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新型低矮式破碎机的虚拟设计与运动仿寅 木屑颗粒机|秸秆颗粒机|秸秆压块机|木屑制粒机|生物质颗粒机|富通新能源 / 15-07-17

0、引言
    低矮式破碎机是新一代高效节能的新型颚式破碎机,具有理想的动颚轨迹,该设备具有外形低矮、破碎比大、衬板磨损低、处理能力大、能耗低等显著特点,它的问世受到了市场的普遍关注,并提出了各种犁号的需求。
     本文以PEQ400×600低矮式破碎机为例,探讨在Solidworks软件环境下,对整机进行三维实体建模、虚拟装配、动态模拟、干涉检查、运动仿真、分析动颚的运动轨迹,以期实现在Solidworks软件环境下的低矮式破碎机的虚拟样机设计。
1、低矮式破碎机的虚拟模型设计
    在低矮式破碎机的结构设计中,最困难、最繁琐的工作就是运动机构的设计与运动轨迹校核。目前主要采用的轨迹图法或根据几何约束条件建立方程组来求解,但这种设计比较麻烦,且设计工作不直观,设计结果不尽人意,而利用三维设计软件Solidworks能较好地解决上述问题,首先建立零件的三维模型,进行虚拟装配,然后运用工具栏下的零部件旋转和移动,对原动件进行旋转,检查运动部件中有无干涉,运动部件可否达到要求,就像一台真正的破碎机在人们面前运动一样。
    (1)零件设计建模
    利用拉伸、阵列、切除、扫描、镜像等特征,建立低矮式破碎机主要零件的三维模型,包括动颚、定颚、机架、轴承、轴承座、肘板、密封圈等100多个零件。因电机、减速器等为选购件,在设计时没有建立这些零件的三维模型,仅建立低矮式破碎机主机上零件模型。在建模过程中,充分利用参数化尺寸、方程式、共享数值、配置、派生零件等设计技术,便于虚拟装配时对结构不合适零件进行修改。
    (2)虚拟装配
    破碎机的虚拟装配采用自下而上的装配形式。整机用到的零件很多,为了使装配紧凑,在组装前,将某些相对固定配合在一起的零件先组装成部件。在低矮式破碎机的装配过程中,有动颚、定颚、机架、偏心轴等部件,肘板、飞轮、皮带轮、弹簧、轴承端盖等主要零件及一些螺母、螺钉、密封套等小零件。这些零部件都在整机装配前建立好三维零件和装配好各部件模型。然后利用零件(部件)的平移、旋转、重合(共面、共线、共点)、同心(同轴)、垂直、平行、夹角等装配约束关系,通过对零件之间添加装配约束使设计好的所有零部件装配在一起。
2、运动仿真的实现
2.1零部件分类
    利用SolidWorks软件完成破碎机装配体设计后,可以对其进行运动学分析和动态仿真。在仿真之前,必须在零部件中确定运动部件和固定部件,将固定部件拖动到Ground Pans目录下。余下的就是运动部件放在Moving Parts目录下,在破碎机仿真中,Cround Parts有定颚、轴承座、机架部件、螺栓等.Moving Parts包括动颚部件、偏心轴部件、肘板、皮带轮、飞轮等,也可以在进入Motion时,选择自动零部件分类,计算机按照装配时的装配关系决定运动部件和固定部件。
2.2约束的添加
    约束的添加取决于零部件的装配关系,添加约束时必须知道约束跟自由度的关系,即约束限制的自由度。当所有的约束添加完后,必须和实际中机械系统运动相同,既不能过约束,导致机械系统不能运动,也不能少约束,使机械系统不能按一定规律运动。
    添加约束时,应该逐步地对构件施加各种约束,并且经常对施加的约束进行试验,检查是否有约束错误,注意约束方向是否正确,错误的方向可能导致某些自由度没有被约束,或者约束了不应该约束的方向,注意检查约束类型是否正确,检查模型系统的自由度。
    在破碎机系统中,添加的约束有50多个,其中铰链约束、圆柱副最多。破碎机的约束类型取决于破碎机装配时的约束关系,如同轴关系在约束中就添加为圆柱副约束。在破碎机中,动颚与肘板之间的约束为铰链约束,弹簧和拉杆之间为圆柱副约束,偏心轴和机架为圆柱副约束,动颚与偏心轴之间为圆柱副约束。
2.3运动的获得
    在Motion中,定义一个系统的运动是靠定义一个约束的运动来获得。在约束中,如果不是固定约束,总有一个或几个自由度没有约束,而在这些自由度上就可以添加运动来约束自由度。
    在破碎机中,破碎机的动力是通过电机获得的。电机的运动带动皮带轮的转动,而皮带轮是用键跟偏心轴固定在一起,因此,给予皮带轮的运动就等同于给偏心轴的运动,破碎机的机架是固定的,于是,就可以在偏心轴和机架的圆柱副约束上添加沿Z轴的旋转运动。偏心轴的转速是匀速转动,如型号PEQ400×600的中碎破碎机,偏心轴转速为300 r/min,即l 800( o)/s,添加此转速到偏心轴上。设定仿真的时间和仿真的帧数等参数后,由AVI动画可以看到,皮带轮带动破碎机运动,动颚向定颚做挤压运动,同时,还做上下来回的往复运动。排料口随着动颚的运动由宽到窄、由窄到宽的变化,符合破碎的实际情况。
2.4仿真结果分析
    (1)动颚运动轨迹曲线分析
    获得运动仿真的轨迹是对仿真结果进行分析的有效手段之一。在低矮式破碎机中,动颚的运动轨迹是设计中至关重要的部分,它对破碎机的生产率、动颚衬板的磨损、破碎效果、破碎机受力以及机体外形尺寸和重量等都有影响。
    在仿真时,为了研究各点的轨迹,可以在动颚齿板上从进料口到排料口自上而下的选取均匀分布的5个点进行分析,如图2所示。各点行程与运动轨迹见表1。
    由表1可以看出,动颚齿面上部是极度扁平
椭圆,逐渐到动颚下端为近似的椭圆。动颚齿面水平行程和垂直行程分布规律为:水平行程变化不大,一般为偏心距的近2倍;垂直行程,是从动颚上部较小,逐渐到动颚下端较大,垂直行程最大值,一般约比偏心距的值略小。
    分析运动轨迹可知,低矮式破碎机由于水平行程大,能实现强力破碎和喂料作用;垂直行程小,可使齿板磨损大大减少。该机型破碎机具有良好的运动特性。
    (2)质心速度曲线
    以动颚部件的质心作为研究对象,分析动颚部件的运动,如图3所示,从图中可以看出,X和y方向的速度是不同步的:当X方向速度为最大值时,y方向速度接近为零;当X方向速度为零时,方向速度接近为最大或最小值;X方向和y方向的速度总是接近相差一个相位。由于偏心轴给定的速度是一圆周角速度,是周期性的,所以,从动件的速度变化也是周期性的,从图中可以看出,动颚部件质心X方向的速度最大值和最小值在正负每±0. 407 m/s左右。y方向的速度最大值和最小值在±0. 168m/s左右,从速度的大小可以得出,在动颚部件的质心处,动颚的运动轨迹并不是一个圆,而是一个椭圆,X方向的行程比y方向的行程要大。
图3动颚部件质心的J和y方向速度曲线图
(3)质心加速度曲线对于动颚部件来说,在破碎机运转时会产生很大的惯性力,这种惯性力将在机器各运动副中引起一种动压力,因而会增加运动副中的磨损,影响构件的强度,降低机器的效率。此外,由于惯性力的大小和方向周期性变化,将使机器及其基础发生振动和偏心轴不均匀性回转。因此有必要获取动颚部件质心的加速度,为后续动力学分析提供依据。动颚部件质心的加速度曲线如图4所示。
3、结语
    制作一台大型物理样机要花费大量的人力和财力,且周期较长。应用虚拟设计技术,可以使研发周期大大缩短。合理运用三维设计软件的动态仿真技术,可以使设计工作更为直观、准确和快速,从而提高设计效率,避免传统设计中的“试验修改”环节。
    本文以Solidworks软件为设计平台,对新型低矮式破碎机进行了虚拟建模,虚拟装配,并进行了运动仿真,仿真结果显示该机型破碎机具有良好的运动特性,其水平行程大,能实现强力破碎和喂料作用;垂直行程小,可使齿板磨损大大减少。
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