并设定 截止时间为2m s 。图4 为石块与反击板碰撞过程 中，反击板受到的平均等效应力变化曲线。由图可 知石块与反击板碰撞0 ．4 0 0 5 9m s 时其等效应力达 到极值。所以选取该时刻的应力云图可以用来校核 反击板的强度是否满足要求【5 ] 。其应力云图如图 5 所示，出现最大应力的部位在反击板基体上，最 大应力值为7 6 7M P a ，小于反击板基体材料的失效 应力，所以可初步判断其强度满足设计要求。 O 20 4O ．6O ．81 ．O1 ．2 1 ．4 1 ．6 1 ．82 ．O 碰撞时间／m s 图4 反击板平均等效应力曲线 F i g ．4 B a c kp l a t ea v e r a g ee f f e c t i v es t r ℃s sc u r v e 图5 受力最大时刻反击板应力云图 F i g ．5 r I I l e b i g g e s tm o m e n t sc o u n t e r a t t a c k f o r c ep l a t es t r ．e s sc l o u d 另外针对应力较大的区域选取3 个测试点 见 图6 ，施加检测探针，对各点的应力变化过程进 行分析，其结果如图6 所示。其中1 、2 两点为反 击板基体两端的顶点，其应力情况决定反击板的工 作性能。由图可知1 、2 两点的受力均小于材料的 失效应力，并且在碰撞过程中到达最大应力的时间 极短，其平均应力不大，证明这两个地方应力集中 不明显，设计比较合理。但是测试点3 位置的最大 应力偏大，说明应力集中比较严重，在反复的碰撞 过程中，会降低反击板的疲劳强度。所以应该对此 处进行优化，比如增大圆角或是在设计时增加此处 的厚度以减少应力集中。 以上主要对反击板基体的应力进行分析，下面 研究反击衬板在碰撞过程的受力情况。其受力较大 的地方就是与岩石碰撞的位置，并且应力均小于2 0 0 M P a ，说明反击衬板的强度满足破碎过程的要求。 蛊 善 R 酱 图6 测试点位置 F i g ．6 T e s tp o i n tl o c 撕o n 碰撞时间／m s 图7 测试点应力变化曲线 F i g ．7 S 吮s st e s t 耐n tc u n r e s 通过对碰撞过程中反击板各部位受力进行分 析，可以得出，在石块冲击反击板时，主要承受冲 击力的部位为反击板的基体。所以在设计时反击板 基体强度必须达到设计要求，并且应尽量地避免应 力集中，以提高反击板的使用寿命。在实际生产过 程中，耐磨衬板与石块发生直接碰撞，磨损严重， 需定期更换。在更换衬板的同时，应对反击板基体 应力较大危险点进行检查，一旦出问题，应及时修 复或更换，防止反击板基体因疲劳失效造成事故。 ∞加加∞踮∞加∞∞∞ 8 7 6 5 4 4 3 2 l 万方数据 8 2 有色金属 选矿部分2 0 1 5 年第2 期 2 ．2 碰撞过程中石块的运动 另外对石块碰撞前后的飞行速度进行分析，其 速度随碰撞时间的变化曲线如图8 所示。在图中可 以看出其速度为零的时间为0 ．4m s 左右，这也是 反击板受到最大平均等效应力的时间。在此之后石 块以较高的速度被反弹回去，其动能损失仅为 2 0 ％，即在碰撞过程中石块只有少部分的动能转化 为了破碎能，而被反弹回去的石块会与后续的石块 发生高速碰撞，达到更好的破碎效果。 。 i 分裂反弹阶段 一j ‘／碰撞阶段 7 对碰撞过程中石块的运动情况进行分析，说明 了反击式破碎机中物料的破碎形式主要是靠物料之 间的相互碰撞与摩擦[ 引。而转子与反击板虽然对 物料有破碎效果，但是其主要作用是为物料的破碎 提供动力与破碎路径。 经以上对物料破碎过程的分析，在设计破碎机 时，应当重点考虑如何延长物料的反击路径与提高 物料之间的碰撞效果。并且在实际生产过程中，合 理的给料速度 单位时间进人破碎机人料口的石块 质量 也是影响破碎机生产效率的重要因素。如果 给料速度过低，同一时刻破碎腔中的石块过少，会 降低石块间的碰撞机会，影响破碎效率。但如果给 料速度过快，破碎腔内的物料过多，影响石块间的 碰撞效果，所以在实际生产中应根据转子的转速和 破碎腔的大小确定破碎机给料设备的给料速度，以 提高破碎机的生产效率。 3 结论 1 通过对石块与反击板冲击碰撞的过程进行 动力学仿真，得到了反击板各部位受力情况，验证 了其整体强度满足设计研究。同时选取反击板上的 三个关键点，分析各点在碰撞过程中的应力变化情 况，为反击板结构的设计与优化提供依据。并对 实际生产过程中反击板的检修和维护有一定的指导 作用。 2 对碰撞过程中石块的运动情况进行分析， 证明了在破碎过程中，石块之间的自由冲击破碎为 破碎过程的主导，并指出合理的给料速度对破碎机 生产效率有很大影响。 参考文献 [ 1 ] 李治，郭铮．反击式破碎机主要参数的确定[ J ] ．有 色金属 选矿部分 ，2 0 l l 1 6 7 棚． [ 2 ] 王庆，张以都，张海，等．动力学仿真在反击式破碎 机设计中的应用[ J ] ．武汉理工大学学报，2 0 0 6 ，2 6 1 1 0 l 1 0 3 ． [ 3 ] 徐锋．反击式破碎机破碎腔关键部件结构计算及优化 分析[ D ] ．南京南京理工大学，2 0 0 7 ． [ 4 ] 张海，李森．反击式破碎机冲击破碎力有限元仿真 分析[ J ] ．机械设计与制造，2 0 1 2 8 2 l 一2 3 ． [ 5 ] 赵丽梅，陈伦军，张大斌，等．反击式破碎机转子的动力 学分析[ J ] ．矿山机械，2 0 1 2 1 0 7 0 7 2 ． [ 6 ] 郎宝贤，郎世平．破碎机[ M ] ．北京冶金工业出版社， 2 0 0 8 2 3 2 2 3 5 ． 2 0 0 O 0 0 O O 弦，● 一之。 一。。女一越制譬一也长k照卷 万方数据