基于SolidWorks的固定式破碎机设计验证一体化研究

固定式破碎机主要应用于各类矿山和采石场破碎机的入料口或格筛处，进行大块物料的二次破碎，也可用于冶炼厂对钢包和冶金炉进行打壳拆包等处理。本文采用三维软件SolidWorks对某型号固定式破碎机进行三维建模，并利用无缝插件Motion和Simulation对工作装置整体进行了运动学、动力学、静力学和模态的分析。整个分析过程是相互关联的，并得到了与实际相符的计算结果。为提高设计水平，解决同类产品一些共性问题提供了具有参考价值的分析方法。

　　一、虚拟样机的建模和仿真

　　1.三维实体建模

　　固定式破碎机工作装置主要由底盘、回转机构、动臂、斗杆、连杆、摇杆、液压锤、动臂油缸、斗杆油缸和转锤油缸等部件组成，以某型号型固定式破碎机为例，采用SolidWorks2010对工作装置主要部件进行三维建模，然后根据结构特点和功能要求，用内嵌的装配方法将各零部件装配起来，可以得到整体装配模型，结合仿真需要，将工作装置调整到合适的初始位姿(本文研究初始位置选用各油缸全缩状态)，如图1所示。

　　2.仿真平台

　　SolidWorks Motion是与SolidWorks 2010软件无缝集成的全功能运动仿真软件，Motion可以提供运动机构所有零部件的运动学性能(包括位置、速度和加速度)和动力学性能(包括接点反作用力、惯性力和功率要求)的完整量化信息。由于Motion和SolidWorks的无缝结合，不用耗费更多的时间就可以获得运动模拟结果，同时由于执行运动模拟所需的所有内容都已在CAD装配体模型中定义好了，只需将它们传输到运动模拟程序即可。Motion还可用于检查干涉，冗余约束检查和消除。通过仿真得出各零部件的运动情况，包括位移、速度、加速度和作用力及反作用力等，并以动画、图形和表格等多种形式输出结果，以满足用户对运动仿真分析的诸多需求。

　　Simulation是一套强大的有限元分析软件。能对用SolidWorks设计的实体模型进行静态、热力、振动频率、疲劳、流体和扭曲等多项工程分析，也可以进行优化设计和非线性分析，是目前流行的CAE软件。

　　3.仿真工况

　　根据实际工作情况设定某型号型固定式破碎机的工作仿真时间为28s，采用Solidworks motion插件中内嵌的阶跃函数STEP(TIME,t1,x1,t2,x2)按照各油缸工作顺序、油缸直径大小确定每阶段的时间分配，通过马达模块控制各油缸伸缩的位移，从而驱动液压锤锤尖实现期望的运动。为了获得工作范围的包络图、各构件的运动学和动力学特性，只需给出其在X-Y 面的仿真结果(马达旋转不作考虑)，将各部件重力加入后，通过函数表达式即可实现对整个工作过程的仿真。

　　通过motion动力学仿真，可以适时地分析各工况的受力情况，确定各部件出现危险工况的位置。本文在此基础上利用Simulation软件进行了工作装置整体静力学与模态的分析。

　　二、仿真分析

　　1.运动学仿真分析

　　当工作装置以一定的形式运动时，其速度、加速度与各油缸伸缩的速度和加速度有着严格的依赖关系，在进行运动控制时，将实现给定的打击部件位置和速度信息变换为各油缸伸长的控制指令，从而驱动打击部件实现期望的运动。因此当工作装置的结构尺寸及油缸铰点已经确定时，工作范围主要取决于各油缸选型尺寸。运行仿真打击部件的运动轨迹如图2，该图也表示出了整个装置的运动极限包络图。在结果中可以得出各点的速度、位移和加速度等运动学相关特性参数曲线，并可以输出到Excel中处理，图3为锤尖在XY平面的位移曲线。

　　2.动力学仿真分析

　　对于工作装置中各部件的受力(例如液压缸的推力的计算)，目前多采用轨迹图法或根据几何约束关系建立力学方程组进行求解，计算起来不仅要耗费大量人力物力，而且结果比较粗糙。运行仿真后，以油缸为例，从图4中可以直观地看出工作装置在动作过程中，对应的每一时刻各油缸的受力状况和极值出现的位置，从而为液压系统和控制系统设计，以及极限工况下相关构件的强度校核和改进设计提供了参考依据。除液压缸的受力外，还可以根据动力学仿真结果，得到各关键点的受力特性，为后面各部件转入Simulation中做有限元分析提供依据。

　　3.静力学分析

　　对于不同工况，根据工作装置承受载荷的不同，有限元分析结果也存在差异。本文以最大打击半径工况为例，利用Simulation对工作装置进行装配体静力学分析。通过软件的仿真运算后可以得出整个工作装置的应力、应变、位移和安全系数图解，如图5。从图中可以方便地得出该状况下最大应力为42.8MPa，最大位移为5.4mm以及最小安全系数为5.8。本工作装置主要采用不同厚度的16Mn钢板焊接而成，材料弹性模量为2.06x106MPa，泊松比0.3，屈服极限为345Mpa;最大应力均小于材料许用应力，满足强度条件，符合设计要求。

　　4.模态分析

　　由于固定式破碎站工作中存在振动不稳定的情况，在设计时必须对其进行模态分析，模态分析的主要任务是研究无阻尼系统的自由振动，特别是确定结构的固有频率，可以有效通过改变构件质量或形状避开这些频率或最大限度地减小在这些频率上的激励，从而消除过度疲劳或损坏。

　　在Simulation中选择频率分析算例，并定义各部件的材料属性和边界条件，运行后，程序给出频率及振型图，图5为上述工况状态下的前四阶振型图，从放大比例的振型图中可以看出，工作装置的一阶模态振型是在XZ水平面内的弯曲变形，二阶模态振型是在XY垂直面内的弯曲变形，三阶模态振型是自身的扭转变形，四阶模态和五阶模态振型表现为结构的不同部位出现鼓起状振动，表现出系统的空间固有特性。

　　振动可以表达为各阶固有振型的线性组合，其中低阶自振频率所引起的共振往往引起结构较大的应变和应力集中，高阶的影响则很小，因此我们选取前4阶模态来分析，图6为上述工况下的前4阶振型图。从图中可知1阶固有频率为5.76Hz，2阶固有频率为9.48Hz，3阶固有频率为32.4Hz。4阶固有频率为36.5Hz。由于此工况下破碎机马达转速为6～60r/min，其频率为0.1～1Hz;破碎站电机的转速一般为1460～1470r/min，频率为24.4Hz左右，可以得出前4阶固有频率与马达和电机频率没有产生耦合，不会发生共振破坏。

　　三、结论

　　本文利用SolidWorks 2010软件中嵌入的插件Simulation和Motion对某型号型固定式破碎机进行了三维建模、运动仿真和有限元技术的分析，整个过程是相关联的。分析过程中所做的修改都会自动映射到仿真模型和工程图中，大大节省了分析时间。并在理论分析和实际相结合的基础上对仿真的结果做出正确评估，得到的相关数据对设计工作具有重要的指导意义。通过在产品开发过程中使用SolidWorks相关软件，将CAD和CAE技术有机的结合起来，提高了产品的设计质量，减少试验环节， 缩短设计周期，产生了显著地经济效益。