新型外动颚破碎机的理论研究(上)——新型外动颚破碎机虚拟样机的技术研究.pdf

2 2 有色金属 选矿部分2 0 0 7 年第4 期 新型外动颚破碎机的理论研究 上 一新型外动颚破碎机虚拟样机的技术研究 饶绮麟，张峰 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要O r 绍了在新型破碎设备的开发中，采用现代先进的设计与研究方法数字化技术、虚拟样机、动态设计 等进行理论研究，创建新型外动颚破碎机虚拟样机，进行虚拟样机运动学和数值仿真研究，对新型外动颚破碎机进行模 态分析和振动试验，主要零件进行有限元计算，采用摆动力最优动力平衡法对偏心四杆机构进行动力平衡问题的研究， 在理论指导下对新型外动颚破碎机进行创新设计。 关键词外动颚破碎机；机构；虚拟样机；动态设计；动力平衡 中图分类号T D 4 5 1文献标识码A文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 0 7 0 4 0 0 2 2 0 4 1前言 北京矿冶研究总院在粉碎机构学研究的基础 上，研制出自主创新的新型外动颚匀摆颚式破碎机， 是用于矿物加工及土石质原料加工工业的新一代高 效节能破碎设备。与同型号传统颚式破碎机相比，能 获得动颚理想运动轨迹，生产能力提高1 0 ％、功耗降 低1 0 ％一2 0 ％、外形高度降低2 0 ％、衬板寿命至少延 长3 倍以上、破碎比大2 ～3 ．5 倍，产品的技术性能居 国内外领先水平，经过多年研究，目前已开发出低矮 型、大破碎比型两个系列十几种产品。低矮型特别适 于井下、隧道等空间受限制场所及尖硬物料的地下 强化开采连续出矿、建立移动破碎工厂。新开发的大 破碎比型，设备配置成新的短流程，大大简化和优化 了破碎工艺流程。 在新型破碎设备的开发中，采用现代先进的破 碎机设计与研究方法数字化技术、虚拟样机技 术、动态设计等进行创新设计，大大提高新产品的技 术性能、可靠性和设计水平，提高新产品对物料的适 应性，缩短新产品的开发周期。本文分上、下两篇介 绍新型外动颚破碎机的理论研究，上篇介绍新型外 动颚破碎机虚拟样机的技术研究，下篇介绍新型外 动颚破碎机的动态设计及机构动力平衡研究。 2 新型外动颚破碎机虚拟样机的技术 研列1 卅 传统的产品设计开发模式是实体样机，它不能 在产品的开发设计阶段就对产品生命周期全进程中 的各种因素考虑周全，致使在产品设计甚至制造出 来后才发现各式各样的缺陷，实体样机中任何系统 设计方面的失误都会带来巨大的经济损失。 虚拟样机是2 0 世纪9 0 年代初出现的一种新型 产品设计和过程开发的方法。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，建立起一 个具有高度可视性的物理样机的数字仿真原型，它 是一种基于产品的计算机仿真模型的数字化设计 方法。 本研究在P A l 0 0 1 2 0 破碎机上进行。创建外动 颚破碎机虚拟样机，进行虚拟样机运动学和数值仿 真研究。 2 ．1 新型外动颚破碎机虚拟样机的创建 2 ．1 ．1 新型外动颚破碎机数字化三维建摸 在三维建模软件S o l i dE d g e 的基础平台上建立 了颚式破碎机的三维特征造型。通过零件建模、部件 建模和干涉分析，创建了部件的三维数字模型。图 图1 机架部三维装配模型 F i g 13 Da s s e m b l ym o d e lo ft h eb a s e 收稿日期2 0 0 6 1 0 0 8 修回日期2 0 0 7 0 4 1 6 作者简介饶绮麟 1 9 4 2 一 ，女，江西南昌人，研究员，博士生导师，北京科技大学、中国矿业大学兼职教授。 万方数据 2 0 0 7 年第4 期饶绮麟等新型外动颚破碎机的理论研究 上2 3 1 、2 、3 分别为P A l 0 0 1 2 0 破碎机机架部、可调颚部和 动颚部的三维数字模型。 图2 可调颚部三维装配模型 F i g2 3 Da s s e m b l ym o d e lo ft h es t a t i o n a r yj a w 图3 动颚部三维装配模型 F i g3 3 Da s s e m b l ym o d e lo ft h em o v i n gj a w 2 ．1 ．2V N 仿真模型的建立 在运动仿真软件V i r u a lN a s t r a n V N 的基础平 台上，创建外动颚匀摆破碎机虚拟样机。V N 是集有 限元分析、机构运动学与动力学和可视化技术于一 体的多体系动力学理论开发的虚拟仿真系统。本课 题选择S E 软件进行建模工作。 第一步导人S E 三维模型。 第二步确定仿真模型的基础装配零件。为了建 模装配和修改的方便，需要定义一个基础装配零件。 基础装配零件应该选择物理样机里与地基固定在一 起的较大的那个零件。在本研究中，选择机架部的下 底板作为基础装配零件。 第三步添加原动件。在V N 中提供原动机约束 来模拟实际的原动机。P A l 0 0 1 2 0 破碎机的原动机为 功率1 1 0 k W 、转速2 2 0 d m i n 的电动机，电动机通过 皮带把扭矩传递给皮带轮，带动颚式破碎机的动颚 运动，实现颚式破碎机的周期运动，忽略实际工作过 程中的运动波动因素的影响，则可知该仿真模型的 转速是恒定的，在仿真分析中选择转速恒为2 2 0 d m i n 的原动机约束来模拟电动机的作用。 第四步修改调整约束关系对。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。装配约束对的选择对仿真模型的结果至关重要。 第五步对所关心的变量进行监控输出。 2 ．1 ．3 新型外动颚破碎机虚拟样机的创建 新型大破碎比颚式破碎机是由动力部、机架部、 动颚部、可调颚部、调整部、拉紧部几大部件构成 图 4 。每个部件又由很多的零件构成，各零件之间通过 各种连接方式联系在一起，零件间的连接关系大致 可以划分为固定连接 焊接 、螺栓连接、轴承连接 和机构约束连接四种方式，下面根据这四种连接方 式的特点来确定零件间的边界条件。 动颚部可调颚部机架部动颚边板偏心轴调整部 图4 新型颚式破碎机结构简图 F i g 4 S t r u c t u r eo fn e wj a wc r u s h e r 2 ．1 ．3 ．1 装配约束对的选择 整个机架部除了挂轴、轴承部和肘板座外在运 动过程中都不参与运动，可以认为机架部是与地基 固连在一起的 挂轴、轴承和肘板座除外 ，因此在约 束对选择时，选择刚性铰链进行约束分配。 可调颚部只有可调颚轴参与部件之间的关联， 而其他零件都不参与运动，故选择刚性铰链进行约 束分配。 动颚部是参与运动的重要部件，根据前面的分 析，皮带轮为颚式破碎机提供原动力，故选择旋转原 动件作为皮带轮的装配约束。肘板座与动颚肘板相 连，采取的是机构约束连接，动颚肘板与动颚部肘板 座之间的连接简化为旋转铰链作为它们之间的装配 约束。外轴承与机架部的轴承座相连，轴承座只容许 外轴承绕其轴线作旋转运动，而其它自由度都被限 制，故可以选择旋转铰链约束作为它t f T - - 者连接的 装配约束。 2 ．1 ．3 ．2 运动仿真模型的建立 颚式破碎机的运动可以近似地看作是一个铰链 四连杆机构，动颚边板为连杆，肘板相当于作摆动的 从动件，它们与偏心轮，机架构成了平面四杆机构。 在从S E 导人到仿真软件V i s u a lN a s t r a n 时，V N 万方数据 2 4 有色金属 选矿部分 2 0 0 7 年第4 期 连杆运动方向 ●} ’ 动颚肘板垫 接触点1 动颚肘板 接触点2 下肘板垫 图5 动颚肘板简化图 F i g5d r a w i n go ft h et o g g l ep l a t e 自动为动颚肘板添加了两个约束，一个是与偏心轴 的平面旋转运动 约束2 7 3 6 ，一个是与前肘板垫刚 性铰平移约束 约束2 7 3 4 。把颚式破碎机的运动简 化为铰链四连杆机构，动颚肘板简化为机构中的摆 杆，接触点1 处用一刚性铰链作为动颚肘板与动颚 连杆的装配约束 图5 ；这样这两个约束就可以近 似地仿真动颚肘板的周期摆动运动 图6 。 图6 动颚肘板约束图 F i g6 R e s t r i c t i o no ft h et o g g l ep l a t e 通过对约束的不断更改，直到最终能满足或近 似地满足运动仿真需求，建立起与物理样机相近的 仿真模型 图7 。 图7 新型外动颚匀摆破碎机仿真模型 F i g7 E m u l a t i o n a lm o d e lo ft h en e wj a wc r u s h e r 2 ．2 新型外动颚破碎机虚拟样机的数值仿真 2 ．2 ．1 肘板运动轨迹分析 根据铰链四杆机构的简化，在肘板与肘板座接 触处设置一铰链约束，得到接触中心点的z t 曲线 如图8 所示。 l | l 。篡[ ／／、 翼8 唼而可卜扩亨寸赢 “ 肘板水平坐标／m m 图8 肘板与肘板座约束中心的运行轨迹图 F i g 8M o v e m e n tc u r v eo fg e m e lb e t w e e ne l b o w a n de l b o w s e a t 2 ．2 ．2 彳一t 曲线分析 图8 所示曲线为肘板与肘板座约束中心的轨迹 曲线。从图中可知肘板的运动是一个周期摆动运动， 肘板的运动是从低点运行到一个高点，再运行到一 个次高点；再从次高点运行到高点，从高点运行到低 点的周期摆动运动，且高点左右摆动距离不等，左摆 动距离2 4 ．7 3 r a 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f 青况是吻合的。 2 ．2 ．3 肘板运转周期分析 P A l 0 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8 的z t 可以得出仿真模型 的肘板运转周期为0 ．2 6 s ，误差为0 ．0 1 3 s 。 2 ．2 ．4 肘板摆动角度分析 根据P A l 0 0 1 2 0 的机构参数，理论分析得出的 肘板摆角为5 ．8 5 。，根据对肘板的彳一t 图分析，肘板的 仿真摆角为 舻撇c 。。f 毕 踟c 。。f 毕 3 ．1 0 2 ．0 5 8 0 5 ．1 5 8 0 ，误差为0 ．6 9 2 0 。 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 它运动参数。 2 ．2 ．5 连杆上任意点轨迹仿真分析 图9 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 。 2 ．2 ．6 速度一时间、加速度一时间曲线 图1 0 、图1 1 为肘板铰链中心处的速度一时间曲 线、加速度一时间曲线。 从图1 0 可以分析出肘板的运动表现为水平速 万方数据 2 0 0 7 年第4 期 饶绮麟等新型外动颚破碎机的理论研究 上 2 5 ． x 坐标，m m 阐9 动鬏边板上点的运动轨迹曲线 F i g9 M o v e m e n tc u r v eo fp o i n t so nt h es i d e - p l a t e 表1仿真曲线与理论曲线对比 T a b1 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 点号 X 坐标／m Y 坐标，m 椭圆长轴a ／m m 短轴b ／m m 理} 蠛镑真鏖瑷涂崖仿真瀣溪} 瞪仿真缀淫沧燕傍巍瀣 度最大，垂直方向速度为零，纵向方向速度很小。且 速度变化周期为0 ．2 7 s 。 轶圈1 1 可以看出，水乎加速度最大，没有纵向 方向的加速度，垂戡方向的加速度很小，加速度变化 周期为0 ．2 7 s 。 以上分析表明，仿真分桥值与理论分析结果马 常接近，能够很好地反映理论模型的运动情况。从仿 真摸型获褥的其它运动参数，知任意点处的速度、加 e i 越 镧 0n l0 20 30 40 5 嘶0 70 8 0 911 ．1 1 21 31 - 41 5 时间／s 图l O 肘板铰链中心速度一时闻曲线 F i g1 0V e l o c i t yc u r v eo ft h et o g g l ep l a t e 、萋 籍 曩 0n l0 ．20 30 ．40 50 ．60 ．70 ．8 0 ．911 ．11 ．2 1 ．3 1 ．41 5 时间／s 图ll 肘板铰链巾心加速度一时间曲线 F i g11 A c c e l e r a t i o nC u r v eo ft h et o g g l ep l a t e 速度、位移等参数是可信的。 参考文献 [ 1 ] j E 京矿冶研究总院．“ P A l 0 0 1 2 0 新猁外动颚大破碎比颚 式破碎撬”的硬裁【R 】。2 0 0 6 。 [ 2 ] 陈薪，孙庆红，何杰，等，基于虚拟翻境的机械结构动态 设计方法的研究[ J ] ．制造业自动化，2 0 0 0 ，1 2 2 2 3 6 - - 3 8 ． [ 3 】李瑞涛，方湄，张文鼹，镣。痘拟襻秘技本及冀在矿出耄f l I 械领域的应用展望[ n 矿山机械，2 0 0 0 ， 5 1 1 1 2 ． [ 4 ] 王立权．基予虚拟样机的控制系统仿真研究[ J J ．哈尔滨 工程大学攀摄。2 0 0 0 ， 1 2 3 3 - 3 6 ． T H E O R YS T U D Y0 F0 U T E RM O V I N GJ A 、VU N 邛’0 R MP E N D U L U MC R U S H E R R A Og l i n ，Z H A N GF e n g 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 i j i n g1 0 0 0 4 4 ，C h i n a A B S T R A C 零 A d v a n c em o d e l T lm e a n sa n dr e s e a r c hm e t h o ds u c ha sd i g i t a lt h e h n o l o g y ，v i r t u a lp r o t o t y p e V P ，d y n a m i c d e s i g n i su t i l i z e do nt h e t h e o r ys t u d yd u r i n gt h e C O U T S eo fn e wm o d e le q u i p m e n t ’Sr e s e a r c h ．B a s e do n e s t a b l i s h i n gV Po ft h i sm a c h i n e ，k i n e m a t i c sr e s e a r c ha n de m u l a t i o n a ls t u d yc a l lb ec o u g h t t h r o u g h ，m o d e l a n a l y s i sa n dv i b r a t i o n a lt e s tc o u l db ef i n i s h e d ，a n dt h em a i np a 琏s ’sf i n i t ya n a l y s i sc a nb ec o m p u t e da tt h e s a m et i m e ．R e s e a r c h e do nt h ed y n a m i cb a l a n c eo ft I l ee c c e n t r i cs t r u c t u r e ，t h ee q u i p m e n tc a nb e i m p r o v e d d e p e n d i n go nt h et h e o r ys t u d y ． 、K E YW O 麟o u t e rm o v i n gj a w ；m e c h a n i s m ；V P ；d y n a m i cd e s i g n ；d y n a m i cb a l a n c e 。 3 3 3 3 O 3 3 3 3 4 4 4器豁。嚣嚣饕l； 万方数据